一种垂直腔面发射激光器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及芯片制造技术领域，公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，包括衬底和外延结构，所述外延结构包括依次生长在衬底上的N

【技术实现步骤摘要】
一种垂直腔面发射激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及芯片制造
，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称垂直腔面发射激光器)是光纤通讯所采用的光源之一，也是3D成像模组中的关键器件。它拥有圆形光斑，易于光纤耦合，而不需要复杂昂贵的光束整形系统；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；出光方向垂直于衬底，易于集成二维发光阵列，可在片测试、极大地降低了开发成本等。正是由于上述优点，在宽带以太网、高速数据通信网、光互联和光通信中得到了大量的应用，它广泛应用于3D识别感测及VR/AR等领域。
[0003]在2017年，随着带有3D人脸识别功能的最新一代苹果手机的发布，VCSEL真正进入公众视野。其中实现3D人脸识别的光源为940nm VCSEL，至此，VCSEL的波长研发重点，由以光通信为主的850nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940nm，人们发现在更多的应用场景下VCSEL也有极其优越的表现，例如在AR、VR、汽车智能辅助驾驶和人工智能机器人。
[0004]VCSEL的谐振腔很短，这使作为腔镜的分布布拉格反射镜的对数通常要达到20
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40对才能满足器件激射的需求，当生长DBR的对数较多时，既增大了串联电阻和工艺难度，也不利于器件的小型化，尤其对于P型DBR的高电阻特性和光吸收，严重影响器件性能，所以对P面反射镜进行优化，是提高垂直腔面发射激光器性能的重要途径。近年来，随着加工技术和理论研究的发展，亚波长光栅越来越受到人们的关注，使用亚波长光栅代替VCSEL的P面反射镜，可以达到减少由多层DBR引起的串联电阻高以及吸收损耗大的目的，同时可以提高激光的输出质量，改善VCSEL的偏振特性，满足器件小型化的发展趋势。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，使用亚波长光栅代替VCSEL的P面反射镜，满足垂直腔面发射激光器器件小型化的要求。
[0006]本专利技术通过以下技术手段解决上述技术问题：
[0007]一种垂直腔面发射激光器，包括衬底和外延结构，所述外延结构包括依次生长在衬底上的N
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DBR、有源区、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层，所述部分刻蚀高折射率光栅层上沉积有光学膜保护层，所述有源区、N
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DBR、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层上设置有光学膜层，所述光学膜层上设置有互联金属。
[0008]传统VCSEL通常由N面、P面DBR、有源区和衬底等组成，通过交替生长厚度为λ/4的高折射率层和低折射率层形成DBR。为了实现极高的反射率(一般要大于99％)，DBR的对数通常要达到20
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40对，当DBR对数增大，一方面器件中的串联电阻变大，尤其对于P型DBR，由于空穴具有较大的有效质量，且其迁移率较小，在界面处的同型异质结所具有的势垒较大，
这将引起串联电阻变大和发热严重，从而使器件内部温度升高，改变半导体材料的折射率和禁带宽度，从而影响器件性能。另一方面，较多的生长对数会导致工艺难度和生长成本增加，并且不利于器件的小型化。故从降低串联电阻以及器件小型化的角度出发，对P面反射镜进行优化，是提高VCSEL性能的一个重要途径。本技术方案利用光栅代替P面DBR，可以提高垂直腔面发射激光器性能，且可以减少串联电阻以及吸收损耗，改善VCSEL的偏振特性，满足垂直腔面发射激光器器件小型化的要求。
[0009]进一步，所述光栅基底高折射率过渡层的膜层厚度为200
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500nm，折射率为3.521；所述高折射率层的膜层厚度为80
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120nm，折射率为3.14；所述部分刻蚀高折射率光栅层的膜层厚度为400
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500nm，折射率为3.521。本技术方案的过渡层、高折射率层和高折射率光栅层如此的膜厚和折射率，经大量验证，其提供反射率可以达到99.5％以上。
[0010]进一步，所述衬底、光栅基底高折射率过渡层和部分刻蚀高折射率光栅层的材料均为GaAs，所述的高折射率层的材料为AlAs材料。AlAs为高折射率材料，氧化后生成氧化铝，氧化铝为低折射率材料。
[0011]进一步，所述衬底远离N
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DBR的一侧设置有SiN应力膜。SiN应力膜的设置可以对晶圆的翘曲进行补偿，减小晶圆的翘曲度，晶圆翘曲度的减小，可以避免机台真空吸附不稳，有破片风险，光刻、刻蚀、氧化等工艺均匀性变差等问题，也可以提升波长的均匀性。
[0012]本专利技术还公开了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
[0013]S1、晶圆制备：在衬底上依次生长N
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DBR、有源区、氧化限制层、GaAs材料的过渡层、AlAs材料的高折射率层和GaAs材料的高折射率层，形成晶圆；
[0014]S2、晶圆曝光：在晶圆上旋涂增粘剂和光刻胶，然后对晶圆曝光，形成光栅条纹；
[0015]S3、晶圆刻蚀：对晶圆的表面GaAs材料的高折射率层进行刻蚀，形成刻蚀深度为200
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300nm的光栅；
[0016]S4、第一次台面刻蚀：在具有光栅的晶圆上涂覆光刻胶，间隔设置多个第一不涂覆区，然后进行第一次台面刻蚀，刻蚀时使用的刻蚀气体为氯气和氮气，第一次台面刻蚀到过渡层，使高折射率层刚好裸露，再全面氧化，使得高折射率层完全氧化为低折射率的氧化铝Al2O3；
[0017]S5、第二次台面刻蚀：在晶圆上再次涂覆光刻胶，在第一不涂覆区的一侧设置第二不涂覆区，然后进行第二次台面刻蚀，刻蚀至第三对N
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DBR，使氧化限制层的截面刚好裸露，再进行部分氧化，形成氧化限制孔径；
[0018]S6、沉积光学保护膜：对整片晶圆沉积光学保护膜氮化硅，阻止氧化继续进行；
[0019]S7、种子层溅射：刻蚀去除需要导通区域的光学保护膜，然后进行种子层溅射一层薄金，为后续电镀金属做准备；
[0020]S8、互联金属制备：将晶圆的出光口上的光栅用光刻胶保护，其余区域电镀上金，形成互联金属；
[0021]S9、出光口金属刻蚀：进行种子层刻蚀，刻蚀掉出光口处的金属，得到垂直腔面发射激光器。
[0022]进一步，所述步骤S1中过渡层的生长膜层厚度为200
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500nm，折射率为3.521；高折射率层的生长膜层厚度为80
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120nm，折射率为3.14；高折射率光栅层的生长膜层厚度为400
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500nm，折射率为3.521。本技术方案的过渡层、高折射率层和高折射率光栅层如此的膜
厚和折射率，经大量验证，其提供反射率可以达到99.5％以上。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直腔面发射激光器，包括衬底和外延结构，其特征在于：所述外延结构包括依次生长在衬底上的N
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DBR、有源区、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层，所述部分刻蚀高折射率光栅层上沉积有光学膜保护层，所述有源区、N
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DBR、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层上设置有光学膜层，所述光学膜层上设置有互联金属。2.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述光栅基底高折射率过渡层的膜层厚度为200
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500nm，折射率为3.521；所述高折射率层的膜层厚度为80
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120nm，折射率为3.14；所述部分刻蚀高折射率光栅层的膜层厚度为400
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500nm，折射率为3.521。3.根据权利要求2所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底、光栅基底高折射率过渡层和部分刻蚀高折射率光栅层的材料均为GaAs，所述的高折射率层的材料为AlAs材料。4.根据权利要求3所述的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其特征在于：所述衬底远离N
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DBR的一侧设置有SiN应力膜。5.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、晶圆制备：在衬底上依次生长N
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DBR、有源区、氧化限制层、GaAs材料的过渡层、AlAs材料的高折射率层和GaAs材料的高折射率层，形成晶圆；S2、晶圆曝光：在晶圆上旋涂增粘剂和光刻胶，然后对晶圆曝光，形成光栅条纹；S3、晶圆刻蚀：对晶圆的表面GaAs材料的高折射率层进行刻蚀，形成刻蚀深度为200
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300nm的光栅；S4、第一次台面刻蚀：在具有光栅的晶圆上涂覆光刻胶，间隔设置多个第...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凤玲，雷彪，王田瑞，金龙，张健，程丽，
申请(专利权)人：威科赛乐微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：