一种共享型VCSEL与HBT集成结构的制作方法

本实用新型属于化合物半导体材料及器件技术领域，具体设计一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)和异质结双极型晶体管(HBT)的结构。

背景技术：

VCSEL是一种出射光垂直于衬底表面的的半导体激光器，具有以下优点：圆形光斑易于光纤耦合；阈值电流小能耗低；腔长短能够实现单纵模工作；具有较高的弛豫振荡频率能够得到较大的调制带宽；可以在片测试节省测试成本。HBT作为激光器调制电路的主要器件之一，具有功率密度高、电流增益大、相位噪声低和线性度好等优点。通常是将VCSEL与驱动电路分开，这大大增加了成本。在未审查公开专利申请104752952中，将VCSEL与HBT简单的集成在同一衬底上，VCSEL与HBT形成并联结构，不利于减小芯片面积成本。因此将VCSEL与HBT共享结构，且VCSEL与HBT在竖直方向形成串联可减小芯片面积，降低成本。在美国公开专利申请1993/5216686中提供了一种HBT与VCSEL集成结构，但由于无InGaP腐蚀阻挡层，因此刻蚀深度很难控制，成品率较低；且无氧化限制层，不能提供很好的电流和光场限制。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种共享型VCSEL与HBT集成结构与制作方法，减小集成芯片面积，提高成品率，降低成本。

本实用新型为实现以上目的，采用的技术方案如下：

一种共享性VCSEL与HBT集成结构，其特征在于：VCSEL与HBT共享了n型InGaP发射区、p型GaAs基区和n型GaAs集电区，其结构自上而下依次为p型GaAs帽层、p型AlGaAs/AlGaAs上DBR、Al0.98Ga0.02As氧化层和AlxOy复合层、InGaAs/AlGaAs量子阱、上下限制层、n型InGaP腐蚀阻挡层、n型GaAs集电区组成的圆柱结构，Al0.98Ga0.02As氧化层和AlxOy复合层：Al0.98Ga0.02As氧化层为圆中心，AlxOy在Al0.98Ga0.02As氧化层外环；n型GaAs集电区的下层依次为p型GaAs基区、n型InGaP发射区，p型GaAs基区的一侧延长长于n型GaAs集电区，其上为基极电极；n型InGaP发射区的一侧延长长于p型GaAs基区，其上有发射极电极；n型InGaP发射区的向下的下层依次为非故意掺杂AlGaAs/AlAs下DBR、非故意掺杂GaAs缓冲层、半绝缘GaAs衬底；非故意掺杂AlGaAs/AlAs下DBR的上面除了n型InGaP发射区外，为平坦化填充材料BCB，平坦化填充材料BCB向上的上面与p型GaAs帽层齐平；在平坦化填充材料BCB向上的上面与p型GaAs帽层上均设有p面电极。

上述方案中，所述的非故意掺杂GaAs缓冲层用于抑制半绝缘GaAs衬底中的位错向外延层中延伸，厚度优选为1000nm。

上述方案中，所述的非故意掺杂AlGaAs/AlAs下DBR，由30.5对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/AlAs构成，总厚度优选为3988nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述的n型InGaP发射区厚度优选为196nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述的p型GaAs基区厚度优选为59nm，掺杂浓度为1e¹⁹cm^-3。

上述方案中，所述的n型GaAs集电区厚度优选为118nm，掺杂浓度为1e¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述的n型InGaP腐蚀阻挡层，其InGaP与GaAs具有不同的腐蚀速率，起到选择性腐蚀的作用。该阻挡层的厚度优选为65nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述的上下限制层由Al0.60Ga0.40As材料构成，厚度优选为110nm。

上述方案中，所述的InGaAs/AlGaAs量子阱光致发光波长比λ0小10-20nm，包含4对In0.10Ga0.90As/Al0.37Ga0.63As材料，厚度优选为45nm。

上述方案中，所述的Al0.98Ga0.02As氧化层，其特征在于：氧化层经湿法氧化工艺氧化后，起到电流和光场限制作用，氧化层厚度优选为30nm。

上述方案中，所述的p型AlGaAs/AlGaAs上DBR是由22.5对λ0/4光学厚度Al0.12Ga0.88As/Al0.90Ga0.10As构成，总厚度优选为2942nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3。

上述方案中，所述的GaAs帽层厚度优选为50nm，掺杂浓度为1e²⁰cm^-3。

上述所述的共享型VCSEL与HBT集成结构具体制备步骤包括以下：

(1)在半绝缘GaAs衬底上利用MOCVD依次外延非故意掺杂GaAs缓冲层、非故意掺杂AlGaAs/AlAs下DBR、n型InGaP发射区、p型GaAs基区、n型GaAs集电区、n型InGaP腐蚀阻挡层、下限制层、InGaAs/AlGaAs量子阱、上限制层、Al0.98Ga0.02As氧化层、p型AlGaAs/AlGaAs上DBR和p型GaAs帽层；

(2)利用湿法腐蚀刻蚀至n型InGaP腐蚀阻挡层；再利用湿法氧化形成环形氧化以提供电流和光场限制；

(3)再依次刻蚀n型InGaP腐蚀阻挡层、n型GaAs集电区和p型GaAs基区；依次在p型GaAs基区和n型InGaP发射区制作基极电极和发射极电极；

(4)再利用BCB填充刻蚀沟槽，制作VCSEL p面电极。

本实用新型的有益结果是：

从上述技术方案可以看出，本实用新型提供的共享型VCSEL与HBT集成结构，是常规的VCSEL与HBT共享了n型InGaP发射区、p型GaAs基区和n型GaAs集电区，VCSEL与HBT在竖直方向形成串联减小了芯片面积；InGaP腐蚀阻挡层起到选择性腐蚀的作用，降低了刻蚀工艺的难度，提高了成品率。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型实施例的共享型VCSEL与HBT器件的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的外延结构示意图。

图3为实施例经一次刻蚀和湿法氧化的结构示意图。

图4为实施例经刻蚀、蒸镀和溅射制作基极电极和发射极电极厚度的结构示意图。

半绝缘GaAs衬底101、非故意掺杂GaAs缓冲层102、非故意掺杂AlGaAs/AlAs下DBR 103、n型InGaP发射区104、p型GaAs基区105、n型GaAs集电区106、n型InGaP腐蚀阻挡层107、上下限制层108、InGaAs/AlGaAs量子阱109、Al0.98Ga0.02As氧化层110、p型AlGaAs/AlGaAs上DBR 111、p型GaAs帽层112、AlxOy 201、平坦化填充材料BCB 301、基极电极401、发射极电极402和p面电极403。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考图1描述根据本实用新型实施例提供的一种共享型VCSEL与HBT结构。其包括：半绝缘GaAs衬底101、非故意掺杂GaAs缓冲层102、非故意掺杂AlGaAs/AlAs下DBR 103、n型InGaP发射区104、p型GaAs基区105、n型GaAs集电区106、n型InGaP腐蚀阻挡层107、上下限制层108、InGaAs/AlGaAs量子阱109、Al0.98Ga0.02As氧化层110、p型AlGaAs/AlGaAs上DBR 111、p型GaAs帽层112、AlxOy 201、平坦化填充材料BCB 301、基极电极401、发射极电极402和p面电极403。

本实用新型还提供一种制作共享型VCSEL与HBT的方法，包括以下步骤：

步骤1：如图2所示，将半绝缘GaAs衬底放置于MOCVD机台中，逐层各外延层。首先在600℃—800℃中的H2气氛里高温清洁上述外延片表面20min～40min，并通入AsH3，去除表面水。向MOCVD中通入TMGa和AsH3,生长GaAs缓冲层；厚度为1000nm。向MOCVD中通入TMGa、TMAl和AsH3，生长下DBR，厚度为3988nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3；通入TMIn、TMGa、PH3和Si2H4，生长发射区，厚度为196nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3；通入TMGa、AsH3和CBr4，生长发射区，厚度为59nm，掺杂浓度为1e¹⁹cm^-3；通入TMIn、TMGa、PH3和Si2H6，生长腐蚀阻挡层，厚度为65nm，掺杂浓度为1e¹⁸cm^-3；通入TMGa、TMAl和AsH3，生长下限制层，厚度为110nm；通入TMIn、TMGa、TMAl和AsH3，生长量子阱，厚度为45nm，其光致发光波长比λ0小10-20nm，其中λ0为激射波长；通入TMGa、TMAl和AsH3，生长上限制层，厚度为110nm；通入TMGa、TMAl、AsH3和CBr4，生长下氧化层，厚度为30nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3；通入TMGa、TMAl、AsH3和CBr4，生长上DBR，厚度为2942nm，掺杂浓度为2e¹⁸cm^-3；通入TMGa、AsH3和CBr4，生长帽层，厚度为30nm，掺杂浓度为1e²⁰cm^-3。

步骤2：经光刻和湿法腐蚀，将外延层刻蚀至InGaP腐蚀阻挡层，形成第一台面，台面直径为20-30μm。将外延片放置在氧化炉中，通入N2和H2O，氧化炉内部的温度为400℃-450℃，氧化层从侧面向里氧化，形成绝缘的AlxOy，氧化孔径的尺寸为5μm-8μm，如图3所示。

步骤3：经光刻和湿法腐蚀，刻蚀至集电区，再利用ICP刻蚀至基区，利用磁控溅射制作基极电极；再利用湿法腐蚀刻蚀至发射极，利用电子束蒸发技术制作发射极电极，如图4所示。

步骤4：采用非光敏BCB材料进行涂覆，然后在无氧烘箱内进行固化，利用SiO2进行掩膜，利用ICP刻蚀BCB图形，然后再刻蚀BCB直至基极电极和发射极电极；利用磁控溅射制作p面电极，如图1所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。