晶体管垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

本发明涉及一种晶体管垂直腔面发射激光器（transistorvertical-cavitysurface-emittinglaser，简称t-vcsel），属于集成光电子器件技术领域。

背景技术：

光电器件和系统芯片大规模、单片化集成的发展趋势，对激光器芯片性能提出了多样化的高要求，在光通信和5g的应用场景中，需要新型的激光器芯片兼具低功耗、大带宽的特点。针对传统垂直腔面发射激光器（vcsel）面临的直调带宽瓶颈，将同样基于iii-v族的晶体管（transistor）结构与vcsel设计融为一体，理论上能够基于晶体管的高工作带宽实现vcsel直调带宽的提升。1980年，集成光电子学奠基者、加州理工大学著名教授a.yariv等就将异质结双极性晶体管(hbt)和边发射半导体激光器集成到同一块芯片上。将两种器件结构融合到一起，利用晶体管基极作为激光器的有源区，探索新型晶体管激光器(t-laser)的尝试始于1985年。2004年，美国伊利诺伊州立大学教授，led的发明者n.holonyak首次提出将量子阱有源区引入gaas材料hbt的基极区，并于2005年获得了首个常温下有光输出的t-laser。与t-laser相比，晶体管垂直腔面发射激光器（t-vcsel）继承了vcsel特有的例如圆形出射光束易于耦合，阈值电流低，支持片上检测，易于实现二维阵列，生产成本低廉等优势，与传统vcsel相比，理论上具有更高的调制带宽，是vcsel未来发展演进的趋势之一。

目前高性能vcsel产业化领域面临的最主要挑战包括以下三方面：

1.如何实现vcsel上百层外延结构的精确生长；

2.如何实现片上电流限制孔径大小的精确控制；

3.如何解决非气密封装条件下vcsel器件的可靠性问题。

t-vcsel在继承vcsel优势的同时，在未来产业化的进程中势必会同样遇到上述三方面的技术难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的不足，提供一种晶体管垂直腔面发射激光器及其制备方法，在大幅提高t-vcsel器件的可靠性的同时，还降低了器件制造的工艺难度。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种晶体管垂直腔面发射激光器，包括按照外延生长的次序依次排布的衬底、下端面分布式布拉格反射镜、集电区、基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜，以及分别与集电区、基区、发射区导通的电极：集电极、基极、发射极；所述基区中设置有量子阱有源区；在基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜上除电极以外的表面区域均包覆有al2o3保护膜，并且所述上端面分布式布拉格反射镜是由al2o3膜结构与至少一种其它电介质材料膜结构呈周期性排布所构成的亚波长高对比度光栅。

进一步地，所述发射区包含一层用原子层沉积工艺制备而成的由al2o3所构成的电流限制层，所述电流限制层中部设置有可供电流通过的电流限制孔。

进一步地，所述al2o3保护膜和al2o3膜结构均使用原子层沉积工艺制备而成。

优选地，所述其它电介质材料膜结构包括sio2膜结构、si3n4膜结构和无定形si膜结构。

所述晶体管垂直腔面发射激光器可以为gaas基、或inp基、或gan基晶体管垂直腔面发射激光器。

优选地，所述集电极设置于衬底的背面。

如上所述晶体管垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在衬底上依次外延生长以下层结构：下端面分布式布拉格反射镜、集电区、基区、发射区；

步骤2、制备分别与集电区、基区、发射区导通的电极：集电极、基极、发射极；

步骤3、在发射区上表面制备构成所述亚波长高对比度光栅的其它电介质材料膜结构；

步骤4、在基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜表面制备al2o3膜；

步骤5、将覆盖在电极表面的al2o3膜去除。

优选地，在外延生长发射区的过程中，首先在基区层结构上进行发射区层结构的第一次外延生长，然后将外围部分发射区层结构的表层去除，接着用原子层沉积工艺在所述外围部分发射区层结构表面进行al2o3的再生长，最后在整个发射区层结构的表面进行发射区层结构的第二次外延生长。

优选地，步骤2中使用金属蒸镀工艺制备所述电极；步骤3中使用等离子体增强化学气相沉积法制备构成所述亚波长高对比度光栅的其它电介质材料膜结构；步骤5中使用反应离子刻蚀工艺将覆盖在电极表面的al2o3膜去除。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明通过对t-vcsel结构进行改进，其中的上端面分布式布拉格反射镜（top-dbr）采用由包括al2o3在内的多种电介质材料膜结构所构成的亚波长高对比度光栅（hcg）设计，同时用al2o3膜对基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜（top-dbr）上除电极以外的表面区域进行包覆，其中的氧化铝材料既是构成hcg的电介质材料之一，又同时充当整个器件芯片的抗湿保护膜，从而可极大的提高器件芯片的可靠性，此外，由于hcg中的al2o3膜结构和整体的al2o3保护膜可同时制备，从而可有效减少工艺流程，降低生产成本。

本发明进一步针对现有t-vcsel采用湿氧化高铝层的工艺方法实现电流限制层所带来的电流限制孔径难以精确控制，引入的材料应力过大等缺陷，采用原子层沉积（ald）工艺来进行电流限制层的制备，通过再生长的方案，不仅实现整片芯片上限制层孔径的精确控制，ald工艺生长的氧化铝层还拥有应力小，致密性高，膜厚精确可控的优势。此外，氧化铝相对于iii-v族材料的低折射率特点也有利于光模场的限制。

附图说明

图1为本发明t-vcsel的第一个优选实施例的结构原理示意图，其为集电极与发射极、基极共面的pnp型结构；

图2为本发明t-vcsel的第二个优选实施例的结构原理示意图，其为集电极与发射极、基极共面的npn型结构；

图3为本发明t-vcsel的第三个优选实施例的结构原理示意图，其为集电极与发射极、基极异面的pnp型结构；

图4为本发明t-vcsel的第四个优选实施例的结构原理示意图，其为集电极与发射极、基极异面的npn型结构；

图5为本发明所使用的top-dbr的结构示意图；

图6a～图6h为本发明制备方法一个具体实施例的流程示意图。

具体实施方式

针对现有t-vcsel器件在非气密封装条件下的可靠性问题，本发明的解决思路是用al2o3膜对基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜上除电极以外的表面区域进行包覆，并采用由包括al2o3在内的多种电介质材料膜结构所构成的亚波长高对比度光栅作为top-dbr，其中的氧化铝材料既是构成hcg的电介质材料之一，又同时充当整个器件芯片的抗湿保护膜，从而可极大的提高器件芯片的可靠性，此外，由于hcg中的al2o3膜结构和整体的al2o3保护膜可同时制备，从而可有效减少工艺流程，降低生产成本。

具体而言，本发明的晶体管垂直腔面发射激光器，包括按照外延生长的次序依次排布的衬底、下端面分布式布拉格反射镜、集电区、基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜，以及分别与集电区、基区、发射区导通的电极：集电极、基极、发射极；所述基区中设置有量子阱有源区（需要特别说明的是：“量子阱有源区设置于基区”是t-vcsel区别于其他类型激光器器件的本征特征，任何把量子阱置于发射区或集电区的结构都不属于晶体管vcsel的定义范畴）；在基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜上除电极以外的表面区域均包覆有al2o3保护膜，并且所述上端面分布式布拉格反射镜是由al2o3膜结构与至少一种其它电介质材料膜结构呈周期性排布所构成的亚波长高对比度光栅。

如上所述晶体管垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在衬底上依次外延生长以下层结构：下端面分布式布拉格反射镜、集电区、基区、发射区；

步骤2、制备分别与集电区、基区、发射区导通的电极：集电极、基极、发射极；

步骤3、在发射区上表面制备构成所述亚波长高对比度光栅的其它电介质材料膜结构；

步骤4、在基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜表面制备al2o3膜；

步骤5、将覆盖在电极表面的al2o3膜去除。

现有t-vcsel设计中的电流限制层有多种方案设计，其中最主流的是采用氧化物材料（如氧化铝），且无一例外的采用湿氧化高铝含量的algaas层的工艺方法实现。这样的实现方法不仅会引入显著的材料应力，不利于产品寿命；更主要的是湿氧化工艺目前无法精确控制电流限制孔径的大小，以及整片芯片的孔径一致性。为解决这一问题，本发明摒弃了传统的湿氧化制备工艺，而采用原子层沉积（ald）工艺来进行电流限制层的制备，通过再生长的方案，不仅实现整片芯片上限制层孔径的精确控制，ald工艺生长的氧化铝层还拥有应力小，致密性高，膜厚可控的优势。为实现这一方案，相应地，在外延生长发射区的过程中，首先在基区层结构上进行发射区层结构的第一次外延生长，然后将外围部分发射区层结构的表层去除，接着用原子层沉积工艺制备在所述外围部分发射区层结构表面进行al2o3的再生长，最后在整个发射区层结构的表面进行发射区层结构的第二次外延生长。

与晶体管结构类似，t-laser和t-vcsel都包括pnp和npn两种结构类型。前者中发射区和集电区为p型材料，基区为n型材料；后者中发射区和集电区为n型材料，基区为p型材料。现有t-vcsel大多数采用集电极与发射极、基极共面的结构，同时也存在集电极在芯片背面（衬底的背面），即与发射极、基极异面的结构。由于本发明的技术方案仅涉及top-dbr及电流限制层的结构和工艺改进，因此其无论是对pnp和npn类型的t-vcsel，还是对集电极与发射极、基极共面或集电极与发射极、基极异面的结构，均可适用。此外，本发明技术方案对于现有的各种不同材料体系的t-vcsel均适用，例如砷化镓基（gaas）、磷化铟基（inp）、氮化镓基（gan）等材料体系的t-vcsel。

为便于公众理解，下面结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图1～图4显示了本发明t-vcsel的四个优选实施例的基本结构，其中，图1为集电极与发射极、基极共面的pnp型结构，图2为集电极与发射极、基极共面的npn型结构，图3为集电极与发射极、基极异面的pnp型结构，图4为集电极与发射极、基极异面的npn型结构。如图1～图4所示，本发明的t-vcsel与现有技术相同，均包括按照外延生长的次序依次排布的衬底、下端面分布式布拉格反射镜、集电区、基区、发射区、上端面分布式布拉格反射镜，以及分别与集电区、基区、发射区导通的电极：集电极、基极、发射极；所述基区中设置有量子阱有源区。

与现有技术不同的是，本发明的t-vcsel的基区、发射区、top-dbr上除电极以外的表面区域均包覆有al2o3保护膜，从而可实现对外部水汽的隔绝，达到保护膜的作用，提高芯片的可靠性。同时，本发明t-vcsel中的top-dbr采用如图5所示的结构，即由al2o3膜结构与至少一种其它电介质材料（例如sio2、si3n4或无定形si）膜结构呈周期性排布所构成的亚波长高对比度光栅，通过调整氧化铝膜结构和另外电介质材料膜结构的尺寸设计（图5中的w1、w2、d1、d2等参数），即可实现对特定出射波长的高反射率支持。由于al2o3既是top-dbr的组成部分又是包裹整个基区、发射区、top-dbr的保护膜，因此可一次性制备得到，从而可有效减少工艺流程，降低生产成本。此外，与现有t-vcsel采用湿氧化工艺制备电流限制层不同，本发明的al2o3材料电流限制层用原子层沉积工艺制备而成，一方面可以实现其中电流限制孔尺寸的精确控制，另一方面所生成的al2o3电流限制层还拥有应力小，致密性高，膜厚精确可控的优势。

下面以基于砷化镓（gaas）材料的共面电极的pnp型t-vcsel为例，具体阐述本发明t-vcsel的制程方法，整个器件的外延生长既可由金属有机物化学气相沉积（mocvd）制备，也由分子束外延系统（mbe）制备，出射波长为980nm，整个谐振腔的光学厚度为出射半波长的整数倍，下端面dbr的各层光学厚度均为四分之一出射波长的整数倍，具体工艺流程如下：

1、在半绝缘或者p型掺杂的gaas衬底上（层1）生长本征型下端面dbr，在层1之上生长下端面dbr，由36.5周期的algaas/gaas材料构成，其中层2为渐变型algaas，al的组分在0-0.875之间变化，掺杂元素为zn或者c；层3为掺zn或者c的gaas。

2、下端面dbr之上为集电区（层4），由掺zn或者c的p型gaas和渐变型algaas材料构成；层5、层6和层7共同构成了基区，其中层5和层7由掺si的n型gaas材料构成，层6为有源区层，由未掺杂的本征in0.17ga0.83as/gaas构成，周期数为3至5；in0.17ga0.83as为量子阱层，gaas为势垒层。

3、层8为发射区，由掺zn或者c的p型gaas和渐变型algaas材料构成，此时的器件半成品如图6a所示。

4、上述mocvd或mbe外延层结构生长完备之后，采取如下的加工工艺流程：首先通过干法（icp或rie工艺）或湿法刻蚀，去除部分的层8，然后如图6b所示，通过ald工艺进行al3o3材料的再生长，从而定义出电流限制孔径。

5、最后通过mocvd或mbe的二次再生长，完成整体结构的制造，如图6c所示。

6、如图6d所示，采用干法刻蚀工艺定义出基极和集电极台阶。

7、采用金属蒸镀工艺制作基极的n型合金电极（成分为pd/ge/ti/pd/ti/au）和p型合金电极（合金成分为zn/pd/ti/au），得到如图6e所示状态的半成品。

8、采用pecvd工艺进行top-dbr中除氧化铝以外的其它电介质材料膜结构的表面沉积，如图6f所示。

9、如图6g所示，采用ald工艺进行al3o3膜层的沉积。

10、采用干法刻蚀工艺（icp或rie）将覆盖在金属电极表面的al3o3膜层去除，得到如图6h所示的本发明t-vcsel。