InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔面发射激光器及方法

专利名称：InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔面发射激光器及方法
技术领域：
本发明涉及一个长波长(1.3pm)垂直腔型面发射激光器及其制造方法， 更确切地说涉及一种InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔面发射激光器 及方法，在光通信系统中有重要应用。属于半导体光电子材料、器件技术领 域。
背景技术：
由于通信系统中使用的石英光纤在1.3pm和1.55pm两个窗口中具有很 低的色散和吸收，所以在长距离光纤通讯系统中主要是以这两个波段为主。 光纤通讯系统中需要高质量的光源，并且以室温、连续、单模的方式进行工 作。
传统的光纤通讯系统主要采用分布反馈(DFB)半导体激光器作为光源， 此激光器具有稳定的单横模和单纵模特性。但是DFB激光器的制作需要很多 复杂和低成品率的工序，并且其工作性能对环境温度十分敏感，在光收发机 中需要复杂的电子器件来控制其工作温度，所以这就提高了 DFB激光器的价 格。
现在波长为1.3pm禾B 1.55pm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)被认为 是最有可能替代DFB半导体激光器的光源。VCSEL主要有三部分构成，顶 分布反馈布拉格(DBR)腔镜、有源区和底分布反馈DBR腔镜。其有源区 的光学厚度在几个波长的数量级，很容易实现单纵模、低阈值工作，容易制 作二维高密度阵列，实现二维光互联和信息处理。并且其具有高调制速率， 很适合应用在高速光纤通讯系统中。
从长波长VCSEL的发展来看，自原理提出之时以研制1.3(am器件为目标， 然而材料因素使1.3|am InP基DBR性能劣于1.55)Lim DBR，使得当时VCSEL 研究主要转向于1.55pm器件的研制，通过键合方法实现的第一个室温连续
3工作的长波长VCSEL即是1.55pm器件。在研究初期VCSEL器件为衬底面 出射型，这种类型的好处是工艺相对简单，不需要横向电流限制便能获得激 射性能，对于机理的研究以及材料结构的探索起了重要作用。随着材料和工 艺制作的优化，器件逐渐转变为顶出射型，电极接触也从外腔接触转变为内 腔接触，器件性能逐步优化，其中很重要一点是器件性能的提高伴随着阈值 电压的逐渐减小，这是因为VCSEL温度特性要比EEL高，低电压低功耗保 证了温度性能。随着1.55pm器件的性能优化，最后回归到1.3(im器件的制 作。
综上，当前长波长VCSEL器件在实验室水平上获得了良好的器件性能， 然而将其成功地应用于商业领域还存在一定难度。采用InP基材料的器件， 需要通过材料组装来提升性能，工艺制作过程相当复杂，进行批量生产存在 难度。采用GaAs基材料可进行一次性外延结构，工艺相对简化了，然而存 在着材料问题，GalnNAs为了向长波长推进必须增加N的含量，造成材料生 长固有缺陷的增加；GaAsSb和InGaAs则必须加大晶格失配度才能得到长波 长材料，大晶格失配造成材料外延的困难。取得简单、可靠、可重复性的器 件研制工艺技术是长波长VCSEL商业化应用的前提。

发明内容
本发明是一种关于长波长(1.3pm) InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面发射 激光器(VCSEL)及制造方法。
本发明提供的一种1.3pm长波长垂直腔型面发射激光器，其包括衬底、 底部分布反馈布拉格腔镜和顶部分布反馈布拉格腔镜，中间夹有一个光学谐 振微腔，光学谐振微腔包含一个掩埋隧道结和一个侧向电流限制孔径。该 VCSEL器件结构材料由气态源分子束外延技术生长。InAsP/InGaAsP量子阱 垂直腔面半导体激光器的底部腔镜由GaAs基DBR与InP基有源区高温直接 键合得到，顶部腔镜采用多层光学介质膜DBR构成，电流限制孔径则由侧 向腐蚀p十-AlInAs层工艺实现。
所提供的垂直腔型面发射激光器的有源层为InP基的InAsP/InGaAsP应 变补偿量子阱；包含至少一个由InAsP组成的量子阱、位于所述的量子阱两
4边的InGaAsP垒层和位于所述垒层两边的InP限制层。其阱为压应变的InAsP 材料，垒层为张应变的InGaAsP材料。由有效质量模型计算得到 InAsP/InGaAsP量子阱能级结构，从获取最大电子限制能量角度设计了量子 阱结构参数。InAsP/InGaAsP量子阱材料体系的主要优点在于它的导带带阶 大有利于电子限制，使制作的激光器特征温度高。该VCSEL器件结构由气 态源分子束外延技术生长得到。图1为本发明采用的VCSEL器件结构图。 InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面半导体激光器的底部腔镜由GaAs/AlAs DBR 与InP基有源区高温直接键合得到，顶部腔镜采用多层光学介质膜DBR构成， 电流限制孔径则由侧向腐蚀/-AlInAs/^-InP工艺实现。比较另一具有大导带 带阶的材料体系AlGalnAs/InP VCSEL， InAsP/InGaAsP量子阱材料体系在生 长控制方面更容易掌握，而且是无Al的材料体系，不存在器件长期使用导 致A1氧化使器件性能退化的问题。因此本发明的1.3pmInAsP/InGaAsP量子 阱垂直腔面发射激光器更具有实用价值。
所提供的垂直腔型面发射激光器，其最高工作温度达到IO(TC，最低阈 值电流可达到0.5mA。
所提供的垂直腔型面发射激光器，底部腔镜由GaAs/AlAs DBR与InP基 有源区高温直接键合得到，顶部腔镜采用Ti02/Si02多层光学介质膜构成 DBR。
所提供的垂直腔型面发射激光器，光学谐振微腔包含一个掩埋隧道结是 p+-AlInAs/n+-InP隧道结，并由分子束外延的S掺杂技术实施。
制作本发明所提供的垂直腔型面发射激光器的方法，包括InAsP/InGaAsP 量子阱结构的设计和生长，GaAs/AlAs DBR和隧道结由V90气态源分子束外 延(GSMBE)的生长得到。其制作的具体工艺步骤包括
(a) 湿法腐蚀出圆形台面；
(b) 选择性侧向腐蚀方法制作电流限制AlInAs孔径；
(c) 器件隔离；
(d) 正面金属电极图形沉积；
(e) 沉积光学介质DBR;
(f) 衬底减薄及抛光；(g)制作背面电极。
1. InAsP/InGaAsP量子阱生长
正式生长前，需要分别确定阱与垒的组份及生长速率。因阱与垒均为应 变材料，生长单层如liam的材料发生弛豫，通过XRD摇摆曲线无法确定组 份，而需测试三轴二维倒空间衍射图来确定。我们通过生长应变超晶格的方 法来确定组份及生长速率，如InAsP/InP应变超晶格，然而对于垒层材料为 四元系，需要分别确定生长速率与Ga和As组份，XRD方法无法精确表征。 我们实验中确定好单元材料生长速率)。因阱与垒的V族束流保持一致，认 为它们的组份相同，生长中阱与垒In源炉的生长温度也保持一致，它的生长 速率 可以确定；可以看到，我们若确定了 Ga的生长速率&及y值，则 可确定量子阱其他结构参数由In生长速率及Y确定阱厚，由In、 Ga生长 速率及少确定垒厚度及x值。分别测试量子阱XRD及PL谱；计算量子阱跃 迁波长使其与PL峰值波长相等，得出一组r&与;;值，并得到量子阱结构参 数，分别代入XRD模拟软件使与实测曲线相符，最终确定唯一的"。与少值。 确定参数后再做相应调整，从而将PL波长移致实验所需的位置。最后确定 的值，x=0.364， y=0.437。
2. GaAs/AlAs DBR生长
存在多个方面因素影响GaAs/AlAs界面生长质量。 一般Al源的纯度低于 In、 Ga源，其本身携带的杂质影响材料质量，在生长过程中这些杂质在表面 发生分凝，因而引起粗糙，而Al源中的O杂质，则会与A1反应形成A1的 氧化物，它引起界面l~10nm的粗糙，因此生长过程中需要采取措施以保证 AlGaAs生长质量，主要有以下几个方面
(1) 以尽可能高的温度生长，如580 620。C，因为高温下杂质脱附速 率增大，因而减小了其含量，然而需要注意的是630 ~ 675 。C是AlGaAs生 长禁区，> 675 。C可生长高质量的AlGaAs，但要考虑到>650 。C时Ga在表 面再蒸发而存在损失；
(2) 使用偏向角衬底生长，以使杂质吸附量减小；
(3) 使用高纯度A1源；
6(4) 提高V族AS束流，其与O结合并分解，可减小O的含量；
(5) 在AlAs层中间隔生长GaAs原子层，即数字合金技术(Digital Alloy, DA)，因Ga与O生长Ga-O氧化物，而减小了杂质的分凝效应；
采用(GaAs)m(AlAs)n超晶格材料代替AlGaAs材料。 3. 隧道结生长
采用"+-InP//-AlInAs隧道结，其中w区掺杂为1019咖—3用Si掺杂可以实 现，然而p区掺杂高到102Qcm-3， Be源因扩散问题很难实现，而采用C源容 易实现高掺，V90配备了CBr4掺杂源，其在室温下为气态，它不经裂解直接 进入生长室，在高温衬底表面分解并进入材料内部。
本发明的VCSEL中的底部GaAs/AlAs DBR由InP基材料和GaAs的直 接键合方法得到。
键合过程包括样品表面清洁处理、叠片并施加压力以及高温退火完成 键合。具体直接键合的工艺步骤是
(a) 将InP和GaAs衬底解理成正方形或长方形；
(b) 清洗衬底是依次用异丙醇、丙酮和无水乙醇超声清洗，然后用去离子 水漂洗；
(c) 去除InP和GaAs表面氧化物，InP是在静止的H2S04+H202+H20溶液 中腐蚀，三者的体积比为3:1:1; GaAs是在静止的H2S04+ H20溶液 中腐蚀，二者的体积比为1:20;腐蚀完成后用去离子水漂洗，然后将 InP和GaAs片不经高纯氮气吹干直接浸入HF + H20溶液中，HF和 H20的体积比为1:10;再用去离子水冲洗干净；
(d) 第二次去除InP和GaAs表面氧化物是将步骤(c)中去除表面氧化物 的InP和GaAs片，不经高纯氮气吹干直接放入还原性氨水溶液中(浓 度为25 28%)浸泡，浸泡后直接放入防氧化甲醇溶液中；
(e) 叠片是在甲醇溶液中进行的，将InP的抛光面朝下置于GaAs抛光面的 正上方，将InP和GaAs边—边对齐叠合在一起；
将步骤(e)的叠合片移至夹具的正方形开口位置，再加上一定的压力， 压力为0.5~35 Kg/cm2,键合温度为500 700 °C;整个退火过程用氮气 保护。氮气流速为150 250毫升/分钟；25-500°C温度区间的升温速率为10-15。C/分钟，500-700。C温度区间的升温速率为5-10。C/分钟， 将炉温升至退火温度(在500-700°C之间)，在退火温度下保持30 40 分钟。退火完成后，退火炉的温度在700-450。C区间的降温速率为3 4。C/分钟，在450-300。C区间的降温速率为2 3°C/分钟；待炉温降 至300。C以下时关闭N 最后随炉自然冷却至低于100。C取出。 更详细的工艺具体参见已授权专利(专利号ZL2004 1 0052711.X)。 本发明的VCSEL由侧向腐蚀？+-八1111八3/11+-11^隧道结的p+-AlInAs工艺 来形成电流限制孔径。对于InAlAs材料，常见的腐蚀液包括硫酸-双氧水、 柠檬酸-双氧水等。在长波长垂直腔器件中，需要选择一种对InAlAs的腐蚀 比对InP、 InGaAsP腐蚀快得多的溶液。而硫酸-双氧水溶液虽然基本不腐蚀 InP材料，但对InGaAsP材料有较快的腐蚀速率。因此我们选择了 1 0: 1 的柠檬酸-双氧水溶液对InAlAs材料进行了腐蚀。腐蚀在25"C水浴下进行， 最后制作的AlInAs侧向孔径约为15nm。
由此可见，(a)本发明所提供垂直腔型面发射激光器的电流限制孔径则 由侧向腐蚀p+-AlInAs/n+-InP隧道结的p+-AlInAs工艺实现。
(b) 本发明所提供的垂直腔型面发射激光器，无论是InP基的 InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱有源区、5掺杂的p+-AlInAs/n+-InP隧道结， 还是GaAs基GaAs/AlAs DBR单元结构材料，都是采用气态源MBE实现的。
(c) 本发明所提供的垂直腔型面发射激光器，InP基的InAsP/InGaAsP 应变补偿量子阱有源区与GaAs基GaAs/AlAs DBR的高温键合是采用已授 权的发明专利所述的方法实施的(专利号ZL2004 1 0052711.X)。


图1 1.3氺mVCSEL器件的结构示意图2 InP作为限制层的VCSEL有源区结构；
图3 AlInAs侧向腐蚀孔径的剖面SEM图4 1.3卞mVCSEL器件测试结果。
具体实施例方式
8图2是采用InP材料作为量子阱两侧限制层的VCSEL有源区结构示意图。 一般地，载流子被注入到有源区，经过漂移-扩散到达量子阱边界，并被量子 阱俘获。经过扩散，载流子分布于各个量子阱，分布其中的载流子存在两种 复合机制电子-空穴对复合(自发辐射和受激辐射)产生光学增益及载流子的 复合损耗(Shockley-Read-Hall， SRH复合和俄歇复合)，然而经扩散到达量子 阱区另一侧边界的载流子则通过热离子发射以一定几率进入SCH层构成漏 电流，结构设计的一部分内容是减小温度引起的漏电流，因而采用图2中的 InP限制层，由于高带阶差，对于提高载流子的限制是有利的。
量子阱材料为InAsP/InGaAsP，需要要分别确定阱与垒的组份及生长速 率。因阱与垒均为应变材料，生长单层如lpm的材料发生弛豫，通过XRD 摇摆曲线无法确定组份，而需测试三轴二维倒空间衍射图来确定。通过生长 应变超晶格的方法来确定组份及生长速率，如InAsP/InP应变超晶格，然而 对于垒层材料为四元系，需要分别确定生长速率与Ga和As组份，XRD方 法无法精确表征。在实验中确定好单元材料生长速率)。因阱与垒的V族束 流保持一致，认为它们的组份相同，生长中阱与垒In源炉的生长温度也保持 一致，它的生长速率 可以确定；可以看到，若确定了 Ga的生长速率&。 及y值，则可确定量子阱其他结构参数由In生长速率及少确定阱厚，由In、 Ga生长速率及y确定垒厚度及x值。分别测试量子阱XRD及PL谱；计算 量子阱跃迁波长使其与PL峰值波长相等，得出一组"。与y值，并得到量子 阱结构参数，分别代入XRD模拟软件使与实测曲线相符，最终确定唯一的 "。与y值。确定参数后再做相应调整，从而将PL波长移致实验所需的位置。 实施例2化学腐蚀形成VCSEL电流限制孔径
电流孔径制作通过柠檬酸系选择性侧向腐蚀AIInAs层完成。对于InAlAs 材料，常见的腐蚀液包括硫酸-双氧水、柠檬酸-双氧水等。在长波长垂直腔 器件中，需要选择一种对InAlAs的腐蚀比对InP、 InGaAsP腐蚀快得多的溶 液。而硫酸-双氧水溶液虽然基本不腐蚀InP材料，但对InGaAsP材料有较快 的腐蚀速率。因此我们选择了 10:1的柠檬酸-双氧水溶液对InAlAs材料 进行了腐蚀。在腐蚀实验进行前，先做好准备工作将一合水柠檬酸固体 (C6H807*H20)和去离子水按照lg: lml的比例配制成柠檬酸溶液，并放置 数天使其混合均匀。在腐蚀实验前，分别将双氧水加入柠檬酸溶液和将磷酸 溶液加入盐酸溶液并搅拌均匀，在放入水浴恒温槽中数分钟待其温度稳定后 方可进行实验。
因器件工作时隧道结为反向偏置，若侧向腐蚀区域上下材料层塌陷，形
成的低惨杂n-InP/p-InP异质结，因其反偏故不产生导通电流，因此起到阻隔 电流作用，可见采用侧向腐蚀隧道结方法工艺上容易实现。然而需要考虑的 问题是侧向腐蚀时间一般较长(Mhr)，柠檬酸腐蚀液对InP材料存在一定侵蚀 作用，若上下两侧InP太薄，InP层可能被腐蚀掉，上下材料塌陷后产生漏 电流，结构中上、下lnP层厚度分别为780nm和207nm，足以抵挡柠檬酸的 侵蚀。腐蚀在25'C水浴下进行，最后制作的AlInAs侧向孔径约为15pm，图 3剖面SEM图。
实施例3 1.3卞m VCSEL器件工艺制作流程
通过实施例1和2以及高温度直接键合(参见专利ZL 2004 1 005271 l.X) 等关键工艺的摸索，在本实施例中进行了 1.3屮m VCSEL的制作，图1为其 器件结构示意图。制作过程包括圆形台面腐蚀、电流孔径制作、光学介质 DBR沉积等。具体工艺步骤如下
(1) 湿法腐蚀出圆形台面
(2) 选择性侧向腐蚀方法制作AlInAs限制孔径
(3) 器件隔离
(4) 沉积正面金属电极图形
(5) 沉积光学介质DBR
(6) 衬底减薄及抛光
(7) 制作背面电极
如图l所示器件的台面直径为32iam，出光孔直径为24iam。由于台面尺 寸比较小，为方便光刻图形的对准，首先在样品表面沉积上环形电极，其外 径为28pm，内径为24fim。 SiNx用作正向湿法腐蚀以及AlInAs侧向腐蚀的 掩膜。正向湿法腐蚀过程引起台面侧边的腐蚀，使其上端尺寸小于32|im,
10须精确控制腐蚀时间，保证台面上端尺寸仍大于金属环形电极的外径。电流
孔径制作通过柠檬酸系选择性侧向腐蚀AlInAs层完成。
台面腐蚀和侧向电流限制孔径制作后，用聚酰亚胺进行器件隔离并沉积 TiPtAu正面电极图形。采用电子束蒸发法在表面沉积8周期的SiO/Ti02介 质薄膜DBR，其中Si02为与半导体接触第一层材料，Ti02为最后一层。最 后由热蒸发法大面积沉积背面AuGeNi电极，金属合金化在380 。C下快速退 火1分钟完成。
图4为器件测试结果，其限制孔径为7pm，可以看出，本发明提供的 VCSEL最高工作温度达到IO(TC，所对应的阈值电流为0.75 mA。而采用5pm 的器件，可实现最低为0.5mA阈值电流。
权利要求
1、一种InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型面发射激光器，包括衬底、底部分布反馈布拉格腔镜和顶部分布反馈布拉格腔镜，中间夹有一个光学谐振微腔，光学谐振微腔包含一个掩埋隧道结和一个侧向电流限制孔径，其特征在于有源层是InP基的InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱，InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面半导体激光器的底部腔镜由GaAs基DBR与InP基有源区高温直接键合，顶部腔镜采用多层光学介质膜DBR构成。
2、 如权利要求1所述的InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型面发 射激光器，其特征在于底部腔镜由GaAs/AlAs DBR与InP基有源区高温直接 键合得到，顶部腔镜采用Ti02/Si02多层光学介质膜构成DBR。
3、 如权利要求1所述的InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型面发 射激光器，其特征在于所述的光学谐振微腔包含的一个掩埋隧道结是 P+-AlInAs/n+-InP隧道结，并由分子束外延的S掺杂技术实施。
4、 如权利要求1所述的InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型面发 射激光器，其特征在于所述的电流限制孔径则由侧向腐蚀p+-AlInAs/n+-InP 隧道结的p+-AlInAs工艺实现。
5、 如权利要求1所述的InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型面发 射激光器，其特征在于应变补偿量子阱的阱为压应变的InAsP材料，位于量 子阱两边的垒层InGaAsP，呈张应变。
6、 如权利要求1所述的InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型面发 射激光器，其特征在于限制孔径为7)Lim时最高工作温度为100°C，限制孔径 为5!im时最低阈值电流为0.5 mA。
7、 制作如权利要求1所述的InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔型 面发射激光器的方法，其特征在于包括InAsP/InGaAsP量子阱的设计和生长， GaAs/AlAs DBR和隧道结的气态源分子束外延生长，具体步骤为(a) 湿法腐蚀出圆形台面；(b) 选择性侧向腐蚀方法制作AlInAs制作电流限制孔径；(c) 器件隔离；(d) 正面金属电极图形沉积；(e) 沉积光学介质DBR;(f) 衬底减薄及抛光；(g) 制作背面电极。
全文摘要
本发明涉及长波长(1.3μm)InAsP/InGaAsP量子阱垂直腔面发射激光器(VCSEL)及制作方法，其特征在于有源层为InP基的InAsP/InGaAsP应变补偿量子阱。由有效质量模型计算得到InAsP/InGaAsP量子阱能级，从获取最大电子限制能量角度设计了量子阱结构参数。InAsP/InGaAsP量子阱材料体系的主要优点在于它的导带带阶大因而有利于电子限制，实现高温度工作性能。该VCSEL器件结构由气态源分子束外延技术生长。InAsP/InGaAsP量子阱VCSEL底部腔镜为GaAs/AlAs分布布拉格反射镜(DBR)，采用高温直接键合方法实现InP基有源区与GaAs/AlAs DBR的融合，顶部腔镜则由多层光学介质膜DBR构成，电流限制孔径则由侧向腐蚀p⁺-AlInAs/n⁺-InP工艺实现。
文档编号H01S5/343GK101685942SQ20081020065
公开日2010年3月31日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者成 刘, 劳燕锋, 吴惠桢, 萌 曹, 曹春芳 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所