一种垂直腔面发射激光器的制作方法

本实用新型涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器。

背景技术：

vcsel，全名为垂直腔面发射激光器（verticalcavitysurfaceemittinglaser），是以gaas(砷化镓)、gan（氮化镓）、inp（磷化铟）等半导体材料为基础研制，有别于led（发光二极管）和ld(激光二极管)等其他光源，具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。

vcsel的上布拉格反射镜表面的欧姆接触层中部设置有用于激光出射的光窗，传统vcsel会在光窗表面镀介电层，以在扩大出光角度的同时为光窗提供一定的保护。在制作上电极的过程中，会通过黄光微影、蚀刻的方式去除部分介电层，在此过程中会对光窗处的半导体材料表面造成轻微的蚀刻，此外，蚀刻后曝露光窗的半导体材料表面还会被后制程的黄光微影工艺轻微的蚀刻。这样会导致光窗处的半导体材料厚度产生不同程度的改变，这种厚度改变会导致激光器的se、ith等主要性能参数产生批与批之间的不可控差异，从而严重影响产品质量稳定。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种垂直腔面发射激光器，可有效避免后制程对光窗处半导体材料厚度产生影响从而导致激光器批次之间性能不稳定。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种垂直腔面发射激光器，包括上布拉格反射镜，设置于上布拉格反射镜上表面的欧姆接触层，以及与所述欧姆接触层电连接的上电极；所述欧姆接触层中部设置有用于激光出射的光窗；在欧姆接触层的上表面敷设有一层面积大于光窗面积并完全覆盖光窗的透明导电薄膜；所述上电极设置于所述透明导电薄膜上表面不遮挡光窗的区域，并通过所述透明导电薄膜与欧姆接触层电连接。

进一步地，在该激光器表面由内向外依次设置有一层钝化膜和一层al2o3膜，所述钝化膜覆盖除光窗与电极以外的区域，所述al2o3膜覆盖该激光器表面所有区域。

优选地，所述al2o3膜的厚度为10nm～150nm。

优选地，所述透明导电薄膜的厚度为10nm～50nm。

优选地，所述透明导电薄膜为透明导电金属氧化物薄膜。

进一步优选地，所述透明导电金属氧化物薄膜为ito膜或azo膜。

优选地，所述上电极为包围光窗区域的环状电极结构。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

本实用新型利用透明导电薄膜覆盖光窗区域和电极区域，可在保证激光出射效率及上电极与欧姆接触层可靠电连接的同时对光窗区域的半导体材料进行保护，有效防止由于后制程对光窗处半导体材料厚度产生影响从而导致的激光器批次之间性能不稳定。

本实用新型进一步在器件表面设置一层al2o3膜作为抗湿保护膜，从而可极大的提高器件在高温高湿环境下的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型垂直腔面发射激光器一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

针对现有技术所存在的后制程对光窗处半导体材料厚度产生影响从而导致激光器批次之间性能不稳定的问题，本实用新型的解决思路是对vcsel结构进行改进，利用透明导电薄膜覆盖光窗区域和电极区域，可在保证激光出射效率及上电极与欧姆接触层可靠电连接的同时对光窗区域的半导体材料进行保护，以防止由于后制程对光窗处半导体材料厚度产生影响从而导致的激光器批次之间性能不稳定。

具体而言，本实用新型采用以下技术方案：

一种垂直腔面发射激光器，包括上布拉格反射镜，设置于上布拉格反射镜上表面的欧姆接触层，以及与所述欧姆接触层电连接的上电极；所述欧姆接触层中部设置有用于激光出射的光窗；在欧姆接触层的上表面敷设有一层面积大于光窗面积并完全覆盖光窗的透明导电薄膜；所述上电极设置于所述透明导电薄膜上表面不遮挡光窗的区域，并通过所述透明导电薄膜与欧姆接触层电连接。

为了提高器件的抗湿性，本实用新型还进一步在该激光器表面由内向外依次设置有一层钝化膜和一层al2o3膜，所述钝化膜覆盖除光窗与电极以外的区域，所述al2o3膜覆盖该激光器表面所有区域。所述al2o3膜的厚度优选为10nm～150nm。

所述透明导电薄膜的作用是为光窗提供保护，同时要不影响激光出射和电极的电连接，而要同时保证激光出射效率及上电极与欧姆接触层可靠电连接，就需要对透明导电薄膜的厚度和材料选择进行优化设计。经过大量实验研究发现，所述透明导电薄膜的厚度在10nm～50nm范围内，可较好地平衡激光出射效率与导电性。所述透明导电薄膜可以采用现有的各种透明导电薄膜材料，例如金属薄膜材料或透明导电金属氧化物（transparentconductingoxide,tco）薄膜；从制备难度以及成本角度综合考虑，优选采用透明导电金属氧化物薄膜，例如目前最常用的ito（in2o3：sno2）膜，或者azo（sb2o3：sno2）膜、fto（f2：sno2）膜、zno膜、zn2sno4（氧化锡锌）膜等。

所述上电极的具体结构可根据实际需要设计，优选为包围光窗区域的环状电极结构，相应地，透明导电薄膜可设计为包覆光窗区域和电极环区域的盘状。

本实用新型可利用现有半导体工艺的成熟工艺和常用材料实现，不需要引入新的工艺制程方法和新材料，实现成本低廉。

为了便于公众理解，下面通过一个实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行进一步详细说明：

本实施例以gaas基底vcsel为例，gan基底、inp基底等其它类型vcsel与其类似。其基本结构如图1所示，衬底为n型gaas材料，其上依次为下布拉格反射镜（n-dbr）、多量子阱有源区（mqw）、上布拉格反射镜（p-dbr）、p型欧姆接触层（本实施例中为p-gaas）；其中上、下dbr均由折射率交替变化的多个材料层构成，每个材料层的光学厚度均为λ/4；p-dbr与mqw之间具有氧化限制层，其中设置有用于对电流和光进行限制的氧化物孔；p型欧姆接触层中部设置有用于激光出射的光窗，其与氧化物孔基本对齐。

当前平台(mesa)基于不同的技术，可通过离子注入或封闭被氧化层，形成电流的局限。在离子注入技术中，离子注入到上部反射层的一部分中形成高电阻区域，从而限制了电流流到定义的区域。在选择性氧化技术中，台面结构的外围区域是氧化，从而定义一个孔，周围是高电阻区。更具体来说，在选择性氧化方法中，在上与下反射器是由algaas层沉积而成，经由湿法蚀刻或干法蚀刻形成平台，蚀刻深度穿越有源区到达下反射镜数层，上反射器接近有源区上方又一高铝的algaas层。接下来，芯片被氧化在预定的时间段内保持大气蒸气扩散到高铝的algaas层的外围部分层。结果，在绝缘层上形成了氧化物绝缘层。外围部分作为高电阻区域，电流流动，从而导致孔被包围在高电阻区域中。

如图1所示，在p型欧姆接触层上表面敷设有一层盘状ito膜，ito膜完全覆盖光窗区域以及光窗周围的环形电极区域，环形的上电极（p-metal）设置于ito膜上表面光窗区域的周围，上电极并不与p型欧姆接触层直接接触，而是通过ito膜与p型欧姆接触层实现稳定可靠地电连接。ito膜厚度优选为10nm～50nm，此时其透光率可大于70%；ito膜虽吸收了部份的激光，但其对光刻胶显影液、rie、o2plasma等后制程可能会对半导体材料表面的侵蚀形成保护作用，因此可改善光窗表层的半导体材料厚度变异。

如图1所示，在整个器件表面除光窗与电极以外的区域包覆有一层材质为sinx或sio2或sion的钝化膜（passivationfilm），用于对器件进行保护。

传统vcsel光窗表面的增透膜不具有抗湿的功能，因此往往会在85℃/85%湿度的测试环境下失效，为解决这一问题，除了上述的常规绝缘钝化层，本实用新型还在常规钝化膜之上，整个器件的最外层包覆一层al2o3膜作为增透膜（arfilm），al2o3膜的厚度最好在10nm～150nm，具体厚度可根据实际抗湿性能要求确定，激光器可通过该层al2o3膜的保护获得良好的抗湿性能。

由于采用以上结构，光窗区域和电极区域被透明导电薄膜所覆盖保护，不会由于后制程中的黄光微影、蚀刻等工艺而产生光窗厚度的异变，从而保证了各批次之间产品的性能稳定。

本实用新型vcsel可利用现有半导体工艺的成熟工艺和常用材料实现，例如，可先利用负光阻成像显影，之后溅镀生长ito膜，再将光阻去除，接着用光阻成像做p-mesa的成像rie蚀刻、湿氧化，再用pevcd工艺镀钝化膜，然后开出光窗，镀p型金属环电极于钝化膜与ito膜上，最后采用ald工艺在器件表面沉积al2o3膜做抗湿保护。通过调整ito膜和al2o3膜的厚度可以得到不同的出光角度及出光效率。