一种VCSEL芯片的低温氧化方法与流程

本发明涉及vcsel芯片氧化制备技术领域，尤其涉及一种vcsel芯片的低温氧化方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器（vertical-cavitysurface-emittinglaser，简称vcsel，又译垂直共振腔面射型激光）是一种半导体激光器，其激光垂直于顶面射出，与边缘射出的边射型激光有所不同。

vcsel从垂直衬底的面发射激光，因此很容易通过平面工艺实现大规模发光阵列；发射激光的束散角较小，光斑近似于圆形；对于光学系统的要求低；可寻址阵列中提供设计灵活性；激光波长的温度依赖性很低；晶圆级制造工艺，利于降低成本，由于引入电流限制结构，vcsel激光器可以在极低的阈值条件下激射，从而对能源的消耗极低。

近来有两种主要的方法来限制vcsel中的电流，依照其特性分成两种：离子内嵌vcsel和氧化型vcsel，其中，氧化型vcsel是利用在靠近vcsel共振腔周围预先生长的富铝algaas层的氧化反应形成al2o3层，利用氧化层良好的绝缘性，以及低的折射率特性，有效地约束了光子和电子的横向扩散范围。

目前的氧化型vcsel是通过传统的湿法氧化工艺制得，通过氮气和氩气作为载体把水汽输入到400度以上的样品腔中，在高温湿氧环境中使富铝algaas层中的铝氧化形成不导电的氧化铝，但是，在高温环境下氧化，大面积温度场和汽场的均匀性控制难度大，容易导致不同区域的vcsel芯片氧化不均匀，晶圆良率低，而获得高均匀性的高温氧化设备成本高，能耗大。

因此，开发一种vcsel芯片的低温氧化方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。

技术实现要素：

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种vcsel芯片的低温氧化方法，以解决传统的高温湿法氧化工艺，温度的均匀性难以控制，容易导致vcsel芯片氧化不均匀，生产良率低，成本高，能耗大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种vcsel芯片的低温氧化方法，所述氧化方法包括以下步骤：

步骤一，将用于制作vcsel芯片的外延片通过刻蚀工艺刻蚀成所需台阶，使vcsel芯片的富铝algaas层裸露出来；

步骤二，将步骤一制作的vcsel芯片的晶圆放置于等离子体腔内的载片台上，将所述载片台的温度调整到设定温度值，并对所述等离子体腔抽真空；

步骤三，将氩气罐内的氩气通过第一气体管道连通至装有去离子水且具有加热功能的容器内，且所述第一气体管道位于所述容器内的端部延伸至去离子水的水体内，使所述容器内产生氩气和去离子水汽，所述容器通过第二气体管道连通所述等离子体腔，通过所述第二气体管道使所述容器内的氩气和去离子水汽输入至所述等离子体腔内；

步骤四，将所述等离子体腔通电，使所述等离子体腔的内部产生电场，并将所述等离子体腔内的去离子水汽离化成活性氧化粒子，所述活性氧化粒子与所述vcsel芯片的富铝algaas层发生氧化还原反应，并生成所需的al2o3层和挥发性副产物；

步骤五，所述等离子体腔的底部通过第三气体管道连通真空泵，所述真空泵将所述挥发性副产物排出至所述等离子体腔的外侧。

作为一种改进的方案，所述载片台的设定温度值为100℃-250℃，所述等离子体腔的本底真空度为1×10^-1pa-1×10^-4pa，所述等离子体腔的工作真空度为1×10²pa-1×10^-1pa。

作为一种改进的方案，所述第一气体管道上安装有气体流量器，所述氩气罐输出的氩气的流量为1-1000sccm。

作为一种改进的方案，所述等离子体腔内部设有汽体均分器，所述汽体均分器与所述载片台对应设置，所述汽体均分器的进气端连通所述第二气体管道，所述汽体均分器的出气端朝向所述载片台。

作为一种改进的方案，所述汽体均分器上设有若干气孔，若干所述气孔之间非均匀排列设置。

作为一种改进的方案，所述al2o3层的氧化深度与所述vcsel芯片位于所述等离子体腔内的时间及氧化还原的速率呈正比关系。

作为一种改进的方案，所述容器的外侧壁上包裹有加热套，所述容器内去离子水的加热温度为85℃-100℃。

作为一种改进的方案，所述载片台的底部设有若干加热灯珠，若干所述加热灯珠之间非均匀排列设置。

作为一种改进的方案，所述vcsel芯片包括上dbr层，所述上dbr层的底部为富铝algaas层，所述富铝algaas层的底部为mqw层，所述mqw层的底部为下dbr层，通过刻蚀工艺将所述上dbr层、所述富铝algaas层、所述mqw层以及下dbr层的顶部刻蚀成台阶。

作为一种改进的方案，所述活性氧化粒子包括活性水分子、活性氧离子和活性氢氧基团。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

通过刻蚀形成的vcsel芯片台阶，便于vcsel芯片内的富铝algaas层与活性氧化粒子接触而发生氧化还原反应生成al2o3层；将vcsel芯片放置于等离子体腔内，并在真空和100℃-250℃的相对低温环境下，形成氧化所需的活性氧化粒子，所述活性氧化粒子与所述vcsel芯片的富铝algaas层发生氧化还原反应，而传统的湿法氧化工艺，是通过高温为水汽和目标物质的氧化还原反应提供所需的能量，本发明实现了较低温度的氧化，有利于实现大面积温度场的均匀性控制，实现多片vcsel晶圆同时氧化处理且不同区域的vcsel芯片的氧化深度一致，从而提高生产效率，降低生产成本，减少能源的消耗；

通过设置汽体均分器使进入到等离子体腔内的去离子水汽分布均匀，从而在电离离化时可以均匀的与富铝algaas层发生反应；

通过设置加热套可以对容器进行加热，使去离子水更加容易汽化，并随着氩气进入到等离子体腔内。

综上，本发明解决了传统的高温湿法氧化工艺，温度的均匀性难以控制，容易导致vcsel芯片氧化不均匀，生产良率低，成本高，能耗大的问题。

附图说明

图1是本发明中vcsel芯片的外延片的剖面结构示意图；

图2是本发明中vcsel芯片氧化之前的剖面结构示意图；

图3是本发明氧化装置的结构示意图；

图4是本发明中vcsel芯片氧化之后的剖面结构示意图；

图5是本发明中富铝algaas层氧化之前的结构示意图；

图6是本发明中富铝algaas层氧化之后的结构示意图；

图7是本发明中气孔的排列结构示意图；

图8是本发明中加热灯珠的排列结构示意图；

其中，在图中，各个数字标号分别指代如下的具体含义、元件和/或部件。

图中：1、vcsel芯片的外延片，2、vcsel芯片，3、等离子体腔，4、载片台，5、氩气罐，6、第一气体管道，7、容器，8、去离子水，9、第二气体管道，10、第三气体管道，11、真空泵，12、气体流量器，1201、气孔，13、汽体均分器，14、加热套，15、加热灯珠，16、al2o3层，17、上dbr层，18、富铝algaas层，19、mqw层，20、下dbr层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。

如图1-图8所示，一种vcsel芯片的低温氧化方法，氧化方法包括以下步骤：

步骤一，将用于制作vcsel芯片的外延片1通过刻蚀工艺刻蚀成台阶，刻蚀工艺为微纳加工领域，为日常生活所常见的，且属于本技术领域内技术人员公知常识，在此不再赘述；

vcsel芯片2包括上dbr层17，其中，dbr为分布式布拉格反射镜，上dbr层17的底部为富铝algaas层18，富铝algaas层18的底部为mqw层19，其中mqw为多量子阱，mqw层19的底部为下dbr层20，通过刻蚀工艺将上dbr层17、富铝algaas层18、mqw层19以及下dbr层20的顶部刻蚀成台阶，使vcsel芯片的富铝algaas层18裸露出来，制得vcsel芯片2；

步骤二，将步骤1制得的vcsel芯片2的晶圆放置于等离子体腔3内的载片台4上，将载片台4的温度调整到设定温度值，其中，载片台4设定的温度值为100℃-250℃，并对等离子体腔3抽真空，抽真空采用的是真空泵11，等离子体腔3的本底真空度为1×10^-1pa-1×10^-4pa，其中，本底真空度为等离子体腔3未通入氩气和去离子水汽时，真空泵11抽真空的压强，等离子体腔3的工作真空度为1×10²pa-1×10^-1pa，其中，工作真空度为等离子体腔3在工作状态下，氩气和去离子水汽进入等离子体腔3内时，氧化还原反应的压强；

步骤三，将氩气罐5内的氩气通过第一气体管道6连通至装有去离子水8且具有加热功能的容器7内，且第一气体管道6位于容器7内的端部延伸至去离子水8的水体内，使容器7内产生氩气和去离子水汽，氩气作为载体，可以带动去离子水汽进行运动，容器7通过第二气体管道9连通等离子体腔3，通过第二气体管道9使容器7内的氩气作为载体，载着去离子水汽输入至等离子体腔3内；

步骤四，将等离子体腔3通电，使等离子体腔3的内部产生电场，射频功率为50w-400w，并将等离子体腔3内的去离子水汽离化成活性氧化粒子，其中活性氧化粒子包括活性水分子、活性氧离子和活性氢氧基团，活性氧化粒子与vcsel芯片2的富铝algaas层18发生氧化还原反应，并生成挥发性副产物和所需的al2o3层16，其中，挥发性副产物为ash3等，所需的al2o3层16具有氧化孔，其中，氧化孔径的大小可以根据氧化速率来调节氧化时间所得；

步骤五，等离子体腔3的底部通过第三气体管道10连通真空泵11，真空泵11将挥发性副产物排出至等离子体腔3的外侧；

综上所述，通过刻蚀工艺刻蚀成台阶，便于vcsel芯片2内的富铝algaas层18与活性氧化粒子接触而发生氧化还原反应生成al2o3层16，通过设置等离子体腔3，可以将vcsel芯片2放置于等离子体腔3内，并在真空和100℃-250℃的相对低温环境下，形成氧化所需的活性氧化粒子，所述活性氧化粒子与所述vcsel芯片2的富铝algaas层18发生氧化还原反应，而传统的湿法氧化工艺，是通过高温为水汽和目标物质的氧化还原反应提供所需的能量，由此本发明实现了较低温度的氧化，有利于实现大面积温度场的均匀性控制，实现多片vcsel晶圆同时氧化处理且不同区域的vcsel芯片2的氧化深度一致，从而提高生产效率，降低生产成本，减少能源的消耗。

本实施例中，结合图3所示，第一气体管道6上安装有气体流量器12，通过气体流量器12可以控制、检测氩气罐5的氩气输入量，氩气罐5输出的氩气的流量为1-1000sccm。

本实施例中，结合图3所示，等离子体腔3的内腔顶部设有汽体均分器13，汽体均分器13与载片台4对应设置，汽体均分器13的进气端连通第二气体管道9，汽体均分器13的出气端朝向载片台4，通过设置汽体均分器13使进入到等离子体腔3内的去离子水汽分布均匀，从而在电离离化时可以均匀的与富铝algaas层18发生反应。

本实施例中，结合图7所示，汽体均分器13上设有若干气孔1201，若干气孔1201之间非均匀排列设置。

本实施例中，结合图4所示，al2o3层16的氧化深度与vcsel芯片2位于等离子体腔3内的时间及氧化还原的速率呈正比关系，通过控制vcsel芯片2位于等离子体腔3内的时间及氧化还原的速率可以得到不同的al2o3层16的氧化深度。

本实施例中，如图3所示，容器7的外侧壁上包裹有加热套14，容器7内去离子水8的加热温度为85℃-100℃，通过设置加热套14可以对容器7进行加热，加快去离子水8的汽化，并随着氩气进入到等离子体腔3内。

本实施例中，如图3和图8所示，载片台4的底部设有若干加热灯珠15，若干加热灯珠15之间非均匀排列设置，通过加热灯珠15可以对载片台4进行加热，使载片台4的温度维持在100℃-250℃。

综上可得，本发明解决了传统的高温湿法氧化工艺，温度的均匀性难以控制，容易导致vcsel芯片2氧化不均匀，生产率低，成本高，能耗大的问题。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。