一种消除台面边缘应力的氧化型VCSEL及其制作方法与流程

一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel及其制作方法
技术领域
1.本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel及其制作方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vcsel)因为其具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点在数据通信等领域具有广泛的应用。对于目前大量商业化应用的vcsel半导体激光器而言，通常是采用gaas为衬底的氧化型结构，通过氧化层可以对电流和光场起到有效地限制作用，从而可以有效地降低阈值电流和光损耗，提高vcsel的功率转换效率，大大提高了vcsel的性能。
3.在氧化型vcsel中，氧化层(铝的氧化物)是由alas或含有极少量ga的al
0.98
ga
0.02
as层经过台面水汽氧化完成的。在选择性湿法氧化工艺时，需要蚀刻出一个台面柱状(mesa)结构，然后再进行氧化工艺，而此结构设计对器件的可靠性来说是比较危险的，大部分失效是由于此结构的镜面氧化(mirror oxide)引起的。布拉格反射镜(dbr)是由低al含量和高al含量的algaas材料交替生长而成，因此在实际氧化过程中也会有部分被氧化，而且dbr有很多层，所以累积应力非常高。当应力足够高会引起分层或者裂纹，位错会从氧化物的边缘向有源区移动，导致可靠性问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel及其制作方法。
5.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
6.一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel的制作方法，包括以下步骤：
7.1)提供或生长外延结构，所述外延结构包括按序设置的衬底、缓冲层、第一dbr、谐振腔和第二dbr，所述谐振腔包括量子阱有源区和限制层；
8.2)设计发光台柱的直径和高度，对外延结构进行第一蚀刻，蚀刻出初始台柱，初始台柱的直径大于发光台柱的直径，高度小于发光台柱的高度；
9.3)采用湿法氧化工艺对初始台柱进行氧化至限制层达到预设中心孔孔径，同时产生边缘氧化区；
10.4)对初始台柱进行第二蚀刻得到发光台柱，所述第二蚀刻使边缘氧化区与发光台柱分离。
11.可选的，所述步骤4)中，所述第二蚀刻是去除所述边缘氧化区，蚀刻至余下部分为设计的发光台柱停止。
12.可选的，所述步骤4)中，所述第二蚀刻是在设计的发光台柱外围蚀刻出环形槽，所述环形槽分隔所述发光台柱和所述边缘氧化区。
13.可选的，所述环形槽的蚀刻宽度为3μm～6μm，深度不小于所述初始台柱的高度。
14.可选的，所述步骤1)中，所述限制层的材料为al
x
ga
1-x
as，其中1≥x≥0.98；所述第一dbr和第二dbr分别由alyga
1-y
as层和alzga
1-z
as层交替生长而成，其中0.95≥y≥0.80，0.20≥z≥0.10。
15.可选的，根据x和y预估所述边缘氧化区的宽度，设计所述初始台柱的直径大于所述发光台柱的直径和边缘氧化区宽度之和。
16.可选的，所述限制层的厚度为20-30nm。
17.可选的，所述湿法氧化工艺是：氧化炉升温至380-420℃，水温设定为92-98℃，通微量氮气排除氧化炉内多余的空气，流量为0.5-1.5l/min，稳定15-30min，然后开始通水汽+氮气，流量为3-8l/min。
18.上述制作方法制作的消除台面边缘应力的氧化型vcsel，其外延结构由下至上包括衬底、缓冲层、第一dbr、谐振腔和第二dbr，谐振腔包括量子阱有源区和限制层；外延结构被向下蚀刻至第二dbr形成台面，台面之上的外延结构分隔形成位于中心的发光台柱和环绕发光台柱外围的边缘氧化区，其中发光台柱的限制层通过氧化定义中心孔，边缘氧化区的限制层和部分第一dbr、第二dbr被氧化。
19.可选的，所述发光台柱和边缘氧化区之间通过环形凹槽分隔，所述环形凹槽内填充绝缘物质
20.本发明的有益效果为：
21.通过台面蚀刻预留出边缘氧化区范围，限制层氧化后进行第二步蚀刻将边缘氧化区与发光台柱分离，避免了边缘氧化区累计应力引起的分层、裂纹或位错向发光台柱移动导致氧化型vcsel可靠性失效的问题，使器件性能更为稳定。
附图说明
22.图1～图4分别为实施例1的步骤1～4得到的结构示意图；
23.图5为实施例2得到的结构示意图；
24.图6为图5的俯视图。
具体实施方式
25.以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
26.实施例1
27.参考图1～图4，实施例1的一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel的制作方法，步骤如下所示。
28.步骤一，参考图1，提供或生长外延结构，所述外延结构包括按序设置的衬底1、缓冲层2、第一dbr 3、谐振腔4和第二dbr5，衬底1的材料是n gaas，缓冲层2的材料是gaas，第一dbr 3和第二dbr 4分别由多组的高al含量的al
0.92
ga
0.08
as层和低al含量的al
0.18
ga
0.82
as层交替生长而成，al
0.92
ga
0.08
as层光学厚度为发射激光波长的四分之一(光学厚度＝物理厚度*材料的折射率)，al
0.18
ga
0.82
as层光学厚度为发射激光波长的四分之一。其中第一dbr 3
为n dbr，第二dbr5为p dbr。谐振腔4包括量子阱有源区41和限制层42，量子阱有源区41例如是gaas/algaas多量子阱，其结构设计参考习知结构，限制层42的材料是al
0.98
ga
0.02
as，厚度为20-30nm。谐振腔4还可选择的包括包覆层等其他结构。
29.步骤二，参考图2，设计发光台柱的直径和高度，对外延结构进行第一蚀刻，由上至下蚀刻至第一dbr3，蚀刻出初始台柱a，初始台柱a的直径大于发光台柱的直径，高度小于发光台柱的高度。已知的，氧化速率是al成分的强相关函数，而限制层42的al含量高于dbr中的al
0.92
ga
0.08
as层，因此限制层42的氧化速率比dbr的氧化速率大得多。根据其含al量差别等因素预估在限制层42完成设计氧化要求时，dbr可能的氧化宽度，则初始台柱a的蚀刻边缘相对于设计发光台柱的边缘需留出大于氧化宽度的范围。例如，期望的发光台柱的直径为30μm，台面深度为8μm，预估dbr被氧化的宽度约为2-4μm，则设计初始台柱a的直径为40μm，台面深度为5μm。
30.步骤三、参考图3，采用湿法氧化工艺对初始台柱a进行湿法氧化，湿法氧化工艺过程为：氧化炉升温至400℃，水温设定为95℃，通微量氮气排除氧化炉内多余的空气，流量为1l/min，稳定20min。然后开始通水汽+氮气，流量为5l/min，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。限制层42由外之内被氧化形成绝缘的al的氧化物，氧化至预设宽度，则中心未氧化区段即形成中心孔421，中心孔421用以定义主动区的范围。在氧化过程中，dbr边缘，尤其al
0.92
ga
0.08
as层也被明显氧化，被氧化的宽度区域定义为边缘氧化区b。
31.步骤四、参考图4，对初始台柱a进行第二蚀刻去除边缘氧化区b，蚀刻至设计的发光台柱直径停止，即得到发光台柱c。
32.得到的发光台柱c边缘平整，不存在dbr边缘氧化的问题。algaas材料在氧化形成al的氧化物时体积会有一定的收缩，这样会在氧化区形成较大的应力，同时氧化后形成的氧化铝与dbr半导体晶格不匹配，结合力弱，以及cte不匹配等原因导致了dbr中容易在两者界面之间形成分层或裂纹，是缺陷的主要源头。本实施例去除了dbr的边缘氧化区域，使得发光台柱性能更为稳定。
33.后续流程均可参考传统氧化型vcsel工艺流程，不加以赘述。
34.实施例2
35.实施例2的一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel的制作方法，步骤如下所示。
36.步骤一、参考实施例1及图1。
37.步骤二、与实施例1的差别在于，期望的发光台柱的直径为30μm，则设计初始台柱的直径为50μm。
38.步骤三、参考实施例1及图3。
39.步骤四、参考图5和图6，通过蚀刻出环形凹槽d分隔发光台柱c和边缘氧化区b，环形凹槽的宽度为5μm，深度不小于初始台柱的深度。
40.得到的氧化型vcsel，外延结构由下至上包括衬底1、缓冲层2、第一dbr3、谐振腔4和第二dbr5，谐振腔4包括量子阱有源区41和限制层42；外延结构被向下蚀刻至第二dbr形成台面，台面之上的外延结构被环形凹槽d分隔形成位于中心的发光台柱c和环绕发光台柱外围的边缘氧化区b，其中发光台柱c的限制层42具有中心孔421，边缘氧化区b的限制层和第一dbr、第二dbr部分区域被氧化形成al的氧化物。
41.本实施例中，利用环形凹槽将发光台柱和边缘氧化区分隔开，阻断了边缘氧化区
的缺陷向有源区的传递；另一方面边缘氧化区环设于发光台柱之外，为vcsel发光腔体提供保护，避免了vcsel发光腔体在后续加工、制造和使用过程中的可能产生的边缘机械损伤，进一步提升了可靠性。
42.后续制程中，环形凹槽d内将填充绝缘物质，如bcb(苯并环丁烯，benzocyclobutene)或者pi(聚酰亚胺，polyimide)或者氮化硅、氧化硅材料等。
43.上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种消除台面边缘应力的氧化型vcsel及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。