CN113725729B - 高散热垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，将砷化镓衬底正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层。在衬底正面外延生长N‑DBR层、MQW层和P‑DBR层，并在P‑DBR层形成内部构成出光孔径的氧化层。该制作方法可以在外延生长前生长砷化铝层，在MQW层累积的热量向下传导时由于砷化铝的导热系数优于砷化镓，其散热传导至背面金属电极效率更高、散热更快，进而提升整个器件的散热性能，并且砷化铝和砷化镓晶格常数相匹配，对衬底进行刻蚀并沉积砷化铝层后进行外延生长的影响也较小。本申请还提供一种高散热垂直腔面发射激光器，通过形成于衬底的刻蚀凹槽内的砷化铝层可以提升器件的散热能力。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种高散热垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)是一种出光方向垂直于谐振腔表面的激光器，具有阈值电流小、发散角小且光斑呈现圆形对称性、易二维集成等优点，目前被广泛应用于光互连、光存储、光通信等领域。
现有的VCSEL为了降低激光出射的阈值电流，一般会采用电流局限结构，即通过氧化层形成出光孔，限制电流仅能从出光孔内通过。由于电流被限制在较窄的区域，其单位时间通过电流密度增加，造成器件热能累积。而热能累积将影响器件的PN结面温度，进而使器件的可靠度逆化。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种高散热垂直腔面发射激光器及其制作方法，其能够提高器件散热性、提升器件高温特性。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，所述方法包括：
在外延生长前，将衬底正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层，所述衬底由砷化镓组成；
在所述衬底的沉积砷化铝层的一侧依次外延生长N-DBR层、MQW层和P-DBR层；
在所述P-DBR层靠近所述MQW层的一侧进行氧化工艺形成内部构成出光孔径的氧化层；
在所述P-DBR层远离所述MQW层的一侧形成接触层和环状的正面电极；
在所述衬底远离所述N-DBR层的一侧形成背面电极。
在可选的实施方式中，所述将衬底正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层的步骤，包括：
在提供的衬底正面涂覆光阻；
加光罩并曝光处理，以在所述衬底正面定义刻蚀区域，所述刻蚀区域与出光孔圈位置对应；
于所述刻蚀区域处对所述衬底进行刻蚀至不超过衬底厚度；
于所述衬底的被刻蚀位置处沉积呈环状的砷化铝层。
在可选的实施方式中，所述于所述衬底的被刻蚀位置处沉积呈环状的砷化铝层的步骤之后，还包括：
剥离涂覆的光阻以及位于所述光阻上的砷化铝材料；
对所述激光器进行清洗处理。
在可选的实施方式中，所述砷化铝层构成的环状内径小于或等于所述氧化层构成的出光孔径。
在可选的实施方式中，所述砷化铝层的深度为3um-200um。
在可选的实施方式中，所述衬底的厚度为500um-600um。
第二方面，本发明提供一种高散热垂直腔面发射激光器，包括：
衬底，所述衬底正面的出光孔圈区域具有刻蚀凹槽，所述衬底由砷化镓组成；
形成于所述衬底的刻蚀凹槽的砷化铝层；
依次外延生长形成于所述衬底的生长砷化铝层一侧的N-DBR层、MQW层和P-DBR层；
形成于所述P-DBR层靠近所述MQW层一侧的内部构成出光孔径的氧化层；
形成于所述P-DBR层远离所述MQW层一侧的接触层和环状的正面电极；
形成于所述衬底远离所述N-DBR层一侧的背面电极。
在可选的实施方式中，所述砷化铝层构成的环状内径小于或等于所述氧化层构成的出光孔径。
在可选的实施方式中，所述砷化铝层的深度为3um-200um。
在可选的实施方式中，所述衬底的厚度为500um-600um。
本发明实施例的有益效果包括，例如：
本申请提供一种高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，于外延生长前，将衬底正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层，其中，衬底由砷化镓组成。然后在衬底的沉积砷化铝层的一侧依次外延生长N-DBR层、MQW层和P-DBR层，并在P-DBR层靠近MQW层的一侧进行氧化工艺形成内部构成出光孔径的氧化层。最后，在P-DBR层的一侧形成接触层和环状的正面电极、在衬底远离N-DBR层的一侧形成背面电极。该制作方法可以在外延生长前生长砷化铝层，在MQW层累积的热量向下传导时由于砷化铝的导热系数优于砷化镓，其散热传导至背面电极效率更高、散热更快，进而提升整个器件的散热性能，并且砷化铝和砷化镓晶格常数相匹配，对衬底进行刻蚀并沉积砷化铝层后进行外延生长的影响也较小。
此外，本申请还提供一种高散热垂直腔面发射激光器，包括衬底及形成于衬底的于其出光孔圈区域形成的刻蚀凹槽内的砷化铝层，衬底由砷化镓组成。此外，还包括依次外延生长形成的N-DBR层、MQW层、P-DBR层，在P-DBR层的边缘区域形成有内部构成出光孔径的氧化层。并且，还包括形成于P-DBR层一侧的接触层和环状的P电极、以及形成于衬底远离N-DBR层一侧的背面电极。该激光器通过形成于衬底的刻蚀凹槽内的砷化铝层可以提升器件的散热能力，进而提升激光器的高温特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的衬底和刻蚀凹槽的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的衬底和砷化铝层的结构示意图；
图4为图1中步骤S110包含的子步骤的流程图；
图5为本申请实施例提供的高散热垂直腔面发射激光器的层级结构示意图；
图6为本申请实施例提供的砷化铝层的俯视示意图。
图标：10-衬底；11-刻蚀凹槽；20-砷化铝层；30-N-DBR层；40-MQW层；50-P-DBR层；51-氧化层；60-接触层；70-正面电极；80-背面电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参阅图1，为本申请实施例提供的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法的流程示意图，请结合参阅图2和图3，该制作方法可用于制作高散热垂直腔面发射激光器，以下将对该制作方法的详细过程进行阐述。
步骤S110，在外延生长前，将衬底10正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底10厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层20。
本实施例中，所述的出光孔圈区域即为与器件的出光孔位置对应的圆环状区域，通电VCSEL的电流主要集中于出光孔圈附近，其发热也主要集中于出光孔圈附近。
在该步骤中，作为一种可能的实施方式，沉积形成的砷化铝层20可以是对衬底10边缘进行刻蚀后，形成于刻蚀位置处的砷化铝层20，如图3中所示。详细地，请结合参阅图4，步骤S110可以包括以下子步骤：
步骤S111，在提供的衬底10正面涂覆光阻。
步骤S112，加光罩并曝光处理，以在所述衬底10正面定义刻蚀区域，所述刻蚀区域与出光孔圈位置对应。
步骤S113，于所述刻蚀区域处对所述衬底10进行刻蚀至不超过衬底10厚度。
步骤S114，于所述衬底10的被刻蚀位置处沉积呈环状的砷化铝层20。
本实施例中，涂覆的光阻可以是正性光刻胶，使用的光罩可为挖有环形镂空的光罩。如此，在加光罩并曝光显影后，位于衬底10边缘一圈的光刻胶因曝光被溶解，可在衬底10的边缘定义出刻蚀区域。该刻蚀区域为位于衬底10边缘的一圈环形区域。该环形区域即为出光孔圈区域。
此外，涂覆的光阻也可以是负性光刻胶，使用的光罩可以是一环状的光罩，如此，在加光罩并曝光显影后，衬底10的未与环状光罩位置对应的区域的负性光刻胶因曝光被保留下来，而位于衬底10的与环状光罩位置对应的负性光刻胶因未曝光而被溶解。从而，在衬底10的边缘定义出环状的刻蚀区域。
在此基础上，可基于定义出的刻蚀区域对衬底10进行刻蚀形成刻蚀凹槽11，也即对衬底10的一圈环状区域进行刻蚀，刻蚀的深度小于衬底10的厚度，例如，刻蚀的深度可为3um-200um，衬底的厚度可为500um-600um。刻蚀方式可以采用湿法刻蚀，例如利用醋酸进行刻蚀。此外，也可以采用干法刻蚀。
刻蚀完成后，在衬底10的边缘形成一圈刻蚀凹槽11，如图2中所示。可于衬底10的被刻蚀位置处所形成的刻蚀凹槽11内沉积形成环状的砷化铝层20，如图3中所示。
本实施例中，砷化铝层20为环状，可以是内圈为圆形的环状，也可以是内圈为椭圆形、方形、多边形等形状的环状，具体地本实施例不作限定。
本实施例中，衬底10由砷化镓组成。砷化铝的导热系数为0.9W/cm.k，而砷化镓的导热系数为0.55W/cm.k。砷化铝的导热系数较砷化镓的导热系数更大。通电VCSEL的电流主要集中于出光孔圈附近，其发热也主要集中于出光孔圈区域，在MQW层40累积的热量向下传导时由于砷化铝的导热系数优于砷化镓，其热量传导至背面金属电极效率更高，散热更快，进而提升整个VCSEL器件的散热性能。
此外，砷化铝和砷化镓的晶格常数很接近，因此，通过对砷化镓衬底10的部分区域进行刻蚀并沉积形成砷化铝层20，可以在不影响后续的外延生长质量的基础上，提升器件的散热性能。
本实施例中，在上述沉积形成砷化铝层20后，制作方法还包括以下步骤：
剥离涂覆的光阻以及位于光阻上的砷化铝材料，对激光器进行清洗处理。
本实施例中，在经过上述的砷化铝层20的沉积后，沉积的砷化铝材料位于周围的刻蚀凹槽11以及中心区域的光阻上，可通过剥离衬底10上光阻的方式，从而将光阻以及位于光阻上的砷化铝材料剥除，从而剩下位于刻蚀凹槽11内的砷化铝层20。为了避免对后续制作造成影响，可对剥离光阻后的激光器进行清洗处理。
此外，在另一种可能的实施方式，沉积形成的砷化铝层20也可以是对衬底10进行整面减薄后沉积形成的。详细地，在形成砷化铝层20时也可以通过以下方式实现：
对提供的衬底10一侧执行减薄工艺，在减薄后的衬底10上整面沉积形成砷化铝层20。
本实施例中，可对提供的衬底10进行减薄处理，可以通过对衬底10进行研磨以减薄衬底10，研磨的厚度可在3um-200um之间。在研磨后的衬底10上通过沉积砷化铝的方式以形成砷化铝层20。也即，所谓的形成刻蚀凹槽11的步骤为对衬底10整面进行刻蚀。
本实施例中，形成的砷化铝层20可全覆盖于衬底10上，由于通电VCSEL的电流主要集中出光孔圈附近，其发热也主要集中于出光孔圈附近。而对衬底10进行整面刻蚀并沉积形成砷化铝层20，形成的砷化铝层20也可与出光孔圈所对应，可以实现达到提高器件的散热性能的效果。
本实施例中，可以通过上述的对衬底10进行部分刻蚀并于刻蚀凹槽11内形成砷化铝层20，也可以通过上述的对衬底10进行减薄以在减薄后的衬底10上沉积砷化铝层20，具体地本实施例不作限制。
在上述基础上，请结合参阅图5，本实施例提供的制作方法还包括以下步骤。
步骤S120，在所述衬底10的沉积砷化铝层20的一侧依次外延生长N-DBR层30、MQW层40和P-DBR层50。
步骤S130，在所述P-DBR层50靠近所述MQW层的一侧进行氧化工艺形成内部构成出光孔径的氧化层51。
步骤S140，在所述P-DBR层50远离所述MQW层40的一侧形成接触层60和环状的正面电极70。
步骤S150，在所述衬底10远离所述N-DBR层30的一侧形成背面电极80。
本实施例中，N-DBR层30包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜，MQW层40包括层叠设置的量子阱结构，而P-DBR层50包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
其中，每个第一布拉格反射镜可以由Si层和位于Si层上的SiO2层依次排列构成，而MQW层40包括多层层叠设置的量子阱结构，每个量子阱结构可包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层排列构成。每个第二分布布拉格反射镜可包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。
在P-DBR层50的靠近MQW层40的一侧执行氧化工艺，形成一圈由Al2O3组成的氧化层51，氧化层51内部可构成出光孔径。
在此基础上，依次形成接触层60和正面电极70。可在制作完成接触层60后，利用电子束溅射法在接触层60表面溅射形成正面电极70，正面电极70可采用Ti-Pt-Au结构，正面电极70可为环状。此外，可在衬底10的背面，利用真空镀膜装置，蒸镀形成背面电极80。背面电极80可采用Ge/Au/Ni-Au结构。
本实施例中，器件热量产生于MQW层40，并向上下两个方向传导，发热量对于激光器的每一个层级都有影响。而氧化层51将电流限制于出光孔内通过，出光孔边缘的位置是电流最密集的区域，也是发热最严重的区域。因此，在上述对衬底10进行刻蚀后沉积砷化铝层20的实施方式中，如图5中所示，砷化铝层构成的环状内径d小于或等于氧化层51构成的出光孔径D，例如，如图6所示为器件的俯视视角的示意图，其中，环形区域即为出光孔圈区域，也即，沉积形成的砷化铝层20的位置与该环形区域位置对应。而环形区域内的一圆圈表示的是出光孔的边缘，也即，出光孔径。
如此，利用砷化铝层20可以降低发热最为严重的出光孔边缘位置的温度，进而提升器件整体的散热性能。
本实施例所提供的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，可以在外延生长前，对衬底10进行部分刻蚀后并于刻蚀位置沉积砷化铝层20，也可以对衬底10进行整面减薄处理后沉积形成全覆盖于衬底10的砷化铝层20。由于砷化铝的散热系数相较于砷化镓更高，因此，可以利用砷化铝层20提高器件的散热性能，并且，砷化铝的晶格常数与砷化镓的晶格常数接近，因此，对于后续的外延生长不会产生影响。
此外，本申请实施例一种高散热垂直腔面发射激光器，该激光器可由上述的制作方法制作形成。
请参阅图5，该激光器可包括衬底10，该衬底10正面的出光孔圈区域具有刻蚀凹槽11。此外，还包括形成于衬底10的刻蚀凹槽11内的砷化铝层20，其中，衬底10由砷化镓组成。
作为一种可能的实施方式，其中，衬底10的一侧具有环状的刻蚀凹槽11，砷化铝层20为环状，砷化铝层20沉积于衬底10的刻蚀凹槽11。
其中，环状的砷化铝层20的内圈可为圆形、椭圆形、方形或多边形，砷化铝层20的深度小于衬底10的厚度，砷化铝层20的深度可为3um-200um，衬底10的厚度可为500um-600um。
作为另一种可能的实施方式，衬底10可为执行减薄工艺后的衬底10，而砷化铝层20全覆盖沉积于衬底10的正面。利用衬底10上形成的全覆盖的砷化铝层20，可以极大程度的提升器件的散热性能。
在上述基础上，激光器还包括依次外延生长形成于衬底10的生长砷化铝层20一侧的N-DBR层30、MQW层40和P-DBR层50。
其中，N-DBR层30包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜，MQW层40包括层叠设置的量子阱结构，而P-DBR层50包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
每个第一布拉格反射镜可以由Si层和位于Si层上的SiO2层依次排列构成，而MQW层40包括多层层叠设置的量子阱结构，每个量子阱结构可包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层排列构成。每个第二分布布拉格反射镜可包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。
激光器还包括形成于P-DBR层50靠近所述MQW层40一侧的内部构成出光孔径的氧化层51，该氧化层51可为Al2O3组成。氧化层51内部形成出光孔，将电流限制于出光孔内通过。在出光孔的边缘区域发热最严重。因此，上述砷化铝层20为环状结构的实施方式中，砷化铝层20内部构成的环形内径小于或等于氧化层51构成的出光内径，从而利用砷化铝层20可以有效降低器件温度。
在上述基础上，激光器还包括形成于P-DBR层50远离所述MQW层40一侧的接触层60和环状的正面电极70，以及形成于衬底10远离N-DBR层30一侧的背面电极80。
其中，正面电极70可采用Ti-Pt-Au结构，正面电极70可为环状。背面电极80可采用Ge/Au/Ni-Au结构，可为圆盘状。
本实施例提供的激光器中，利用形成于衬底10的出光孔圈区域的环状的砷化铝层20，或者是全覆盖于衬底10正面的砷化铝层20，利用砷化铝层20的较高散热系数的特性，可提升器件的散热性能。
本实施例所提供的激光器可由上述制作方法制作而成，因此，具有与上述制作方法中的激光器相同的特征，本实施例未详尽之处，可参见上述实施例中的相关描述，本实施例不作赘述。
综上所述，本申请实施例提供的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，于外延生长前，将衬底10正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底10厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层20，其中，衬底10由砷化镓组成。然后在衬底10的沉积砷化铝层20的一侧依次外延生长N-DBR层30、MQW层40和P-DBR层50，并在P-DBR层50靠近MQW层40的一侧进行氧化工艺形成内部构成出光孔径的氧化层51。最后，在P-DBR层50的一侧形成接触层60和环状的正面电极70、在衬底10远离N-DBR层30的一侧形成背面电极80。该制作方法可以在外延生长前生长砷化铝层20，在MQW层40累积的热量向下传导时由于砷化铝的导热系数优于砷化镓，其散热传导至背面金属电极效率更高、散热更快，进而提升整个器件的散热性能，并且砷化铝和砷化镓晶格常数相匹配，对衬底10进行刻蚀并沉积砷化铝层20后进行外延生长的影响也较小。
进一步地，本实施例提供的高散热垂直腔面发射激光器，包括衬底10及形成于衬底10的于其出光孔圈区域形成的刻蚀凹槽11内的砷化铝层20，衬底10由砷化镓组成。此外，还包括依次外延生长形成的N-DBR层30、MQW层40、P-DBR层50，在P-DBR层50的边缘区域形成有内部构成出光孔径的氧化层51。并且，还包括形成于P-DBR层50一侧的接触层60和环状的正面电极70、以及形成于衬底10远离N-DBR层30一侧的背面电极80。该激光器通过形成于衬底10的刻蚀凹槽11内的砷化铝层20可以提升器件的散热能力，进而提升激光器的高温特性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
在外延生长前，将衬底正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层，所述衬底由砷化镓组成；
在所述衬底的沉积砷化铝层的一侧依次外延生长N-DBR层、MQW层和P-DBR层；
在所述P-DBR层靠近所述MQW层的一侧进行氧化工艺形成内部构成出光孔径的氧化层；
在所述P-DBR层远离所述MQW层的一侧形成接触层和环状的正面电极；
在所述衬底远离所述N-DBR层的一侧形成背面电极；
所述砷化铝层为环状，所述砷化铝层构成的环状内径小于或等于所述氧化层构成的出光孔径。
2.根据权利要求1所述的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述将衬底正面的出光孔圈区域刻蚀至不超过衬底厚度，并于刻蚀位置沉积砷化铝层的步骤，包括：
在提供的衬底正面涂覆光阻；
加光罩并曝光处理，以在所述衬底正面定义刻蚀区域，所述刻蚀区域与出光孔圈位置对应；
于所述刻蚀区域处对所述衬底进行刻蚀至不超过衬底厚度；
于所述衬底的被刻蚀位置处沉积呈环状的砷化铝层。
3.根据权利要求2所述的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述于所述衬底的被刻蚀位置处沉积呈环状的砷化铝层的步骤之后，还包括：
剥离涂覆的光阻以及位于所述光阻上的砷化铝材料；
对所述激光器进行清洗处理。
4.根据权利要求1所述的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述砷化铝层的深度为3um-200um。
5.根据权利要求1所述的高散热垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述衬底的厚度为500um-600um。
6.一种高散热垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底正面的出光孔圈区域具有刻蚀凹槽，所述衬底由砷化镓组成；
形成于所述衬底的刻蚀凹槽的砷化铝层；
依次外延生长形成于所述衬底的生长砷化铝层一侧的N-DBR层、MQW层和P-DBR层；
形成于所述P-DBR层靠近所述MQW层一侧的内部构成出光孔径的氧化层；
形成于所述P-DBR层远离所述MQW层一侧的接触层和环状的正面电极；
形成于所述衬底远离所述N-DBR层一侧的背面电极；
所述砷化铝层构成的环状内径小于或等于所述氧化层构成的出光孔径。
7.根据权利要求6所述的高散热垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述砷化铝层的深度为3um-200um。
8.根据权利要求6所述的高散热垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底的厚度为500um-600um。
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