專利名稱：一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器及其制作方法
技術領域：
本發明涉及垂直腔面發射激光器技術領域，特別是鍵合結構的長波長垂直腔面發射激光器及其制作方法。
背景技術：
垂直腔面發射激光器由于低閾值、圓形光束、高調制頻率、動態單縱
模工作和易二維集成等優點，成為光電子領域研究的熱點。1.3pm和1.55pm波長垂直腔面發射激光器處于光纖的低色散和低衰減窗口 ，使得長波長垂直腔面發射激光器在中長距離光纖通信方面具有短波長VCSEL無法比擬的優點，加上這兩個波段已有的通信標準和成熟技術，使長波長VCSEL在中長距離高速數據通訊、光互連、光并行處理、光識別系統，在城域網和廣域網中應用前景十分廣闊，極具市場前潛力。
在1.3pm與1.55pm波長附近區域，能夠提供高增益的材料主要是基于InP襯底的材料，InP基的InGaAsP QW和AlGalnAs QW系VCSEL的一大難點就是與有源層材料晶格匹配的DBR材料，InGaAsP/InP、 AlGalnAs/InP、InAlGaAs/InAlAs等材料的折射率差比較小，因此，要使DBR達到99X以上的反射率，就需要較多的周期數，從而增加了外延生長的困難。而且，較厚的DBR也會帶來更大的串聯電阻、更嚴重的熱效應和更大的光損耗。另一方面，四元合金材料的熱導率低，使器件的熱阻難以降低，這些因素使InP基長波長VCSEL的研究進展與短波長VCSEL相比顯著緩慢。
晶片鍵合技術，指一定溫度、壓力條件下的兩塊同質或異質晶片表面原子成鍵結合，晶片鍵合技術不受材料晶格與晶向失配限制，位錯局限于界面，可彌補材料生長的不足，給器件設計和材料應用提供了更大的自由度，使得異質材料和器件之間的集成成為可能。
晶片鍵合技術應用到1.3pm與1.55^im波長VCSEL，將高反射率的GaAs/AlGaAs材料系組成的布拉格反射鏡與InP基有源區鍵合起來，改進了傳統長波長VCSEL分布布拉格反射鏡層數多，熱阻大，難以達到高反射率，外延生長困難的缺點。
長波長VCSEL目前常采用掩埋隧道結結構來實現電流限制，這種方法要求外延生長高質量的隧道結，同時還要再附加二次外延工藝步驟，增加器件制作成本，將上分布布拉格反射鏡分成P型分布布拉格反射鏡和本征分布布拉格反射鏡兩部分，同時采用氧化限制方法實現電光限制，而不是采用掩埋隧道結結構，來制備單內腔接觸結構的長波長VCSEL，不僅可以實現很好的電流限制，降低了材料生長的難度和免去二次外延工藝步驟。
發明內容
本發明的目的是提供一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器及其制作方法。
本發明涉及一種長波長垂直腔面發射激光器，所述激光器包括N型電極1， N型電極制作在N型GaAs襯底2背面，N型GaAs襯底2, N型GaAs/AlGaAs下分布布拉格反射鏡DBR3, N型DBR制作在N型GaAs襯底2上，包括32個周期的N型GaAs/AlGaAs層18和19組成，InP基應變量子阱有源區4，三明治式的夾在N型DBR3和上分布布拉格反射鏡DBR5之間，通過鍵合技術把三者鍵合在一起，上DBR5，制作在InP基應變量子阱有源區4，由P型DBR6和本征DBR7組成，其中P型DBR6鍵合在InP基應變量子阱有源區4上，由1.5個周期的P型GaAs層14， P型AlGaAs層15、 P型氧化限制層16和P型GaAs層17，本征DBR7制作在P型DBR上，包括23.5個周期的本征GaAs/AlGaAs層ll和12，以及入/4厚的腐蝕停止層13組成，腐蝕停止層13與P型GaAs層14相連，本征GaAs層11與腐蝕停止層13相連，本征GaAs層11與本征AlGaAs層12相連，Si02掩膜8，覆蓋在InP有源區4、 P型GaAs層14和本征GaAs層11，和相應上DBR5的側壁上，P電極9，制作在P型GaAs層14上，出光窗口 5，制作在上DBR 5的本征GaAs層11上。所述激光器可以通過雙面鍵合、選擇性腐蝕、濕法氧化的等方法實現，改進了傳統長波長垂直腔面發射激光器分布布拉格反射鏡折射率差較小，熱導、電導較差的缺點，同時將上DBR5分成P型DBR6和本征DBR7組成，采用氧化
6限制方法實現電光限制，而不是采用掩埋隧道結結構，來制備內腔接觸結
構的長波長VCSEL，不僅可以實現很好的電流限制，而且降低材料的吸收損耗、材料生長的難度和免去二次外延工藝步驟。
本發明還涉及是一種長波長垂直腔面發射激光器結構的制作方法，其
特征在于，該制作方法包括如下步驟
1) 采用金屬有機化學氣相沉積方法在N型GaAs襯底2生長N型DBR3， N型DBR3包括32個周期的GaAs/AlGaAs層18和19，先生長AlGaAs層19，再生長GaAs層18，共重復32個這樣的生長周期。
2) 采用分子束外延生長方法在InP襯底依次生長InQ.47Gaa53AS停止層和lnP基有源區4，有源區材料可以是InGaAsP應變多量阱有源區，也可以是AlGalnAs應變多量阱有源區，量子阱的個數設計3-8個優化設計為5個，有源區光學厚度設計為n/2X,n為奇數，優化設計為1.5X， X為激射波長,有源區自上而下為N—i—P型。
3) 采用金屬有機化學氣相沉積方法在N型GaAs襯底生長上分布布拉格反射鏡DBR5,在N型GaAs襯底依次生長腐蝕停層(以便后序鍵合工藝后腐蝕去掉GaAs襯底)，本征DBR7和P型DBR6。本征DBR5和N型DBR3分別位于不同的GaAs襯底上，通過鍵合方法與InP基有源區4鍵合在一起。
4) 通過直接鍵合技術將N型DBR3與InP基有源區4鍵合在一起，完成第一次鍵合，然后減薄InP襯底，減至50—60um，再采用化學腐蝕的方法去除InP襯底和相應的Ino.47Gao.53As腐蝕停止層20。
5 )通過直接鍵合技術將上DBR5與已經鍵合好的有源區4和下DBR3鍵合在一起，完成第二次鍵合，然后減薄帶有上DBR5襯底一側，減至50一60U m，再采用化學腐蝕的方法去除GaAs襯底和相應的腐蝕停止層。
6) 通過標準光刻掩膜技術，形成圓柱形臺面圖形，用光刻膠做掩膜進行濕法化學腐蝕本征DBR7。
7) 用標準套刻工藝形成上第二個圓柱形臺面圖形，用光刻膠做掩膜濕法腐蝕P型DBR6，暴露出氧化限制層16的側壁。
8) 通過濕法氧化工藝將暴露出側壁AlQ.98Gao.Q2As或AlAs層16，進行側向氧化，形成電、光限制孔徑，氧化孔徑控制在10 20微米左右。
79) 用等離子體增強化學汽相淀積(PECVD) 300。C生長Si028，通過標準光刻、腐蝕去掉環形電極孔徑和出光窗口 Si02，同時在P型上DBR6側壁形成掩膜，以防止電流短路。
10) 蒸發P電極9，再通過標準光刻工藝形成掩膜，然后腐蝕形成P電極9形狀。
11) 減薄、拋光N型GaAs襯底2，蒸發N電極1，然后進行合金化處理。
該結構和制作方法的主要特征如下
1) 上、下DBR5和3均為高折射率差0.5、良好的電導率和熱導率的GaAs/AlGaAs材料系組成；
2) 上分布布拉格反射鏡5由P型分布布拉格反射鏡6和本征分布布拉格反射鏡7組成，不僅可以減少吸收損耗，而且內含氧化限制層，方便實現電流限制；
3) 有源區為InP基的材料，有源區的為nV2，其中n為奇數，人為激射波長；
4) 上、下DBR3、 5與有源區4分別在不同的襯底，采用不同的外延方式生長，并采用雙面鍵合的方法將三部分鍵合在一起；
5) 采用濕法氧化的對高Al組分的AlGaAs側向氧化，來實現電、光流限制，而不是采用掩埋隧道結結構，降低材料生長難度，也免去了二次外延工藝；
6) 濕法腐蝕方法將本征DBR7和P型DBR6，形成同軸的兩個圓柱形臺面，并將P型電極9制作在P型DBR6的P型GaAs層14上，N電極制作在N型GaAs襯底2上，屬于單內腔接觸結構垂直腔激光器。
本發明克服了傳統長波長垂直腔面發射激光器分布布拉格反射鏡層數多，熱阻大，難以達到高反射率，外延生長困難的缺點。
圖1為雙面鍵合長波長面發射激光器的示意圖；圖2為AlGalnAs量子阱有源區的PL譜；圖3為雙面鍵合襯底腐蝕后的光學照片；圖4為上、下DBR與有源區鍵合后掃描電鏡(SEM)圖5為雙面鍵合VCSEL器件的反射譜圖6為腐蝕出光臺柱的顯微鏡照片圖7為濕法氧化后的顯微鏡照片圖8為Al,Ga,As層16部分氧化后的顯微鏡照片圖9為腐蝕Si02后的顯微鏡照片圖
圖10為腐蝕TiAu后的顯微鏡照片圖
圖11為雙面鍵合長波長面發射激光器的橫向SEM圖12 (a)為16pm氧化孔徑雙面鍵合VCSEL器件的P-I曲線;
圖12 (b)為20pm氧化孔徑雙面鍵合VCSEL器件的P-I曲線；
圖13為20|am氧化孔徑雙面鍵合VCSEL器件的發射光譜具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
請參閱附圖1至圖13。本發明目的是提供一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器。
所述激光器的結構如下
圖1為本發明雙面鍵合長波長面發射激光器示意圖。所述激光器包括
N型電極1， N型電極制作在N型GaAs襯底2背面，N型GaAs襯底2,N型GaAs〃Alo力Ga(uAs AlGaAs下分布布拉格反射鏡DBR3， N型DBR制作在N型GaAs襯底2上，包括32個周期的N型GaAs/Al^GacuAs層18和19組成，InP基應變量子阱有源區4，三明治式的夾在N型DBR3和上分布布拉格反射鏡DBR5之間，通過鍵合技術把三者鍵合在一起，上DBR5， 制作在InP基應變量子阱有源區4，由P型DBR6和本征DBR7組成，其中P型DBR6鍵合在InP基應變量子阱有源區4上，由1.5個周期的P型GaAs層14， P型/Alo.9Ga(nAs AlGaAs層15、 P型/Al固Ga瞎As氧化限制層16和P型GaAs層17，本征DBR7制作在P型DBR6上，包括23.5個周期的本征GaAs〃Alo,9Ga(nAs AlGaAs層11和12，以及X/4厚的腐蝕停止層13組成，腐蝕停止層13與P型GaAs層14相連，本征GaAs
9層11與腐蝕停止層13相連，本征GaAs層11與本征AlGaAs層12相連， Si02掩膜8，覆蓋在InP有源區4、 P型GaAs層14和本征GaAs層11， 和相應上DBR5的側壁上，P電極9，制作在P型GaAs層14上，出光窗 口 10，制作在上DBR5的本征GaAs層11上。
本發明還提供了一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器的制作方
法，所述方法包括如下步驟
1) 采用金屬有機化學氣相沉積方法在N型GaAs襯底2生長N型 DBR3， N型DBR3包括32個周期的GaAs/AlGaAs層18和19,先生長 AlGaAs層19,再生長GaAs層18,共重復32個這樣的生長周期。
2) 采用分子束外延生長方法在InP襯底依次生長InQ.47GaQ.53AS停止層 和lnP基有源區4，有源區材料為AlGalnAs應變多量阱有源區，量子阱個 數優化設計為5個，有源區光學厚度設為計1.5X， X為激射波長，有源區自 上而下為N-i-P型。AlGalnAs應變多量阱有源區的室溫光致發光譜見圖2， 峰值波長1284nm，半寬48.3nm。
3) 采用金屬有機化學氣相沉積方法在另外一個在N型GaAs襯底依 次生長腐蝕停層和上分布布拉格反射鏡DBR5,上DBR5和N型DBR3分 別位于不同的GaAs襯底上，通過鍵合方法與InP基有源區4鍵合在一 起。具體的生長順序在N型GaAs襯底依次生長腐蝕停層(以便后序鍵 合工藝后腐蝕去掉GaAs襯底)，本征DBR7和P型DBR6。本征DBR7 由23.5個周期的本征GaAs/Alo.9GacuAs層11和12，和厚腐蝕停止層 13組成，生長順序GaAs層11Alo.9Gao.!As層12，重復23.5個周期 GaAs/Alo.gGacnAs層，然后生長腐蝕停層13;其中P型DBR6，由1.5周 期的P型GaAs層14、 Alo.9Gao.iAs層1530nm厚的P型Al謹Ga嫌As氧化 限制層16和P型GaAs層17、 P型GaAs層14生長在腐蝕停層13，生長 順序依次是層P型GaAs層14， P型/Alo.9Ga(uAs AlGaAs層15、 P型 Al固Ga證As氧化限制層16和P型GaAs層17。
4) 采用直接鍵合技術將有源區4與N型DBR3鍵合在一起，鍵合界 面是InP/GaAs，然后減薄InP襯底一側，減少至50—60pm，再采用化學 腐蝕的方法去除InP襯底和相應的Ino.47Gao.53As腐蝕停止層，InP襯底去 除的腐蝕液采用體積比為HC1:H20(3:1)，腐蝕停止層InGaAs的去除采用體積比H3P04:H202:H20(1:5:5)腐蝕液。
5) 通過直接鍵合技術將上DBR5與己經鍵合好的有源區4和N型 DBR3鍵合在一起，鍵合界面是InP/GaAs，完成第二次鍵合，然后減薄帶 有上布拉格反射鏡襯底一側，減少至50—60pm，再采用化學腐蝕的方法去 除GaAs襯底和相應的腐蝕停止層，GaAs襯底去除的腐蝕液采用體積比 NH40H:H202 (1: 20)，腐蝕停止層的去除采用體積比HCL:H20 (2: 1) 腐蝕液。
圖3為雙面鍵合襯底腐蝕去除后的光學照片，從圖中可以看出，雙面 鍵合襯底腐蝕去除后，lxlcr^雙面鍵合晶片表面光亮平整，無氣泡，鍵合 面積大于95%。
相應掃描電子顯微鏡圖SEM見4，由圖4可見鍵合界面十分完整清晰。 相應反射譜圖見圖5，反射譜的中心波長1312nm,高反射通帶寬度 122nm,由于上DBR對數較多，反射譜中腔膜的位置不是很明顯。
6) 通過標準光刻掩膜技術，形成圓柱型臺面圖形，用光刻膠做掩膜 進行濕法化學腐蝕本征布拉格反射鏡。
7) 用標準套刻工藝形成上第二個圓柱型臺面圖形，用光刻膠做掩膜 濕法腐蝕P型布拉格反射鏡6，暴露出氧化限制層16的側壁。圖6為腐蝕 出光臺柱的顯微鏡照片圖。
8) 通過濕法氧化工藝對30nm厚的Alo.98Gao.o2As層16進行側向氧化， 形成電、光限制孔徑，氧化孔徑控制在10 20微米，氧化后的顯微鏡照 片見圖7。濕法氧化工藝條件氮氣N2流量1L/min，水浴溫度95'C，氧 化爐溫度430°C，氧化速率lpm/min，圖8為30nm厚的Alo.98Gao.o2As氧 化30分鐘后的顯微鏡照片圖，圖中中心的圓孔為未氧氧化部分，氧化孔 徑約20微米，圓孔的外的圓環部分為已經氧化部分。
9) 用等離子體增強化學汽相淀積(PECVD) 30(TC生長Si028，通過 標準光刻、腐蝕去掉環形電極孔徑和出光窗口，同時在P型上分布布拉格 反射鏡6側壁形成掩膜，以防止電流短路，見圖9。
10) 蒸發TiAuP型電極，通過標準光刻技術，腐蝕TiAu得到P電極 9，見圖10。
11)減薄、拋光N型GaAs襯底2，蒸發N型AuGeNi/Au電極1，然后進行合金化處理，合金條件，合金溫度430—45(TC， 45秒。經過完整工 藝雙面鍵合長波長VCSEL器件截面的SEM圖11，圖中清楚的顯示出了 上DBR5、有源區4和N型DBR6，相應的內腔接觸式器件結構。
圖12 (a)和圖12 (b)分別為氧化孔徑16pm,20nm雙面鍵合VCSEL 器件在室溫連續測試條件下，相應的P-I曲線，對比圖12 (a)和圖12 (b) 中可以看出，隨著氧化孔徑變大，閾值電流變大，由16|im氧化孔徑的 1.5mA增到20um氧化孔徑的3mA。 16um氧化孔徑器件的7.8mA的注入 電流下，輸出功率達到92uW; 20氧化孔徑的器件17.8mA的注入電流下， 輸出功率0.15mW。
圖13為20pm氧化孔徑器件，在0.1%占空比，58.3mA電流下發射 光譜，發射波長1273.6nm，半寬0.2nm。
以上所述，僅是根據本發明技術方案提出的較佳實施例，并非對本發 明作任何形式上的限制，凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的 技術實質對以上實施例所作的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發 明的權利要求保護范圍內。
權利要求
1.一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器，其特征在于，所述激光器包括一N電極(1)，該N電極(1)制作在襯底(2)的下面；一襯底(2)，該襯底(2)為N型GaAs襯底；一下分布布拉格反射鏡(3)，包括32個周期的N型GaAs/AlGaAs層(18)和(19)組成，用于反射激光腔內的光來形成激光振蕩；一有源區(4)，該有源區(4)通過鍵合方法與N型分布布拉格反射鏡(3)連接，用來形成光增益；一上分布布拉格反射鏡(5)，通過鍵合的方法制作在有源區(4)上方位置，用于形成電流注入孔徑，并用于反射激光腔內的光來形成激光振蕩；一SiO2掩膜(8)，沉積在有源區(4)和上布拉格反射鏡(5)上，起到絕緣的作用和形成出光窗口(10)目的；-P電極(9)，該P電極(9)制作在有源區P型DBR的兩側，形成內腔接觸，用于電流注入；-出光窗口(10)。
2. 根據權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述上分布布拉格反射鏡(5)和下分布布拉格反射鏡(3)均由GaAs/AlGaAs材料系組成。
3. 根據權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述上分布布拉格反射鏡(5)由P型分布布拉格反射鏡(6)和本征分布布拉格反射鏡(7)組成。
4、 根據權利要求3所述的激光器，其特征在于，所述P型分布布拉格反射鏡(6)由1.5周期的P型GaAs層(14)， P型AlGaAs層(15)、 P型氧化限制層(16)和P型GaAs層(17)組成。
5、 根據權利要求4所述的激光器，其特征在于，所述氧化限制層材料是高Al組分的Al固Ga證As或AlAs層。
6、 根據權利要求3所述的激光器，其特征在于，所述本征分布布拉格反射鏡(7)包括23.5個周期的本征GaAs/AlGaAs層(11)和(12)，以及X/4厚的腐蝕停止層(13)組成。
7、 根據權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述有源區為InP基的材料，有源區的為nV2，其中n為奇數，X為激射波長。
8、 一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1) 采用金屬有機化學氣相沉積方法在N型GaAs襯底(2)生長下分布布拉格反射鏡(3)，生長32個周期的GaAs/AlGaAs層(18)和(19);2) 采用分子束外延生長方法在InP襯底生長InQ.47GaQ.53AS停止層和有源區(4)，有源區材料是InGaAsP應變多量阱材料或，AlGalnAs應變多量阱材料，有源區光學厚度設為計nA72，其中n為奇數，X為激射波長,有源區自上而下為N-i-P型；3) 采用金屬有機化學氣相沉積方法在另外一個N型GaAs襯底生長上分布布拉格反射鏡(5)，在N型GaAs襯底依次生長腐蝕停層(以便后序鍵合工藝后腐蝕去掉GaAs襯底)，23.5個周期的本征GaAs/AlGaAs層(11)和(12)，以及X/4厚的腐蝕停止層(13)組成的本征分布布拉格反射鏡(7)和P型分布布拉格反射鏡(6)，其中P型分布布拉格反射鏡(6)，由1.5周期的P型GaAs層(14)、 P型AlGaAs層(15)、 P型氧化限制層(16)、和P型GaAs層(17);4) 將有源區(4)與下分布拉格反射鏡(3)采用鍵合技術鍵合在一起，然后減薄InP襯底一側，減至50 — 60)im,再采用化學腐蝕的方法去除InP襯底和相應的InG.47Ga().53As腐蝕停止層；5) 通過直接鍵合技術將上分布布拉格反射鏡(5)與已經鍵合好的有源區(4)和下布拉格反射鏡(3)鍵合在一起，然后減薄帶有上分布布拉格反射鏡襯底一側，減少至50 — 60pm，再采用化學腐蝕的方法去除GaAs襯底和相應的腐蝕停止層；6) 通過標準光刻掩膜技術，形成圓柱形臺面圖形，用光刻膠做掩膜進行濕法化學腐蝕本征布拉格反射鏡；7) 用標準套刻工藝形成上第二個圓柱形臺面圖形，用光刻膠做掩膜濕法腐蝕P型布拉格反射鏡(6)，暴露出氧化限制層(16)的側壁；8) 通過濕法氧化工藝將暴露出側壁P型氧化限制層(16)，氮氣N2攜帶水汽進入氧化爐中，側向氧化，形成電、光限制孔徑，氧化孔徑控制在10 20微米左右；9) 高溫生長Si02 (8)，通過標準光刻、腐蝕去掉環形電極孔徑和出 光窗口中的Si02，同時在P型上分布布拉格反射鏡(6)側壁形成掩膜， 以防止電流短路；10) 蒸發P電極(9)，再通過標準光刻工藝形成掩膜，然后腐蝕形成 P電極(9)形狀；11) 減薄、拋光N型GaAs襯底(2)，蒸發N電極(1)，然后進行合 金化處理。
9、 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述上分布布拉格反 射鏡(3)、下分布布拉格反射鏡(5)與有源區(4)分別在不同的襯底上， 采用不同的外延方式生長，并釆用雙面鍵合的方法將三部分鍵合在一起。
10、 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，采用濕氮氧化 Al固Ga嫌As或AlAs層(16)的方法來實現電流限制。
11、 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，分兩次濕法腐蝕本征 分布布拉格反射鏡(7)和P型分布布拉格反射鏡(6)，形成同軸的兩個 臺面，并將P型電極(9)制作在P型分布布拉格反射鏡(6)上，N電極 制作在襯底(2)上。
12、 根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述氧化限制層材料 為高Al組分的Al謹Ga嫌As或AlAs。
全文摘要
本發明是一種雙面鍵合長波長垂直腔面發射激光器(VCSEL)及其制作方法。所述激光器包括N電極(1)，N型GaAs襯底(2)，N型GaAs/AlGaAs材料系的下分布布拉格反射鏡(DBR)(3)，InP基應變量子阱有源區(4)，GaAs/AlGaAs材料系的上DBR(5)，其中上DBR(5)，由P型DBR(6)和本征DBR(7)組成，SiO<sub>2</sub>掩膜(8)，P電極(9)，出光窗口(10)。所述結構和所述方法改進了傳統長波長VCSEL的DBR材料折射率差較小，熱導、電導差的缺點，不僅可實現很好的電流限制，而且降低材料的吸收損耗、生長的難度和免去二次外延工藝步驟。
文檔編號H01S5/183GK101667716SQ20081011958
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月3日 優先權日2008年9月3日
發明者劉安金, 張冶金, 彭紅玲, 渠紅偉, 科 王, 鄭婉華, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所