專利名稱：雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的可調諧垂直腔面發射激光器結構和制備方式，屬于半導體光電子器件技術領域。
背景技術：
波長可調諧垂直腔面發射激光器(VCSEL)是光電子器件領域中的一個研究重點。 VCSEL以其波長可調、成本低、體積小、可集成、與光纖耦合效率高等優點在高密度信息光通信、全球定位系統(GlcAal Positioning SyStem，GPS)(原子鐘)、高性能計算機、電子產品控制(激光鼠標)、傳感、氣體探測和光譜分析等領域有著重要的應用。然而，寬范圍波長可調諧VCSEL工作特性的內涵是多樣的，既涉及到復雜的物理機理，同時也涉及到微機械結構與激光器相結合，從而控制腔長變化而實現寬波長調諧。基于微機電系統(MEMS)技術的可調諧垂直腔面發射激光器的基本物理結構從上往下依次包括可動反饋布拉格反射鏡、犧牲層、P型歐姆接觸層、氧化限制層、有源區、η型分布反饋布拉格反射鏡和η型歐姆接觸層七部分組成。其中，MEMS可動反饋布拉格反射鏡與激光器有源區體結構的有機結合是決定器件性能的關鍵。此外，由橫向腐蝕犧牲層制備得到的空氣隙作為激光器諧振腔的一部分，在靜電力作用下，可動布拉格反射鏡發生移動， 空氣隙厚度隨之發生變化，進而使諧振波長變化。目前，根據MEMS微機械結構和光學設計的不同，可調諧垂直腔面發射激光器總體分為MEMS懸臂梁式、薄膜式和半對稱腔式三種器件結構。結合表面微加工技術，以MEMS 結構為基礎，通過靜電力方式調諧的垂直腔面發射激光器，不僅具有調諧范圍大、響應速度快、易于實現無跳模連續調諧，而且操作簡單、制作低成本，得到人們廣泛重視和研究。但目前MEMS微結構單片實現的方式面臨下列不足(1)結構一次外延得到，二次制備加工工藝難度大；( 犧牲層厚度小(微米量級)，橫向腐蝕困難，使得結構層易受損，最終使得調諧范圍受限；(3)受犧牲層橫向腐蝕長度限制，器件結構和MEMS結構設計參數較苛刻。目前背孔工藝在微電子和光電子器件中都有很廣泛的應用，但還沒有關于將其應用于薄膜制備方面的報告。并且采用sici4/ci2的等離子刻蝕系統其最大刻蝕速率只有 2 μ m/min,很難達到背孔工藝對刻蝕速率的要求。
發明內容
本發明的目的在于提供一種雙片集成可調諧VCSEL的結構及其制備方法，將傳統的半導體工藝技術和微納表面加工技術相結合，并運用到雙片集成可調諧VCSEL的制備中，從而克服MEMS單片結構中存在的工藝條件相對苛刻、器件可靠性低、不能分別優化機械部分和有源區部分等技術難點。實現MEMS微機械可動薄膜的獨立優化和設計，充分發揮微納表面加工技術優勢，從而得到高質量的MEMS薄膜；同時，采用傳統半導體工藝進行 VCSEL制備，并且在制備和優化過程中不再受到MEMS結構的限制和制約，大大提高器件的可靠性、輸出光束質量和波長調諧范圍。
本發明提供的一種雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器的結構，其基本結構如附圖1所示由兩部分組成一部分為微機電系統體結構薄膜200，另一部分為半結構的垂直腔面發射激光器400。這兩部分通過粘合層5粘合在一起。微機電系統體結構薄膜從上到下依次包括有襯底1、腐蝕停層2、上分布反饋布拉格反射鏡100 ；半結構的垂直腔面發射激光器從上到下依次包括有注入電極6、絕緣層7、P型歐姆接觸8、氧化限制層9、有源區10、下分布反饋布拉格反射鏡300、η型砷化鎵襯底13、襯底電極14 ；本發明中無需犧牲層結構，附圖2顯示了雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器整體結構。微機電系統體結構薄膜200與半結構的垂直腔面發射激光器400四周通過粘合層 5粘合在一起，形成中空結構，這一中空結構即作為空氣隙15。本發明中在上分布反饋布拉格反射鏡100下生長一層氧化銦錫，起到電流擴展的作用，從而提高調諧效率。本發明中上分布反饋布拉格反射鏡100由本征材料構成，目的是減小對光的吸收。本發明中粘合層5是一種具有粘性特性的絕緣材料，可以是有機材料，也可以是無機材料。保證通過在襯底1和注入電極6之間加反向電壓時，在空氣隙15間形成靜電力。本發明中雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構對于電泵浦和光泵浦均適用；本發明提供了一種雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構的制備方法，其特征在于，包括以下工藝步驟步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在η型砷化鎵襯底13上依次外延生長下分布反饋布拉格反射鏡300、有源區10、氧化限制層9、P型歐姆接觸8 ；步驟2、將外延片清洗，光刻，腐蝕，形成臺面結構，暴露出氧化限制層9側壁；步驟3、進行氧化工藝，形成注入電流限制孔徑；步驟4、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統生長絕緣層7，進行第二次光刻，腐蝕，暴露出P型歐姆接觸層8 ；步驟5、在絕緣層7上濺射金屬，并進行第三次光刻，腐蝕，形成注入電極6 ；步驟6、將η型砷化鎵襯底13減薄，背面濺射金屬形成襯底電極14 ；步驟7、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在襯底1上依次外延生長腐蝕停層2和上分布反饋布拉格反射鏡100層；步驟8、將步驟7中生長的外延片進行清洗，光刻，濕法腐蝕出薄膜圖形；步驟9、將襯底1減薄，將外延片正面粘在玻璃片上起保護作用。并進行雙面光刻， 腐蝕，襯底1上得到窗口圖形；步驟10、將經過步驟9處理后的外延片放入電感耦合等離子體刻蝕系統中進行刻蝕，在Cl2流量為20sccm 30sccm，SiCl4流量為5sccm 12sccm，源功率為500W 800W， 偏壓功率為100W 250W，壓強為4mTorr 12mTorr的刻蝕條件下，砷化鎵刻蝕速率為 2. 5ym/min 8. 8ym/min，砷化鎵與光刻膠的刻蝕選擇比為9 1 21 1，刻蝕時間為 10分鐘 35分鐘，再進行濕法腐蝕，直到腐蝕停層2 ；步驟11、濕法腐蝕掉窗口圖形暴露出的腐蝕停層2，去掉保護玻璃片，完成微機電系統體結構薄膜200的制備；
步驟12、將半結構的垂直腔面發射激光器400表面旋圖粘合層5，光刻、顯影出粘合層5圖形。步驟13、將制備好的半結構的垂直腔面發射激光器400和微機電系統體結構薄膜 200粘附在一起，完成雙片集成的過程。本發明效果1)雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構由兩部分組成，一部分為微機電系統體結構薄膜200，另一部分為半結構的垂直腔面發射激光器400。微機電系統體結構薄膜 200與半結構的垂直腔面發射激光器400四周通過粘合層5粘合在一起，形成中空結構，這一中空結構即作為空氣隙15，無犧牲層結構，工藝簡單；2)在技術背景中提到，單片實現中存在犧牲層去除困難的問題，因此在設計中需要考慮結構層尺寸設計的大小。雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構，無犧牲層，可以分別優化設計微機電系統體結構薄膜200和半結構的垂直腔面發射激光器400 ；3)雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構對于電泵浦和光泵浦均適用；4)采用SiCl4/Cl2的電感耦合等離子體刻蝕系統中，刻蝕速率與壓強、源功率、偏壓功率和氣體組分相關，最佳的刻蝕條件需要綜合考慮每個刻蝕條件，但目前報道的刻蝕速率只有2 μ m/min,很難達到背孔工藝中對刻蝕速率的要求。通過優化刻蝕條件，在Cl2流量為30sccm，SiCl4流量為12sccm，源功率600W，偏壓功率200W，壓強12mTorr的刻蝕條件下，砷化鎵刻蝕速率達到8. 8 μ m/min,是目前較高的刻蝕速率；5)通過干法刻蝕與濕法腐蝕相結合制備出了完整的微機電系統體結構薄膜。
圖1 雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器集成過程；圖2 雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構示意圖；以上圖1和圖2中1為襯底，2為腐蝕停層，3為砷化鎵層，4為鋁砷化鎵層，5為粘合層，6為注入電極，7為絕緣層，8為P型歐姆接觸，9為氧化限制層，10為有源區，11為鋁砷化鎵層，12為砷化鎵層，13為η型砷化鎵襯底，14為襯底電極，15為空氣隙，100為上分布反饋布拉格反射鏡，200為微機電系統體結構薄膜，300為下分布反饋布拉格反射鏡，400 為半結構的垂直腔面發射激光器。圖3 雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器I-V特性曲線；圖4 雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器I-P特性曲線；
具體實施例方式本發明的實施通過以下實施例給予說明。實施例1 步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在η-砷化鎵襯底13上依次外延生長沈對η型鋁砷化鎵層11和η型砷化鎵層12，GalnP/GaAS量子阱結構有源區 10，AlGaAs氧化限制層9，P型歐姆接觸層8 ；步驟2、將外延片清洗，光刻，腐蝕，形成臺面結構，暴露出氧化限制層9側壁；步驟3、利用氧化爐設備在440°C下，氧化35分鐘，對氧化限制層9進行氧化，形成注入電流限制孔徑20μπι;步驟4、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統生長S^2絕緣層7，進行第二次光刻，腐蝕，暴露出P型歐姆接觸層8 ；步驟5、在SW2絕緣層7上濺射TiAu金屬層，并進行第三次光刻，腐蝕，形成注入電極6 ；步驟6、將η-砷化鎵襯底13減薄到100 μ m,背面濺射AuGeNi金屬層形成襯底電極14;步驟7、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在砷化鎵襯底1上依次外延生長鎵銦磷腐蝕停層2并交替生長19對鋁砷化鎵層4和砷化鎵層3 ；步驟8、將步驟7中生長的外延片進行清洗，光刻，濕法腐蝕出薄膜圖形；步驟9、將砷化鎵襯底1減薄到150 μ m,拋光，將外延片正面粘在玻璃片上起保護作用。并進行雙面光刻，腐蝕，砷化鎵襯底1上得到窗口圖形；步驟10、將經過步驟9處理后的外延片置于Corial SAS Coriall2001L型電感耦合等離子體刻蝕反應腔室中，實施背孔工藝，在Cl2流量為30SCCm，SiCl4流量為lkccm，源功率600W，偏壓功率200W，壓強12mTorr的刻蝕條件下，得到理想的刻蝕深度和側壁形貌， 砷化鎵刻蝕速率達到8. 8 μ m/min,砷化鎵與光刻膠的刻蝕選擇比可以到達21:1，刻蝕10 分鐘，再用甲醇、磷酸、雙氧水體積配比為3 1 1的溶液進行濕法腐蝕，直到鎵銦磷腐蝕停層2;步驟11、用鹽酸和水體積配比為2 1的溶液濕法腐蝕，去掉窗口圖形暴露出的鎵銦磷腐蝕停層2。去掉保護玻璃片，完成體微機電系統結構薄膜200的制備；步驟12、將半結構的垂直腔面發射激光器400表面旋圖粘合層5，將其厚度控制在 2 μ m,作為空氣隙15，并光刻、顯影出粘合層5圖形。步驟13、如附圖1所示，將制備好的半結構的垂直腔面發射激光器400和微機電系統體結構薄膜200粘附在一起，完成雙片集成的過程。利用中國科學院海特公司生產的探針臺在片光譜測試儀測量，在室溫條件下，如附圖3所示，器件的光功率達到9mW，閾值電流和閾值電壓分別為2mA和1. 56V，斜率效率為 313mW/mA。在砷化鎵襯底1和注入電極6之間的調諧電壓從OV增加到3V的過程中，如附圖4所示，諧振波長從984. 7nm移動到980. 2nm,調諧范圍達到4. 5nm。實施例2 實施例2與實施例1的區別是步驟7、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在砷化鎵襯底1上依次外延生長鎵銦磷腐蝕停層2，并交替生長10對二氧化硅層和氮化硅層形成上分布反饋布拉格反射鏡100 ；步驟10、將經過步驟9處理后的外延片置于Corial SAS Corial 12001L型電感耦合等離子體刻蝕反應腔室中，實施背孔工藝，在C I2流量為20SCCm，SiCl4流量為kccm，源功率500W，偏壓功率100W，壓強4mTorr的刻蝕條件下，砷化鎵刻蝕速率達到2. 5 μ m/min,砷化鎵與光刻膠的刻蝕選擇比可以到達9 1，刻蝕35分鐘，再用甲醇、磷酸、雙氧水體積配比為3 1 1的溶液進行濕法腐蝕，直到鎵銦磷腐蝕停層2;利用中國科學院海特公司生產的探針臺在片光譜測試儀測量，在室溫條件下，器件的光功率達到9. 2mff,閾值電流和閾值電壓分別為2. 3m A和1. 7V，斜率效率為310mW/mA。 在砷化鎵襯底1和注入電極6之間的調諧電壓從OV增加到3V的過程中，諧振波長從984nm 移動到980nm，調諧范圍達到4nm。實施例3 實施例3與實施例1的區別是步驟7、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在砷化鎵襯底1上依次外延生長鎵銦磷腐蝕停層2并交替生長19對鋁砷化鎵層4和砷化鎵層3和一層氧化銦錫；步驟10、將經過步驟9處理后的外延片置于Corial SAS Corial 12001L型電感耦合等離子體刻蝕反應腔室中，實施背孔工藝，在Cl2流量為25SCCm，SiCl4流量為lOsccm，源功率800W，偏壓功率250W，壓強IOmTorr的刻蝕條件下，砷化鎵刻蝕速率達到7. 3 μ m/min, 砷化鎵與光刻膠的刻蝕選擇比可以到達14 1，刻蝕13分鐘，再用甲醇、磷酸、雙氧水體積配比為3 1 1的溶液進行濕法腐蝕，直到鎵銦磷腐蝕停層2;利用中國科學院海特公司生產的探針臺在片光譜測試儀測量，在室溫條件下，器件的光功率達到8. 9mff,閾值電流和閾值電壓分別為2. 5m A和1. 9V，斜率效率為311mW/mA。 在砷化鎵襯底1和注入電極6之間的調諧電壓從OV增加到3V的過程中，諧振波長從984nm 移動到978nm，調諧范圍達到6nm。以上所述僅為本發明的具體實施例，并非用以限定本發明的保護范圍，凡其它未脫離權利要求書范圍內所進行的各種改型和修改，均應包含在本發明的保護的范圍內。
權利要求
1.雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構，其特征在于，由兩部分組成一部分為微機電系統體結構薄膜000)，另一部分為半結構的垂直腔面發射激光器000)；這兩部分通過粘合層( 粘合在一起；微機電系統體結構薄膜從上到下包括有襯底(1)、腐蝕停層 O)、上分布反饋布拉格反射鏡(100)；半結構的垂直腔面發射激光器從上到下包括有注入電極(6)、絕緣層(7)、P型歐姆接觸(8)、氧化限制層(9)、有源區(10)、下分布反饋布拉格反射鏡(300)、n型砷化鎵襯底(13)、襯底電極(14)；微機電系統體結構薄膜(200)與半結構的垂直腔面發射激光器G00)四周通過粘合層( 絕緣性材料集成在一起，形成中空結構，這一中空結構即作為空氣隙(15)。
2.根據權利要求1所述的雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構，其特征在于上分布反饋布拉格反射鏡(100)下生長一層氧化銦錫。
3.根據權利要求1所述的雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構，其特征在于上分布反饋布拉格反射鏡(100)由本征材料構成。
4.根據權利要求1所述的雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構的制備方法，其特征在于，制備工藝步驟如下步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在η型砷化鎵襯底(13)上依次外延生長下分布反饋布拉格反射鏡(300)、有源區(10)、氧化限制層(9)、P型歐姆接觸 ⑶；步驟2、將外延片清洗，光刻，腐蝕，形成臺面結構，暴露出氧化限制層(9)側壁； 步驟3、進行氧化工藝，形成注入電流限制孔徑；步驟4、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統外延生長絕緣層(7)，進行第二次光刻，腐蝕，暴露出P型歐姆接觸層(8)；步驟5、在絕緣層(7)上濺射金屬，并進行第三次光刻，腐蝕，形成注入電極(6)； 步驟6、將η型砷化鎵襯底(1 減薄，背面濺射金屬形成襯底電極(14)； 步驟7、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在襯底(1)上依次外延生長腐蝕停層( 和上分布反饋布拉格反射鏡(100)層，形成外延片；步驟8、將步驟7中生長的外延片進行清洗，光刻，濕法腐蝕出薄膜圖形； 步驟9、將襯底(1)減薄，拋光，將外延片正面粘在玻璃片上起保護作用；并進行雙面光刻，腐蝕，襯底(1)上得到窗口圖形；步驟10、將經過步驟9處理后的外延片放入電感耦合等離子體刻蝕系統中進行刻蝕， 在Cl2流量為20sccm 30sccm，SiCl4流量為5sccm 12sccm，源功率為500W 800W，偏壓功率為100W 250W，壓強為4mTorr 12mTorr的刻蝕條件下，砷化鎵刻蝕速率為2. 5 μ m/ min 8. 8ym/min，砷化鎵與光刻膠的刻蝕選擇比為9 1 21 1，刻蝕時間為10分鐘 35分鐘，再進行濕法腐蝕，直到腐蝕停層O)；步驟11、濕法腐蝕掉窗口圖形暴露出的腐蝕停層O)，去掉保護玻璃片，完成微機電系統體結構薄膜O00)的制備；步驟12、將半結構的垂直腔面發射激光器(400)表面旋圖粘合層(5)，光刻、顯影出粘合層(5)圖形；步驟13、將制備好的半結構的垂直腔面發射激光器(400)和微機電系統體結構薄膜 (200)粘附在一起，完成雙片集成的過程。
全文摘要
雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構及制備方法屬于半導體光電子器件領域。其結構一部分為微機電系統體結構薄膜(200)，另一部分為半結構的垂直腔面發射激光器(400)，通過粘合層(5)粘合在一起。微機電系統體結構薄膜從上到下包括有襯底(1)、腐蝕停層(2)、上分布反饋布拉格反射鏡(100)；半結構的垂直腔面發射激光器從上到下包括有注入電極(6)、絕緣層(7)、P型歐姆接觸(8)、電流限制層(9)、有源區(10)、下分布反饋布拉格反射鏡(300)、n型砷化鎵襯底(13)、襯底電極(14)；兩部分通過粘合層粘合在一起形成中空結構空氣隙(15)。本發明實現了雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器，達到激射波長的動態、可調的目的。
文檔編號H01S5/183GK102570301SQ201010616548
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者任秀娟, 關寶璐, 史國柱, 周弘毅, 李川川, 李碩, 蘇治平, 郝聰霞, 郭帥, 郭霞, 陳樹華 申請人:北京工業大學