一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体光电子技术领域，特别是涉及一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器及其制备方法。

背景技术：

垂直腔面激光器具有功率大、体积小、阈值电流低、调制简单、电光转换率高等特点。垂直腔面激光器具有输出功率大、体积小、阈值电流低、调制简单、电光转换效率高的特点。伴随着国防科技的进步和社会的发展，使半导体激光器在各方面的应用和需求日益广泛和巨大，因此，对垂直腔面激光器的可靠性和稳定性的研究显得越来越重要。由于激光器的腔面在高功率工作时极易由于表面氧化而造成腔面局部过热，导致激光器的快速失效，严重影响了半导体激光器的高功率可靠工作。因此，半导体激光器的腔面钝化已经成为该类激光器技术发展的重要瓶颈。通常，该类激光器的腔面钝化主要采用镀膜方法进行腔面保护，如在激光器腔面上采用热蒸发、电子束蒸发或溅射制备Al₂O₃、AlN、ZnS等薄膜，对激光器腔面进行钝化处理。垂直腔面激光器退化的主要表现为功率降低，量子效率变小，而造成这种结果的主要原因是垂直腔面激光器的腔面退化。

同时，在垂直腔面激光器中，分布布拉格反射(Distributed Bragg Reflector，DBR)是实现高性能激光输出的关键，也是加工的难点所在。由于全反射原理，反射单元必须含有高低两种不同折射率的材料，而传统的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Lase，VCSEL)的DBR又必须在半导体衬底上晶格匹配地外延生长来实现。这就限制了不可能外延两种折射率差很大的材料来实现所需要的高反射率。DBR不但起到反射腔镜的作用，还承担注入电流的通道作用。为了得到良好的注入电流通道，这些半导体材料需要重掺杂，以减少串联电阻；另一方面，光在各层内行进的时候，还会有小的光吸收损耗。为了得到高反射率，这种反射周期是一个大的数目。在DBR本身又是电流通道的情况时，电流所产生的焦耳热将影响DBR的反射特性和可靠性，因此构成DBR反射镜的材料还应有好的热导特性。

为提高激光器的性能，从多方面来优化激光器，无疑增加了工艺的复杂程度。工艺越复杂，芯片性能受工艺影响程度就越深，并且工艺变复杂了，芯片的制作成本也提高了。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有技术中存在的垂直腔面激光器串联电阻大，吸收损耗大和界面损耗大以及难以实现反射单元必须含有高低两种不同折射率的材料的问题，本发明采用光学介质膜做DBR层，降低了垂直腔面激光器的串联电阻、吸收损耗和界面损耗，而且光学介质膜作为DBR反射镜材料高低折射率材料间的折射率差很大，只需要很少的对数就可以达到很高的反射率，其镀膜工艺成熟、光损耗小。除此之外，由于激光器腔面在高功率工作时极易由于表面氧化而造成腔面局部过热，导致激光器的快速失效，严重影响了半导体激光器的高功率可靠性，而上述作为DBR反射镜材料的光学介质膜同样具有很好的电介质性能，可以用于激光器腔面的钝化，由于激光器腔面的钝化是激光器必要的工艺步骤，若将光学介质膜同时用作DBR反射镜材料和激光器腔面钝化层，并且可以在同一真空腔中一次制备完成，减少了样品进出操作次数可能带来的失误损失，既改善了激光器的性能，简化了工艺，并且极大的提高了生产的效率，同时还降低了制作成本。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器及其制备方法，利用光学介质膜作为DBR反射镜材料，并且作为激光器腔面的钝化介质膜，所述的光学介质膜制备过程具体包括：

在涂有光刻胶的外延片P面进行光刻，用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的光刻胶；

在光刻后的外延片上生长光学介质膜；

用光刻胶剥离液剥离底部有光刻胶的光学介质膜。

优选的，所述的生长光学介质膜具体为：

在整个外延片上生长；或者，在用于形成DBR反射镜材料和激光器腔面钝化的部分进行生长。

优选的，所述的光学介质膜是由氧化物：SiOx、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅，非氧化物：SiNx、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照激光器工作波长的四分之一的厚度交替构成的。

优选的，所述的在光刻后的外延片上生长光学介质膜具体包括：

对已经完成图形光刻的外延片表面在真空条件下进行电子束蒸发；

连续蒸镀光学介质膜，使膜料获得能量后蒸发沉积在外延片上，所述膜料为组成光学介质膜的成分；

通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，使得光学介质膜致密度满足预设参数要求。

优选的，在所述的电子束蒸发过程中控制真空腔的气体稳定在1-10Torr。

优选的，所述的沉积速率具体根据膜层的材料和制作的膜层致密度确定的。

优选的，所述的外延片温度具体根据膜层材料确定的。

第二方面，本发明提供了一种基于光学介质膜作为DBR材料的垂直腔面激光器的制备方法，利用光学介质膜作为DBR反射镜材料，所述的光学介质膜的制备过程具体包括：

在涂有光刻胶的外延片P面进行光刻，用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的光刻胶；

在光刻后的外延片上生长光学介质膜；

用光刻胶剥离液剥离底部有光刻胶的光学介质膜。

优选的，所述的生长光学介质膜具体为：在整个外延片上生长；或者，在用于形成DBR反射镜材料的部分进行生长。

优选的，所述的光学介质膜是由氧化物：SiOx、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅，非氧化物：SiNx、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照激光器工作波长的四分之一的厚度交替构成的。

优选的，所述的在光刻后的外延片上生长光学介质膜具体包括：

对已经完成图形光刻的外延片表面在真空条件下进行电子束蒸发；

连续蒸镀光学介质膜，使膜料获得能量后蒸发沉积在外延片上；

通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜致密性，使得光学介质膜致密度满足预设参数要求。

优选的，在所述的电子束蒸发过程中控制真空腔的气体稳定在1-10Torr。

优选的，所述的沉积速率具体根据膜层的材料和制作的膜层致密度确定。

优选的，所述的外延片温度具体根据膜层材料确定。

第三方面，本发明提供了一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器制备方法，利用光学介质膜作为激光器腔面的钝化介质膜，所述的钝化介质膜制备过程具体包括：

在涂有光刻胶的外延片P面进行光刻，用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的光刻胶；

在光刻后的外延片上生长光学介质膜；

用光刻胶剥离液剥离底部有光刻胶的光学介质膜。

优选的，所述的生长光学介质膜具体为：

在整个外延片上生长；或者，在用于激光器腔面钝化的部分进行生长。

优选的，所述的光学介质膜是由氧化物：SiOx、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅，非氧化物：SiNx、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照激光器工作波长的四分之一的厚度交替构成的。

优选的，所述的在光刻后的外延片上生长光学介质膜具体包括：

对已经完成图形光刻的外延片表面在真空条件下进行电子束蒸发；

连续蒸镀光学介质膜，使膜料获得能量后蒸发沉积在外延片上；

通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，使得光学介质膜致密度满足预设参数要求。

优选的，在所述的电子束蒸发过程中控制真空腔的气体稳定在1-10Torr。

优选的，所述的沉积速率具体根据膜层的材料和制作的膜层致密度确定的。

优选的，所述的外延片温度具体根据膜层材料确定的。

第四方面，本发明提供了一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器结构，所述的激光器结构具体包括：

衬底1、底部DBR 2、下限制层3、钝化层4、n电极5、p电极6、有源层8和顶部DBR 7。

所述衬底1上结构依次为：所述底部DBR 2和所述下限制层3；

所述钝化层4、所述n电极5和所述有源层8均位于所述下限制层3上，其中所述有源层为台面结构，有源层8和n电极5之间生长有所述钝化层4，并且，所述n电极5可以覆盖钝化层4；

所述下限制层3上除所述钝化层4、所述n电极5和所述有源层8及有源层8上的p电极6和顶部DBR外的区域都属于钝化层；

所述顶部DBR 7和所述p电极6位于所述有源层8上，其中，所述的p电极6位于所述顶部DBR 7和所述钝化层4之间；

所述的钝化层4和所述的顶部DBR 7具体由光学介质膜生长构成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

在上述第一方面，本发明提供的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器及其利记博彩app中：

1、用光学介质膜作DBR反射镜材料，降低了垂直激光器的串联电阻、吸收损耗和界面损耗；

2、DBR反射镜材料中高低折射率材料间的折射率差很大，只需要很少的对数就可以达到很高的反射率，其镀膜工艺成熟、光损耗小。

在上述第二方面提供的一种基于光学介质膜作为DBR材料的垂直腔面激光器的制备方法中：

由于所用的光学介质膜同样具有电介质性能，通过调节镀膜工艺，可以用作激光器腔面的钝化，解决由于激光器腔面氧化等问题而影响激光器性能的问题。

基于上述两个方面而产生的第三方面提供的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器制备方法和第四方面提供的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器结构中：

可将光学介质膜同时作为DBR反射镜材料和激光器腔面的钝化，并且在同一真空腔中一次完成制备，减少了样品进出操作次数可能带来的失误损坏，提高了成本率，并且极大的提高了生产的效率，减少了生产成本。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的一种用于DBR反射镜材料和激光器腔面钝化层光学介质膜的制备流程图；

图2是本发明实施例提供的一种真空蒸镀法镀膜流程图；

图3是本发明实施例提供的一种用于DBR反射镜材料的光学介质膜的制备流程图；

图4是本发明实施例提供的一种真空蒸镀法镀膜流程图；

图5是本发明实施例提供的一种用于激光器腔面钝化的光学介质膜的制备流程图；

图6是本发明实施例提供的一种真空蒸镀法镀膜流程图；

图7是本发明实施例提供的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器的制备方法的流程图；

图8是本发明实施例提供的一种剖面结构图；

图9是本发明实施例提供的一种刻蚀好的有源区的芯片结构图；

图10是本发明实施例提供的一种电极制作完成后的芯片结构图；

图11是本发明实施例提供的一种ICP刻蚀后的俯视图；

图12是本发明实施例提供的一种制备光学介质膜前，光刻完成后的俯视图；

图13是本发明实施例提供的一种剥离掉介质膜后的俯视图；

图14是本发明实施例提供的一种电极制备完成后激光器俯视图；

图15是本发明实施例提供的一种剖面图分割处俯视示意图；

图中1为衬底，2为底部DBR，3为下限制层，4为钝化层，5为n电极，6为p电极，7为顶部DBR，8为有源层。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例提供了一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器的制备方法，如图1所示，所述的制备方法具体包括以下步骤：

在步骤201中，在涂有光刻胶的外延片P面进行光刻，用刻蚀用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的光刻胶。

在步骤202中，在光刻后的外延片上生长光学介质膜。

在步骤203中，用光刻胶剥离液剥离底部有光刻胶的光学介质膜。

本发明实施例中钝化膜和DBR反射镜材料的制备在同一真空腔中一次完成，既改善了激光器性能，又减少了样品进出操作次数可能带来的失误损坏，提高了成本率，并且极大的提高了生产的效率，减少了生产成本。

在具体实现中，所述步骤202通常可以由以下几个步骤具体实现：

在步骤2031中，对已经完成图形光刻的外延片表面在真空条件下进行电子束蒸发。

在步骤2032中，连续蒸镀光学介质膜，使膜料获得能量后蒸发沉积在整个外延片上或沉积在用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的部分，所述膜料为组成光学介质膜的成分。

在步骤2033中，通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，使得光学介质膜致密度满足预设参数要求。

结合本发明实施例，存在几种优选的实现方案：

其中，所述的光学介质膜是由氧化物：SiOx、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅，非氧化物：SiNx、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照激光器工作波长的四分之一的厚度交替构成的。

在本发明实施例中，在所述的电子束蒸发过程中控制真空气体稳定在1-10Torr。若真空度低，则蒸气分子碰撞几率增加，蒸气分子的动能大大减小，致使达不到基片，或无动力冲破基片上的吸附层，于是不能形成薄膜，或是虽能勉强冲破气体吸附层但与基片的吸附能力却很小，沉积的膜层疏松，牢固性差，这里控制在1-10Torr是优选的参数设置。

在本发明实施例中，所述的沉积速率具体根据膜层材料和和制作的膜层致密度确定的。沉积速率对于薄膜的光学性能和增强膜的牢固性有一定的影响，沉积速率过低会影响膜层的纯度，过高会是膜层内应力增大，会导致膜层破裂，但是不同的膜层所需要的满足的条件不一样，而且根据膜层所需要达到的致密性也需要相应地调整沉积速率，所以具体需要根据膜层材料和制作的膜层致密度确定的。

在本发明实施例中，所述的通过控制离子源和介质膜沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，具体为：如果沉积速率较低，大多数蒸气分子从基板返回，晶核生成缓慢，凝结只能在大的聚集体上进行，从而沉积出结构疏松、大颗粒的膜层；而沉积速率的提高会形成颗粒细而致密的膜层，光散射较小，牢固性增加，所以在这里可以通过控制离子源从而控制沉积速率来改变膜层的致密性。

在本发明实施例中，所述的外延片温度具体根据膜层材料确定的。并不是每一种膜层都能在高基底的状态下得到最佳效果，基片温度过高，会导致膜料再次蒸发或分解，造成膜料变质，特别是对某些低熔点的化合物较明显，所以外延片具体温度要根据膜层的材料确定。

实施例2:

对应实施例1所述的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器的制备方法，本发明还存在另外一种实施方式，一种基于光学介质膜作为DBR材料的垂直腔面激光器的制备方法，利用光学介质膜作为DBR反射镜材料，如图3所示，具体包括：

在步骤301中，在涂有光刻胶的外延片P面进行光刻，用于形成DBR反射器材料区域的光刻胶。

在步骤302中，在光刻后的外延片上生长光学介质膜。

在步骤303中，用光刻胶剥离液剥离底部有光刻胶的光学介质膜。

本发明所述的激光器采用光学介质膜作为DBR反射镜材料，降低了垂直激光器的串联电阻、吸收损耗和界面损耗，而且光学介质膜作为DBR反射镜材料，其中高低折射率材料间的折射率差很大，只需要很少的对数就可以达到很高的反射率，其镀膜工艺成熟，光损耗小。

在具体实现中，所述步骤302通常可以由以下几个步骤具体实现，如图4所示：

在步骤3031中，对已经完成图形光刻的外延片表面在真空条件下进行电子束蒸发。

在步骤3032中，连续蒸镀光学介质膜，使膜料获得能量后蒸发沉积在整个外延片上或沉积在用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的部分，所述膜料为组成光学介质膜的成分。

在步骤3033中，通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，使得光学介质膜致密度满足预设参数要求。

结合本发明实施例，存在几种优选的实现方案，其中，所述的光学介质膜是由氧化物：SiOx、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅，非氧化物：SiNx、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照激光器工作波长的四分之一的厚度交替构成的。

在所述的电子束蒸发过程中控制真空气体稳定在1-10Torr。其具体实现原理可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

所述的沉积速率具体根据膜层材料和制作的膜层致密度确定的。其具体实现原理可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

所述的通过控制离子源和介质膜沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性具体原因可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

所述的外延片温度具体根据膜层材料确定的。其具体实现原理可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

实施例3:

对应实施例1所述的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器的制备方法，本发明还存在一种实施方式，所述的激光器是利用光学介质膜作为激光器腔面的钝化介质膜，如图5所示，所述的钝化介质膜制备过程包括：

在步骤401中，在涂有光刻胶的外延片P面进行光刻，用于激光器腔面钝化区域的光刻胶。

在步骤402中，在光刻后的外延片上生长光学介质膜。

在步骤403中，用光刻胶剥离液剥离底部有光刻胶的光学介质膜。

在具体实现中，所述步骤402通常可以由以下几个步骤具体实现，如图6所示：

在步骤4031中，对已经完成图形光刻的外延片表面在真空条件下进行电子束蒸发。

在步骤4031中，连续蒸镀光学介质膜，使膜料获得能量后蒸发沉积在整个外延片上或沉积在用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域的部分，所述膜料为组成光学介质膜的成分。

在步骤4031中，通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，同时控制外延片温度。

其中，所述的光学介质膜是由氧化物：SiOx、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、HfO₂、Ta₂O₅，非氧化物：SiNx、ZnS、CaF₂、MgF₂中的两种或多种按照激光器工作波长的四分之一的厚度交替构成的。

在所述的电子束蒸发过程中控制真空气体稳定在1-10Torr。其具体实现原理可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。所述的沉积速率具体根据膜层的材料和制作的膜层致密度确定的。其具体实现原理可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

所述的通过控制离子源和介质膜沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性具体原因可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

所述的外延片温度具体根据膜层材料确定的。其具体实现原理可借鉴实施例1中相关陈述，在此不一一赘述。

实施例4:

本发明实施例结合具体的制作设备，以及制备过程中的相关参数，阐述了如何具体实现如实施例一所述的一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器的制方法。所述制备方法包括以下步骤：

在步骤501中，清洗，去除外延片表面的杂质，先用丙酮和乙醇棉球擦拭芯片表面，再用水浴加热的丙酮和乙醇浸泡芯片，最后用给大量的去离子水冲洗芯片。

在步骤502中，光刻，这次的光刻在芯片的P面进行，为下一步的刻蚀提供掩膜。

在步骤503中，刻蚀，采用感应耦合等离子体(Inductively Couple Plasma，ICP)刻蚀有源区，刻蚀好的有源区圆形台面如图9所示，通过ICP监控刻蚀深度，刻蚀好的结构俯视图如图11所示。

在步骤504中，清洗，为了去除光刻胶杂质对芯片进行清洗，先用丙酮和乙醇棉球轻轻擦拭芯片表面，再用水浴加热的丙酮和乙醇浸泡芯片，最后用大量离子水冲洗芯片。

在步骤505中，光刻，先在图9中涂覆光刻胶，并光刻出图8中对应5和7的区域；即图1中用于形成电极的区域保留光刻胶，而用于形成DBR反射镜材料区域和激光器钝化区域除掉光刻胶，完成光刻后的俯视图如图12所示。

在步骤506中，光学介质膜的生长，这一步同时完成DBR反射镜材料的制备和激光器腔面的钝化；将样品放入电子束热蒸发的真空腔内，抽好真空后，调整真空腔体的真空度至1-3Torr，激活等离子体，待等离子体稳定后，对已经完成图形光刻的样品表面进行电子束介质镀膜，控制真空腔中的气体稳定在1-10Torr，通过控制离子源和介质膜的沉积速率来改变所蒸镀的光学介质膜的致密性，同时控制外延片温度，连续的蒸镀各光学膜层，完成光学介质膜的制作。

在步骤507中，剥离和清洗，在150℃的N-甲基吡咯烷酮(N-Methyl-2-Pyrrolidone，NMP)有机溶液中剥离掉底部有光刻胶的光学介质膜，露出电流注入窗口，然后用去离子水冲洗干净，氮气吹干，剥离掉介质膜后的俯视图如图13所示。

在步骤508中，电极制作，完成电极光刻后，溅射或者热蒸发Ti/Pt/Au，然后剥离，完成后的芯片结构如图15所示。其中，图8即为图15中沿虚线处得到的剖视图。

在步骤509中，合金，通过优化的合金工艺条件，将电极在RTP-500高温退火炉中380℃下合金60秒，以进一步降低其接触电阻，减少器件的发热。

在步骤510中，测试，对制作好的芯片进行各参数的测试。

实施例5:

基于上述实施例1-4，本发明还存在一种基于光学介质膜钝化的垂直腔面激光器结构，具体包括：

衬底1、底部DBR 2、下限制层3、钝化层4、n电极5、p电极6、顶部DBR7和有源层8，如图1所示。

所述衬底1上结构依次为：所述底部DBR 2和所述下限制层3；

所述钝化层4、所述n电极5和所述有源层8均位于所述下限制层3上，其中，所述有源层为台面结构，有源层8和n电极5之间生长有所述钝化层4，并且所述n电极5可以覆盖钝化层4；

所述下限制层3上除所述钝化层4、所述n电极5和所述有源层8及有源层8上的p电极6和顶部DBR外的区域都属于钝化层；

所述顶部DBR 7和所述p电极6位于所述有源层8上，其中，所述的p电极6位于所述顶部DBR 7和所述钝化层4之间；

所述的钝化层4和所述的顶部DBR 7具体由光学介质膜生长构成。

本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。