[发明专利]垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器

说明书

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述湿法氧化方法分为两个阶段：第一阶段的氧化气氛为H₂、N₂与H₂O蒸汽混合；第二阶段的氧化气氛为H₂、N₂、O₂与H₂O蒸汽混合，其中O₂与H₂O蒸汽的体积比为1%～10%。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术，本发明可对湿法氧化速率进行更为精准的控制，有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象，提高激光器的使用寿命及可靠性。

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）制备工艺，尤其涉及一种湿法氧化方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

VCSEL在高密度集成及光纤耦合方面较边发射型激光器存在较大的优势，因此在光通讯等领域拥有极大的应用前景。但因其器件结构存在有源区薄，腔长短，单层增益较小等缺陷，为提高其有效光子限制能力，目前基本采用氧化DBR限制性型结构。氧化限制型结构可以减小材料中非辐射复合中心的寿命及对注入到有源区的电流形成有效的限制。

氧化限制型结构VCSEL的主要工艺步骤包括：晶片外延生长，在晶片外延生长过程中，在靠近谐振腔的下布拉格反射镜层和/或上布拉格反射镜层设置有Al组份很高的AlGaAs层作为氧化限制层， VCSEL芯片结构自下而上主要由N型掺杂的DBR反射镜，包含量子阱/量子点有源区的谐振腔，以及P型掺杂的DBR反射镜所构成；在外延生长形成的层结构中蚀刻出主动区平台，需要确保氧化限制层暴露于主动区平台的侧壁；对主动区平台的侧壁进行氧化处理，氧化时，沿着所述氧化限制层横向进行，被氧化的氧化限制层形成以氧化铝为主的氧化区域，氧化铝具有良好的绝缘性，可有效阻隔注入电流的通过，并限制注入电流的侧向扩散，同时氧化铝具有较小的折射率，能够使光场更为集中在电路注入窗口区域，提高了光场与有源区的交叠，增加光限制因子，起到减小器件阈值电流的作用，而中间未被氧化的区域则构成氧化孔，也就是VCSEL的出光孔和电流注入区；之后再进行表面钝化，平坦化工艺（即用聚酰亚胺，苯并环丁烯等聚合物填充沟槽），以及制作电极并引出等步骤。

上述工艺工程中，氧化孔的形成十分关键，其孔径、形状以及周边氧化区域的围观结构等均会对最终器件的性能、可靠性等产生影响。现有氧化限制型结构通常采用湿法氧化工艺对高铝组分（如Al_0.98Ga_0.02As）进行氧化，形成Al₂O₃、Ga₂O₃、 As等化合物，该反应过程较复杂，所以对影响氧化过程的因素，如：氧化温度，氧化气氛氧气残留量，H₂/N₂混合气与H₂O蒸汽的比例等工艺条件要严格控制，使得氧化速率适中。氧化孔的湿法氧化过程是一个自加速氧化的过程，氧化速率随着氧化的进程不断加速。加速的氧化过程会产生如下问题：湿法氧化反应过程过快使得反应未达到稳定状态，化学反应产生的中间副产物（如As₂O₃、As）未能完全释放，氧化层与GaAs界面层处于介稳定状态，产生较大的氧化层应力，这种应力特别是氧化层尖端应力会导致氧化层及GaAs界面出现严重的分离或开裂现象，裂纹在后续热处理或者高温老化过程中不断加速生长，形成贯穿量子阱层的缺陷，严重影响激光器的使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有VCSEL湿法氧化技术所存在的易产生较大应力的不足，提供一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，可对湿法氧化速率进行更为精准的控制，有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：