表面等离子体调制的倒装vcsel激光器及其制造方法

表面等离子体调制的倒装vcsel激光器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳结构调制激光器技术领域，更具体地涉及一种表面等离子体调制的倒装VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)激光器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]以微电子技术为基础的集成电路技术成就了当今信息技术的迅猛发展，使得我们的信息的获取、处理能力大大加强。集成电路技术的发展和运用大大的改善了我们的生活。但是随着电子芯片的集成度越来越高，电子元器件向微型发展，微电子技术也出现一些突出问题:尺寸的不断减小并逼近物理极限，导致加工技术的难度和成本不断提高；芯片的工作频率越来越高，使得芯片的功耗和散热成为一个巨大的瓶颈；芯片的功能复杂度不断提高，使得电互连更加复杂，极易导致信号延迟、逻辑错误和完整性缺失。
[0003]为了获得更高的处理效率，人们开始把目光投向光子集成技术的研宄。与电子相比，光子具有传输速度快、带宽大和相互干扰低的特点。因此光子可以作为高速、大容量、抗干扰能力良好的信息载体。随着光子集成、光电集成技术的发展，在芯片级尺度上实现复杂功能的系统已经成为一种必然技术趋势。实现这样的微系统需要在芯片级尺度上实现光源的调制，光信号的有效传输控制，光信号的处理和接受，而现在的基于传统半导体技术的光电子元器件很难达到芯片级集成系统的要求。近年来，飞速发展的表面等离子体(SPs)技术提供了一种有效的光子调控手段。SPs的超透射效应，对透射光的出光角度调制等特殊效应可以实现集成电路的光互连，存储技术的高能及小光斑出光等。可以调制的具有特殊效应的光，在通信领域也有很大运用前景，如通讯波长的光纤耦合等。
[0004]制作表面等离子体调制的激光器，一般使用脊型激光器、正发射垂直腔面激光器，制作步骤较为简单方便。例如，表面等离子体调制的正发射850nmVCSEL激光器的制作工艺步骤如下:1.外延片选择；2.台面制作；3.湿法氧化；4.高温生长Si02;5.制作隔离窗口 ；6.制作出光窗口 ；7.N面电极制备；8.生长Si02;9.溅射金属薄膜；10.电极台面处理；
11.管芯制作；12.纳米结构制备；13.测试。其制作工艺与普通正发射垂直腔面的激光器类似，但其不足之处在于同样的工艺方法不能制作表面等离子调制的底发射垂直腔面激光器，因此就不能在某些波长的底发射垂直腔面激光器上设计结构，如980nm底发射垂直腔面发射激光器，缺失了部分波长的表面等离子体调制的途径。

【发明内容】

[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器，从而将底发射VCSEL激光器工艺与制作表面等离子体调制的结构工艺有机整合起来，可以使用较少的工艺步骤即制备得到所述产品表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器。
[0006]为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0007]根据表面等离子体调制的需要确定所述倒装VCSEL激光器台面的大小；
[0008]对所述激光器台面进行湿法氧化；
[0009]在所述激光器台面的P面生长S12;
[0010]在所述激光器台面的P面上形成电极注入窗口并制作电极:
[0011]将所述激光器台面的N面减薄，并生长S12;
[0012]对所述激光器台面的N面上的3丨02进行腐蚀，腐蚀出直径40 μ m的圆形S12;
[0013]在所述激光器台面的N面采用双面套刻工艺，剥离圆形5102周围金属，使表面等离子体调制结构与电极分离，防止电流注入；
[0014]片上检测所述制得的激光器单管的电流电压特性，挑选出电流电压特性正常的管芯，进行解理、烧结、压焊和封装管芯；
[0015]对烧结完成的所述管芯，采用聚焦离子束刻蚀方法制备纳米结构，由此得到所述的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器。
[0016]其中，所述激光器台面的长度为待制造激光器的金属层微纳结构大小的2-4倍，所述激光器台面的面积为所述待制造激光器的金属层微纳结构面积的4-16倍。
[0017]其中，所述激光器台面为双沟道，沟道宽度为25 μm。
[0018]其中，所述对激光器台面进行湿法氧化的步骤包括:在高温水汽环境下，通过氧化高掺铝限制层Ala 98Ga0.02As，制作控制电流注入以及波导限制的氧化孔径。
[0019]其中，所述在激光器台面的P面上制作电极的步骤包括:蒸发TiPtAu作为P面电极，TiPtAu与台面形成欧姆接触。
[0020]其中，所述将激光器台面的N面减薄的步骤中，所述激光器的衬底减薄至200 μ m。
[0021]其中，所述在激光器台面的N面采用双面套刻工艺的步骤之前，还包括先溅射5个nm的Ti膜，再根据设计结构所需厚度溅射制备金膜的步骤。
[0022]其中，在所述采用聚焦离子束刻蚀方法制备纳米结构的步骤之后还包括对所述制得的激光器进行检测的步骤。
[0023]其中，制造的所述VCSEL激光器为表面等离子体调制的倒装980nm VCSEL激光器。
[0024]作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种根据如上任意一项所述的制造方法制造的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器。
[0025]基于上述技术方案可知，本发明的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器的制造方法能够实现在某些波长的底发射垂直腔面发射激光器上实现表面等离子体调制，补充了表面等离子体调制垂直腔面激光器在倒装方面的空白，使全波长段都能实现微纳结构的表面等离子体调制。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的采用双沟道制作台面后的截面结构图；
[0027]图2为本发明的通过湿法氧化形成的氧化限制层的截面结构图；
[0028]图3为本发明的P面生长S12制作隔离窗口的截面结构图；
[0029]图4为本发明的P面生长电极后的截面结构图；
[0030]图5为本发明的N面减薄后的截面结构图；
[0031]图6为本发明的N面生长3102后的截面结构图；
[0032]图7为本发明的N面生长Ti/Au后的截面结构图；
[0033]图8为本发明的N面金属剥离后的截面结构图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0035]本发明公开了一种表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器的制造方法，特别是一种表面等离子体调制的倒装980nmVCSEL激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0036](I)根据表面等离子体调制作用需要的金属层微纳结构的尺寸大小，来确定台面大小。台面尺寸长度为金属层微纳结构大小2倍左右为适宜，最大不应超过4倍，台面尺寸面积相应的为金属层微纳结构面积4倍左右为适宜，最大不应超过16倍。台面与微纳结构不应相差太大。
[0037](2)台面设计为双沟道，沟道宽度为25 μ m左右。
[0038](3)湿法氧化:在高温水汽环境下，通过氧化高掺铝限制层Ala98Gaatl2As,制作控制电流注入以及波导限制的氧化孔径。
[0039](4) P面生长S12:采用PECVD设备在制作好的VCSEL台面上生长S12，作为绝缘隔离层。为了防止漏电，和台面侧壁上的电极保护，隔离层要选择合适的厚度。
[ 0040](5)制作隔离窗口:在台面上套刻出电极注入窗口。
[0041](6)P面制作电极:蒸发TiPtAu作为P面电极，TiPtAu与台面形成欧姆接触。
[0042](7) N面减薄:衬底减薄至200 μ m左右。
[0043](8) N面生长S12:采用PECVD设备在制作好的VCSEL台面上生长S1 2。
[0044](9) N面S12腐蚀:采用双面套刻工艺，腐蚀出直径40 μ m左右的圆形S1 2，在后期的纳米结构刻蚀工艺中对激光器腔面起到保护作用，也可以形成增透膜。
[0045](1)N面套刻及溅射金属:金膜厚度根据设计结构所需厚度制备，在溅射金膜之前先溅射5个nm左右的Ti膜，采用双面套刻工艺，剥离圆形3102周围金属，使表面等离子体调制结构与电极分离，防止电流注入。
[0046](11)管芯制作:片上检测激光器单管的电流电压特性，挑选出电流电压特性正常的管芯，解理，烧结，压焊，封装管芯。
[0047](12)纳米结构制备:从烧结完成管芯中，挑选出光面的金膜完好的管芯，采用聚焦离子束刻蚀方法制备纳米结构。
[0048](13)测试:测试激光器性能。
[0049]其中，上述步骤(9)、(10)通过两个步骤实现了电极制作、表面等离子体的金属层制作、电极与表面等离子体调制结构分离、激光器出光面保护层制作、增透层制作。
[0050]下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的阐述说明。
[0051 ] 如图1-8所示，本发明的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器的制造方法，包括以下步骤:
[0052]1.采用IQE底发射的980nm VCSEL外延片，上层有30对P型DBR，下层有19对N型DBR，DBR结构由渐变的Al。.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.,As构成，有源层由GaInAsP的量子阱构成。
[0053]2.台面制备:采用双沟道，圆形台面尺寸直径在50 μπι左右，沟道宽度在25 μπι左右。实验室传统采用的台面直径大于80 μπι，考虑到纳米结构区域电流注入的均匀性，设计的激光器台面为50 μπι左右。由于P面需要倒装在热沉上，需要保护电极并且放置的稳定性，采用双沟道。如图1所示。
[0054]3.湿法氧化:在高温水气环境下，通过氧化高掺铝的限制层Ala98Gaatl2As,制作控制电流注入及波导模式的氧化孔径。通过控制气流量及反应温度控制反应速率，如图2所不O
[0055]4.P面生长S12:采用PECVD设备在制作好的VCSEL台面上生长Si02，作为绝缘隔离层。为了防止漏电，和台面侧壁上的电极保护，隔离层要选择合适的厚度。
[0056]5.制作隔离窗口:在台面上套刻出电极注入窗口，如图3所示。
[0057]6.P面制作电极:蒸发TiPtAu作为P面电极，合金形成电极欧姆接触。如图4所不O
[0058]7.N面减薄:至150/200um，为了操作的安全性及可靠性，设计减薄至200um。如图5所示。
[0059]8.N面生长S12:采用套刻技术在出光孔为中心生长直径20um圆形的S12，如图6所示。
[0060]9.N面溅射金属:可以先溅射一层极薄的Ti金属层，增加粘附性，然后溅射金，如图7所示。
[0061]10.测试:电学特性，选出性能较好的器件进行下一步。
[0062]11.剥离:剥离S12附近的金属，防止电极的电流注入到表面等离子体调制的金属层中，影响金属的电子波函数，得不到需要的效果。也可以部分剥离，对比是否会产生影响，如图8所示。
[0063]12.纳米结构制备:在性能较好，N面金膜完整的管芯上通过聚焦离子束刻蚀方法制备纳米结构。
[0064]13.测试:测试激光器性能。
[0065]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器的制造方法，包括以下步骤: 根据表面等离子体调制的需要确定所述倒装VCSEL激光器台面的大小； 对所述激光器台面进行湿法氧化； 在所述激光器台面的P面生长S12; 在所述激光器台面的P面上形成电极注入窗口并制作电极: 将所述激光器台面的N面减薄，并生长S12; 对所述激光器台面的N面上的3102进行腐蚀，腐蚀出直径40 μ m的圆形S12; 在所述激光器台面的N面采用双面套刻工艺，剥离圆形5102周围金属，使表面等离子体调制结构与电极分离，防止电流注入； 片上检测所述制得的激光器单管的电流电压特性，挑选出电流电压特性正常的管芯，进行解理、烧结、压焊和封装管芯； 对烧结完成的所述管芯，采用聚焦离子束刻蚀方法制备纳米结构，由此得到所述的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器。2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述激光器台面的长度为待制造激光器的金属层微纳结构大小的2-4倍，所述激光器台面的面积为所述待制造激光器的金属层微纳结构面积的4-16倍。3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述激光器台面为双沟道，沟道宽度为 25 μ m。4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述对激光器台面进行湿法氧化的步骤包括:在高温水汽环境下，通过氧化高掺铝限制层Ala98Gaatl2As,制作控制电流注入以及波导限制的氧化孔径。5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在激光器台面的P面上制作电极的步骤包括:蒸发TiPtAu作为P面电极，TiPtAu与台面形成欧姆接触。6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述将激光器台面的N面减薄的步骤中，所述激光器的衬底减薄至200 μπι。7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在激光器台面的N面采用双面套刻工艺的步骤之前，还包括先溅射5个nm的Ti膜，再根据设计结构所需厚度溅射制备金膜的步骤。8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于在所述采用聚焦离子束刻蚀方法制备纳米结构的步骤之后还包括对所述制得的激光器进行检测的步骤。9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于制造的所述VCSEL激光器为表面等离子体调制的倒装980nmVCSEL激光器。10.根据权利要求1至9任意一项所述的制造方法制造的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器。
【专利摘要】本发明公开了一种表面等离子体调制倒装VCSEL激光器的制造方法，包括：(1)外延片准备；(2)台面制备；(3)湿法氧化；(4)P面生长SiO2；(5)制作隔离窗口；(6)P面制作电极；(7)N面减薄；(8)N面生长SiO2；(9)N面SiO2腐蚀；(10)N面套刻及溅射金属；(11)管芯制作；(12)纳米结构制备；(13)测试。本发明的表面等离子体调制的倒装VCSEL激光器的制造方法能够实现在某些波长的底发射垂直腔面发射激光器上实现表面等离子体调制，补充了表面等离子体调制垂直腔面激光器在倒装方面的空白，使全波长段都能实现微纳结构的表面等离子体调制。
【IPC分类】H01S5/183, H01S5/323
【公开号】CN104882787
【申请号】CN201510300471
【发明人】宋国峰, 祝希, 李康文, 付东
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月3日