一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体芯片，尤其是涉及一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、vcsel(vertical-cavity surface-emitting laser)，为垂直腔面发射激光器的英文缩写。自1977年由日本东京工业大学的伊贺健一(kenichi iga)等人首次提出这一理念，至今已历经四十余年的技术沉淀与革新。由于它具有阈值低、远场发散角小、调制速率高、易于实现单纵模工作以及优越的二维集成性等诸多显著优势，vcsel经过多年的技术发展，已经在宽带以太网、高速数据通信、光互联、三维传感以及光集成元件等多个领域展现出了广泛的应用前景和实用价值。

2、和边发射半导体激光器相比，由于vcsel的激光器谐振腔短，出光面大，使得长期以来将vcsel作为多模激光器进行使用。其谐振腔短，故而形成的fp腔纵模间距大，一般只有一个纵模激射。由于出光面大，横向激射的模式多，故而为多横模。而一般简称的所谓“多模”指的是多横模。

3、单模激光器在一些特殊领域具有需求，譬如传感领域中可以提供更好的信噪比，在远距离数据传输中可以具有更小的传输色散引起的误码。故而单模vcsel一直是vcsel的诸多演进方向之一。传统上，可以通过将发光区域直径减小到3-4微米以下来获得单模vcsel，然而其会大大降低器件的出光功率，过小的发光孔带来的电阻快速增加不利于高频调制，同时过小的发光孔径也给批量制作提出了巨大挑战。

4、为了减少横模数量，可通过增加vcsel谐振腔腔长的方式去实现。增长的激光腔会增加每个模式在形成谐振过程中遇到的损耗，而基膜所遇到的损耗最小，在模式竞争中胜出，从而实现单模输出。然而在高速数据通信vcsel中，过长的谐振腔会增加光子寿命，从而大大限制器件的频率带宽和调制速率。采用缩短的谐振腔可以提高速率，然而按照正常的工艺加工，则会形成多模，不利于长距离传输。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法。本发明中提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，通过外延和工艺同时进行改进，形成具有单模输出且可用于高速通信的vcsel器件，有利于拓展vcsel在数据通信领域的应用。本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于400g/800g/1.6t的高速光模块的发射光源。且相较于传统短距离数据通信小于500米传输距离，本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于500-2000米以上的高速光互联。

2、第一方面，本发明提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器。用于高速通信的垂直腔面发射激光器包括：

3、外延片，所述外延片包括：自下而上依次设置的衬底、n型布拉格反射镜、谐振腔、形成于所述谐振腔中的有源区、p型布拉格反射镜；

4、形成于所述谐振腔中所述有源区之上的氧化层；

5、离子注入后形成的电绝缘区，所述电绝缘区自上而下形成至所述谐振腔中所述有源区之下；

6、形成于所述外延片之上的介质层；以及，

7、形成于所述外延片之上的p金属层；

8、其中，所述谐振腔的总厚度为1/2倍光学波长；

9、其中，所述垂直腔面发射激光器还包括出光孔，所述出光孔形成于所述p型布拉格反射镜之上，所述出光孔的直径大于所述氧化孔的直径；

10、所述出光孔设置有浮雕结构，所述浮雕结构通过部分刻蚀所述介质层的表面形成，所述浮雕结构具有非介质区域和介质区域；

11、所述介质区域包括：第一介质区、第二介质区和第三介质区；

12、所述非介质区域包括：第一非介质区和第二非介质区；

13、所述第一介质区和所述第二介质区之间设置所述第一非介质区；所述第二介质区和所述第三介质区之间设置所述第二非介质区；

14、所述第一介质区为实心圆形，所述第一介质区的中心与所述氧化孔的中心连接形成的直线与所述衬底所在的延伸平面垂直；所述第一介质区的直径小于所述氧化孔的直径；

15、所述第二介质区为环形，所述第二介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第二介质区的环宽为第一宽度；

16、所述第三介质区为环形，所述第三介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第三介质区的环宽为第二宽度；

17、所述第一宽度大于所述第二宽度；

18、所述第一介质区的直径大于所述第一宽度。

19、进一步地，所述第一非介质区和所述第二非介质区均为环形；

20、所述第一非介质区的环宽为第三宽度；

21、所述第二非介质区的环宽为第四宽度；

22、所述第三宽度大于所述第四宽度。

23、进一步地，所述氧化孔的直径6微米-10微米。

24、进一步地，所述氧化孔的直径7微米，所述第一介质区的直径为5微米；

25、所述第一宽度为3微米，所述第二宽度为2微米。

26、进一步地，所述介质区域的材料为氮化硅。

27、进一步地，所述电绝缘区自所述p型布拉格反射镜开始，向下进行离子注入至所述谐振腔，所述电绝缘区的注入深度抵达所述有源区之下，所述电绝缘区用于将通过p面注入到所述垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，所述中央区域为所述氧化孔和所述出光孔所在的区域。

28、第二方面，本发明提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：

29、s1，在晶圆上形成外延片，所述外延片包括：自下而上依次设置的衬底、n型布拉格反射镜、谐振腔、形成于所述谐振腔中的有源区、p型布拉格反射镜；其中，所述谐振腔的总厚度为1/2倍光学波长；

30、s2，完成所述外延片的生长后，进行p金属层沉积；

31、s3，采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积介质层，所述介质层用于保护所述p金属层和所述外延片；

32、s4，采用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀的方法形成深坑，所述深坑将需要进行湿法氧化的侧壁露出；

33、s5，在所述有源区的上方湿法氧化形成氧化层，所述氧化层中包括氧化孔，所述氧化孔的直径为d0；所述谐振腔中，在所述有源区的上方的外延材料为alxga1-xas材料，其中x＝0.98～0.99，6微米≤d0≤10微米；

34、s6，采用光刻胶保护发光区域和部分金属接触区域后，进行离子注入，以形成电绝缘区，所述电绝缘区在所述外延片中自上而下形成至所述谐振腔中所述有源区之下；

35、s7，采用等离子体增强化学气相沉积的方法向所述深坑的侧壁沉积介质层；

36、s8，在所述介质层定义出所述垂直腔面发射激光器的出光孔，并通过光刻定义浮雕结构的刻蚀图案，进一步刻蚀所述出光孔处的所述介质层，以形成所述浮雕结构；

37、其中，所述出光孔的直径大于所述氧化孔的直径；所述浮雕结构具有非介质区域和介质区域；

38、所述介质区域包括：第一介质区、第二介质区和第三介质区；

39、所述非介质区域包括：第一非介质区和第二非介质区；

40、所述第一介质区和所述第二介质区之间设置所述第一非介质区；所述第二介质区和所述第三介质区之间设置所述第二非介质区；

41、所述第一介质区为实心圆形，所述第一介质区的中心与所述氧化孔的中心连接形成的直线与所述衬底所在的延伸平面垂直；所述第一介质区的直径小于所述氧化孔的直径；

42、所述第二介质区为环形，所述第二介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第二介质区的环宽为第一宽度；

43、所述第三介质区为环形，所述第三介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第三介质区的环宽为第二宽度；

44、所述第一宽度大于所述第二宽度；

45、所述第一介质区的直径大于所述第一宽度；

46、s9，制作n金属层，及裂片形成多个垂直腔面发射激光器。

47、进一步地，s6中，所述离子注入的种类和剂量包括：

48、注入能量为410kev且剂量为5e+13的h+离子、注入能量为360kev且剂量为4e+13的h+离子、注入能量为300kev且剂量为3.5e+14的h+离子、注入能量为230kev且剂量为3.5e+14的h+离子、注入能量为100kev且剂量为4e+14的h+离子以及注入能量为20kev且剂量为4e+14的h+离子。

49、进一步地，s1中，形成所述外延片的步骤包括：

50、s11，在n型衬底上利用有机金属化学气相沉积法或分子束外延法生长n型布拉格反射镜，其包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的alxga(1-x)as材料，其中，高折射率材料中x＝x1，且满足0.05<x1<0.2，低折射率材料中x＝x2，且满足0.8<x2<0.95，每层alxga(1-x)as材料的厚度为四分之一的光学厚度；

51、s12，在所述n型布拉格反射镜的表面形成所述谐振腔，所述谐振腔包括一个铝组分渐变的al gaas体材料；

52、s13，在所述谐振腔形成大于1微米厚度之后，沉积所述有源区，所述有源区包括多组含i ngaas和al gaas的应变量子阱，用于产生激光所需的增益，所述有源区形成于所述谐振腔中1/2处位置；在所述有源区沉积完成之后，进一步生长剩余厚度的所述谐振腔；

53、s14，在所述谐振腔的上方形成p型布拉格反射镜，以完成外延片的生长；其中所述p型布拉格反射镜包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的alyga(1-y)as材料，其中，高折射率材料中y＝y1，且满足0.05<y1<0.2，低折射率材料中y＝y2，且满足0.8<y2<0.9，每层alyga(1-y)as材料的厚度为四分之一的光学厚度。

54、进一步地，在s6中形成所述电绝缘区之后，s9的步骤包括：

55、s91，制作聚合物材料层，以及在所述聚合物材料层制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层；所述聚合物材料层位于所述p金属层的下方；

56、s92，进行p面开孔，并进行正面镀金，以形成p金属层之上的金电极；

57、s93，刻蚀n面台阶，蒸发合金材料，以形成正面n金属层，以及在所述正面n金属层制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层；

58、s94，对所述衬底远离所述n型布拉格反射镜的表面进行减薄，进一步实施背面合金蒸镀，以形成背面n金属层；

59、s95，对所述晶圆进行裂片，以形成多个出射光功率不同的所述垂直腔面发射激光器。

60、本发明的至少具备以下优点或有益效果：

61、1、本发明在用于高速通信的垂直腔面发射激光器的谐振腔中，利用总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔，通过将谐振腔缩短到1/2倍光学波长，降低光子寿命，增加垂直墙面激光器的响应带宽，从而提高速率。

62、2、本发明的电绝缘区采用离子注入的方法形成。电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下，可以有效的限制电流的注入直径，从而减少高阶模式的激发。另外电绝缘区的大小也会一定程度的影响用于高速通信的垂直腔面发射激光器的电流注入。电绝缘区用于将通过p面注入到垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，所述中央区域为所述氧化孔和所述出光孔所在的区域。将通过p面注入到所述垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，电流与lp01基模在空间上重合度最高，可以减少高阶模式的激发。

63、3、本发明通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构，对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。浮雕结构包括了相互之间间隔设置的介质区域和非介质区域提供了整体不同的反射率，实现模式选择。具体的介质区域包括设置在出光孔中央的第一介质区，第一介质区可以提供最佳的反射率，第一介质区与用于高速通信的垂直腔面激光器的基模出射光的重合度高，能够很好的激发基模光。

64、4、本发明中上述的主要结构特点包括1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上；2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下；3、在出光孔附近设置上述实施例所述的浮雕结构；以上三种结构特征的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。

65、5、本发明还提供一种用于高速通信的垂直腔面激光器的制备方法，用于高速通信的垂直腔面激光器具有以下三种结构特性：1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上；2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下；3、在出光孔附近设置上述实施例所述的浮雕结构；以上三种结构特性的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。经过实验证明采用本发明技术方案中的特殊的浮雕结构，搭配缩短的谐振腔，辅助离子注入才能实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。具体的，通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构，相互之间间隔设置的介质区域和非介质区域提供了整体不同的反射率，实现对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。

66、以上，本发明中形成的用于高速通信的垂直腔面发射激光器本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于400g/800g/1.6t的高速光模块的发射光源。且相较于传统短距离数据通信小于500米传输距离，本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于500-2000米以上的高速光互联。