專利名稱：：刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件，特別是一種刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
：垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)近來已在技術(shù)上有許多應(yīng)用，這是由于這些器件閾值低、響應(yīng)快、發(fā)射光圓對(duì)稱、容易實(shí)現(xiàn)二維集成，在密集波分復(fù)用、光電集成、光纖通訊等高效的光源，已經(jīng)證明垂直腔面發(fā)射激光器了具有的應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)專利CN99253156.X公開的垂直腔面發(fā)射的結(jié)構(gòu)包含了下面內(nèi)容上金屬電極，下金屬電極，量子阱有源層，p+歐姆接觸層，p型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡，n型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡及半導(dǎo)體襯底,其特征是量子阱有源層的上面是p型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡，下面是n型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡，在金屬電極和p型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡上部和量子阱有源層，p型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡，p+歐姆接觸層等構(gòu)成圓柱形結(jié)構(gòu)；在n型半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡的下部有下金屬電極。在此專利是通常使用垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)。中國(guó)專利CN99253155.1涉及一種介質(zhì)分布布拉格反射鏡腔面發(fā)射微腔激光器，主要包括有介質(zhì)分布布拉格反射鏡，上電極金屬層、量子阱有源層、半導(dǎo)體等。介質(zhì)分布布拉格反射鏡和半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡，在量子阱有源層的上下兩面，作為本實(shí)用新型的腔中兩個(gè)反射鏡。上電極金屬層和下電極金屬層，分別制在p+接觸層和n+接觸層的上面，使得注入電流不經(jīng)過介質(zhì)分布布拉格反射鏡和半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡，避免了兩者形成的高電阻，降低了工作電流，同時(shí)減少了器件產(chǎn)生的熱量。該專利中提到使用介質(zhì)分布布拉格反射鏡和半導(dǎo)體分布布拉格反射鏡。半導(dǎo)體學(xué)報(bào)(1993,15(10):700703)報(bào)道了Ag為反射鏡和電極的垂直腔面發(fā)射激光器，其中使用液相外延生長(zhǎng)分別限制量子阱結(jié)構(gòu)，然后低溫淀積Si02薄膜保護(hù)層，用紅外光刻機(jī)套刻φ＝400微米圓孔作電極條形限制，再做(()-20微米Ag反射面。該文獻(xiàn)使用金屬膜反射鏡和電極，但是金屬反射鏡的反射率無法與半導(dǎo)體材料布拉格反射鏡相比，同時(shí)φ＝20微米的電極無法很好地限制電流，實(shí)驗(yàn)測(cè)試器件的閾值電流為3.8安培，并且使用了液相外延生長(zhǎng)量子阱和低溫淀積Si02兩個(gè)工藝過程。SolidStateComm皿ications(1993，88(6):461463)中是使用液相外延生長(zhǎng)分別限制量子阱結(jié)構(gòu)，使用Zn擴(kuò)散直徑20微米平臺(tái)限制電流的擴(kuò)散，使用頂端臺(tái)階Pd/Ge作為電極和反射鏡，襯底金屬膜為電極。該文獻(xiàn)中使用液相外延研究垂直腔面發(fā)射激光器已經(jīng)被分子束外延(MBE)或金屬氧化物氣相淀積(MOVCD)取代，使用Zn擴(kuò)散直徑20微米平臺(tái)可以限制電流的擴(kuò)散，但沒有達(dá)到低閾值的垂直腔面發(fā)射要求，并且文獻(xiàn)中沒有將襯底表面電極的金屬膜設(shè)計(jì)成限制電流的形狀。JournalofVacuumScienceandTechnologyB(1999,17(6):32223225)公開的垂直腔面發(fā)射激光器中利用Au為上電極控制激光，但使用了質(zhì)子轟擊p型布拉格反射鏡實(shí)現(xiàn)電流的控制，然而質(zhì)子轟擊很難實(shí)現(xiàn)半徑1微米電流限制區(qū)，并且該文獻(xiàn)中襯底表面的增透膜沒有發(fā)揮限制電流作用。IEEEJournalofQuantumElectronics(2003,39(1):109-119)禾卩ProceedingsofSP正(2002，4942:182-193)報(bào)道了使用上反射鏡中作為電極和反射鏡，借助氧化層限制電流，但是分別氧化在電流限制區(qū)半徑l微米時(shí)比較難以控制，并且不容易實(shí)現(xiàn)集成化，同樣該文獻(xiàn)中襯底表面電極沒有發(fā)揮限制電子流作用。上面兩個(gè)專利中使用金屬電極只是垂直腔面發(fā)射激光器中組成部分，但沒有涉及到電極的形狀和厚度，在垂直腔面發(fā)射激光器中使用的分布布拉格反射鏡為上下各自20對(duì)以上，再加上有源區(qū)中量子阱結(jié)構(gòu)，使在生長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器中多次地改變材料的成分，并嚴(yán)格控制每一層的厚度，這是垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生長(zhǎng)條件苛刻的原因。雖然在上面文獻(xiàn)中使用金屬膜為電極和反射鏡，但是由于對(duì)金屬膜設(shè)計(jì)過大，因此只能借助質(zhì)子轟擊或分別氧化實(shí)現(xiàn)電流良好的限制，然而質(zhì)子轟擊和分別氧化存在缺陷，并且文獻(xiàn)中注重了上面的金屬膜的設(shè)計(jì)而忽略襯底金屬膜的電流限制作用。采用質(zhì)子轟擊很難實(shí)現(xiàn)半徑1微米電流限制區(qū)，分別氧化在電流限制區(qū)的半徑1微米比較難以控制，并且不容易實(shí)現(xiàn)集成化。上表面層使用金屬膜可以構(gòu)成反射鏡和電極，然而由于電流和光場(chǎng)空間分布不一致，必須控制電流的擴(kuò)散才能實(shí)現(xiàn)增益波導(dǎo)控制光場(chǎng),單獨(dú)依靠上表面金屬膜無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流和光場(chǎng)的限制。采用MBE或MOCVD生長(zhǎng)器件主要結(jié)構(gòu)后，如果采用其它低溫淀積電阻率較大Si02成為電流阻擋層，增加了器件的工藝過程，并且高阻區(qū)的孔徑的大小需要嚴(yán)格論證。采甩質(zhì)子轟擊無法實(shí)現(xiàn)很小電流孔徑，分別氧化小孔徑不可控，這樣會(huì)限制垂直腔面發(fā)射激光器列陣的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明提出刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器，即上下刻蝕金屬膜形狀為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，引入非摻雜的本征層中刻出電流孔徑，結(jié)合上表面與襯底表面金屬膜非對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流和光場(chǎng)限制，充分地發(fā)揮金屬膜增加反射率和限制電流的功能，提高工藝重復(fù)性，簡(jiǎn)化垂直腔面發(fā)射激光器列陣集成化工藝。本發(fā)明可以降低分布布拉格反射鏡的對(duì)數(shù)，限制電流區(qū)域，提高注入電流的光電耦合效率,本征高阻層和芯片一次材料生長(zhǎng)完成，避免質(zhì)子轟擊或分別氧化工藝，有利于集成化。本發(fā)明提出的一種刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器，包括上、下分布的布拉格反射鏡，高阻本征層，勢(shì)壘層，電極，襯底，量子阱有源區(qū)及空間層。上表面有刻蝕的圓形金屬反射膜、刻蝕的金屬膜導(dǎo)線以及刻蝕的金屬膜與上電極的接觸層和上電極；上電極的接觸層和上電極下方依次為刻蝕圓孔的非摻雜本征高阻層、p+型接觸層，p型布拉格反射鏡、量子阱有源區(qū)及空間層、n型布拉格反射鏡、過渡層及襯底;在襯底的下表面刻蝕的圓形金屬反射膜、下表面刻蝕的金屬膜導(dǎo)線、下表面電極。所述的上表面的圓形金屬反射膜的半徑為4~8微米。所述的非摻雜本征高阻層的圓孔半徑為1~2微米。所述的襯底下表面刻蝕的圓形金屬反射膜的半徑為1~2微米。所述的上表面刻蝕的導(dǎo)線、電極接觸層與下表面刻蝕的導(dǎo)線、電極接觸層位置投影左右分開，成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的垂直腔面發(fā)射激光器的制4方法包括以下步驟1)在半導(dǎo)體襯底(GaAs)上使用MBE或MOCVD，溫度為500。C-80(TC依次地生長(zhǎng)n型布拉格反射鏡、量子阱有源區(qū)、p型布拉格反射鏡、p+型接觸層和非摻雜本征高阻層；2)非摻雜GaAlAs本征高阻層中通過光刻方法刻出圓形孔；3)400℃鍍薄的金屬膜p+型接觸層使用Pt-Ti-Au金屬膜、n+型襯底上使用Au-Ge-Ni金屬膜；4)通過離子束刻蝕上、下金屬膜形成圓形金屬膜、導(dǎo)線和電極接觸層；5)芯片劃成單個(gè)激光器單元，形成單個(gè)激光器管芯，或者成二維面陣；6)器件封裝。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的積極效果上面非摻雜本征高阻區(qū)中刻蝕半徑在1~2微米的圓孔與半徑4~8微米圓形金屬反射鏡結(jié)合，形成空穴流的限制區(qū)域，提高布拉格反射鏡的反射率，從而避免質(zhì)子轟擊、分別氧化工藝，減少布拉格反射鏡的對(duì)數(shù)，并且半導(dǎo)體材料可以通過MBE或MOCVD—次生長(zhǎng)。金屬反射鏡可以反射光，金屬反射鏡的存在提高了光經(jīng)過布拉格反射鏡的反射率，由于上面金屬反射鏡是生長(zhǎng)在p型布拉格反射鏡的上面，光的相位很容易控制，因此可以減少上布拉格反射鏡的對(duì)數(shù)，p型布拉格反射鏡可以減少48對(duì)。在垂直腔面發(fā)射激光器中，要利用金屬膜的導(dǎo)電特性，半徑大于10微米圓形金屬反射鏡無法實(shí)現(xiàn)電流的限制，減少圓形金屬膜的大小可以限制電流，但是半徑小于2微米的反射鏡無法全部反射增益波導(dǎo)中模式，我們提出通過非摻雜本征層中刻蝕半徑在12微米的圓孔限制電流，上面圓形金屬膜半徑4~8微米的金屬膜提高p型布拉格反射鏡的反射率。襯底下表面半徑為12微米的圓形金屬膜、細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)線和電極接觸層形成電子流限制區(qū)域。電子可以通過圓形金屬膜、細(xì)導(dǎo)線和電極接觸層進(jìn)入激光器，相比整個(gè)襯底表面區(qū)域都是負(fù)電極而言，本發(fā)明只有小部分區(qū)域存在金屬膜，并且電極接觸層距離圓形金屬膜較遠(yuǎn)，導(dǎo)線層細(xì)長(zhǎng)，因此可以有效地限制電流注入?yún)^(qū)域。由于下面的襯底較厚，并且存在一定的厚度偏差，因此采用鍍金屬反射膜不宜減少n型布拉格反射鏡的對(duì)數(shù)，下表面圓形金屬膜只是限制龜流作用，本發(fā)明中反射光仍然由n型布拉格反射鏡完成，這里金屬膜同樣起到一定反射作用，但沒有上表面層金屬膜作用明顯，上、下金屬膜出現(xiàn)大小、方位不對(duì)稱。上表面金屬膜與襯底表面的金屬膜圖案有限大小及在生長(zhǎng)平面內(nèi)的投影左右分開，可以有效地避免龜子和空穴在有源區(qū)中心區(qū)域之外的復(fù)合，提高了發(fā)光效率。器件上面的非摻雜本征高阻中刻蝕電流孔徑可以有效地限制電流,但是有限厚度非摻雜本征層電流孔其它區(qū)域仍然允許很小電流通過，滿足反射橫模范圍條件下，盡量減小上表面圓形反射鏡的大小限制可以限制空穴擴(kuò)散區(qū)域，本發(fā)明采用上下金屬膜電極及導(dǎo)線左右分開，金屬鏡有限大小(一個(gè)半徑48微米，另一個(gè)半徑12微米)，可以有效地降低了電子與空穴在有源區(qū)光場(chǎng)集中之外的區(qū)域復(fù)合，提高了光電耦合效率。圖l為本發(fā)明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2刻蝕金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器的上電極、頂層金屬膜刻蝕區(qū)域俯視圖。圖3刻蝕電流孔徑的非摻雜本征高阻區(qū)頂俯圖。圖4刻蝕金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器的下電極、襯底鍍金屬膜刻蝕區(qū)域仰視圖。圖5為質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為常用分別氧化垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)圖。圖7、8為質(zhì)子轟擊和分別氧化垂直腔面發(fā)射激光器的上下電極結(jié)構(gòu)示意圖。圖9不同橫向限制半徑的閾值電流曲線。圖10橫向的光場(chǎng)分布曲線。圖ll橫向2微米限制下的閾值電流密度分布曲線。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明如圖所示，圖1為本發(fā)明產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2刻蝕金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器的上電極、頂層金屬膜刻蝕區(qū)域頂視圖；圖3刻蝕電流孔徑的非摻雜本征高阻區(qū)頂視圖，圖4刻蝕金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器的下電極、襯底鍍金屬膜刻蝕區(qū)域底視圖。其中，1:上表面刻蝕的圓形金屬反射膜，半徑48微米；2:上表面刻蝕的金屬膜導(dǎo)線；3:上表面刻蝕電極接觸的金屬膜和電極；4:為非摻雜本征高阻半導(dǎo)體材料，圓孔半徑12微米；5:p+型接觸層；6:p型布拉格反射鏡；7:量子阱有源區(qū)及空間層；8:n型布拉格反射鏡；9:襯底；10:下表面刻蝕的圓形金屬反射膜，半徑1~2微米；11:下表面刻蝕的金屬膜導(dǎo)線；12:下表面刻蝕與下電極接觸的金屬膜和下電極。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是上表面有刻蝕的圓形金屬反射膜1、刻蝕的金屬膜導(dǎo)線2以及刻蝕的金屬膜與上電極的接觸層和上電極3，下面層依次為刻蝕圓孔的非摻雜本征高阻層4、p+型接觸層5，p型布拉格反射鏡6、量子阱有源區(qū)及空間層7、再下面為n型布拉格反射鏡8、過渡層及襯底9，在襯底下表面刻蝕的圓形金屬反射膜10、下表面刻蝕的金屬膜導(dǎo)線ll、下表面刻蝕金屬膜及電極12。通常使用質(zhì)子轟擊或分別氧化的垂直腔面發(fā)射結(jié)構(gòu)，圖5為質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中13:刻圓孔型上電極，14:質(zhì)子轟擊區(qū)域，15:整個(gè)底面下電極。圖6為分別氧化垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，其中16:上分別氧化區(qū)，17:下分別氧化區(qū)。圖7、8為質(zhì)子轟擊和分別氧化垂直腔面發(fā)射激光器的上下電極結(jié)構(gòu)示意圖。我們對(duì)橫向限制對(duì)垂直腔面發(fā)射激光器進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)值仿真橫向限影響閾值及光場(chǎng)需要下面電勢(shì)、載流子濃度、光場(chǎng)、熱場(chǎng)空間耦合的四個(gè)微分方程1)電壓和電流密度在半導(dǎo)體激光器中，電勢(shì)分布F滿足柱坐標(biāo)下泊松(Poisson)方程:<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(1)注入電流密度<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(2)其中p是半導(dǎo)體材料的電阻率。2)載流子濃度載流子濃度分布對(duì)增益半導(dǎo)體激光器行為起著重要的作用，根據(jù)電子和空穴連續(xù)性方程，穩(wěn)態(tài)時(shí)半導(dǎo)體激光器有源區(qū)的非平衡載流子滿足<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)其中Dn，B，rs，d，J分別為擴(kuò)散系數(shù)、自發(fā)輻射復(fù)合系數(shù)、載流子壽命、有源層厚度和有源區(qū)電流密度，g(N(r)為增益，Pa為腔內(nèi)平均光功率<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)這里S為有源區(qū)橫向半徑。增益g(N,T):g(N，T)=a(T)[N(r)-Nth](5)其中，N(r)為有源區(qū)載流子濃度分布，Nth為透明載流子濃度。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以假定增益系數(shù)a(T)隨溫度線性變化，<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(6)這里，6=4.12xl0-16cm2，ζ=7.0x10-19cm2/K。3)光場(chǎng)分布激光器的光波滿足麥克斯韋(Maxwell)方程組，采用柱坐標(biāo)中光場(chǎng)強(qiáng)度可以寫成:E(r，θ,z)=Ψ(r)exp(-iβzz)(7)其中，β為z方向傳播常數(shù)，<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage8</formula>m=0，±1，±2，(8)其中Ψ(r)滿:<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(9)4)熱場(chǎng)分布根據(jù)實(shí)際的激光器圓柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，并假設(shè)在任意兩層界面處溫度連續(xù)分布，在激光器頂部和側(cè)面都'沒有熱量損耗，熱流向熱沉傳遞，熱傳導(dǎo)方程為-<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage8</formula>(10)Qi(r,t)分別表示即有源區(qū)、兩個(gè)包層n型和p型DBR層及襯底層的熱流密度。我們采用有限差分法(FDM)和矩陣特征值法求解以上方程的自洽解(趙紅東，等.n型DBR中電勢(shì)對(duì)垂直腔面發(fā)射激光器閾值的影響.物理學(xué)報(bào)，2004(11):3744-3747)。首先通過有限差分法把方程(1)(3)(9)(10)離散化，再把方程(9)轉(zhuǎn)化成求解代數(shù)特征值的問題，通過自洽計(jì)算得到穩(wěn)定解，計(jì)算中所用物理參數(shù)見表l。通過上面方程數(shù)值計(jì)算出橫向限制半徑下的閥值電流曲線、橫向的光場(chǎng)分布曲線和橫向的電流密度分布曲線(見圖9，10,11)。表.1物理參數(shù)的選取〈table></column></row><row><column>參數(shù)名稱</column><column>符號(hào)</column><column>所取的量值</column><column>單位</column></row><row><column>自發(fā)發(fā)射系數(shù)</column><column>B</column><column>9X10－11</column><column>cm3/s</column></row><row><column>有效腔長(zhǎng)</column><column>Le</column><column>1</column><column>μm</column></row><row><column>端鏡面反射率</column><column>R</column><column>0.99</column><column>/</column></row><row><column>內(nèi)部損耗</column><column>a</column><column>46</column><column>cm-1</column></row><table>電子擴(kuò)散系數(shù)Dn48cm2/s透明載流子濃度Nth1.5x1018cm-3載流子壽命2M0-9s量子阱厚度rs2x10-9s量子阱勢(shì)壘厚度d28nm型DBR電阻率ppd10.23QcmN型DBR電阻率pn3.19xl0-2Qcm本征層電阻率p1100Qcm11+-0"3襯底電阻率ps4.0X10—3Q.cm激射頻率V3.482xl014Qs-1普朗克常數(shù)h6.626x1(T34J-s玻耳茲曼常數(shù)1.3806xl(T23J/K自發(fā)發(fā)射內(nèi)部量子效率n10.5受激發(fā)射內(nèi)部量子效率30.9反向電流密度31.6021x10-19C基本電荷e1.6021xl(T19C電子靜止質(zhì)量m09.1091xl0'31kgGaAs折射率3.655AlAs折射率3.178初始溫度Tr300K自發(fā)發(fā)射逃逸因子fsp0.667特征溫度To140K圖9為不同橫向限制下的閾值電流曲線，表明其大小為2微米附近閾值最低，由于通過導(dǎo)線和電極焊點(diǎn)部分會(huì)從本征層會(huì)泄漏一些電流，因此上表面本征層電流孔和下表面電極適當(dāng)小一點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)成12微米。根據(jù)圖10可以看出光場(chǎng)半徑在6微米左右，同時(shí)兼顧限制電流作用，因此上表面金屬反射鏡的半徑設(shè)計(jì)為4~8微米，其有源區(qū)內(nèi)電流密度分布如圖ll所示，可以達(dá)到限制電流作用。常見垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)制造過程(JournalofVacuumScienceandTechnologyB(1999，17(6):32223225;IEEEJournalofQuantumElec加nics(2003，39(1):109-119)和ProceedingsofSPIE(2002，4942:182-193):半導(dǎo)體襯底上使用MBE(分子束外延)或MOCVD(金屬氧化物氣相淀積)生長(zhǎng)n型布拉格反射鏡，量子阱有源區(qū)和p型布拉格反射鏡后，通過質(zhì)子轟擊或分別氧化形成橫向電流限制(圖5，6)，然后使用淀積和光刻在上表面制造出圓孔電極及整個(gè)下表面電極(圖7，8)，最后器件封裝。本發(fā)明中在生長(zhǎng)n型布拉格發(fā)射鏡、量子阱有源區(qū)、p型布拉格反射鏡與常規(guī)方法相同，但在增加了非摻雜本征高阻層，在此層刻出電流孔徑，生長(zhǎng)后要在器件上表面和下表面鍍金屬反射膜，并刻蝕上下不對(duì)稱的圓形反射鏡、導(dǎo)線、電極的接觸層，最后淀積上下電極。本發(fā)明的非摻雜的本征高阻區(qū)電流孔的半徑1~2微米，上下表面的導(dǎo)線及電極的投影要在一條直線上，但被器件中心點(diǎn)左右分開，但形狀不對(duì)稱，即上面圓形金屬反射鏡半徑4~8微米，襯底下表面圓形金屬膜半徑1~2微米，厚度在納米量級(jí)，導(dǎo)線在滿足電阻值下盡量細(xì)。以III-V族GaAs-AlGaAs型垂直腔面發(fā)射激光器為例，通過下面的工藝過程實(shí)現(xiàn)刻蝕金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器,其它材料的垂直腔面發(fā)射激光器除了使用半導(dǎo)體材料不同外制造過程相同。在半導(dǎo)體襯底上使用MOCVD，溫度為500'C80(TC(選用60(TC)依次地生長(zhǎng)n型布拉格反射鏡，量子阱有源區(qū)、p型布拉格反射鏡、p+型接觸層和非摻雜本征GaAlAs高阻層。其中襯底為GaAs，n型和p型分別用摻雜Si和Zn的GaAs-AlGaAs實(shí)現(xiàn)，量子阱為GaAs，勢(shì)壘層為AlGaAs材料。非摻雜GaAlAs本征高阻層中通過光刻方法刻出圓形孔。400℃下鍍薄的金屬膜p+型接觸層使用Pt-Ti-Au金屬膜、n-型襯底上使用Au-Ge-Ni金屬膜。通過離子束刻蝕上、下金屬膜形成圓形金屬膜、導(dǎo)線和電極接觸層。芯片劃成若個(gè)激光器單元，形成單個(gè)激光器管芯，或者成二維面陣(例如20X20)。按通常方法進(jìn)行器件封裝。材料生長(zhǎng)過程中生長(zhǎng)設(shè)備可以嚴(yán)格控制生長(zhǎng)厚度，使用普通的半導(dǎo)體激光器特性測(cè)試儀可以對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試。本發(fā)明在器件的上表面非摻雜本征高阻區(qū)圓形孔半徑1~2微米的絕緣層限制了空穴流，上表面生長(zhǎng)半徑為4~8微米金屬反射鏡增加了反射率的同時(shí)一定程度上限制了電流區(qū)域，但厚度滿足激光透射要求。另一方面，襯底下表面圓形金屬膜半徑12微米，對(duì)電流和光波又一次限制作用，因此使用刻蝕本征高阻區(qū)及反射鏡實(shí)現(xiàn)限制電流和增加光反射率的功效。相比質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器，本發(fā)明避免了質(zhì)子轟擊過程，并且質(zhì)子轟擊會(huì)產(chǎn)生經(jīng)過損傷，增加材料的吸收，不利于降低激光器的閾值。相比分別氧化垂直腔面發(fā)射激光器，半徑1微米時(shí)氧化中很難精確地控制，工藝重復(fù)性差，而本發(fā)明使用光刻工藝，現(xiàn)在刻蝕技術(shù)已經(jīng)達(dá)到0.1微米，因此能夠精確地刻蝕小的金屬膜，工藝重復(fù)性好，可以形成工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明使用頂層非摻雜本征層為限制空穴層，相比采用在用MBE生長(zhǎng)芯片后，如果使用常規(guī)工藝低溫淀積電阻率較大Si02成為電流阻擋層，絕緣性材料需要在其它設(shè)備中再次生長(zhǎng)的工藝，本發(fā)明非摻雜本征半導(dǎo)體材料可以通過MBE或MOCVD與量子阱布拉格反射鏡等一次完成，減少了生長(zhǎng)Si02層工藝過程。本發(fā)明利用了在p型布拉格反射鏡上面引入金屬膜提高反射率，同時(shí)也估計(jì)到單獨(dú)金屬膜反射率的上限，因此使用布拉格反射鏡與金屬膜結(jié)合才能滿足垂直腔面發(fā)射激光器頂端反射率的要求。在襯底表面沒有使用非摻雜高阻半導(dǎo)體刻蝕孔徑限制電流，而是通過上下刻蝕金屬膜圖形有限大小、投影兩邊分開的結(jié)構(gòu)，可以避免二次外延，原因在于MBE或MOCVD無法同時(shí)在襯底兩個(gè)面淀積材料,必須將芯片重新放置，因此本發(fā)明再次節(jié)省了工藝過程。按照附圖簡(jiǎn)要的說明本發(fā)明的工作原理。上電極注入的空穴通過刻蝕的孔徑流經(jīng)p型布拉格反射鏡，到達(dá)有源區(qū)與從下電極經(jīng)過襯底和n型布拉格反射鏡的電子進(jìn)行復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射光子和受激發(fā)射的光子，空穴流受到刻蝕非摻雜本征層圓形電流孔徑的限制，電子流分別受到圓形金屬膜的限制，在導(dǎo)線和電極中流入空穴和電子必然在靠近中心軸區(qū)域下復(fù)合，于是提高了復(fù)合效率。光子經(jīng)過上面p型布拉格反射鏡和金屬反射鏡的反射，回到有源區(qū)得到放大，傳播到n型布拉格反射鏡反射，再回到有源區(qū)。當(dāng)有源區(qū)中的光增益可以彌補(bǔ)光在傳播過程中輸出、反射鏡面和材料的損耗時(shí)，激光器達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。上表面刻蝕的金屬反射鏡起到增加反射率，上面刻蝕非摻雜本征層限制注入電流，襯底表面圓形金屬膜限制了電子注入?yún)^(qū)域，電極在器件軸心左右分布減少了弱光場(chǎng)區(qū)域的復(fù)合，提高了耦合效率。權(quán)利要求1、一種刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器，包括上、下分布的布拉格反射鏡，高阻層，勢(shì)壘層，電極，襯底，量子阱有源區(qū)及空間層，其特征在于上表面有刻蝕的圓形金屬反射膜(1)、刻蝕的金屬膜導(dǎo)線(2)以及刻蝕的金屬膜與上電極的接觸層和上電極(3)；上電極的接觸層和上電極(3)下方依次為刻蝕圓孔的非摻雜本征高阻層(4)、p+型接觸層(5)，p型布拉格反射鏡(6)、量子阱有源區(qū)及空間層(7)、n型布拉格反射鏡(8)、過渡層及襯底(9)；在襯底(9)的下表面刻蝕的圓形金屬反射膜(10)、下表面刻蝕的金屬膜導(dǎo)線(11)、下表面電極(12)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于所述的上表面的圓形金屬反射膜(1)的半徑為48微米。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于所述的非摻雜本征高阻層(4)的圓孔半徑為1~2微米。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于所述的襯底下表面刻蝕的圓形金屬反射膜(10)的半徑為1~2微米。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于上表面刻蝕的導(dǎo)線、電極接觸層與下表面刻蝕的導(dǎo)線、電極接觸層位置投影左右分開，成非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于它包括以下步驟1)在半導(dǎo)體襯底上使用MBE或MOCVD，溫度為50(TC-80(TC依次地生長(zhǎng)n型布拉格反射鏡、量子阱有源區(qū)、p型布拉格反射鏡、p+型接觸層和非摻雜本征高阻層；2)非摻雜A1AS本征高阻層中通過光刻方法刻出圓形孔；3)40(TC鍍薄的金屬膜p+型接觸層使用Pt-Ti-Au金屬膜、n+型襯底上使用Au-Ge-Ni金屬膜；4)通過離子束刻蝕上、下金屬膜形成圓形金屬膜、導(dǎo)線和電極接觸層；5)芯片劃成單個(gè)激光器單元，形成單個(gè)激光器管芯，或成二維面陣；6)器件封裝。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于所述的襯底是GaAs。全文摘要本發(fā)明涉及一種刻蝕頂端非摻雜本征層非對(duì)稱金屬膜垂直腔面發(fā)射激光器和制備方法。它包括布拉格反射鏡，高阻層，電極，襯底，量子阱有源區(qū)。上表面刻蝕的圓形金屬反射膜、金屬膜導(dǎo)線以及金屬膜與上電極的接觸層和上電極；在襯底的下表面有圓形金屬反射膜、下表面金屬膜導(dǎo)線、下表面電極。本發(fā)明引入非摻雜的本征層中刻出電流孔徑，結(jié)合上表面與襯底表面刻蝕金屬膜非對(duì)稱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電流和光場(chǎng)限制，發(fā)揮了金屬膜的電極和反射鏡功效，簡(jiǎn)化垂直腔面發(fā)射激光器列陣集成化工藝，并且降低了分布布拉格反射鏡的對(duì)數(shù)，限制電流擴(kuò)散區(qū)域，提高注入電流的光電耦合效率，本征高阻層和芯片一次生長(zhǎng)完成，避免質(zhì)子轟擊或分別氧化工藝，有利于集成化。文檔編號(hào)H01S5/00GK101202420SQ20071005652公開日2008年6月18日申請(qǐng)日期2007年1月23日優(yōu)先權(quán)日2007年1月23日發(fā)明者平何,梅孫,康志龍,張效瑋,田紅麗,趙紅東,韓力英申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)