CN106936068A - 一种集成激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成激光器，包括光电探测器和面发射激光器，所述光电探测器与所述面发射激光器共用一衬底。本发明还提供这种集成激光器的制备方法，用于将光电探测器和面发射激光器集成为一体。本发明将面发射激光器与光电探测器通过半导体制造工艺方法实现单片集成，有利于实现探测系统的微型化，提高了器件的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，具体涉及一种集成光电探测器的面发射激光器及其制备方法。
背景技术
面发射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)是一种出光方向垂直于衬底的新型半导体激光器。VCSEL的基本结构有三部分组成：具有高反射率的上DBR(distributed Bragg reflector，分布式布拉格反射镜)，核心部分的有源区，以及具有更高反射率的下DBR。这三部分组成的谐振腔决定着激光的发射。VCSEL具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等有点，广泛应用于光通信、光互联、光存储等领域。
半导体光电探测器的原理是入射光的光子与半导体材料相互作用，产生电子空穴对和光生载流子，并对半导体材料的电学性能产生影响，进而达到光探测的目的。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
由于目前大部分激光发射与探测使用的是分立器件装置，或者是混合集成器件，无法真正实现系统的小型化、集成化。因此，需要一种能够将激光器与探测器集成一体的集成型器件，来提高探测设备的集成度，降低器件的体积，提高器件性能的稳定性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种集成光电探测器和面发射激光器的新型激光器，这种集成激光器，包括光电探测器和面发射激光器，所述光电探测器与所述面发射激光器共用一衬底。
进一步地，所述光电探测器的入光面与所述面发射激光器的出光部分位于所述衬底同一侧。
进一步地，所述光电探测器从下至上依次包括：衬底、第一下接触层、第 一底电极、第一下布拉格反射镜、第一下限制层、第一有源区、第一上限制层、第一氧化限制层、第一上布拉格反射镜；以及位于所述光电探测器非受光部分上的第一上接触层和设于所述第一上接触层表面的第一顶电极；
所述面发射激光器从下至上依次包括：衬底、第二下接触层、第二底电极、第二下布拉格反射镜、第二下限制层、第二有源区、第二上限制层、第二氧化限制层、第二上布拉格反射镜、位于所述面发射激光器的非出光部分上第二上接触层；还包括第二隔离槽，自所述第二上接触层表面往下延至所述第二氧化限制层；以及，在所述第二上接触层上方、对应于所述非出光部分设置的第二顶电极；以及，对应设于所述面发射激光器出光部分、设置于所述第二上布拉格反射镜上的第二介质布拉格反射镜；
所述衬底上开设有第一隔离槽使得所述光电探测器与所述面发射激光器自所述衬底上隔离，所述第一隔离槽、第二隔离槽表面覆设有钝化层。
进一步地，所述第一顶电极为栅状或环形电极。
进一步地，第二顶电极为环形电极。
本发明还提供一种集成激光器的制备方法，用于将光电探测器和面发射激光器集成为一体，包括步骤：
从下至上依次生长衬底、下接触层、下布拉格反射镜、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上布拉格反射镜、上接触层，形成外延结构；
在所述外延结构上形成第二隔离槽，所述第二隔离槽自所述上接触层表面往下延至所述氧化限制层；在所述外延结构上形成第一隔离槽，所述第一隔离槽至所述上接触层表面往下延伸贯穿到达所述下接触层；
在所述下接触层上制备第一底电极、第二底电极；
在所述第一隔离槽、第二隔离槽表面的制备钝化层；
去除与所述光电探测器受光部分、所述面发射激光器出光部分对应的接触层；并在所述出光部分对应的上布拉格反射镜上形成介质布拉格反射镜；
在所述上接触层上方设置顶电极后获得所述集成激光器。
进一步地，所述第一顶电极为栅状或环形电极。
进一步地，第二顶电极为环形电极。
进一步地，所述外延结构是采用金属有机化合物化学气相沉淀技术或分子束外延生长技术获得的。
进一步地，所述第一氧化限制层、第二氧化限制层均形成有氧化电流限制孔。
本发明的有益效果：本发明将面发射激光器与光电探测器通过半导体制造工艺方法实现单片集成，有利于实现探测系统的微型化，提高了器件的集成度，减小了器件的尺寸、制作成本以及微型化系统封装的难度；由于探测激光的发射与接收是一体化的，排除了其它器件可能因连接问题所产生的误差，增强了器件的可靠度，降低了器件的功耗；同时一体化也可排除许多环境因素所带来的影响，提高探测系统的精确度。
附图说明
图1为本发明的实施例的集成激光器的结构示意图。
图2为本发明的实施例的集成激光器的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的实施例及其附图进行详细描述。但是，显然可对本发明进行不同的变型和改型而不超出后附权利要求限定的本发明更宽的精神和范围。因此，以下实施例具有例示性的而没有限制的含义。本具体实施方式中，第一与第二底电极制备在下布拉格反射镜上。
图1是根据本发明的实施例的集成光电探测器俯视图。
参照图1所示，这种集成了光电探测器和面发射激光器功能的集成激光器，其结构中实际包括了共用一衬底的光电探测器与所述面发射激光器。所述光电探测器的入光面与所述面发射激光器的出光部分位于所述衬底同一侧。
具体地，本实施例的集成激光器中，其光电探测器A从下至上依次包括：衬底01、第一下接触层02、第一底电极15、第一下DBR 03、第一下限制层04、第一有源区05、第一上限制层06、第一氧化限制层07、及位于所述光电探测器A非受光部分A1上的第一上接触层09和设于所述第一上接触层09表面的第一顶电极14.
所述面发射激光器B从下至上依次包括：衬底01、第二下接触层02、第二 底电极16、第二下DBR 03、第二下限制层04、第二有源区05、第二上限制层06、第二氧化限制层07、第二上DBR 08，位于所述面发射激光器B的非出光部分B1上第二上接触层09。所述面发射激光器B还包括第二隔离槽122，第二隔离槽122自所述第二上接触层09表面往下延至所述第二氧化限制层07；以及，在所述第二上接触层09上方、对应于所述非出光部分B1设置的第二顶电极10；以及，对应设于所述面发射激光器B出光部分B1、设置于所述第二上DBR 08上的第二介质DBR 11。
由图1可以看出，所述衬底01上开设有第一隔离槽121使得所述光电探测器A与所述面发射激光器B自所述衬底上隔离。所述第一隔离槽121、第二隔离槽122表面均覆设有钝化层13。
实际上，分别属于所述光电探测器A、所述面发射激光器B中的第一下接触层和第二下接触层、第一底电极和第二底电极、第一下DBR和第二下DBR、第一下限制层和第二下限制层、第一有源区和第二有源区、第一上限制层第二上限制层、第一氧化限制层和第二氧化限制层、第上DBR和第二上DBR、第一上接触层和第二上接触层，等相互对应的器件层是来自同一外延结构上一体生长的，当所述第一隔离121在外延结构形成后才划分出分别用于实现所述光电探测器A、所述面发射激光器B功能的器件层；同时，通过第一隔离121和钝化层13进行不同器件层的隔离，避免分别实现所述面发射激光器、所述光电探测器的部件之间有所影响。
本实施例还提供一种集成光电探测器的制备方法。
所述集成光电探测器是采用半导体制造工艺的方法实现依次单片集成，所述光电探测器结构材料和所述面发射激光器结构材料是一次外延得到。
参照图2，首先，在步骤S10中，采用金属有机化合物化学气相沉淀技术或分子束外延生长技术在所述衬底01上依次生长下接触层02、下DBR 03(其材质例如(Al)GaAs/(Al)GaAs DBRs)、下限制层04(其材质例如(Al)GaAs)、有源区05(其材质例如GaAs量子阱)、上限制层06(其材质例如(Al)GaAs)、氧化限制层07(其材质例如AlAs)、上DBR 08(其材质例如(Al)GaAs/(Al)GaAs DBRs)、上接触层09(材质例如为金属)，完成器件外延结构的生长。
完成器件外延结构生长后，进入步骤S20，采用反应耦合等离子体刻蚀工艺或反应离子刻蚀工艺在外延结构表面进行第一隔离槽121、第二隔离槽122的制备。第一隔离槽121制备完成后初步划分出分别用于构成光电探测器A、面发 射激光器B的功能器件区域，即此时下接触层、下DBR、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上DBR、上接触层分别划分为：第一下接触层和第二下接触层、第一底电极和第二底电极、第一下DBR和第二下DBR、第一下限制层和第二下限制层、第一有源区和第二有源区、第一上限制层第二上限制层、第一氧化限制层和第二氧化限制层、第上DBR和第二上DBR、第一上接触层和第二上接触层。
再采用湿法氧化或湿法腐蚀的方法在氧化限制层07形成所需氧化电流限制孔(图中未示出)。
然后进入步骤S30，采用电子束蒸发和剥离工艺，在下接触层02表面制备第一底电极16和第二底电极15。此时，第一底电极、第二底电极分别用于构成光电探测器A、面发射激光器B。
进入步骤S40，在第一隔离槽121、第二隔离槽122上分别进行非导电钝化层13的制备。
完成钝化层13的制备后，在步骤S50中，采用电子束蒸发工艺分别在第一上接触层、第二上接触层表面避开预设的受光部分A、出光部分B分别形成第一顶电极和第二顶电极。
然后在步骤S60中，采用选择腐蚀方法，移除除了第一顶电极和第二顶电极遮蔽部分外的第一上接触层、第二上接触层，露出部分第一上DBR层和部分第二上DBR层，该露出的上DBR作为器件的出光部分或受光部分。
再进入步骤S70中，采用PECVD或ALD等镀膜设备，在露出的第二上DBR层上进行介质DBR 11的制备。
最后，在步骤S80中，进行芯片解理封装形成目标器件。
尽管以上已经对本发明的各种优选实施方式和特征进行了描述，但在不脱离本发明的目的和宗旨的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明做出许多变化、补充、改变和删减。以上结合本发明的具体实施例做的详细描述，并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种集成激光器，包括光电探测器和面发射激光器，其特征在于，所述光电探测器与所述面发射激光器共用一衬底和外延结构。
2.根据权利要求1所述集成激光器，其特征在于，所述外延结构从下至上依次包括下接触层、下布拉格反射镜、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上布拉格反射镜、上接触层。
3.根据权利要求1所述集成激光器，其特征在于，所述光电探测器从下至上依次包括：所述衬底、第一下接触层、第一底电极、第一下布拉格反射镜、第一下限制层、第一有源区、第一上限制层、第一氧化限制层、第一上布拉格反射镜；以及位于所述光电探测器非受光部分上的第一上接触层和设于所述第一上接触层表面的第一顶电极；
所述面发射激光器从下至上依次包括：衬底、第二下接触层、第二底电极、第二下布拉格反射镜、第二下限制层、第二有源区、第二上限制层、第二氧化限制层、第二上布拉格反射镜、位于所述面发射激光器的非出光部分上第二上接触层；还包括第二隔离槽，自所述第二上接触层表面往下延至所述第二氧化限制层；以及，在所述第二上接触层上方、对应于所述非出光部分设置的第二顶电极；以及，对应设于所述面发射激光器出光部分、设置于所述第二上布拉格反射镜上的第二介质布拉格反射镜；
所述衬底上开设有第一隔离槽使得所述光电探测器与所述面发射激光器自所述衬底上隔离，所述第一隔离槽、第二隔离槽表面覆设有钝化层。
4.根据权利要求3所述集成激光器，其特征在于，所述第一顶电极为栅状或环形电极。
5.根据权利要求3所述集成激光器，其特征在于，第二顶电极为环形电极。
6.一种集成激光器的制备方法，用于将光电探测器和面发射激光器集成为一体，其特征在于，包括步骤：
从下至上依次生长衬底、下接触层、下布拉格反射镜、下限制层、有源区、上限制层、氧化限制层、上布拉格反射镜、上接触层，形成外延结构；
在所述外延结构上形成第二隔离槽，所述第二隔离槽自所述上接触层表面往下延至所述氧化限制层；在所述外延结构上形成第一隔离槽，所述第一隔离槽至所述上接触层表面往下延伸贯穿到达所述下接触层；
在所述下接触层上制备第一底电极、第二底电极；
在所述第一隔离槽、第二隔离槽表面的制备钝化层；
去除与所述光电探测器受光部分、所述面发射激光器出光部分对应的接触层；并在所述出光部分对应的上布拉格反射镜上形成介质布拉格反射镜；
在所述上接触层上方设置顶电极后获得所述集成激光器。
7.根据权利要求6所述集成激光器的制备方法，其特征在于，所述第一顶电极为栅状或环形电极。
8.根据权利要求6所述集成激光器的制备方法，其特征在于，第二顶电极为环形电极。
9.根据权利要求6所述集成激光器的制备方法，其特征在于，所述外延结构是采用金属有机化合物化学气相沉淀技术或分子束外延生长技术获得的。
10.根据权利要求6所述集成激光器的制备方法，其特征在于，所述第一氧化限制层、第二氧化限制层均形成有氧化电流限制孔。
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