TWI830329B - 調變高速面射型雷射結構串聯阻值以改善歐姆接觸之製程方法及其製成結構 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種調變高速面射型雷射結構串聯阻值以改善歐姆接觸之製程方法及其製成結構，其於磊晶形成一半導體結構：由下而上堆疊有一基板、一下DBR層、一共振腔體及一上DBR層，且該下DBR層設有32～40個雙層堆疊對，之後，設置n型重摻雜之一停止層並依據一預設阻值選定該停止層之一設置位置，其位於該下DBR層上方鄰接處或該下DBR層區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層之部分，以透過該停止層之該設置位置而調控該串聯阻值大小；於該半導體結構一側設置一歐姆接觸區，並對應該歐姆接觸區位置由上而下蝕刻至該停止層；及設置一歐姆接觸層於該停止層上。
Description
本發明涉及一種VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,面射型雷射)元件之製程技術領域，特別涉及一種調變高速面射型雷射結構串聯阻值以改善歐姆接觸之製程方法及其製成結構。
VCSEL元件泛屬LD(Laser Diode，半導體雷射)元件的一種，其結構由下而上一般係依序包含有一基板、一下DBR(Distributed Bragg Reflector,分佈式布拉格反射鏡)層、一共振腔體、一上DBR層及一組正負極歐姆接觸層，以利用高反射率之DBR產生共振腔而使雷射光由晶粒表面垂直發射出來。只是，高反射率之DBR是用兩種不同折射率的材料交互堆疊而成，除有反射率分布曲線尖銳的問題外，亦有因晶體介面上明顯能隙差異而造成串聯電阻過大的情況存在。而，為因應高速數據傳輸的市場需求，習知製程技術係相應調整該組正負極歐姆接觸層的設置結構，以使該負極歐姆接觸層設置於該基板上方鄰接處或該下DBR層上方鄰接處等兩種位置，而實現調整整體元件電流路徑所對應之元件串聯電阻阻值的效果。
由此可知，習知製程技術中，為設置該負極歐姆接觸層係需先蝕刻掉該上DBR層、該共振腔體及甚至該下DBR層，但於蝕刻製程中卻常有蝕刻深度無法精準控制及批次蝕刻時深度差異無法再現的問題存在，即使使用監控系統來控制蝕刻停止時點，也會因反應腔內存留有蝕刻氣體或蝕刻溶液而造成
過蝕的情況，進而致使元件串聯阻值存在有高誤差值的詬病。如此，對於現今不斷追求高速及高流量傳輸的互聯網運作模式而言，不穩定的元件品質將可能造成整體互聯網系統的訊息調制效率及傳輸速度受限制，實不利於產業發展的進程。
有感於此，如何改善製程方法來降低VCSEL元件的串聯電阻誤差問題，藉以改善上述習知技術之缺失的同時，更進一步得以依據元件規格需求任意調整該負極歐姆接觸層之設置位置而實現客製化調控串聯阻值大小的效果，即為本發明所欲探究之課題。
本發明之主要目的在於提供一種改善VCSEL元件歐姆接觸穩定性之製程方法，以透過蝕刻停止層的應用而改善蝕刻製程中過蝕問題，據此達精確掌控負極歐姆接觸層於元件中設置位置而實現高穩定元件品質的效益。
為實現上述目的，本發明係揭露一種調變高速面射型雷射結構串聯阻值以改善歐姆接觸之製程方法，其包含下列步驟：磊晶形成一半導體結構，其由下而上堆疊有一基板、一下DBR層、一共振腔體及一上DBR層，且該下DBR層設有32~40個雙層堆疊對；設置n型重摻雜之一停止層，並依據一預設阻值選定該停止層之一設置位置，其中該設置位置位於該下DBR層上方鄰接處或該下DBR層區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層之部分，以透過該停止層之該設置位置而調控該串聯阻值大小；其中，各該雙層堆疊對係分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而設置該停止層時，該等雙層堆疊對之其中一對係由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，且X為0.56~0.71；於該半導體結構一側設置一歐姆接觸區，並對應該歐姆接觸區位置由上而下蝕刻至該停止層；及設置一歐姆接觸層於該停止層上。
其中，該停止層係採用InP、InGaP、GaAsP或AlGaAsP之含磷材料，以降低蝕刻速率而提升該歐姆接觸層的設置位置精準性，進而確保該串聯阻值大小的精確性。於該半導體結構一側設置一歐姆接觸區，並對應該歐姆接觸區位置由上而下蝕刻該上DBR層及該共振腔體至該停止層步驟中，係先利用乾蝕刻法蝕刻該上DBR層及該共振腔體至鄰近該停止層上方處後，再利用濕蝕刻法蝕刻剩餘部位至該停止層。利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用NH4OH：H2O2蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用配方比例1：10的NH4OH：H2O2蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻採用InGaAsP材料之該停止層時，係使用HCL：H3PO4蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻採用InP或InGaP材料之該停止層時，係使用H3PO4：H2O2：H2O蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻採用InP材料之該停止層時，係使用H2SO4：H2O2：H2O蝕刻液或C6H8O7：H2O2蝕刻液。
並且，本發明之次一目的係揭示一種利用上述製程方法製作而成的高速面射型雷射(VCSEL)結構。
綜上所述，本發明係利用含磷材料之該停止層搭配相應的蝕刻溶液來實現減緩磊晶層的蝕刻速率，而解決該上DBR層、該共振腔體及甚或該下DBR層於蝕刻製程中過蝕的問題，據此以精確掌控該歐姆接觸層之該設置位置而達提升整體VCSEL結構品質穩定性的功效。並且，本發明係依據該預設阻值選定該停止層之該設置位置，係可使該VCSEL結構具客製化的串聯阻值而便利後續應用系統的配置，進而提升產品實用效益而滿足市場應用需求。順帶一提的是，該停止層置入該下DBR層時，若使用In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構取代原先Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As結構之一該雙層堆疊對時，可能有載子濃度差△n變小而影響此層堆疊對反射率的疑慮，然，因本發明係使該下DBR設置有32~
40個雙層堆疊對，故對整體該下DBR層而言仍可維持>99%的反射率，亦即不影響整體元件的發光效率。
S10~S13:步驟
S20~S24:步驟
1:高速面射型雷射結構
10:半導體結構
100:基板
101:下DBR層
1010:雙層堆疊對
102:共振腔體
1020:下批覆層
1021:主動層
1022:上批覆層
1023:氧化層
1024:上隔離層
103:上DBR層
104:停止層
105:歐姆接觸層
106:正極金屬接觸層
11:歐姆接觸區
第1圖，為本發明一較佳實施例之流程圖。
第2圖，為本發明一較佳實施例之結構示意圖。
第3圖，為本發明二較佳實施例之流程圖。
第4圖，為本發明二較佳實施例之流程示意圖。
第5圖，為本發明二較佳實施例之結構態樣示意圖。
為使本領域具有通常知識者能清楚了解本新型之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第1、2圖，其係分別為本發明一較佳實施例之流程圖及結構示意圖。如圖所示，該調變高速面射型雷射結構串聯阻值以改善歐姆接觸之製程方法係包含下列步驟：步驟S10，磊晶形成一半導體結構，其由下而上至少堆疊有一基板100、一下DBR層101、一共振腔體102及一上DBR層103，且該下DBR層101設有32~40個雙層堆疊1010；步驟S11，設置n型重摻雜之一停止層104，並依據一預設阻值選定該停止層104之一設置位置，其中該設置位置位於該下DBR層101上方鄰接處或該下DBR層101區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層101之部分，以透過該停止層104之該設置位置而調控該串聯阻值大小；步驟S12，於該半導體結構一側設置一歐姆接觸區，並對應該歐姆接觸區位置由
上而下蝕刻至該停止層104；及步驟S13，設置一歐姆接觸層105於該停止層104上。
由此可知，利用該製程方法製作而成之一高速面射型雷射結構1由下而上至少設有該基板100、該下DBR層101、該停止層104、該共振腔體102及該上DBR層103，且於該高速面射型雷射結構1一側之該停止層104上方係設有該歐姆接觸層105。其中，該停止層104可置於該下DBR層101上方鄰接處或置於該下DBR層101區域中任一深度位置處，將可提升該歐姆接觸層105設置位置之寬廣度及精準度，進而使該串聯阻值隨之呈現穩定可調變的阻值狀態，以提升該高速面射型雷射結構1的整體元件應用適應性。
請參閱第3、4圖，其係分別為本發明二較佳實施例之流程圖及流程示意圖。如圖所示，該高速面射型雷射結構1之一半導體結構10一般係包含有一基板100、一下DBR層101、一共振腔體102及一上DBR層103，據此，為調變該高速面射型雷射結構1串聯阻值以改善歐姆接觸之該製程方法可包含下列步驟：步驟S20，依據一預設阻值，選定n型重摻雜之一停止層104於該半導體結構10中之一設置位置而形成一設計結構，且該設置位置可位於該下DBR層101上方鄰接處或該下DBR層101區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層101之部分，以供決定後續製程中一歐姆接觸層105之設置位置；及步驟S21，依據上述設計結構，磊晶形成該半導體結構10，其由下而上至少堆疊有該基板100、該下DBR層101、該停止層104、該共振腔體102及該上DBR層103，且該共振腔體102一般由下而上可至少設有一下批覆層、一主動層、一上批覆層、一氧化層及一上隔離層。該下DBR層101設有32~40個雙層堆疊1010，各該雙層堆疊對1010可分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而該停止層104係採用InP、InGaP、GaAsP
或AlGaAsP之含磷材料製成，故設置該停止層104時，該等雙層堆疊對1010之其中一對可由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，以於不明顯影響該下DBR層101整體反射率的前提下減緩後續蝕刻製程中蝕刻速率，其中，X為0.56~0.71。
步驟S22，於該半導體結構10一側設置一歐姆接觸區11，並對應該歐姆接觸區位置11利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層103及該共振腔體102至鄰近該停止層104上方處後，步驟S23，利用如配方比例1：10的NH4OH：H2O2之蝕刻液濕蝕刻剩餘的垂直結構部位至該停止層104。於本實施例中，當該停止層104採用InGaAsP材料時，更可使用HCL：H3PO4蝕刻液進行濕蝕刻；該停止層104採用InP或InGaP材料時，更可使用H3PO4：H2O2：H2O蝕刻液進行濕蝕刻；該停止層104採用InP材料時，更可使用H2SO4：H2O2：H2O蝕刻液或C6H8O7：H2O2蝕刻液進行濕蝕刻。
接著，設置一正極金屬接觸層106於該上DBR層103上的同時，步驟S24，設置一歐姆接觸層105於該停止層104上，據此，因採用含磷材料之該停止層104減緩了蝕刻速率，故可避免蝕刻製程中該下DBR層101的過蝕問題而提升該歐姆接觸層105的設置位置精準性，進而達確保由該正極金屬接觸層106至該歐姆接觸層105之元件電流路徑所對應之該串聯阻值之精確性的功效。承上所述，利用該製程方法製作而成之該高速面射型雷射結構1之元件串聯電阻阻值(R)在不計電容值的前提下，可如圖5中(a)、(b)、(c)三種結構態樣所示分別為R=R1+R2、R=R1+R3+R2或R=R1+R4+R2等，其中R4>R3，因此(c)態樣中串聯電阻阻值>(b)>(a)。據此，透過該停止層104之該設置位置的深度調整，係隨之調控該串聯阻值大小，故使該高速面射型雷射結構1可具有調變串聯阻值的特色而適應市場需求。
惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
S10~S13:步驟
Claims (9)
- 一種調變高速面射型雷射結構串聯阻值以改善歐姆接觸之製程方法，係包含下列步驟：磊晶形成一半導體結構，其由下而上堆疊有一基板、一下DBR層、一共振腔體及一上DBR層，且該下DBR層設有32~40個雙層堆疊對；設置n型重摻雜之一停止層，並依據一預設阻值選定該停止層之一設置位置，其中該設置位置位於該下DBR層上方鄰接處或該下DBR層區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層之部分，以透過該停止層之該設置位置而調控該串聯阻值大小；其中，各該雙層堆疊對係分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而設置該停止層時，該等雙層堆疊對之其中一對係由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，且X為0.56~0.71；於該半導體結構一側設置一歐姆接觸區，並對應該歐姆接觸區位置由上而下蝕刻至該停止層；及設置一歐姆接觸層於該停止層上。
- 如請求項1所述之製程方法，其中，該停止層係採用InP、InGaP、GaAsP或AlGaAsP之含磷材料，以降低蝕刻速率而提升該歐姆接觸層的設置位置精準性，進而確保該串聯阻值大小的精確性。
- 如請求項2所述之製程方法，其中，於該半導體結構一側設置該歐姆接觸區，並對應該歐姆接觸區位置由上而下蝕刻該上DBR層及該共振腔體至該停止層步驟中，係先利用乾蝕刻法蝕刻該上DBR層及該共振腔體至鄰近該停止層上方處後，再利用濕蝕刻法蝕刻剩餘部位至該停止層。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用NH4OH：H2O2蝕刻液。
- 如請求項4所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用配方比例1：10的NH4OH：H2O2蝕刻液。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻採用InGaAsP材料之該停止層時，係使用HCL：H3PO4蝕刻液。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻採用InP或InGaP材料之該停止層時，係使用H3PO4：H2O2：H2O蝕刻液。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻採用InP材料之該停止層時，係使用H2SO4：H2O2：H2O蝕刻液或C6H8O7：H2O2蝕刻液。
- 一種利用如請求項1~8所述之製程方法製作而成的高速面射型雷射結構。
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