馮源，晏長嶺，郝永芹，王勇，蘆鵬，李洋，李再金

（長春理工大學(xué) 高功率半導(dǎo)體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

高功率垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感器、印刷等行業(yè)，特別是在軍事領(lǐng)域，采用VCSEL陣列器件泵浦固體激光器，具有廣闊的發(fā)展前景。近年來，高功率VCSEL的研制已經(jīng)成為國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在980nm高功率VCSEL研發(fā)的基礎(chǔ)上，高功率808nm波段VCSEL器件已經(jīng)成為眾多光電技術(shù)領(lǐng)域研究者關(guān)注的焦點(diǎn)［1-3］。為了提高高功率808nm波段VCSEL的光電性能，采用多環(huán)形大孔徑結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在制備工藝中采用濕法氧化工藝。由于GaAs襯底在該波段存在較嚴(yán)重的光吸收，采用N面出光結(jié)構(gòu)并不適合［4-6］，因此本文采取多環(huán)形大孔徑結(jié)構(gòu)來提高輸出功率。

在制備VCSEL器件過程中，為了實(shí)現(xiàn)良好的電光限制，濕法氧化工藝尤為重要［7-10］。在進(jìn)行濕法氧化工藝之前要對VCSEL芯片P面刻蝕出氧化窗口，一般采用濕法刻蝕實(shí)現(xiàn)高鋁氧化層的充分氧化［11-13］，提高器件的輸出功率和電光轉(zhuǎn)換效率［14］。芯片的刻蝕深度以超過氧化層達(dá)到有源區(qū)為宜，一般為5～6μm左右。以往刻蝕GaAs-AlGaAs材料體系VCSEL時(shí)，通常選用一定濃度配比的H2SO4-H2O2-H2O水溶液系列。由于H2SO4的強(qiáng)腐蝕性造成外延片內(nèi)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，在臺(tái)面?zhèn)缺谘趸瘜犹幊３３霈F(xiàn)所謂的“燕尾”結(jié)構(gòu)，如圖1所示。因?yàn)檫@種腐蝕液很難控制其腐蝕速率，因此，本實(shí)驗(yàn)中采用相對弱的H3PO4-H2O2-H2O進(jìn)行適當(dāng)濃度配比對芯片進(jìn)行刻蝕。實(shí)驗(yàn)證明，采用這種腐蝕液能夠達(dá)到工藝要求，消除“燕尾”結(jié)構(gòu)，減小甚至避免內(nèi)蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 VCSEL的“燕尾”結(jié)構(gòu)形貌圖

1 實(shí)驗(yàn)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為以下四步：

首先，采用磁控濺射設(shè)備對已經(jīng)清洗好的808nm波段VCSEL外延片生長200nm厚度SiO2膜鈍化層作為芯片保護(hù)層，然后對其進(jìn)行光刻處理；

其次，將光刻處理好圖形的外延片放入HF緩沖溶液中刻蝕15秒，去掉氧化窗口處的SiO2，清洗干凈后待濕法刻蝕；

再次，將已經(jīng)刻蝕掉SiO2的外延片放入H3PO4-H2O2-H2O混合溶液的密閉玻璃器皿中進(jìn)行腐蝕，在實(shí)驗(yàn)中，配備的混合液濃度比分別為1∶1∶6、1∶1∶8、1∶1∶10和1∶1∶12四種，腐蝕時(shí)間統(tǒng)一定為20分鐘，腐蝕環(huán)境為冰水混合物，腐蝕深度以達(dá)到有源區(qū)為宜；

最后，將刻蝕完的芯片分別放到掃描電鏡（SEM）下觀察刻蝕形貌，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析結(jié)論。

2 結(jié)果與分析

2.1 808nm VCSEL的濕法刻蝕形貌研究

實(shí)驗(yàn)中采用H3PO4-H2O2-H2O混合溶液，其反應(yīng)機(jī)理為：H3PO4是氧化劑，H2O2起絡(luò)合作用，H2O起緩沖作用。為了確定最佳的濃度配比，我們對四種濃度配比下的外延片刻蝕形貌進(jìn)行了研究。圖2為不同濃度配比溶液的808nm芯片SEM刻蝕形貌圖。

圖2 808nm芯片SEM刻蝕形貌圖

圖2（a）為腐蝕液濃度1∶1∶6的腐蝕液下的芯片掃描電鏡刻蝕形貌圖，從圖中可以看出，芯片表面刻蝕平整度不好，在芯片底面有凹凸不平的現(xiàn)象，局部放大后在氧化層處有側(cè)蝕現(xiàn)象，無“燕尾”結(jié)構(gòu)，該濃度腐蝕液不適宜808nm VCSEL器件的刻蝕。

圖2（b）為腐蝕液濃度1∶1∶8的芯片掃描電鏡刻蝕形貌圖，從圖中可以看出，芯片表面刻蝕平整度較好，但是對其局部放大可以觀察到在有源區(qū)高鋁氧化層處發(fā)生嚴(yán)重的橫向鉆蝕現(xiàn)象，但是沒有發(fā)現(xiàn)“燕尾”結(jié)構(gòu)。這說明該腐蝕液濃度有些偏高，與氧化層處的Al接觸后發(fā)生劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致橫向鉆蝕的發(fā)生，嚴(yán)重影響了器件的輸出性能，所以該濃度配比不適合808nm VCSEL器件的刻蝕。

圖2（c）為腐蝕液濃度1∶1∶10的芯片掃描電鏡刻蝕形貌圖，從圖中可以看出，表面看芯片刻蝕平整度好，芯片底部沒有凹凸不平現(xiàn)象存在，同時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)“燕尾”結(jié)構(gòu)。說明該濃度配比適合808nm VCSEL芯片的刻蝕。

圖2（d）為腐蝕液濃度1∶1∶12的芯片掃描電鏡刻蝕形貌圖，從圖中可以看出，雖然沒有出現(xiàn)橫向鉆蝕現(xiàn)象，但是因?yàn)闈舛容^低使腐蝕速度減慢，延長了與上下DBR富鋁層的接觸時(shí)間發(fā)生充分反應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)了嚴(yán)重的“燕尾”結(jié)構(gòu)，這是濕法刻蝕不希望看到的。因此，該濃度配比也不適宜808nm VCSEL的刻蝕。

2.2 808nm VCSEL濕法腐蝕速率研究

對于制備808nm網(wǎng)狀電極結(jié)構(gòu)VCSEL，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)不僅中心有個(gè)大的出光孔，在同心圓的外圍處還均勻分布多個(gè)很小的弧形分布孔，這種新型微結(jié)構(gòu)要求在刻蝕工藝中嚴(yán)格控制腐蝕速率，腐蝕不到位或者腐蝕過深都會(huì)影響器件的正常激射，從而影響器件后序工藝的進(jìn)行。為了選擇最佳的腐蝕速率，保證臺(tái)面兩端腐蝕深度一致，且側(cè)面平整，無內(nèi)蝕、“燕尾”結(jié)構(gòu)和凹凸不平現(xiàn)象發(fā)生，研究分析了808nm VCSEL芯片腐蝕速率與H3PO4∶H2O2∶H2O濃度比的關(guān)系，以便達(dá)到良好的腐蝕效果。

圖3 不同濃度配比下腐蝕深度與時(shí)間的關(guān)系曲線

實(shí)驗(yàn)中分別用三種不同濃度配比的磷酸系腐蝕溶液對808nm芯片進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間選擇300s、600s、900s、1200s、1500s、1800s、2100s、2400s 8個(gè)時(shí)間段，腐蝕結(jié)束后在掃描電鏡下分別測出各個(gè)時(shí)間段的腐蝕深度，最后根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制出三種配比濃度下刻蝕深度與時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖中可以看出濃度為H3PO4∶H2O2∶H2O=1∶1∶10的腐蝕液下芯片腐蝕速率穩(wěn)定，且呈線性均勻變化，其他兩種濃度配比腐蝕速率不穩(wěn)定，時(shí)高時(shí)低，呈現(xiàn)不規(guī)則曲線變化，刻蝕速率不易控制，不可取。

2.3 808nm VCSEL最佳刻蝕條件

圖4 808nm VCSEL整體SEM形貌圖

根據(jù)上述對濕法刻蝕形貌及速率的分析，最終確定808nm VCSEL芯片的最佳刻蝕條件為：在冰水混合物環(huán)境下，采用H3PO4∶H2O2∶H2O=1∶1∶10腐蝕液將芯片腐蝕20分鐘，刻蝕速率為：3.5nm/s，刻蝕深度為4.2μm，正好達(dá)到有源區(qū)。圖4、圖5所示分別為808nm VCSEL的掃描電鏡整體形貌圖和臺(tái)階儀測得的內(nèi)部刻蝕形貌。從圖中可以看出每個(gè)均勻弧形分布孔刻蝕厚度及深度都很均勻，芯片側(cè)壁形如倒梯形的結(jié)構(gòu)，利于氧化窗口內(nèi)部蒸鍍鈍化層，防止漏電的發(fā)生。

圖5 808nm VCSEL內(nèi)部刻蝕全貌

圖6 808nm VCSEL的P-I-V特性曲線

對已經(jīng)刻蝕好的芯片進(jìn)行氧化等后續(xù)工藝研究，制備出光孔徑為300μm的808nm多環(huán)形電極VCSEL。圖6為器件的P-I-V特性曲線，從圖中可知多環(huán)形電極結(jié)構(gòu)VCSEL的微分電阻為0.3Ω，斜率效率為0.44W/A，其閾值電流為430mA，在驅(qū)動(dòng)電流1.3A時(shí)最大輸出功率達(dá)到0.42W。以上結(jié)果表明多環(huán)形電極結(jié)構(gòu)808nm高功率VCSEL器件具有良好的光電特性，采用H3PO4系腐蝕溶液進(jìn)行808nm VCSEL刻蝕能夠滿足該波段器件的工藝要求。

3 結(jié)論

本文對不同腐蝕液濃度配比下的808nm VCSEL外延片進(jìn)行濕法刻蝕實(shí)驗(yàn)，通過對刻蝕后外延片氧化窗口形貌圖和腐蝕速率的研究，確定最佳刻蝕條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用1∶1∶10濃度配比的H3PO4系腐蝕液對808nm外延片刻蝕20分鐘，刻蝕深度正好達(dá)到有源區(qū)，能夠保證氧化工藝的順利進(jìn)行，可有效提高器件的光電性能。

［1］Jung C，King R，Jager R，et al.64 channel flip-chip mounted selectivelyoxidized GaAsVCSEL array forparallelopticalinterconnects［C］.On Vertical Cavity Surface-emitting lasers Ⅲ SPIE，1999，3627：143-151.

［2］Yong Qinhao，Yan Luo，Yuan Feng，et al.Large aperture vertical cavity surface emitting laser with distributed-ringcontact［J］.AppliedOptics，2011，50（7）：1034-1037.

［3］Hao Y Q，Shang C Y，F(xiàn)eng Y，et al.High Power 808nm Vertical Cavity Surface Emitting Laser with Multi-Ring-Shaped-Aperture Structure［J］.Laser Physics，2011，21：376-378.

［4］Seurin J F，Xu G Y，Khalfin V，et al.Progress in high-power high-efficiency VCSEL arrays ［J］.SPIE，2009，7229：722903（1-11）.

［5］郝永芹，馮源，王菲，等.808nm大孔徑垂直腔面發(fā)射激光器研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2011，60（6）：1-4.

［6］Feng Yuan，Hou Lifeng，Hao Yongqin，et al.A VCSEL with a Reticular Multichannel Electrode and a Larger Aperture and Its Optoelectronic Characteristics［J］.Chinese Optics Letters，2010，8（8）：773-775.

［7］OsinskiM，SvimonishviliT，Smolyakov GA，etal.Temperature and thickness dependence of steam oxidation of AlAs in cylindrical mesa structures［J］.IEEE Photon Technology Letter，2001，13（7）：687-689.

［8］李惠青，張杰，崔大復(fù)，等.高功率垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2004，53（9）：2986-2990.

［9］馮源，鐘景昌，趙英杰，等.垂直腔面發(fā)射激光器中氧化速率規(guī)律的研究［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2008，29（12）：2412-2416.

［10］侯立峰，鐘景昌，孫俘，等.808nm垂直腔面發(fā)射激光器濕法氧化工藝的研究［J］.兵工學(xué)報(bào)，2010，17（2）：209-213.

［11］Miller M，Grabherr M，King R，et al.Improved outputperformanceofhigh-powerVCSELs［J］.SelectedTopicsinQuantum Electronics，2001，7（2）：210-216.

［12］Sun Yanfang，Jin Zhenhua，Ning Yongqiang，et al.Fabrication and experimental characterization of high-powerbottom emitting VCSELs［J］.Optics and Precision Engineering，2004，12（5）：449-453.

［13］Yan Changling，Deng Yun，Li Peng，et al.Improvement of InGaAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting lasers by post-oxidation annealing［J］.Chinese Optics Letters，2012，10（12）：1-3.

［14］Ma Jianli，Hao Yongqin，Zhong Jingchang，et al.Study on stability of selective oxidation in vertical-cavity surface-emitting laser［J］.Chinese Journal of Lasers，2007，34（8）：1055-1058.