一种高速VCSEL芯片及制作方法与流程

本发明涉及半导体，具体是指一种高速vcsel芯片及制作方法。

背景技术：

1、垂直腔表面发射激光器(vcsel)具有低阈值、高速率、波长温漂系数小、耦合效率高及制作成本较低等诸多优点，广泛应用在光通信、三维传感和激光雷达领域。随着数据中心及ai人工智能等的飞速发展，终端对通信芯片更高带宽的需求愈发迫切。vcsel作为产业的重要一环，目前主流的25g、50g的vcsel已逐渐不满足终端需求，发展100g、200g vcsel是迫在眉睫。vcsel芯片一般为多横模，稳定的单模器件较难实现。然而单模稳定工作，对其提高器件的带宽很有帮助。此外，在提高vcsel带宽的同时，不可避免的需要减小vcsel的氧化孔径以提高其弛豫振荡频率，从而导致器件的串联电阻增大。由此会带来一系列负面效果，比如：

2、1.器件的cr截止频率减小，制约器件的总体带宽。

3、2.器件的发热变严重，高温下功率和带宽更易饱和衰减。

4、3.器件正常工作时结温变高，器件的可靠性下降。

技术实现思路

1、本发明要解决上述技术问题，提供一种高速vcsel芯片及制作方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

3、一种高速vcsel芯片，包括gaas衬底，所述的gaas衬底上依次设有n-dbr、量子阱有源区、p-dbr、p-in0.49ga0.51p内腔接触层和u-dbr；

4、通过刻蚀去除u-dbr和p-in0.49ga0.51p内腔接触层，在刻蚀过程中保留出光口区u-dbr，使其形成圆形台面，在p-in0.49ga0.51p内腔接触层上沉积金属以形成p型接触电极，在刻蚀过程中保留出圆形台面结构的光口区u-dbr；

5、氧化台面刻蚀，从p-in0.49ga0.51p内腔接触层至n-dbr，采用湿法氧化以形成电流限制氧化孔；

6、光刻定义n电极区，深刻蚀到gaas衬底，在gaas衬底上制备n区金属接触电极。

7、优选地，出光口区保留的u-dbr，其台面直径为3-5μm。

8、优选地，所述u-dbr的台面与p型接触电极内径的距离为2-4μm。

9、优选地，所述的p-in0.49ga0.51p内腔接触层的整体光学厚度为2-5λ。

10、优选地，在p-in0.49ga0.51p内腔接触层上沉积形成p型接触电极的金属为tiptau，其典型厚度分别为30nm、50nm、200nm。

11、优选地，通过刻蚀去除p-in0.49ga0.51p内腔接触层的厚度为小于本层厚度的一半。

12、一种高速vcsel芯片的制作方法，包括以下步骤：

13、步骤1：在gaas衬底上，依次外延生长n-dbr、量子阱有源区、氧化层、p-dbr、p-in0.49ga0.51p内腔接触层和u-dbr；

14、步骤2：通过光刻胶掩膜，刻蚀去除u-dbr和p-in0.49ga0.51p内腔接触层，发光孔区域保留部分u-dbr的台面以作模式控制功能；

15、步骤3：利用电子束蒸发在p-in0.49ga0.51p内腔接触层上制备p型接触电极；

16、步骤4：采用pecvd生长厚度为的sinx；

17、步骤5：用光刻胶作掩膜，刻蚀出氧化台面后进行湿法氧化，以形成氧化孔；

18、步骤6：氧化完成后生长厚度为的sinx钝化层，采用bcb工艺和pecvd工艺光刻及刻蚀工艺进行处理；

19、步骤7：正面n电极区光刻及pn深刻蚀，刻蚀深度超过n-dbr，达到gaas衬底，在gaas衬底上制备n区金属接触电极；

20、步骤8：减薄及背面金属的制备；

21、步骤9：激光切割后得到单颗或阵列vcsel管芯。

22、优选的，步骤8中的减薄为背面减薄后的厚度典型值为150um或200um。

23、采用以上结构和方法后，本发明具有如下优点：

24、本发明减少了p-dbr的串联对数，降低了芯片的串联电阻，使得在制作小氧化孔径芯片时，其电阻依旧保持在合理水平，芯片可靠性和高温性能较优；p-in0.49ga0.51p内腔接触层的带隙宽度1.88ev，比gaas的1.42v大得多，去掉了在850nm波段光吸收的负面效果；出光口处保留的u-dbr台面，使得基模和高阶模之间有较大的阈值增益差。此外较厚的p-in0.49ga0.51p内腔接触层处依旧有一定的光场强度，进一步加大了高阶模式的损耗，使得芯片可以稳定的工作在基模下，调制带宽大大增加。

25、上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。

技术特征：

1.一种高速vcsel芯片，其特征在于，包括gaas衬底，所述的gaas衬底上依次设有n-dbr(21)、量子阱有源区(22)、p-dbr(23)、p-in0.49ga0.51p内腔接触层(24)和u-dbr(25)；

2.根据权利要求1所述的一种高速vcsel芯片，其特征在于：出光口区保留的u-dbr(25)，其台面直径为3-5μm。

3.根据权利要求1所述的一种高速vcsel芯片，其特征在于：所述u-dbr(25)的台面与p型接触电极(26)内径的距离为2-4μm。

4.根据权利要求1所述的一种高速vcsel芯片，其特征在于：所述的p-in0.49ga0.51p内腔接触层(24)的整体光学厚度为2-5λ。

5.根据权利要求1所述的一种高速vcsel芯片，其特征在于：在p-in0.49ga0.51p内腔接触层(24)上沉积形成p型接触电极(26)的金属为tiptau，其典型厚度分别为30nm、50nm、200nm。

6.根据权利要求1所述的一种高速vcsel芯片，其特征在于：通过刻蚀去除p-in0.49ga0.51p内腔接触层(24)的厚度为小于本层厚度的一半。

7.一种高速vcsel芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种高速vcsel芯片的制作方法，其特征在于：步骤8中的减薄为背面减薄后的厚度典型值为150um或200um。

技术总结
本发明提供了一种高速VCSEL芯片及制作方法，属于半导体技术领域，包括GaAs衬底，所述的GaAs衬底上依次设有n‑DBR、量子阱有源区、p‑DBR、p‑In<subgt;0.49</subgt;Ga<subgt;0.51</subgt;P内腔接触层和u‑DBR；本发明减少了p‑DBR的串联对数，降低了芯片的串联电阻，使得在制作小氧化孔径芯片时，其电阻依旧保持在合理水平，芯片可靠性和高温性能较优；p‑In<subgt;0.49</subgt;Ga<subgt;0.51</subgt;P内腔接触层的带隙宽度1.88eV，比GaAs的1.42V大得多，去掉了在850nm波段光吸收的负面效果；出光口处保留的u‑DBR台面，使得基模和高阶模之间有较大的阈值增益差。此外较厚的p‑In<subgt;0.49</subgt;Ga<subgt;0.51</subgt;P内腔接触层处依旧有一定的光场强度，进一步加大了高阶模式的损耗，使得芯片可以稳定的工作在基模下，调制带宽大大增加。

技术研发人员：陈昭,代露,李星
受保护的技术使用者：徐州仟目科技集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/3