808nm高功率VCSEL刻蝕工藝研究

馮源，晏長嶺，郝永芹，王勇，蘆鵬，李洋，李再金

（長春理工大學 高功率半導體激光國家重點實驗室，長春 130022）

高功率垂直腔面發射激光器（VCSEL）廣泛應用在數據通訊、數據存儲、傳感器、印刷等行業，特別是在軍事領域，采用VCSEL陣列器件泵浦固體激光器，具有廣闊的發展前景。近年來，高功率VCSEL的研制已經成為國內外半導體激光器領域的研究熱點，在980nm高功率VCSEL研發的基礎上，高功率808nm波段VCSEL器件已經成為眾多光電技術領域研究者關注的焦點［1-3］。為了提高高功率808nm波段VCSEL的光電性能，采用多環形大孔徑結構代替傳統結構，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重的光吸收，采用N面出光結構并不適合［4-6］，因此本文采取多環形大孔徑結構來提高輸出功率。

在制備VCSEL器件過程中，為了實現良好的電光限制，濕法氧化工藝尤為重要［7-10］。在進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現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換效率［14］。芯片的刻蝕深度以超過氧化層達到有源區為宜，一般為5～6μm左右。以往刻蝕GaAs-AlGaAs材料體系VCSEL時，通常選用一定濃度配比的H2SO4-H2O2-H2O水溶液系列。由于H2SO4的強腐蝕性造成外延片內蝕現象嚴重，在臺面側壁氧化層處常常出現所謂的“燕尾”結構，如圖1所示。因為這種腐蝕液很難控制其腐蝕速率，因此，本實驗中采用相對弱的H3PO4-H2O2-H2O進行適當濃度配比對芯片進行刻蝕。實驗證明，采用這種腐蝕液能夠達到工藝要求，消除“燕尾”結構，減小甚至避免內蝕現象的發生。

圖1 VCSEL的“燕尾”結構形貌圖

1 實驗方法

整個實驗過程分為以下四步：

首先，采用磁控濺射設備對已經清洗好的808nm波段VCSEL外延片生長200nm厚度SiO2膜鈍化層作為芯片保護層，然后對其進行光刻處理；

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行腐蝕，在實驗中，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，腐蝕時間統一定為20分鐘，腐蝕環境為冰水混合物，腐蝕深度以達到有源區為宜；

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，得出實驗結果并分析結論。

2 結果與分析

2.1 808nm VCSEL的濕法刻蝕形貌研究

實驗中采用H3PO4-H2O2-H2O混合溶液，其反應機理為：H3PO4是氧化劑，H2O2起絡合作用，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象，局部放大后在氧化層處有側蝕現象，無“燕尾”結構，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高鋁氧化層處發生嚴重的橫向鉆蝕現象，但是沒有發現“燕尾”結構。這說明該腐蝕液濃度有些偏高，與氧化層處的Al接觸后發生劇烈反應，導致橫向鉆蝕的發生，嚴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象存在，同時沒有發現“燕尾”結構。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，雖然沒有出現橫向鉆蝕現象，但是因為濃度較低使腐蝕速度減慢，延長了與上下DBR富鋁層的接觸時間發生充分反應，導致出現了嚴重的“燕尾”結構，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網狀電極結構VCSEL，因為這種結構不僅中心有個大的出光孔，在同心圓的外圍處還均勻分布多個很小的弧形分布孔，這種新型微結構要求在刻蝕工藝中嚴格控制腐蝕速率，腐蝕不到位或者腐蝕過深都會影響器件的正常激射，從而影響器件后序工藝的進行。為了選擇最佳的腐蝕速率，保證臺面兩端腐蝕深度一致，且側面平整，無內蝕、“燕尾”結構和凹凸不平現象發生，研究分析了808nm VCSEL芯片腐蝕速率與H3PO4∶H2O2∶H2O濃度比的關系，以便達到良好的腐蝕效果。

圖3 不同濃度配比下腐蝕深度與時間的關系曲線

實驗中分別用三種不同濃度配比的磷酸系腐蝕溶液對808nm芯片進行刻蝕，刻蝕時間選擇300s、600s、900s、1200s、1500s、1800s、2100s、2400s 8個時間段，腐蝕結束后在掃描電鏡下分別測出各個時間段的腐蝕深度，最后根據所測數據繪制出三種配比濃度下刻蝕深度與時間的關系曲線，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定，且呈線性均勻變化，其他兩種濃度配比腐蝕速率不穩定，時高時低，呈現不規則曲線變化，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，正好達到有源區。圖4、圖5所示分別為808nm VCSEL的掃描電鏡整體形貌圖和臺階儀測得的內部刻蝕形貌。從圖中可以看出每個均勻弧形分布孔刻蝕厚度及深度都很均勻，芯片側壁形如倒梯形的結構，利于氧化窗口內部蒸鍍鈍化層，防止漏電的發生。

圖5 808nm VCSEL內部刻蝕全貌

圖6 808nm VCSEL的P-I-V特性曲線

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

3 結論

本文對不同腐蝕液濃度配比下的808nm VCSEL外延片進行濕法刻蝕實驗，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。實驗結果表明，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，刻蝕深度正好達到有源區，能夠保證氧化工藝的順利進行，可有效提高器件的光電性能。

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