СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ИЗЛУЧАЮЩЕГО ЛАЗЕРА С ВНУТРИРЕЗОНАТОРНЫМИ КОНТАКТАМИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗЕРКАЛОМ Российский патент 2019 года по МПК H01S5/183 H01L21/18 B82Y20/00 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно, к полупроводниковым лазерам с лучеиспускающей поверхностью (se-лазеры) и преимущественно к лазерам с вертикальным резонатором (vcse-лазеры), и может быть использовано в микроэлектронной промышленности для создания компактных маломощных источников лазерного излучения ближнего ИК-диапазона.

Полупроводниковые лазеры с вертикальным резонатором или вертикально-излучающие лазеры (англ. vertical-cavity surface-emitting lasers) в системе материалов InAlGaAs находят широкое применение в оптической технологии передачи данных (оптические межсоединения в локальных сетях и информационно-вычислительных системах, оптические системы связи в свободном пространстве) и различных оптических сенсорах (датчики перемещения, квантовые дискриминаторы, газовые сенсоры, лазерные локаторы, магнитометрические датчики). В ряде случаев обеспечение требуемых характеристик возможно лишь при использовании геометрии вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами. Однако проблема получения омического контакта к слоям на основе тройных соединений AlGaAs (особенно р-типа) обуславливает необходимость поиска новых технологичных способов изготовления вертикально-излучающих лазеров с внутрирезонаторными контактами.

Известен способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами (см. патент US 7169629, МПК H01L 21/00, опубликован 30.01.2007), включающий эпитаксиальное выращивание на подложке, например, из GaAs, полупроводниковой гетероструктуры, состоящей из нижнего полупроводникового распределенного брэгговского отражателя (РБО), внутрирезонаторного контактного слоя n-типа, оптического резонатора с активной областью и апертурным слоем, внутрирезонаторного контактного слоя р-типа, верхнего полупроводникового РБО; травление через маску первой мезы для вскрытия внутрирезонаторного контактного слоя р-типа, а затем травление через маску второй мезы для вскрытия внутрирезонаторного контактного слоя n-типа. Далее формируют оксидную токовую апертуру с помощью технологии селективного окисления в парах воды апертурного слоя, формируют через маску сильнолегированную область во внутрирезонаторном контактном слое р-типа с помощью термической диффузии легирующей примеси, например, Zn и формируют электрических контакты р- и n-типа.

Известный способ позволяет формировать омический контакт к слоям р-типа без внесения дополнительных оптических потерь. К недостаткам известного способа изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами следует отнести высокую температуру процесса диффузии (более 550°С при быстром термическом отжиге или более 650°С при длительном процессе), что негативно сказывается на резкости гетерограниц (особенно в активной области), механической стабильности оксидной апертуры и сроке службы лазеров, а также ухудшение морфологии поверхности слов AlGaAs (видимо, вследствие испарения As), что отрицательно влияет на процесс контактной фотолитографии, планарности и адгезии металлизации электрического контакта р-типа. Кроме того, концентрационной профиль легирующей примеси зависит от собственных дефектов в приповерхностной области внутрирезонаторного контактного слоя р-типа. Вариант применения ионной имплантации сопряжен с внесением большого количества радиационных дефектов, для удаления которых, а также для активации легирующей примеси, необходима термическая обработка при повышенных температурах.

Известен способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторным контактом и диэлектрическим зеркалом (см. патент US 5245622, МПК H01S 3/19, опубликован 14.09.1993), включающий эпитаксиальное выращивание на подложке из GaAs n-типа полупроводниковой гетероструктуры, состоящей из нижнего полупроводникового РБО n-типа, оптического резонатора с активной областью, внутрирезонаторного контактного слоя р-типа, формирование через маску токовой апертуры методом ионной имплантации, формирование через маску токовой изоляции индивидуальных лазеров методом ионной имплантации, формирование электрического контакта р-типа, формирование верхнего диэлектрического РБО (диэлектрического зеркала) с помощью фотолитографии и технологии осаждения диэлектрика, утоньшение подложки и формирование электрического контакта n-типа.

Известный способ направлен на снижение последовательного сопротивления без существенного ухудшения эффективности лазера. Недостатком известного способа изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторным контактом и диэлектрическим зеркалом является применение ионной имплантации для формирования токового ограничения в лазере, что не позволяет реализовывать низкопороговые и высокоэффективные лазеры с размером апертуры менее 10 мкм вследствие безизлучательной рекомбинации на радиационных дефектах. Кроме того, известный способ формирования омического контакта р-типа и диэлектрического РБО не обеспечивает одновременного снижения сопротивления прибора и уровня внутренних оптических потерь. Более того, известный способ применим только для изготовления вертикально-излучающих лазеров с одним внутрирезонаторным контактом, что не позволяет создавать быстродействующие приборы, а также ограничивает применение молекулярно-пучковой эпитаксии для выращивания полупроводниковый гетероструктуры.

Известен способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом (см. патент US 6906353, МПК H01L 33/00, H01S 3/08, опубликован 14.06.2005), в соответствии с которым на полуизолирующей подложке из GaAs выращивают полупроводниковую гетероструктуру, состоящую из нижнего нелегированного РБО, внутрирезонаторного контактного слоя n-типа, оптического резонатора с активной областью, внутрирезонаторного контактного слоя р-типа. Далее методом ионной имплантации через маску формируют токовую апертуру, а затем через маску формируют электрический контакт р-типа. Проводят травление первой мезы для вскрытия внутрирезонаторного контактного слоя n-типа, формируют электрический контакт n-типа и создают верхнее диэлектрическое РБО.

К недостаткам известного способа изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом следует отнести невозможность одновременного обеспечения низкого контактного сопротивления к слоям р-типа и высокой отражательной способности диэлектрического зеркала без увеличения оптических потерь, вследствие поглощения на свободных носителях и рассеяния света на шероховатостях интерфейса полупроводник-диэлектрик. Кроме того, формирование токовой апертуры методом ионной имплантации сопряжено с появлением большого количества радиационных дефектов и, как следствие, с ростом порогового тока, особенно при малых размерах токовой апертуры.

Известен способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом (см. патент US 6169756, МПК H01S 5/187, опубликован 02.01.2001), включающий эпитаксиальное выращивание на подложке (например, из GaAs n-типа ) полупроводниковой гетероструктуры, состоящей из нижнего полупроводникового РБО (например, из n-GaAs), внутрирезонаторного контактного слоя n-типа (например, из n-GaAs), оптического резонатора с активной областью, внутрирезонаторного контактного слоя р-типа (например, из p-GaAs); нелегированного волноводного слоя (например, из GaAs) со стоп-слоем (например, из InGaP) для оптической апертуры, формирование через маску токовой апертуры методом ионной имплантации, травление через маску волноводного слоя до стоп-слоя с его последующим удалением для формирования оптической апертуры, формирование электрического контакта р-типа и n-типа соответственно на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа и на поверхности внутрирезонаторного контактного слоя n-типа. Затем наносят через маску защитный слой на основе боросиликатного стекла с добавлением алюминия и формируют диэлектрический РБО на основе 6 пар четвертьволновых слоев из MgF₂-CaF₂ и из ZnS с помощью электронно-лучевого напыления диэлектрика и взрывной технологии удаления фоторезиста.

Защитный слой препятствует воздействию проявителя фоторезиста на поверхность волноводного слоя при формировании маски для диэлектрического РБО. Недостатком известного способа изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом является безизлучательная рекомбинация носителей на радиационных дефектах в ионно-имплантированной области, а также дополнительное поглощение на свободных носителях в сильнолегированной части внутрирезонаторного контактного слоя р-типа (необходимо для формирования омического контакта р-типа), что ведет к росту порогового тока и падению эффективности лазера. Кроме того, защитный слой не исключает возможности модификации и/или загрязнения поверхности волноводного слоя на более ранних технологических операциях.

Наиболее близким к настоящему изобретению по совокупности существенных признаков является способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом (см. патент US 8488644, МПК H01S 5/00, опубликован 16.07.2013), принятый за прототип. Способ-прототип включает последовательное эпитаксиальное выращивание на полуизолирующей подложке из GaAs полупроводниковой гетероструктуры, содержащей нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), нелегированный буферный слой, например, из GaAs, внутрирезонаторный контактный слой n-типа , оптический резонатор с активной областью и апертурным слоем из Al_xGa_1-xAs р-типа, где 0,97≤х<1, внутрирезонаторный контактный слой р-типа, формирование фазосогласующего диэлектрического слоя из SiN, например, с помощью плазмохимического осаждения диэлектрика и плазмохимического травления диэлектрика через маску, формирование электрического контакта р-типа, формирование оксидной токовой апертуры в апертурном слое путем селективного окисления в парах воды, формирование электрического контакта n-типа и формирование верхнего диэлектрического РБО путем плазмохимического осаждения 10-12 пар четвертьволновых слоев из SiO₂ и из SiN, и последующего плазмохимического травления диэлектрика через маску, формирование пассивирующего и планаризующего слоя с низкой диэлектрической проницаемостью и формирование металлизации контактных площадок р- и n-типа.

Преимуществом известного способа-прототипа является отсутствие необходимости глубокого травления до подложки при формировании изолирующей мезы. Однако это преимущество актуально лишь для лазеров спектрального диапазона 980 нм/1100 нм, когда во внутрирезонаторных контактных слоях и буферном слое используют бинарное соединение GaAs. Серьезным недостатком известного способа-прототипа является невозможность обеспечить одновременно низкое контактное сопротивление без внесения дополнительных оптических потерь на свободных носителях в светоизлучающей области (особенно в случае лазеров с длиной волны излучения менее 900 нм). Кроме того, после формирования фазосогласующего диэлектрического слоя достаточно сложно избежать модификации его поверхности и/или загрязнения на последующих технологических операциях.

Задачей заявляемого технического решения является создание такого способа изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом, который бы позволял сформировать электрический контакт р-типа с низким контактным сопротивлением без увеличения уровня внутренних оптических потерь, что способствует получению низкого порогового тока, малого последовательного сопротивления и высокой дифференциальной эффективности для лазеров ближнего ИК-диапазона.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом включает последовательное эпитаксиальное выращивание на полуизолирующей подложке из GaAs полупроводниковой гетероструктуры, содержащей нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, оптический резонатор с активной областью и апертурным слоем из Al_xGa_1-xAs р-типа, где 0,97≤х<1, внутрирезонаторный контактный слой р-типа, формирование электрического контакта р-типа; формирование оксидной токовой апертуры в апертурном слое, формирование электрического контакта n-типа и формирование верхнего диэлектрического РБО, формирование пассивирующего и планаризующего слоя с низкой диэлектрической проницаемостью и формирование металлизации контактных площадок р- и n-типа, при этом на внутрирезонаторном контактном слое р-типа последовательно выращивают стоп-слой из Al_yGa_1-yAs р-типа, где 0,85≤y≤0,95, и сильнолегированный контактный слой из GaAs р-типа, электрический контакт р-типа формируют на сильнолегированном контактном слое р-типа, удаляют химическим травлением через маску сильнолегированный контактный слой р-типа и стоп-слой р-типа в светоизлучающей области до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа, на котором затем формируют верхний диэлектрический РБО.

Верхний диэлектрический РБО можно локально формировать с помощью взрывной технологии, при этом напыление диэлектрических слоев при формировании диэлектрического РБО можно осуществлять методом реактивного магнетронного напыления диэлектрика при температуре 60-80°С.

Новым в настоящем способе является последовательное выращивание на внутрирезонаторном контактном слое р-типа стоп-слоя из Al_yGa_1-yAs р-типа, где 0,85≤у≤0,95, и сильнолегированного контактного слоя из GaAs р-типа, формирование электрического контакта р-типа на сильнолегированном контактном слое р-типа, удаление химическим травлением через маску сильнолегированного контактного слоя р-типа и стоп-слоя р-типа в светоизлучающей области до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа и нанесение на эту поверхность верхнего диэлектрического РБО.

Удаление химическим травлением через маску сильнолегированного контактного слоя р-типа и стоп-слоя р-типа в светоизлучающей области до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа позволяет прецизионно вскрыть поверхность внутрирезонаторного контактного слоя р-типа без изменения резонансных условий для лазерной генерации, а также способствует получению омического контакта р-типа с низким контактным сопротивлением без увеличения уровня внутренних оптических потерь. Кроме того, формирование диэлектрического РБО на вскрытой поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа позволяет избежать проблемы с шероховатостью интерфейса полупроводник-диэлектрик вследствие неизбежного загрязнения и/или нежелательной модификации поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа в ходе межоперационных процессов.

Проведение процесса реактивного магнетронного напыления диэлектрических слоев при температуре 60-80°С обусловлено необходимостью предотвращения задубливания фоторезистивной маски, так как в противном случае локальное формирование диэлектрического РБО с помощью взрывной технологии (когда фоторезист удаляют в диметилформамиде или метилпирролидоне) становится невозможным.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 показана в разрезе схема вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом, изготовленного в соответсвии с настоящим способом;

на фиг. 2 приведена в разрезе схема эпитаксиально выращиваемой полупроводниковой гетероструктуры для вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом;

Изготавливаемый в соответствии с настоящим способом вертикально-излучающий лазер с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом (см. фиг. 1) включает полуизолирующую подложку из GaAs 1, полупроводниковую гетероструктуру 2, диэлектрический РБО 3, электрический контакт 4 р-типа, первую мезу 5, содержащую оксидную токовую апертуру 6, вторую мезу 7, электрический контакт n-типа 8, изолирующую мезу 9, пассивирующий и планаризующий слой 10, контактная площадка 11 n-типа и контактная площадка 12 р-типа. Полупроводниковая гетероструктура 2, эпитаксиально выращенная на полуизолирующей подложке 1 из GaAs, включает (см. фиг. 2) нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО) 13, внутрирезонаторный контактный слой 14 n-типа, оптический резонатор 15 с активной областью 16 и апертурным слоем 17 из Al_xGa_1-xAs р-типа, где 0,97≤x<1, внутрирезонаторный контактный слой 18 р-типа, стоп-слой 19 из AlxGa1-xAs р-типа 19, где 0,85≤х≤0,95, сильнолегированный контактный слой 20 из GaAs р-типа.

Заявляемый способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом осуществляют в несколько стадий. На первой стадии с помощью эпитаксиального синтеза на полуизолирующей подложке 1 из GaAs формируют полупроводниковую гетероструктуру 2 (см. фиг. 2). Далее через маску формируют металлизацией электрический контакт 4 р-типа общей толщиной, например, 0,3-0,4 мкм, на поверхности сильнолегированного контактного слоя 20 р-типа, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию с использованием двуслойной фоторезистивной маски толщиной до 3 мкм; химическую обработку поверхности, например, в разбавленной соляной кислоте; формирование слоев металлизации, например, электронно-лучевое напыление слоя Ti и барьерного слоя Pt, и термическое напыление усиливающего слоя Au, удаление фоторезистивной маски, например, в диметилформамиде; вжигание электрического контакта 4 р-типа, например, при температуре 400-450°С в течение 30-45 секунд в атмосфере азота. Осуществляют травление через маску первой мезы 5 до середины оптического резонатора 15, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию маски, например, используя фоторезист толщиной 5-6 мкм; ионно-лучевое травление поверхности гетероструктуры 2 через маску ионами аргона до активной области 16 для вскрытия боковой поверхности апертурного слоя 17 из Al_xGa_1-xAs р-типа. Затем формируют оксидную токовую апертуру 6, например, последовательно выполняя операции: химическую очистку боковой поверхности мезы 5 для удаления повреждений при ионно-лучевом травление, например, в растворе гидроксида аммония, перекиси водорода и воды в течение 3-5 секунд, селективное окисление в парах воды апертурного слоя 17 Al_xGa_1-xAs р-типа, например, при температуре 400-450°С в течение 15-60 минут, снятие фоторезистивной маски в кислородной плазме. Осуществляют травление через маску второй мезы 7 до внутрирезонаторного контактного слоя 14 n-типа, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию маски, например, используя фоторезист толщиной 5-6 мкм; ионно-лучевое травление поверхности гетероструктуры 2 через маску ионами аргона до внутрирезонаторного контактного слоя 14 n-типа для вскрытия поверхности внутрирезонаторного контактного слоя 14 n-типа, снятие фоторезистивной маски в кислородной плазме. Далее через маску формируют электрический контакт 8 n-типа общей толщиной, например, 0,3-0,4 мкм на внутрирезонаторном контактном слое 14 n-типа, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию двуслойной фоторезистивной маски толщиной до 4 мкм; химическую обработку поверхности, например, в разбавленной хлористоводородной кислоте; формирование слоев металлизации, например, последовательное термическое напыление слоя эвтектического сплава AuGe, барьерного слоя Ni и усиливающего слоя Au; удаление фоторезистивной маски, например, в диметилформамиде; вжигание электрического контакта 8 n-типа, например, при температуре 360-380°С в течение 30-45 секунд в атмосфере водорода. Осуществляют вскрытие поверхности внутрирезонаторного контактного слоя 18 р-типа в локальной области, где отсутствует электрический контакт 4 р-типа, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию маски, например, используя фоторезист толщиной 2-3 мкм; химическое травление через маску сильнолегированного контактного слоя 20 р-типа до стоп-слоя 19 из Al_xGa_1-xAs р-типа в системе лимонной кислоты и перекиси водорода; химическое травление через маску стоп-слоя 19 из Al_xGa_1-xAs р-типа до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя 18 р-типа в разбавленной фтористоводородной кислоте. После этого сразу же проводят процесс формирования диэлектрического РБО 3 на вскрытой поверхности внутрирезонаторного контактного слоя 18 р-типа через упомянутую выше фоторезистивную маску, последовательно выполняя операции: реактивное магнетронное напыление диэлектрических слоев, формирующих диэлектрического РБО 3, удаление фоторезиста в диметилформамиде. Затем осуществляют травление через маску изолирующей мезы 9 до подложки 1, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию маски, например, используя фоторезист толщиной 11-12 мкм; ионно-лучевое травление поверхности гетероструктуры 2 через маску в среде аргона до подложки 1 для обеспечения электрической изоляции отдельных кристаллов лазеров и контактных площадок 11, 12; снятие фоторезистивной маски в кислородной плазме. Проводят формирование через маску пассивирующего и планаризующего слоя 10 с низкой диэлектрической проницаемостью, например, последовательно выполняя операции: нанесение светочувствительного бензоциклобутена толщиной 7-10 мкм; контактную фотолитографию по бензоциклобутену; удаление остатков бензоциклобутена с помощью плазмо-химического травления. На финальной стадии формируют через маску металлизацию контактных площадок 11 и 12 n- и р-типа, например, последовательно выполняя операции: контактную фотолитографию маски для подслоя, например, используя фоторезист толщиной 11-15 мкм; напыление подслоя Ti/Au, например, с помощью термического напыления, соответственно, удаление фоторезиста в диметилформамиде; контактную фотолитографию маски для гальваники, например, используя фоторезист толщиной 11-15 мкм электрохимическое осаждение слоя Au толщиной 1,5-2 мкм через маску; удаление фоторезиста в диметилформамиде.

Пример. Ниже приведены результаты экспериментальной апробации настоящего способа изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом на примере лазеров спектрального диапазона 880-900 нм. Методом молекулярно-пучковой эпитаксии была синтезирована полупроводниковая гетероструктура путем последовательного осаждения на полуизолирующей подложке GaAs нижнего нелегированного распределенного брэгговского отражателя (РБО) на основе 36 пар чередующихся четвертьволновых слоев Al_0,16Ga_0,84As и Al_0,9Ga_0,1As (общая толщина РБО ~5 мкм), внутрирезонаторного контактного слоя Al_0,16Ga_0,84As n-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n (общая толщина ~0,52 мкм), оптического резонатора с активной областью на основе In_0,08Ga_0,92As квантовых ям и одним апертурным слоем р-типа на основе AlAs/Al_0,9Ga_0,1As (общая толщина резонатора ~1,65 мкм), внутрирезонаторного контактного слоя Al_0,16Ga_0,84As р-типа толщиной равной 1,75⋅λ/n (общая толщина ~0,52 мкм), стоп-слоя Al_0,9Ga_0,1As р-типа толщиной 3 нм, сильнолегированного контактного слоя GaAs р-типа толщиной 56 нм. Толщины квантовой ямы выбраны так, чтобы основной переход квантовой ямы был вблизи длины волны 880 нм, тогда как остальные толщины слоев выбраны для обеспечения проектного значения резонансной длины вблизи 890 нм. На поверхности сильнолегированного контактного слоя GaAs р-типа контактной фотолитографией создали двуслойную фоторезистивную маску для формирования электрического контакта р-типа, нанесли металлизацию электрического контакта р-типа общей толщиной 0,32 мкм (электронно-лучевым напылением слоя Ti толщиной 20 нм и слоя Pt толщиной 50 нм, термическим напылением слоя Au толщиной 250 нм), удалили фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии (используя диметилформамид) и провели вжигание напыленных металлов при температуре 450°С в течение 45 секунд в атмосфере азота. С помощью контактной фотолитографии изготовили фоторезистивную маску для формирования первой мезы, провели ионно-лучевое травление поверхности гетероструктуры ионами аргона на глубину ~1,4 мкм для вскрытия боковой поверхности апертурного слоя р-типа. Выполнили химическую обработку боковой поверхности первой мезы в растворе гидроксида аммония, перекиси водорода и воды (NH₄OH:H₂O₂:H₂O, мас. ч. 1:2:50) в течение 3 секунд для удаления повреждений при ионно-лучевом травлении, провели селективное окисление в парах воды апертурного слоя р-типа при температуре 420°С в течение 45 минут, сняли фоторезистивную маску в кислородной плазме. С помощью контактной фотолитографии изготовили фоторезистивную маску для формирования второй мезы, провели ионно-лучевое травление поверхности гетероструктуры ионами аргона на глубину ~0,85 мкм для вскрытия поверхности внутрирезонаторного контактного слоя Al_0,16Ga_0,84As n-типа, сняли фоторезистивную маску в кислородной плазме. На поверхности внутрирезонаторного контактного слоя Al_0,16Ga_0,84As n-типа контактной фотолитографией создали двуслойную фоторезистивную маску для формирования электрического контакта n-типа, нанесли металлизацию электрического контакта n-типа общей толщиной 0,32 мкм, последовательно осаждая слой AuGe (12% Ge) толщиной 100 нм, слой Ni толщиной 20 нм и слой Au толщиной 200 нм термическим напылением, удалили фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии (используя диметилформамид) и провели вжигание напыленных металлов при температуре 370°С в течение 30 секунд в атмосфере водорода. На поверхности сильнолегированного контактного слоя GaAs р-типа контактной фотолитографией создали фоторезистивную маску для локального вскрытия внутрирезонаторного контактного слоя Al_0,16Ga_0,84As р-типа, химическим травлением в системе лимонной кислоты и перекиси водорода (C₆H₈O₇:H₂O₂, мас. ч. 4:1) локально удалили сильнолегированный контактный слой р-типа до стоп-слоя Al.,₉Ga_0,1As р-типа, а затем химическим травлением в разбавленной фтористо-водородной кислоте (HF:H₂O, мас. ч. 1:10) локально удалили стоп-слой Al_0,9Ga_0,1As р-типа и вскрыли поверхность внутрирезонаторного контактного слоя Al_0,16Ga_0,84As р-типа. Провели осаждение 6 пар четвертьволновых слоев из SiO₂ и из Ta₂O₅, формирующих диэлектрическое РБО, методом реактивного магнетронного распыления кварцевой мишени на переменном токе в атмосфере кислорода и танталовой мишени на постоянном токе в атмосфере кислорода, соответственно, а затем удалили фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии (используя диметилформамид). С помощью контактной фотолитографии изготовили фоторезистивную маску для формирования изолирующей мезы, провели ионно-лучевое травление поверхности гетероструктуры ионами аргона на глубину ~5,5 мкм для обеспечения электрической изоляции отдельных кристаллов лазеров и контактных площадок, а затем сняли фоторезистивную маску в кислородной плазме. Нанесли слой светочувствительного бензоциклобутена толщиной 7-10 мкм, с помощью контактной фотолитографии по бензоциклобутену сформировали требуемый микрорельеф, и удалили остатки бензоциклобутена с помощью плазмо-химического травления. С помощью контактной фотолитографии изготовили фоторезистивную маску для подслоя металлизации контактных площадок, нанесли подслой Ti толщиной 50 нм и подслой Au толщиной 200 нм термическим напылением, затем удалили фоторезист с помощью техники взрывной фотолитографии (используя диметилформамид). С помощью контактной фотолитографии изготовили фоторезистивную маску для гальванического осаждения золота, провели электрохимическое осаждение слоя Au толщиной 1,5 мкм, и удалили фоторезист, используя диметилформамид.

Настоящий способ позволил сформировать омические контакты с удельным контактным сопротивлением 1-3⋅10^-6 Ом⋅см^-2 и избежать роста уровня внутренних оптических потерь, Изготовленные настоящим способом вертикально-излучающие лазеры с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом, и площадью оксидной токовой апертуры ~2,3 мкм² демонстрировали лазерную генерацию в непрерывном режиме при комнатной температуре вблизи 892-897 нм с пороговым током менее 0,3 мА, дифференциальной эффективностью более 0,6 Вт/А, максимальной выходной оптической мощностью 2,5 мВт и дифференциальным сопротивлением 220-250 Ом (на линейном участке вольт-амперной характеристики).

Достигнутые параметры не только не уступают, но и по ряду позиций превосходят статические характеристики вертикально-излучающих лазеров в классической конструкции с легированными РБО, синтезированных методом газофазной эпитаксии из паров металлорганических, при идентичных размерах площади токовой апертуры (P.Moser et al., «Energy Efficiency of Directly Modulated Oxide-Confined High Bit Rate 850-nm VCSELs for Optical Interconnects», IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 19 (4), 1702212, 2013).

Изобретение относится к технике полупроводников. Способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом включает последовательное эпитаксиальное выращивание на полуизолирующей подложке из GaAs полупроводниковой гетероструктуры, содержащей нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, оптический резонатор с активной областью и апертурным слоем из Al_xGa_1-xAs р-типа, где 0,97≤х<1, внутрирезонаторный контактный слой р-типа, формирование электрического контакта р-типа; формирование оксидной токовой апертуры в апертурном слое, формирование электрического контакта n-типа и формирование верхнего диэлектрического РБО, формирование пассивирующего и планаризующего слоя с низкой диэлектрической проницаемостью и формирование металлизации контактных площадок р- и n-типа. На внутрирезонаторном контактном слое р-типа последовательно выращивают стоп-слой из Al_yGa_1-yAs р-типа, где 0,85≤у≤0,95, и сильнолегированный контактный слой из GaAs р-типа, электрический контакт р-типа формируют на сильнолегированном контактном слое р-типа, удаляют химическим травлением через маску сильнолегированный контактный слой р-типа и стоп-слой р-типа в светоизлучающей области до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя р-типа, на котором затем формируют верхний диэлектрический РБО. Технический результат заключается в том, что изготовленные настоящим способом лазеры имеют низкий пороговый ток, малое последовательное сопротивление и высокую дифференциальную эффективность. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления вертикально-излучающего лазера с внутрирезонаторными контактами и диэлектрическим зеркалом, включающий последовательное эпитаксиальное выращивание на полуизолирующей подложке из GaAs полупроводниковой гетероструктуры, содержащей нижний нелегированный распределенный брэгговский отражатель (РБО), внутрирезонаторный контактный слой n-типа, оптический резонатор с активной областью и апертурным слоем из Al_xGa_1-xAs p-типа, где 0,97≤х<1, внутрирезонаторный контактный слой p-типа, формирование электрического контакта p-типа; формирование оксидной токовой апертуры в апертурном слое, формирование электрического контакта n-типа и формирование верхнего диэлектрического РБО, формирование пассивирующего и планаризующего слоя с низкой диэлектрической проницаемостью и формирование металлизации контактных площадок р- и n-типа, отличающийся тем, что на внутрирезонаторном контактном слое p-типа последовательно выращивают стоп-слой из Al_yGa_1-yAs p-типа, где 0,85≤y≤0,95, и сильнолегированный контактный слой из GaAs p-типа, электрический контакт p-типа формируют на сильнолегированном контактном слое р-типа, удаляют химическим травлением через маску сильнолегированный контактный слой p-типа и стоп-слой p-типа в светоизлучающей области до поверхности внутрирезонаторного контактного слоя p-типа, на котором затем формируют верхний диэлектрический РБО.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что верхний диэлектрический РБО локально формируют с помощью взрывной технологии.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что напыление диэлектрических слоев при формировании диэлектрического РБО осуществляют методом реактивного магнетронного напыления диэлектрика при температуре 60-80°С.