CN103872580B - 介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法属于半导体激光器领域，解决现有技术存在的工艺精度低、可靠性差以及性能一致性差的问题。本发明的结构包括从下至上排列的N面电极、衬底层、N型DBR层、有源层、介质薄膜电流限制层、P型DBR层和P面电极；本发明的方法为在衬底层上依次生长N型DBR层和有源层，将N型DBR层和有源层刻蚀成圆柱形台面，并暴露出衬底层，在圆柱形台面的表面以及衬底层的表面生长介质薄膜电流限制层，在质薄膜电流限制层刻蚀出电流限制窗口并暴露出有源层；在介质薄膜电流限制层的上表面及有源层的上表面外延生长P型DBR层；分别在P型DBR层的上表面和衬底层的下表面制作P面电极和N面电极。

Description

介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器1979年由日本东京工业大学的K.Iga教授首先提出(Soda,H.et al.,Japanese Journal of Applied Physics,vol.18,no.12,2329-2330)，是一种由多层半导体材料构成的，从表面出射激光的光学器件，主要由上、下分布布拉格反射镜和夹在中间的有源区三大部分构成，这种激光器发光方向与芯片表面垂直，能够输出圆形对称光斑，非常便于进行二维集成，而且由于其谐振腔长度为微米量级，因此动态单模调制速率极高。目前垂直腔面发射激光器已作为中短距离光通信***的光源得到广泛应用。垂直腔面发射激光器的纵向谐振腔通常是由半导体材料生长形成的多层薄膜结构形成，一旦材料生长完成后，谐振腔的纵向结构就固定下来；其谐振腔的横向尺寸是由电流限制孔径的大小决定的，电流限制孔径的形成方法通常有空气柱法、质子注入法以及侧氧化法。其中空气柱法对电场及光场限制均较弱，目前已很少采用；质子注入法设备成本高昂，工艺难度大，并且对光场限制也较弱；侧氧化法是通过湿法氧化工艺将垂直腔面发射激光器外延结构中的预先生长好的一薄层高Al组分层氧化为致密的Al_xO_y，对有源区的侧向形成有效的电、光限制，该方法设备成本较低并且电光限制效果很好，因此成为了目前垂直腔面发射激光器形成电流限制孔径的主要手段。

然而，由于湿法氧化工艺需要在高温氧化炉中进行，工艺过程会受到炉体结构、炉温、水温、气体流量等多种因素的影响，因此其工艺精确度一般仅能达到微米量级，工艺精度低，这会对用于光通信或原子钟应用的单模垂直腔面发射激光器不同批次器件的性能一致性产生较大影响，因为这类激光器总的电流限制孔径尺寸通常仅为3-5微米；此外，湿法氧化工艺需要将样品长时间放入高温氧化炉中，长时间的高温处理会对半导体材料的各项性能产生一定影响，并且在工艺过程中容易通过炉体或水蒸气污染样品表面，可靠性差。同时，湿法氧化形成的电流注入孔径形状一般为普通的圆形或椭圆形，难以满足某些特殊需求，如对输出激光的偏振控制等通常需要电流注入孔径为沿固定偏振方向的栅条结构。

发明内容

本发明的目的在于提出一种介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法，解决现有技术存在的工艺精度低、可靠性差以及性能一致性差的问题，通过在介质薄膜电流限制层制作具有特殊形状的电流限制窗口，实现对器件多项性能的改进。

为实现上述目的，本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器包括：

衬底层，所述衬底层为GaAs结构；

依次生长在所述衬底层上端的N型DBR层和有源层，所述有源层和N型DBR层构成圆柱形台面；

制作在所述由有源层和N型DBR层构成的圆柱形台面上端和衬底层上端的介质薄膜电流限制层，所述有源层上端的介质薄膜电流限制层开有电流限制窗口，通过所述电流限制窗口暴露出所述有源层，所述介质薄膜电流限制层由折射率低于2.0、热导率高于50Wm^-1K^-1的低折射率、高热导率材质材料构成；

生长在有源层和介质薄膜电流限制层的上端的P型DBR层；

生长在P型DBR层上端的P面电极和制作在衬底层下表面的N面电极，所述N面电极设置有出光窗口，所述出光窗口和电流限制窗口相同，并精确对准。

所述电流限制窗口形状为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。

所述介质薄膜电流限制层为AlN、Si₃N₄、BeO或SiC；所述P型DBR层和N型DBR层均为GaAs/AlAs结构；所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。

介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法包括以下步骤：

步骤一：采用有机溶剂结合等离子体设备清洗处理衬底层，去除衬底层表面颗粒和有机物沾污；

步骤二：在步骤一中获得的清洗后的衬底层上依次外延生长N型DBR层和有源层；

步骤三：将步骤二中获得的N型DBR层和有源层刻蚀成圆柱形台面，刻蚀深度直至衬底层上端，暴露出衬底层上表面；

步骤四：在N型DBR层及有源层组成的圆柱形台面的上表面、侧表面以及步骤三中暴露出的衬底层的上表面生长介质薄膜电流限制层；

步骤五：将覆盖在圆柱形台面上表面的介质薄膜电流限制层刻蚀出电流限制窗口，刻蚀深度直至有源层上端，暴露出有源层上表面；

步骤六：在介质薄膜电流限制层的上表面及步骤五中暴露出的有源层的上表面二次外延生长P型DBR层；

步骤七：分别在P型DBR层的上表面和衬底层的下表面制作P面电极和N面电极，并在N面电极制作出光窗口，形状与电流限制窗口相同，并精确对准。

步骤三中所述的将步骤二中获得的N型DBR层和有源层刻蚀成圆柱形台面采用半导体干法刻蚀工艺或半导体湿法刻蚀工艺。

步骤五中所述的电流限制窗口为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。

所述介质薄膜电流限制层为AlN、Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃；所述P型DBR层和N型DBR层均为GaAs/AlAs结构；所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。

所述N面电极上的出光窗口采用Lift-off(剥离工艺)制作工艺形成。

本发明的有益效果为：本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法采用介质薄膜电流限制层和在其上制作的电流限制窗口实现将注入电流和光场限制在有源层，并通过N型DBR层和P型DBR层实现对器件内部光场的反馈放大后，通过N型DBR或P型DBR实现底面发光或顶面发光。本发明是一种完全基于半导体平面工艺的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法，该激光器采用低折射率、高热导率介质材料结合半导体平面工艺形成激光器电流限制窗口，无需采用湿法氧化工艺，避免了长期高温热处理对器件的污染，提高了器件的工艺精度和可靠性。该介质薄膜电流限制层兼具绝缘钝化功能，有源层、P型DBR材料生长完成后可直接生长P面电极，简化了器件制备工艺。本发明采用的介质薄膜电流限制层以及在其上制作的电流限制窗口能够同时实现对有源区电场及光场的有效限制，并且介质薄膜电流限制层本身较高的热导率能有效改善器件散热，有效提高垂直腔面发射激光器内部的热场分布，进而提高电-光转换效率，可采用标准半导体平面工艺和二次外延生长工艺，形成的电流限制窗口具有高度的一致性，精确度可达到亚微米量级。通过在本发明介质薄膜电流限制层上制作具有各种特殊形状的电流限制窗口，可以直接对注入器件有源区的载流子分布形式进行调制，进而对偏振特性、光束质量等多项器件性能进行进一步改进。

附图说明

图1为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的整体结构示意图；

图2为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的结构俯视图；

图3为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的结构仰视图；

图4为本发明介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的电流限制窗口为单个圆形时结构示意图；

图5为本发明介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的电流限制窗口为多个圆形时结构示意图；

图6为本发明介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的电流限制窗口为多边形时结构示意图；

图7为本发明介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的电流限制窗口为栅条结构时结构示意图；

图8为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法的流程图；

图9为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤一对应的激光器结构图；

图10为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤二对应的激光器结构图；

图11为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤三对应的激光器结构图；

图12为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤四对应的激光器结构图；

图13为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤五对应的激光器结构图；

图14为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤六对应的激光器结构图；

图15为本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法步骤七对应的激光器结构图；

其中：1、P面电极，2、P型DBR层，3、介质薄膜电流限制层，4、有源层，5、N型DBR层，6、衬底层，7、N面电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例一：

参见附图1、附图2和附图3，本发明的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器包括：

衬底层6，所述衬底层6为GaAs结构；

依次生长在所述衬底层6上端的N型DBR层5和有源层4，所述有源层4和N型DBR层5构成圆柱形台面；

制作在所述由有源层4和N型DBR层5构成的圆柱形台面上端和衬底层6上端的介质薄膜电流限制层3，所述有源层4上端的介质薄膜电流限制层3开有电流限制窗口，通过所述电流限制窗口暴露出所述有源层4，所述介质薄膜电流限制层3由折射率低于2.0，热导率高于50Wm^-1K^-1的低折射率、高热导率材质材料构成；

生长在有源层4和介质薄膜电流限制层3的上端的P型DBR层2；

生长在P型DBR层2上端的P面电极1和生长在衬底层6下表面的N面电极7。

参见附图4，所述电流限制窗口的形状为单个圆形。

所述的P型DBR层2和N型DBR层5构成谐振腔结构，用于产生激光谐振，有源层4夹在P型DBR层2和N型DBR层5中间，提供产生激光所需的增益，介质薄膜电流限制层3生长在由有源层4和N型DBR层5构成的圆柱形台面的上表面和侧表面，并通过刻蚀技术在介质薄膜电流限制层3刻蚀出窗口，实现对注入有源层4的电流及谐振腔结构内部光场的限制，通过包覆介质薄膜电流限制层3上的P型DBR层2以及P面电极1实现电流注入。

所述介质薄膜电流限制层3为AlN、Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃，对厚度没有特别限制；所述P型DBR层2和N型DBR层5均为GaAs/AlAs结构；所述有源层4为InGaAs/GaAsP周期性多量子阱结构；所述P面电极1为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极7为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。

参见附图8，介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法包括以下步骤：

步骤一：参见附图9，采用有机溶剂结合等离子体设备清洗处理衬底层6，去除衬底层6表面颗粒和有机物沾污，增强衬底层6表面生长外延层的附着力，并提高外延层生长质量，减少缺陷；

步骤二：参见附图10，在步骤一中获得的清洗后的衬底层6上依次外延生长N型DBR层5和有源层4，N型DBR层5厚度一般为3μm～5μm，有源层4的厚度一般为0.1μm～0.5μm；

步骤三：参见附图11，将步骤二中获得的N型DBR层5和有源层4刻蚀成圆柱形台面，刻蚀深度直至衬底层6上端，暴露出衬底层6上表面；

步骤四：参见附图12，在N型DBR层5及有源层4组成的圆柱形台面的上表面、侧表面以及步骤三中暴露出的衬底层6的上表面生长介质薄膜电流限制层3；

步骤五：参见附图13，将覆盖在圆柱形台面上表面的介质薄膜电流限制层3刻蚀出电流限制窗口，刻蚀深度直至有源层4上端，暴露出有源层4上表面；

步骤六：参见附图14，在介质薄膜电流限制层3的上表面及步骤五中暴露出的有源层4的上表面二次外延生长P型DBR层2；

步骤七：参见附图15，分别在P型DBR层2的上表面和衬底层6的下表面制作P面电极1和N面电极7，并在N面电极7制作出光窗口，形状与电流限制窗口相同，并精确对准。

步骤三中所述的将步骤二中获得的N型DBR层5和有源层4刻蚀成圆柱形台面采用半导体干法刻蚀工艺或半导体湿法刻蚀工艺。

步骤五中所述的窗口为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。

步骤三种所述的将步骤二中或得的N型DBR层5和有源层4刻蚀成圆柱形台面采用半导体干法刻蚀工艺或半导体湿法刻蚀工艺。

步骤五中所述的电流限制窗口为单个圆形。

步骤七中所述出光窗口与步骤五中所述电流限制窗口形状形同，并精确对准。

所述N面电极7上的出光窗口采用Lift-off(剥离工艺)制作工艺形成。

所述介质薄膜电流限制层3为AlN、Si₃N₄、SiO₂或Al₂O₃；所述P型DBR层2和N型DBR层5均为GaAs/AlAs结构；所述有源层4为InGaAs/GaAsP周期性多量子阱结构；所述P面电极1为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极7为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。

所述的N型DBR层5、有源层4使用MOCVD(金属有机化学气象淀积方法)或MBE(分子束外延方法)外延生长法一次形成；P型DBR层2使用MOCVD或MBE二次外延生长法形成；介质薄膜电流限制层3采用电子束或磁控溅射或PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)法生长，并通过干法或湿法刻蚀在其上刻蚀出窗口；N面电极7通过电子束、热蒸发或磁控溅射法生长；P面电极1通过电子束、热蒸发或磁控溅射法生长。

对于激射波长为980nm的输出光，泵浦源为连续激光电源，P型DBR层2为30对GaAs/AlAs，N型DBR层5为25对GaAs/AlAs，衬底层6为GaAs,介质薄膜电流限制层3为单层AlN，在其上用刻蚀技术得到电流限制窗口，有源层4为周期性InGaAs/GaAsP多量子阱结构，其中包括InGaAs量子阱及GaAsP势垒，P面电极1为Ti/Pt/Au金属薄膜，N面电极7为AuGeNi/Au薄膜，这样就能获得980nm介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器。

实施例二：

参见附图5，本实施例与实施例一的区别在于，所述的电流限制窗口及出光窗口均为多个圆形结构。

实施例三：

参见附图6，本实施例与实施例一的区别在于，所述的电流限制窗口及出光窗口均为多边形结构。

实施例四：

参见附图7，本实施例与实施例一的区别在于，所述的电流限制窗口及出光窗口均为栅条结构。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制，任何在本发明精神范围内做的等效替换或调整都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

衬底层(6)，所述衬底层(6)为GaAs结构；

依次生长在所述衬底层(6)上端的N型DBR层(5)和有源层(4)，所述有源层(4)和N型DBR层(5)构成圆柱形台面；

制作在所述由有源层(4)和N型DBR层(5)构成的圆柱形台面上端和衬底层(6)上端的介质薄膜电流限制层(3)，所述有源层(4)上端的介质薄膜电流限制层(3)开有电流限制窗口，通过所述电流限制窗口暴露出所述有源层(4)，所述介质薄膜电流限制层(3)由折射率低于2.0、热导率高于50Wm^-1K^-1的低折射率、高热导率材质材料构成；

生长在有源层(4)和介质薄膜电流限制层(3)的上端的P型DBR层(2)；

生长在P型DBR层(2)上端的P面电极(1)和制作在衬底层(6)下表面的N面电极(7)，所述N面电极(7)设置有出光窗口，所述出光窗口和电流限制窗口相同，并精确对准。

2.根据权利要求1所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电流限制窗口形状为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。

3.根据权利要求1所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述介质薄膜电流限制层(3)为AlN、Si₃N₄、BeO或SiC；所述P型DBR层(2)和N型DBR层(5)均为GaAs/AlAs结构；所述有源层(4)为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极(1)为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极(7)为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。

4.介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：采用有机溶剂结合等离子体设备清洗处理衬底层(6)，去除衬底层(6)表面颗粒和有机物沾污；

步骤二：在步骤一中获得的清洗后的衬底层(6)上依次外延生长N型DBR层(5)和有源层(4)；

步骤三：将步骤二中获得的N型DBR层(5)和有源层(4)刻蚀成圆柱形台面，刻蚀深度直至衬底层(6)上端，暴露出衬底层(6)上表面；

步骤四：在N型DBR层(5)及有源层(4)组成的圆柱形台面的上表面、侧表面以及步骤三中暴露出的衬底层(6)的上表面生长介质薄膜电流限制层(3)；

步骤五：将覆盖在圆柱形台面上表面的介质薄膜电流限制层(3)刻蚀出电流限制窗口，刻蚀深度直至有源层(4)上端，暴露出有源层(4)上表面；

步骤六：在介质薄膜电流限制层(3)的上表面及步骤五中暴露出的有源层(4)的上表面二次外延生长P型DBR层(2)；

步骤七：分别在P型DBR层(2)的上表面和衬底层(6)的下表面制作P面电极(1)和N面电极(7)，在N面电极(7)上制作出光窗口，出光窗口的形状与步骤五得到的电流限制窗口相同，并精确对准。

5.根据权利要求4所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，步骤三中所述的将步骤二中获得的N型DBR层(5)和有源层(4)刻蚀成圆柱形台面采用半导体干法刻蚀工艺或半导体湿法刻蚀工艺。

6.根据权利要求4所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，步骤五中所述的电流限制窗口为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。

7.根据权利要求4所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，所述介质薄膜电流限制层(3)为AlN、Si₃N₄、BeO或SiC；所述P型DBR层(2)和N型DBR层(5)均为GaAs/AlAs结构；所述有源层(4)为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极(1)为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极(7)为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。

8.根据权利要求4所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，所述N面电极(7)上的出光窗口采用Lift-off制作工艺形成。