CN108539577A - 一种电流导引型vcsel及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种电流导引型VCSEL及其制备方法，属于半导体技术领域。所述的VCSEL包括一导电GaAs衬底、n型GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、AlGaAs下限制层、多量子阱发光区、AlGaAs上限制层、一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR、质子注入栅格结构、二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR、p型GaAs欧姆接触层、n面电极和p面电极。所述的质子注入栅格结构包含3‑5对DBR厚度，既能提供有效的电流和增益限制，又能很好的控制质子注入深度；质子注入栅格宽度由中心向两边递减，整体光增益分布与单横模高斯分布相匹配，实现稳定地单横模激射。

Description

一种电流导引型VCSEL及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及电流导引型VCSEL的制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其功耗低、易于二维集成、圆形光斑易与光纤耦合、在片测试节省成本等优势，广泛应用于3D感测、激光打印、光通信和光存储等领域。VCSEL一般包括柱状的谐振器结构，其中缓冲层、下DBR、下限制层、量子阱发光层、上限制层、上DBR和欧姆接触层。为了降低阈值电流，采用氧化或质子注入形成电流限制结构。在接触层和衬底被面分别制作电极，电流从电极注入到量子阱发光区，由于电子-空穴复合在量子阱中发光，经上、下DBR反射，从谐振器结构的顶部发射激光。在激光辐射区域中，基横模振荡主要产生在中心区域中，而高阶横模振荡主要产生在周边区域。一般单横模VCSEL主要是氧化限制型VCSEL，然而VCSEL氧化使器件的可靠性下降。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明目的在于提出一种电流导引型VCSEL，实现高功率单横模激光输出。本发明采用的技术方案如下：
一种电流导引型VCSEL，自下而上依次包括一导电GaAs衬底、n型GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、AlGaAs下限制层、多量子阱发光区、AlGaAs上限制层；在AlGaAs上限制层为一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合；在一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合上依次为二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR、p型GaAs欧姆接触层；在导电GaAs衬底的背面设有n面电极，在p型GaAs欧姆接触层上设有p面电极。
一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构均为圆环结构，上述一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合方案中，中心为一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR圆，向外依次为质子注入栅格结构圆环和一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR圆环交叉间隔排列，且最外环为质子注入栅格结构。
一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR：DBR是由3-5对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/AlAs构成，掺杂浓度为1E18-3E18cm-3；
上述一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合方案中的质子注入栅格结构，质子注入栅格结构包含3-5对DBR厚度，既能提供有效的电流和增益限制，又能很好的控制质子注入深度；多个质子注入栅格结构的排列，质子注入栅格宽度由中心向两边逐渐递减。
上述方案中，二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR，DBR是由16-18对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/AlAs构成，掺杂浓度为2E18cm-3；
本发明还提供了上述一种电流导引型VCSEL的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取一GaAs导电衬底，放入红光MOCVD中，通入AsH3去除表面的水和氧化物等。自下而上依次生长n型GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、AlGaAs下限制层、多量子阱发光区、AlGaAs上限制层、一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR；
(2)在步骤(1)所得外延片上采用PECVD方法沉积厚度为1-2μm的SiO2薄膜；经光刻和刻蚀制作出一排栅格结构，栅格宽度由中心向两边递减；余下的没有刻蚀的SiO2部分作为质子注入掩膜；
(3)利用H+质子注入外延片，注入计量为1E15cm-2，注入能量为30-60keV，注入的质子峰值浓度的位置距离表面为1-3对DBR；
(4)刻蚀SiO2掩膜，清洗外延片；放入MOCVD中依次生长二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和p型GaAs欧姆接触层；
(5)在顶部制作p面电极，将衬底减薄至100μm，在衬底背面制作n面电极。
本发明的有益效果是：采用质子注入方法避免了氧化带来的可靠性问题。质子注入的厚度为3-5对DBR，容易精确控制质子注入的深度，避免质子注入过深对量子阱发光区造成损伤。二次外延的p型DBR和欧姆接触层均无电流限制，减小了DBR的串联电阻。质子注入栅格宽度由中心向两边递减，整体光增益分布与单横模高斯分布相匹配，实现稳定地单横模激射。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的电流导引型VCSEL结构示意图。
图2是实施例在导电衬底上一次外延后的示意图。
图3是实施例在刻蚀后形成的SiO2掩膜的示意图。
图4是实施例在质子注入后形成的栅格结构示意图。
图5是实施例在二次外延DBR和接触层的结构示意图。
图6是实施例内部的电流和光场分布示意图。
导电GaAs衬底11、n型GaAs缓冲层12、n型AlGaAs/AlAs的DBR 13、AlGaAs下限制层14、多量子阱发光区15、AlGaAs上限制层16、一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR 17、质子注入掩膜21、质子注入栅格结构31、二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR 41、p型GaAs欧姆接触层42、p面电极51、n面电极52、电流61、基膜高斯光束62。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
下面参考图1描述根据本发明实施例提供的一种电流导引型VCSEL结构。其包括：一导电GaAs衬底11、n型GaAs缓冲层12、n型AlGaAs/AlAs的DBR13、AlGaAs下限制层14、多量子阱发光区15、AlGaAs上限制层16、一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR 17、质子注入栅格结构31、二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR 41、p型GaAs欧姆接触层42、n面电极52和p面电极51。
本发明还提供一种电流导引型VCSEL的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将一导电GaAs衬底放入MOVCD中，腔室内温度升高至700-750℃，通入H2和AsH3，去除衬底表面的水和氧化物。将温度降至600-650℃，并向腔室内通入TMGa、AsH3等，生长n型缓冲层，厚度为1000nm，掺杂浓度为2E18cm-3。通入TMGa、TMAl、AsH3和Si2H6，生长,n型Al0.12Ga0.88As/AlAs的DBR，厚度为3988nm，掺杂浓度为2E18cm-3；通入TMGa、TMAl和AsH3，生长下Al0.60Ga0.40As限制层，厚度为110nm；通入TMIn、TMGa、TMAl和AsH3，生长Al0.37Ga0.67As/In0.08Ga0.92As量子阱，厚度为45nm，其光致发光波长比λ0小10-20nm，其中λ0为激射波长；通入TMGa、TMAl和AsH3，生长Al0.60Ga0.40As上限制层，厚度为110nm；通入TMGa、TMAl、AsH3和CBr4，生长一次外延p型Al0.12Ga0.88As/AlAs DBR，厚度为392-654nm，掺杂浓度为2E18cm-3；结构如图2所示。
步骤2：利用PECVD在外延片上沉积厚度为1-2μm的SiO2薄膜；经光刻和刻蚀制作出栅格结构，栅格宽度由中心向两边递减，具体宽度d1为0.1-0.2μm，d2为0.4-0.5μm，d3为0.7-0.8μm，d4为3.0-3.5μm；余下的SiO2作为质子注入掩膜21；如图3所示。
步骤3：利用H+质子注入外延片，注入计量为1E15cm-2，注入能量为30-60keV，注入的质子峰值浓度的位置距离表面为1-3对DBR；如图4所示。
步骤4：刻蚀SiO2掩膜，清洗外延片；将外延片放入MOCVD中，通入TMGa、TMA、AsH3和CBr4，生长二次外延p型Al0.12Ga0.88As/AlAs的DBR，厚度为2092-2353nm，掺杂浓度为2E18cm-3；通入TMGa、AsH3和CBr4，生长p型GaAs欧姆接触层，厚度为60nm，掺杂浓度为1E20cm-3；如图5所示。
步骤5：在顶部制作p面电极，将衬底减薄至100μm，在衬底背面制作n面电极；如图1所示。
图6为VCSEL内部的电流和光场示意图，由于中心栅格宽度较大，且向两边逐渐减小，所以通过的电流61由中心向两边也逐渐减小。由于光增益和光场强度与注入电流称正比，因此光增益有中心向两侧也逐渐减小。使得光增益与基膜高斯光束62相匹配，进而实现稳定的单横模激射。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种电流导引型VCSEL，其特征在于，自下而上依次包括一导电GaAs衬底、n型GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、AlGaAs下限制层、多量子阱发光区、AlGaAs上限制层；在AlGaAs上限制层为一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合；在一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合上依次为二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR、p型GaAs欧姆接触层；在导电GaAs衬底的背面设有n面电极，在p型GaAs欧姆接触层上设有p面电极。
2.按照权利要求1所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合方案中，一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR：DBR是由3-5对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/AlAs构成。
3.按照权利要求2所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，DBR的掺杂浓度为1E18-3E18cm-3。
4.按照权利要求1所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构均为圆环结构，上述一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合方案中，中心为一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR圆，向外依次为质子注入栅格结构圆环和一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR圆环交叉间隔排列，且最外环为质子注入栅格结构。
5.按照权利要求1所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合方案中的质子注入栅格结构，质子注入栅格结构包含3-5对DBR厚度。
6.按照权利要求1所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和质子注入栅格结构交叉间隔排列组合方案中的质子注入栅格结构，多个质子注入栅格结构的排列，质子注入栅格宽度由中心向两边逐渐递减。
7.按照权利要求1所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR，DBR是由16-18对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/AlAs构成。
8.按照权利要求7所述的一种电流导引型VCSEL，其特征在于，二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR，掺杂浓度为2E18cm-3。
9.权利要求1-8任一项所述的一种电流导引型VCSEL的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取一GaAs导电衬底，放入红光MOCVD中，通入AsH3去除表面的水和氧化物等。自下而上依次生长n型GaAs缓冲层、n型AlGaAs/AlAs的DBR、AlGaAs下限制层、多量子阱发光区、AlGaAs上限制层、一次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR；
(2)在步骤(1)所得外延片上采用PECVD方法沉积厚度为1-2μm的SiO2薄膜；经光刻和刻蚀制作出一排栅格结构，栅格宽度由中心向两边递减；余下的没有刻蚀的SiO2部分作为质子注入掩膜；
(3)利用H+质子注入外延片，注入计量为1E15cm-2，注入能量为30-60keV，注入的质子峰值浓度的位置距离表面为1-3对DBR；
(4)刻蚀SiO2掩膜，清洗外延片；放入MOCVD中依次生长二次外延p型AlGaAs/AlAs的DBR和p型GaAs欧姆接触层；
(5)在顶部制作p面电极，将衬底减薄至100μm，在衬底背面制作n面电极。
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