CN111193186A - 垂直腔面发射激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器及其制造方法。垂直腔面发射激光器包括：N‑DBR，所述N‑DBR设置在衬底上方并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；有源层，所述有源层设置在所述N‑DBR上并且包括层叠设置的量子阱结构；P‑DBR，所述P‑DBR设置在所述有源层上并且包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器及其制造方法，通过在有源层上设置量子阱结构、N‑DBR和P‑DBR上设置多模结构，实现了单模偏振，偏振更敏感，能够降低VCSEL的阈值电流，提高了光电转换效率使得输出光束的质量更高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制造方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，自1996年投入商用以来，虽然已经在很多领域中如光通信、信息读取、三维成像、激光雷达等获得广泛应用，但却在应用过程中一直处于低功率水平，直到最近几年VCSEL材料生长与制备技术的发展才使其功率水平开始得到大幅度的提高，从而为VCSEL激光器的应用发展开辟了广阔的前景。然而，随着VCSEL激光功率不断得到提高，传统的垂直腔面发射激光器的阈值电流较高，光电转换效率低，又因谐振腔长很短，使VCSEL极易工作在动态单纵模的状态。为了实现较高的输出功率，需要将VCSEL的出光尺寸开的很大，因此会出现多个横向模式，影响了器件性能，限制了VCSEL的进一步发展。
因此，如何提出一种垂直腔面发射激光器，能够降低VCSEL的阈值电流，提高光电转换效率，实现更宽的调谐范围、输出光束的质量更高、响应时间更短成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器及其制造方法，用以降低VCSEL的阈值电流，提高光电转换效率，实现更宽的调谐范围、输出光束的质量更高。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：N-DBR，所述N-DBR设置在衬底上方并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；有源层，所述有源层设置在所述N-DBR上并且包括层叠设置的量子阱结构；P-DBR，所述P-DBR设置在所述有源层上并且包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
根据本发明的一个实施例，所述N-DBR包括至少7个所述第一分布布拉格反射镜，每个所述第一分布布拉格反射镜包括Si层和位于所述Si层上的SiO2层。
根据本发明的一个实施例，所述N-DBR还包括位于层叠设置的所述第一分布布拉格反射镜上的AlGaAs包层、以及位于所述AlGaAs包层上的空气层。
根据本发明的一个实施例，所述有源层包括3个层叠设置的所述量子阱结构，每个所述量子阱结构包括GaAs层和位于所述GaAs层上的AlGaAs层。
根据本发明的一个实施例，所述P-DBR包括至少22个所述第二分布布拉格反射镜，每个所述第二分布布拉格反射镜包括GaAs层和位于所述GaAs层上的AlGaAs层，其中，所述AlGaAs层的折射率大于所述GaAs层的折射率。
根据本发明的一个实施例，垂直腔面发射激光器还包括：N电极，所述N电极设置在所述衬底的底面上；第一缓冲层，所述第一缓冲层设置在所述衬底的顶面和所述N-DBR之间；第二缓冲层，所述第二缓冲层设置在所述P-DBR上；P电极，所述P电极设置在所述第二缓冲层上。
根据本发明的一个实施例，所述N-DBR包括被所述有源层覆盖的第一顶面以及暴露的第二顶面，其中，所述第二顶面、所述有源层的侧壁、所述P-DBR的侧壁和所述第二缓冲层的侧壁覆盖有掩模。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：在衬底上方形成N-DBR，所述N-DBR包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；在所述N-DBR上形成有源层，所述有源层包括层叠设置的量子阱结构；在所述有源层上形成P-DBR，所述P-DBR包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：在所述衬底的顶面上形成第一缓冲层，并在所述第一缓冲层上形成所述N-DBR；在所述P-DBR上形成第二缓冲层，并在所述第二缓冲层上形成P电极；对所述衬底的底面进行减薄并在所述衬底的底面上形成N电极。
根据本发明的一个实施例，该方法还包括：对所述有源层、所述P-DBR和所述第二缓冲层进行蚀刻，以暴露所述N-DBR的部分顶面；在所述N-DBR的部分顶面、所述有源层的侧壁、所述P-DBR的侧壁和所述第二缓冲层的侧壁上沉积掩模。
在本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器及其制造方法中，通过在有源层上设置量子阱结构、N-DBR和P-DBR上设置多模结构，实现了单模偏振，偏振更敏感，能够降低VCSEL的阈值电流，提高了光电转换效率使得输出光束的质量更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的制造垂直腔面发射激光器的方法的流程示意图。
附图标记说明：
1-N电极； 2-衬底；
3-第一缓冲层； 4-N-DBR；
5-有源层； 6-P-DBR；
7-第二缓冲层； 8-掩模；
9-P电极； 201～203-各步骤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现参照图1和图2，对本发明提供的垂直腔面发射激光器及其制造方法的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成任何特别限定。
图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图。如图1所示，在本发明的一个实施例中，垂直腔面发射激光器包括N-DBR(分布布拉格反射镜，Distributed Bragg Reflector)4、有源层5和P-DBR 6。具体地，N-DBR 4设置在衬底2上方并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜。有源层5设置在N-DBR 4上并且包括层叠设置的量子阱结构。而P-DBR 6设置在有源层5上并且包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
更具体地，在一个实施例中，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器包括：在N电极1上依次层叠设置的衬底2、第一缓冲层3、N-DBR 4、有源层5、P-DBR 6和第二缓冲层7。N-DBR 4包括被有源层5覆盖的第一顶面以及暴露的第二顶面，其中，第二顶面、有源层5的侧壁、P-DBR 6的侧壁和第二缓冲层7的侧壁覆盖有掩模8。另外，垂直腔面发射激光器还包括位于第二缓冲层7上的P电极9。
具体地，在本发明的一个实施例中，衬底2采用Si材料。在另一个实施例中，衬底2的厚度为500纳米。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，第一缓冲层3位于衬底2上，并且可选地，第一缓冲层3为GaAs材料。
此外，N-DBR 4位于第一缓冲层3上，N-DBR 4包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜。有源层5位于N-DBR 4上，有源层5包括层叠设置的量子阱结构。另外，P-DBR 6位于有源层5上，P-DBR6包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。进一步地，例如，第二缓冲层7位于P-DBR 6上，并且可选地，第二缓冲层7可以采用AlGaAs材料。
继续参见图1，在第二缓冲层7上形成有P电极9。在一个实施例中，P电极9为环状，厚度为350nm，采用Ti-Pt-Au结构。在如图所示的实施例中，在衬底2与第一缓冲层3相对的一侧形成有N电极1，N电极1可以采用Ge、Au、或者Ni-Au结构，并在N电极1上刻蚀出垂直腔面发射激光器的出光孔。
除此之外，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器还包括掩模8。例如，可以将第二缓冲层7、P-DBR 6和有源层5进行刻蚀形成圆柱形台体，被圆柱形台体覆盖的N-DBR 4的顶面为第一顶面，N-DBR 4未被圆柱形台体覆盖的顶面为第二顶面。第二顶面覆盖有掩模8，有源层5、P-DBR 6和第二缓冲层7形成的圆柱形台体的侧壁也覆盖有掩模8。在一个实施例中，掩模8采用SiO2材料，厚度为300nm，用于提高激光器的整体性能。
本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器，通过在有源层5上设置量子阱结构、N-DBR 4和P-DBR 6上设置多模结构，实现了单模偏振，偏振更敏感，能够降低VCSEL的阈值电流，提高了光电转换效率使得输出光束的质量更高。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，N-DBR 4包括至少7个分布布拉格反射镜，每个分布布拉格反射镜是由Si层和位于Si层上的SiO2层排列构成的，每层材料的光学厚度为垂直腔面发射激光器中心波长的1/4。在一个实施例中，垂直腔面发射激光器中心波长可以为835nm，形成的N-DBR 4的折射率在99％以上。
进一步地，在一个实施例中，N-DBR 4还包括位于至少7个第一分布布拉格反射镜上的AlGaAs包层、以及位于AlGaAs包层上的空气层。具体地，N-DBR包括3层：由至少7个第一分布布拉格反射镜组成的第一层，第二层为AlGaAs包层，第三层为空气层。其中，AlGaAs包层中包含的铝的含量在生长方向上发生突变。具体地，AlGaAs包层中包含的铝的含量由层底向层顶的位置发生突变，即，层底铝含量低，而层顶铝含量高，用于抚平N-DBR 4中导带和价带的能量尖峰。
本发明实施例采用亚波长光栅结构，从而形成单模偏振稳定的VCSEL，其偏振更敏感，使得其在光互连、气体检测、激光测距、光学传感等方面有广泛应用。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，层叠设置的量子阱结构包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。在一个实施例中，有源层5包括3个层叠设置的量子阱结构，每个量子阱结构的厚度可以为14nm。通过在有源层5上设置量子阱结构实现了在激射光共振的方向经过增益材料的增加，提高了光学效果。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，P-DBR 6包括至少22个第二分布布拉格反射镜，并且每个第二分布布拉格反射镜包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。其中，AlGaAs层的折射率大于GaAs层的折射率。在具体的实施例中，每层材料的光学厚度为垂直腔面发射激光器中心波长的1/4。在一个实施例中，垂直腔面发射激光器中心波长可以为835nm，形成的P-DBR 6的折射率在99％以上。同时P-DBR 6可以AlGaAs采用Al的价态0.12-0.9渐变组分组成的P-DBR。也就是说，AlGaAs层中Al的价态由最底层向最顶层渐变，最底层AlGaAs层中Al的价态为0.12，最顶层AlGaAs层中Al的价态为0.9，可用于提供激光器的光增益。
图2为本发明实施例提供的制造垂直腔面发射激光器的方法的流程示意图，例如该方法可以包括以下步骤：
步骤201，在衬底2上方形成N-DBR 4，N-DBR 4包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜。
具体地，在衬底2上方生长N-DBR 4，N-DBR 4包括例如至少7个层叠设置的第一分布布拉格反射镜。其中，每个分布布拉格反射镜是由Si层和位于Si层上的SiO2层排列构成的，每层材料的光学厚度例如为垂直腔面发射激光器中心波长的1/4。在一个实施例中，垂直腔面发射激光器中心波长可以为835nm，形成的N-DBR 4的折射率在99％以上。其中，衬底2可以采用Si基材料，并且例如衬底2的厚度为500nm。
N-DBR 4还包括位于至少7个第一分布布拉格反射镜上的AlGaAs包层、以及位于AlGaAs包层上的空气层。具体地，N-DBR 4包括3层：由至少7个第一分布布拉格反射镜组成的第一层，第二层为AlGaAs包层，第三层为空气层。其中，AlGaAs包层中包含的铝的含量在生长方向上发生突变。具体地，AlGaAs包层中包含的铝的含量由层底向层顶的位置发生突变，即，层底铝含量低，而层顶铝含量高，用于抚平N-DBR 4中导带和价带的能量尖峰。
步骤202，在N-DBR 4上形成有源层5，有源层5包括层叠设置的量子阱结构。
具体地，形成N-DBR 4后，在N-DBR 4上生长有源层5，有源层5例如包括3个层叠设置的量子阱结构。每个量子阱结构包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层排列构成。在一个实施例中，每个量子阱结构的厚度为14nm。
步骤203，在有源层5上形成P-DBR 6，P-DBR 6包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
具体地，形成有源层5后，在有源层5上生长P-DBR 6，P-DBR 6例如包括至少22个第二分布布拉格反射镜，每个第二分布布拉格反射镜包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。其中，AlGaAs层的折射率大于GaAs层的折射率。
在一个实施例中，每层材料的光学厚度为垂直腔面发射激光器中心波长的1/4。例如，垂直腔面发射激光器中心波长可以为835nm，形成的P-DBR 6的折射率在99％以上。同时，P-DBR 6可以AlGaAs采用Al的价态0.12-0.9渐变组分组成的P-DBR 6。也就是说，AlGaAs层中Al的价态由最底层向最顶层渐变，最底层AlGaAs层中Al的价态为0.12，最顶层AlGaAs层中Al的价态为0.9，可用于提供激光器的光增益。然后，在P-DBR 6上生长第二缓冲层7，例如第二缓冲层7采用AlGaAs材料。
本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器制作方法，通过在有源层5上设置量子阱结构、N-DBR 4和P-DBR 6上设置多模结构，实现了单模偏振，偏振更敏感，能够降低VCSEL的阈值电流，提高了光电转换效率使得输出光束的质量更高。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，该制造方法还包括以下步骤：
在衬底2的顶面上形成第一缓冲层3，并在第一缓冲层3上形成如上所述的N-DBR4；
在P-DBR 6上形成第二缓冲层7；
对有源层5、P-DBR 6和第二缓冲层7进行蚀刻，以暴露N-DBR 4的部分顶面，在N-DBR 4的部分顶面、有源层5的侧壁、P-DBR 6的侧壁和第二缓冲层7的侧壁上沉积掩模；
并在第二缓冲层7上形成P电极9；以及
对衬底2的底面进行减薄并在衬底2的底面上形成N电极1。
具体地，在衬底2上生长第一缓冲层3之前，可以采用等离子体干法刻蚀工艺在Si衬底上刻蚀，使衬底2朝向第一缓冲层3的一侧的表面刻蚀光滑。例如，刻蚀后的衬底2表面的均方根粗糙度小于1nm。其中，在干法刻蚀时例如可以使用SiCl4/Ar/H2气体。
在衬底2上生长第一缓冲层3，第一缓冲层3例如可以采用GaAs材料。在一个实施例中，第一缓冲层3的厚度为50nm。然后，在第一缓冲层3上生长N-DBR 4。
此外，在P-DBR 6上生长第二缓冲层7，例如第二缓冲层7可以采用AlGaAs材料。
对有源层5、P-DBR 6和第二缓冲层7进行蚀刻，以暴露N-DBR 4的部分顶面；在N-DBR 4的部分顶面、有源层5的侧壁、P-DBR 6的侧壁和第二缓冲层7的侧壁上沉积掩模8。
例如，将第二缓冲层7、P-DBR 6和有源层5进行刻蚀形成圆柱形台体。圆柱形台体覆盖的N-DBR 4的顶面为第一顶面，N-DBR 4未被圆柱形台体覆盖的顶面为第二顶面。采用等离子体增强化学汽相沉积法在N-DBR 4的部分顶面、有源层5的侧壁、P-DBR 6的侧壁和第二缓冲层7的侧壁上沉积SiO2作为掩模8。在一个实施例中，掩模8的厚度为300nm，用于提高激光器的整体性能。
在制作完成掩模8后，利用电子束溅射法在第二缓冲层7的表面上溅射形成P电极9。P电极9的厚度例如可以是350nm，采用Ti-Pt-Au结构，P电极9可以制作成环状。此外，可以将衬底2的厚度减至例如300nm，利用真空镀膜装备，在300℃温度下在衬底2与第一缓冲层3相对的一面蒸镀Ge/Au/Ni-Au结构，并进行快速热处理之后，形成N电极1。形成N电极1之后，可以利用等离子体干法刻蚀工艺在N电极1上刻蚀出垂直腔面发射激光器的出光孔。
下面以制作本发明提供的垂直腔面发射激光器的过程为例，来详细说明垂直腔面发射激光器的制作过程：
步骤一、在Si材料的衬底2上生长第一缓冲层3，接着在第一缓冲层3上在1000-1300℃环境下生长出N-DBR 4，N-DBR 4包括7个第一分布布拉格反射镜，7个第一分布布拉格反射镜包括Si层和位于Si层上的SiO2层。在生长的过程中，采用金属键合方法将Si层和SiO2层粘在一起，每层材料的光学厚度为垂直腔面发射激光器中心波长的1/4，垂直腔面发射激光器中心波长可以为835nm。制作完成的N-DBR 4的折射率在99％以上。
步骤二、采用金属有机物化学汽相沉积技术在N-DBR 4上生长3个量子阱结构，每个量子阱结构包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层，每个量子阱结构的厚度为14nm，3个量子阱结构堆栈组成有源层5。
步骤三、在有源层5上生长P-DBR 6，P-DBR 6包括22个第二分布布拉格反射镜，每个第二分布布拉格反射镜包括GaAs层和位于GaAs层上的AlGaAs层。其中，AlGaAs层的折射率大于GaAs层的折射率。在生长的过程中，采用金属键合方法将AlGaAs层和GaAs层粘在一起，每层材料的光学厚度为垂直腔面发射激光器中心波长的1/4，垂直腔面发射激光器中心波长可以为835nm。形成的P-DBR 6的折射率在99％以上。然后在P-DBR 6上生长第二缓冲层7，第二缓冲层7采用AlGaAs材料。
步骤四、通过低压等离子体刻蚀方法，对第二缓冲层7、P-DBR 6和有源层5进行刻蚀形成圆柱形台体。对未被圆柱形台体覆盖的第二顶面、有源层5的侧壁、P-DBR 6的侧壁和第二缓冲层7的侧壁形成掩模8。
步骤五、利用等离子体增强化学汽相淀积法在未被圆柱形台体覆盖的第二顶面、有源层5的侧壁、P-DBR 6的侧壁和第二缓冲层7的侧壁淀积300nm厚的SiO2作为掩模8，以提高激光器的整体性能。
步骤六、利用电子束溅射法在第二缓冲层7上溅射厚度为350nm的Ti-Pt-Au结构，作为P电极9，P电极9呈圆环状。再将Si衬底的厚度减至300nm，然后利用真空镀膜装备，在300℃蒸镀Ge/Au/Ni-Au结构在Si衬底与生长第一缓冲层3相对的一侧的表面上，进行快速热处理之后，在Si衬底上形成N电极1。最后，再利用等离子体干法刻蚀技术在N电极1上刻蚀出垂直腔面发射激光器的出光孔。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
N-DBR，所述N-DBR设置在衬底上方并且包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；
有源层，所述有源层设置在所述N-DBR上并且包括层叠设置的量子阱结构；
P-DBR，所述P-DBR设置在所述有源层上并且包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述N-DBR包括至少7个所述第一分布布拉格反射镜，每个所述第一分布布拉格反射镜包括Si层和位于所述Si层上的SiO2层。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述N-DBR还包括位于层叠设置的所述第一分布布拉格反射镜上的AlGaAs包层、以及位于所述AlGaAs包层上的空气层。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层包括3个层叠设置的所述量子阱结构，每个所述量子阱结构包括GaAs层和位于所述GaAs层上的AlGaAs层。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述P-DBR包括至少22个所述第二分布布拉格反射镜，每个所述第二分布布拉格反射镜包括GaAs层和位于所述GaAs层上的AlGaAs层，其中，所述AlGaAs层的折射率大于所述GaAs层的折射率。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
N电极，所述N电极设置在所述衬底的底面上；
第一缓冲层，所述第一缓冲层设置在所述衬底的顶面和所述N-DBR之间；
第二缓冲层，所述第二缓冲层设置在所述P-DBR上；
P电极，所述P电极设置在所述第二缓冲层上。
7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述N-DBR包括被所述有源层覆盖的第一顶面以及暴露的第二顶面，其中，所述第二顶面、所述有源层的侧壁、所述P-DBR的侧壁和所述第二缓冲层的侧壁覆盖有掩模。
8.一种制造垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，包括：
在衬底上方形成N-DBR，所述N-DBR包括层叠设置的第一分布布拉格反射镜；
在所述N-DBR上形成有源层，所述有源层包括层叠设置的量子阱结构；
在所述有源层上形成P-DBR，所述P-DBR包括层叠设置的第二分布布拉格反射镜。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底的顶面上形成第一缓冲层，并在所述第一缓冲层上形成所述N-DBR；
在所述P-DBR上形成第二缓冲层，并在所述第二缓冲层上形成P电极；
对所述衬底的底面进行减薄并在所述衬底的底面上形成N电极。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述有源层、所述P-DBR和所述第二缓冲层进行蚀刻，以暴露所述N-DBR的部分顶面；
在所述N-DBR的部分顶面、所述有源层的侧壁、所述P-DBR的侧壁和所述第二缓冲层的侧壁上沉积掩模。
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