CN115714304A - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，涉及半导体技术领域，包括：在衬底上依次形成N型欧姆接触层、N型布拉格反射镜层、多量子阱有源层和P型布拉格反射镜层；在P型布拉格反射镜层上形成第一绝缘层并刻蚀第一绝缘层形成环形开口；在P型布拉格反射镜层上对应环形开口内沉积形成P电极；台面刻蚀第一绝缘层至露出N型欧姆接触层；对P型布拉格反射镜层进行侧向氧化；在N型欧姆接触层、台阶结构和第一绝缘层的表面形成第二绝缘层，其中，位于P电极的侧壁与第一绝缘层的侧壁之间的第二绝缘层形成反射涂层，位于P电极形成的光窗内的第一绝缘层以及位于第一绝缘层上的第二绝缘层形成抗反射涂层。该方法能够限制高阶横模，实现单横模的稳定输出。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL)，又可以称为垂直共振腔面射型激光，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。

现有技术中的垂直腔面发射激光器，通常包括依次层叠设置于衬底上的N型布拉格反射镜、量子阱、具有电流限制孔的氧化限制层和P型布拉格反射镜，以通过氧化限制层实现单模输出。但是，由于电流限制孔的孔径唯一，因此，无法达到限制高阶横模的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，能够限制高阶横模，实现单横模的稳定输出。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明实施例的一方面，提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：在衬底上依次形成N型欧姆接触层、N型布拉格反射镜层、多量子阱有源层和P型布拉格反射镜层；在所述P型布拉格反射镜层上形成第一绝缘层，并刻蚀所述第一绝缘层形成环形开口；在所述P型布拉格反射镜层上对应所述环形开口内沉积形成P电极，其中，所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间具有预设间隙；台面刻蚀所述第一绝缘层至露出所述N型欧姆接触层，以使所述N型布拉格反射镜层、所述多量子阱有源层和所述P型布拉格反射镜层形成台阶结构；对所述P型布拉格反射镜层进行侧向氧化，以在所述P型布拉格反射镜层上形成具有电流限制孔的氧化限制层；在所述N型欧姆接触层、所述台阶结构和所述第一绝缘层的表面形成第二绝缘层，其中，位于所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间的所述第二绝缘层形成反射涂层，位于所述P电极形成的光窗内的所述第一绝缘层以及位于所述第一绝缘层上的所述第二绝缘层形成抗反射涂层。

作为一种可实施的方式，波长为λ的光在所述反射涂层中的折射率为n₁，所述反射涂层的厚度为d₁，且满足关系式：

其中，z为正整数。

作为一种可实施的方式，波长为λ的光在所述抗反射涂层中的折射率为n₂，所述抗反射涂层的厚度为d₂，且满足关系式：

其中，z为正整数。

作为一种可实施的方式，所述电流限制孔与所述光窗在层叠方向上正对应。

作为一种可实施的方式，所述抗反射涂层与所述光窗在层叠方向上正对应。

作为一种可实施的方式，所述电流限制孔的孔径小于所述光窗的孔径。

作为一种可实施的方式，所述抗反射涂层的宽度小于所述电流限制孔的孔径。

作为一种可实施的方式，所述抗反射涂层的形状为圆形。

作为一种可实施的方式，所述抗反射涂层的材料为SiO₂或SiN。

本发明实施例的另一方面，提供一种垂直腔面发射激光器，包括衬底、以及依次层叠设置于所述衬底上的N型欧姆接触层、N型布拉格反射镜层、多量子阱有源层、具有电流限制孔的氧化限制层和P型布拉格反射镜层，所述P型布拉格反射镜层上设置有P电极以及位于所述P电极形成的光窗内的第一绝缘层，所述P型布拉格反射镜层上对应所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间以及所述第一绝缘层背离所述P型布拉格反射镜层的一侧均设置有第二绝缘层，位于所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间的所述第二绝缘层形成反射涂层，位于所述光窗内的所述第一绝缘层以及位于所述第一绝缘层上的所述第二绝缘层形成抗反射涂层。

本发明实施例的有益效果包括：

该方法通过在衬底上依次形成N型欧姆接触层、N型布拉格反射镜层、多量子阱有源层和P型布拉格反射镜层；通过在P型布拉格反射镜层上形成第一绝缘层，并刻蚀第一绝缘层形成环形开口；通过在P型布拉格反射镜层上对应环形开口内沉积形成P电极；通过台面刻蚀第一绝缘层至露出N型欧姆接触层；通过对P型布拉格反射镜层进行侧向氧化；通过在N型欧姆接触层、台阶结构和第一绝缘层的表面形成第二绝缘层，其中，位于P电极的侧壁与第一绝缘层的侧壁之间的第二绝缘层形成反射涂层，位于P电极形成的光窗内的第一绝缘层以及位于第一绝缘层上的第二绝缘层形成抗反射涂层。这样一来，便可以利用反射涂层和抗反射涂层的厚度不同，使得反射涂层和抗反射涂层的反射率不同，从而使得入射波通过反射涂层时会被反射(即对传统的氧化限制型垂直腔面发射激光器的高阶横模激射区域进行限制)，而通过抗反射涂层时能够穿透出射，进而抑制横向边模效应，使得高阶模式的镜面反射率相对降低，达到限制高阶模激射的目的，有效实现单横模的稳定输出，大大减小误码率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备状态图之一；

图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备状态图之二；

图4为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备状态图之三；

图5为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备状态图之四；

图6为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备状态图之五；

图7为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备状态图之六；

图8为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之一；

图9为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之二。

图标：110-衬底；120-N型欧姆接触层；121-N电极；130-N型布拉格反射镜层；140-多量子阱有源层；150-氧化限制层；151-电流限制孔；160-P型布拉格反射镜层；161-P电极；170-第一绝缘层；171-环形开口；180-第二绝缘层；A-台阶结构；B-反射涂层；C-抗反射涂层。

具体实施方式

下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。

应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。

应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。

诸如“在…下方”或“在…上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。

除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。

请结合参照图1至图9，本申请提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：

S100、在衬底110上依次形成N型欧姆接触层120、N型布拉格反射镜层130、多量子阱有源层140和P型布拉格反射镜层160；

需要说明的是，如图2所示，在衬底110上形成N型欧姆接触层120，以便于后续步骤中通过N型欧姆接触层120实现N电极121与N型布拉格反射镜层130之间的电连接，然后在N型欧姆接触层120上形成N型布拉格反射镜层130，在N型布拉格反射镜层130上形成多量子阱有源层140，在多量子阱有源层140上形成P型布拉格反射镜层160，其中，N型布拉格反射镜层130和P型布拉格反射镜层160均包括依次层叠设置的多个组成单元，每个组成单元均包括两个不同折射率的AlGaAs层。关于每个组成单元的AlGaAs层的实际折射率，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。

S200、在P型布拉格反射镜层160上形成第一绝缘层170，并刻蚀第一绝缘层170形成环形开口171；

需要说明的是，如图3所示，在P型布拉格反射镜层160背离多量子阱有源层140的一侧(即器件的出光侧)镀设绝缘薄膜形成第一绝缘层170，并通过刻蚀第一绝缘层170形成环形开口171(即传统的氧化限制型垂直腔面发射激光器的高阶横模激射区域)，即图案化第一绝缘层170。关于环形开口171的实际形状，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。示例地，环形开口171的形状可以为圆形、椭圆形或多边形等，只需使得环形开口171的形状具有封闭性即可。

S300、在P型布拉格反射镜层160上对应环形开口171内沉积形成P电极161，其中，P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间具有预设间隙；

需要说明的是，如图4所示，在P型布拉格反射镜层160上对应环形开口171内沉积形成P电极161，且P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间具有预设间隙，以使后续S600在台阶结构A的表面(包括P型布拉格反射镜层160背离多量子阱有源层140的一侧)镀设绝缘薄膜形成第二绝缘层180时，位于P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间的P型布拉格反射镜层160上能够形成第二绝缘层180。关于预设间隙的实际大小，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。

S400、台面刻蚀第一绝缘层170至露出N型欧姆接触层120，以使N型布拉格反射镜层130、多量子阱有源层140和P型布拉格反射镜层160形成台阶结构A；

需要说明的是，如图5所示，通过台面刻蚀第一绝缘层170至露出N型欧姆接触层120，以使N型布拉格反射镜层130、多量子阱有源层140和P型布拉格反射镜层160形成台阶结构A，从而便于后续S500对P型布拉格反射镜层160进行侧向氧化，提高侧向氧化的氧化效率。在此步骤中，可以将位于P电极161外侧的第一绝缘层170全部或部分去除，本领域技术人员应当能够根据台面直径进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。

S500、如图6所示，对P型布拉格反射镜层160进行侧向氧化，以在P型布拉格反射镜层160上形成具有电流限制孔151的氧化限制层150，以通过电流限制孔151对电流的流向起到引导和限制的作用；

S600、在N型欧姆接触层120、台阶结构A和第一绝缘层170的表面形成第二绝缘层180，其中，位于P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间的第二绝缘层180形成反射涂层B，位于P电极161形成的光窗内的第一绝缘层170以及位于第一绝缘层170上的第二绝缘层180形成抗反射涂层C。

需要说明的是，如图7所示，在N型欧姆接触层120、台阶结构A和第一绝缘层170的表面形成第二绝缘层180时，一方面，可以通过第二绝缘层180将N型欧姆接触层120、台阶结构A和第一绝缘层170保护起来，另一方面，还可以通过不同厚度的绝缘薄膜实现破坏性干涉，改善器件的光谱质量，使得模态趋于单一。具体地，由于P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间具有预设间隙，因此，在器件的出光侧，位于P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间的P型布拉格反射镜层160以及位于P电极161内侧的第一绝缘层170上均形成有第二绝缘层180，位于P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间的第二绝缘层180共同形成反射涂层B，位于P电极161形成的光窗内的第一绝缘层170以及位于第一绝缘层170上的第二绝缘层180共同形成抗反射涂层C。这样一来，便可以利用反射涂层B和抗反射涂层C的厚度不同，使得反射涂层B和抗反射涂层C的反射率不同，从而使得入射波通过反射涂层B时会被反射(即对传统的氧化限制型垂直腔面发射激光器的高阶横模激射区域进行限制)，而通过抗反射涂层C时能够穿透出射，进而抑制横向边模效应，使得高阶模式的镜面反射率相对降低，达到限制高阶模激射的目的，有效实现单横模的稳定输出，大大减小误码率。

还需要说明的是，如图8所示，在N型欧姆接触层120、台阶结构A和第一绝缘层170的表面形成第二绝缘层180之后，该方法还应当包括：

S700、刻蚀第二绝缘层180形成另一开口，并在N型欧姆接触层120上对应该开口内沉积形成N电极121，以通过P电极161和N电极121实现器件的电连接。

作为一种可实施的方式，波长为λ的光在反射涂层B中的折射率为n₁，反射涂层B的厚度为d₁，且满足关系式：

其中，z为正整数，以使反射涂层B的折射率能够达到最大反射率，从而使得入射波能够被反射涂层B反射，抑制横向边模效应。

作为一种可实施的方式，波长为λ的光在抗反射涂层C中的折射率为n₂，抗反射涂层C的厚度为d₂，且满足关系式：

其中，z为正整数，以使抗反射涂层C的折射率能够达到最小反射率，从而使得入射波能够穿透抗反射涂层C出射。

上述两个关系式中的z为正整数，例如z可以为1、2、3、4、5或6等，关于z的实际取值，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。示例地，在实际生产制造过程中，根据反射涂层B的厚度和抗反射涂层C的厚度的优选范围，可以取z为1或2代入对应关系式进行计算。

作为一种可实施的方式，如图8所示，电流限制孔151与光窗在层叠方向上正对应，以通过电流限制孔151对电流的流向起到引导和限制的作用，这样一来，电流在流经氧化限制层150时，便会被局限在电流限制孔151内，以使较高的腔内电流密度注入到多量子阱有源层140，从而获得较高的内部量子效率，进而实现单模输出。

进一步地，作为一种可实施的方式，如图8所示，抗反射涂层C与光窗在层叠方向上正对应。由于第一绝缘层170上的开口为环形开口171，因此，抗反射涂层C与光窗在层叠方向上正对应，意味着反射涂层B与光窗在层叠方向上也正对应，以使垂直腔面发射激光器的出光效果更好。

作为一种可实施的方式，如图9所示，电流限制孔151的孔径D2小于光窗的孔径D1，以通过氧化限制层150抑制高阶横模态，从而实现单模输出。进一步地，作为一种可实施的方式，如图9所示，抗反射涂层C的宽度D3小于电流限制孔151的孔径D1，以通过围设于抗反射涂层C外缘的反射涂层B抑制横向边模效应，从而进一步优化改善垂直腔面发射激光器的光谱质量。

作为一种可实施的方式，抗反射涂层C的形状为圆形(此时上述的抗反射涂层C的宽度即抗反射涂层C的直径)。众所周知，圆形是一种对称形状，通过将抗反射涂层C的形状设计为圆形，并通过围设于抗反射涂层C外缘的反射涂层B抑制横向边模效应，可以放宽对电流限制孔151的孔径的设计要求，从而增加器件的可靠性，提升光功率效能。

作为一种可实施的方式，抗反射涂层C的材料为SiO₂或SiN。换句话说，第一绝缘层170和第二绝缘层180的材料可以相同，以通过单一介电质材料简化器件的加工工艺。当然，在其他实施例中，第一绝缘层170和第二绝缘层180的材料也可以不同，这里不作具体限制。

如图8和图9所示，本申请还提供一种垂直腔面发射激光器，包括衬底110、以及依次层叠设置于衬底110上的N型欧姆接触层120、N型布拉格反射镜层130、多量子阱有源层140、具有电流限制孔151的氧化限制层150和P型布拉格反射镜层160，P型布拉格反射镜层160上设置有P电极161以及位于P电极161形成的光窗内的第一绝缘层170，P型布拉格反射镜层160上对应P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间以及第一绝缘层170背离P型布拉格反射镜层160的一侧均设置有第二绝缘层180，位于P电极161的侧壁与第一绝缘层170的侧壁之间的第二绝缘层180形成反射涂层B，位于光窗内的第一绝缘层170以及位于第一绝缘层170上的第二绝缘层180形成抗反射涂层C。

需要说明的是，本实施例提供的垂直腔面发射激光器的具体结构与前文中垂直腔面发射激光器的制备方法相同的地方，本领域技术人员可以根据前文中垂直腔面发射激光器的制备方法的描述推理得到垂直腔面发射激光器的具体结构，本申请不再重复说明。由于本实施例提供的垂直腔面发射激光器是采用上述的垂直腔面发射激光器的制备方法制得的，因此，该垂直腔面发射激光器具有与上述的垂直腔面发射激光器的制备方法相同的有益效果，这里也不再赘述。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上依次形成N型欧姆接触层、N型布拉格反射镜层、多量子阱有源层和P型布拉格反射镜层；

在所述P型布拉格反射镜层上形成第一绝缘层，并刻蚀所述第一绝缘层形成环形开口；

在所述P型布拉格反射镜层上对应所述环形开口内沉积形成P电极，其中，所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间具有预设间隙；

台面刻蚀所述第一绝缘层至露出所述N型欧姆接触层，以使所述N型布拉格反射镜层、所述多量子阱有源层和所述P型布拉格反射镜层形成台阶结构；

对所述P型布拉格反射镜层进行侧向氧化，以在所述P型布拉格反射镜层上形成具有电流限制孔的氧化限制层；

在所述N型欧姆接触层、所述台阶结构和所述第一绝缘层的表面形成第二绝缘层，其中，位于所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间的所述第二绝缘层形成反射涂层，位于所述P电极形成的光窗内的所述第一绝缘层以及位于所述第一绝缘层上的所述第二绝缘层形成抗反射涂层。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，波长为λ的光在所述反射涂层中的折射率为n₁，所述反射涂层的厚度为d₁，且满足关系式：

其中，z为正整数。

3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，波长为λ的光在所述抗反射涂层中的折射率为n₂，所述抗反射涂层的厚度为d₂，且满足关系式：

其中，z为正整数。

4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述电流限制孔与所述光窗在层叠方向上正对应。

5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述抗反射涂层与所述光窗在层叠方向上正对应。

6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述电流限制孔的孔径小于所述光窗的孔径。

7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述抗反射涂层的宽度小于所述电流限制孔的孔径。

8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述抗反射涂层的形状为圆形。

9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述抗反射涂层的材料为SiO₂或SiN。

10.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括衬底、以及依次层叠设置于所述衬底上的N型欧姆接触层、N型布拉格反射镜层、多量子阱有源层、具有电流限制孔的氧化限制层和P型布拉格反射镜层，所述P型布拉格反射镜层上设置有P电极以及位于所述P电极形成的光窗内的第一绝缘层，所述P型布拉格反射镜层上对应所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间以及所述第一绝缘层背离所述P型布拉格反射镜层的一侧均设置有第二绝缘层，位于所述P电极的侧壁与所述第一绝缘层的侧壁之间的所述第二绝缘层形成反射涂层，位于所述光窗内的所述第一绝缘层以及位于所述第一绝缘层上的所述第二绝缘层形成抗反射涂层。

Images