一种垂直腔面发射激光器及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种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由于单纵模、输出圆形光斑等特点，使其应用越来越广泛。

长期以来，垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，以下简称vcsel)一直处于低功率水平，使这种器件的应用受到极大的制约，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，限制了垂直腔面发射激光器的进一步发展。

因此，如何提出一种垂直腔面发射半导体激光器，能够降低vcsel的阈值电流，提高光电转换效率成为业界亟待解决的重要课题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。

一方面，本发明提出一种垂直腔面发射激光器，包括依次层叠的n电极、衬底、第一缓冲层、第一分布布拉格反射镜组、有源层、第二分布布拉格反射镜组和第二缓冲层，对所述第二缓冲层、所述第二分布布拉格反射镜组和所述有源层进行刻蚀形成的圆柱形台体以及围绕所述圆柱形台体的所述第一分布布拉格反射镜组的部分表面，在所述圆柱形台体的侧壁和所述部分表面上形成的掩膜，和位于所述第二缓冲层上的p电极；

其中，所述第一分布布拉格反射镜组包括至少10对层叠设置的分布布拉格反射镜，所述第一分布布拉格反射镜组中包含的铝的含量在生长方向上发生突变，所述有源层包括2至4个层叠设置的量子阱结构，所述部分表面与所述第一分布布拉格反射镜组和所述有源层的接触平面共面且所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触。

其中，靠近所述有源层的所述第一分布布拉格反射镜组中的三对所述分布布拉格反射镜的铝含量为90％，所述第一分布布拉格反射镜组中其余的所述分布布拉格反射镜的铝含量为20％。

其中，所述第一分布布拉格反射镜组包括36对所述分布布拉格反射镜。

其中，所述有源层包括2个所述量子阱结构，每个所述量子阱结构的厚度为6纳米。

其中，所述第二分布布拉格反射镜组包括22对所述分布布拉格反射镜。

其中，所述衬底的厚度为100微米，所述第一缓冲层的厚度为50纳米。

其中，所述p电极的厚度为350纳米。

另一方面，本发明提供一种垂直腔面发射激光器的的制作方法，包括：

在衬底上生长第一缓冲层，并在所述第一缓冲层上生长第一分布布拉格反射镜组；其中，所述第一分布布拉格反射镜组包括至少10对分布布拉格反射镜，所述第一分布布拉格反射镜组中包含的铝的含量在生长方向上发生突变；

在所述第一分布布拉格反射镜组上生长有源层，所述有源层包括2至4个量子阱结构；

在所述有源层上生长第二分布布拉格反射镜组，并在所述第二分布布拉格反射镜组上生长第二缓冲层；

对所述第二缓冲层、所述第二分布布拉格反射镜组和所述有源层进行刻蚀，制作出圆柱形台体并露出围绕所述圆柱形台体的所述第一分布布拉格反射镜组的部分表面，所述部分表面与所述第一分布布拉格反射镜组和所述有源层的接触平面共面且所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触；

在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜的部分表面形成掩膜；

在所述第二缓冲层上制作p电极，并对所述衬底进行减薄后制作n电极。

本发明提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法，通过有源层的量子阱结构、第一分布布拉格反射镜组和第二分布布拉格反射镜组，实现超窄线宽和平顶陡边光谱响应，能够降低vcsel的阈值电流，提高光电转换效率。

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一简单地介绍，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为本发明一实施例垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；

图2为本发明一实施例垂直腔面发射激光器的制作方法的流程示意图；

附图标记说明：

1-n电极；2-衬底；

3-第一缓冲层；4-第一分布布拉格反射镜组；

5-有源层；6-第二分布布拉格反射镜组；

7-第二缓冲层；8-掩膜；

9-p电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、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做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。

图1为本发明一实施例垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图，如图1所示，本发明提供的垂直腔面发射激光器，包括：依次层叠的n电极1、衬底2、第一缓冲层3、第一分布布拉格反射镜组4、有源层5、第二分布布拉格反射镜组6和第二缓冲层7，对第二缓冲层7、第二分布布拉格反射镜组6和有源层5进行刻蚀形成的圆柱形台体以及围绕所述圆柱形台体的第一分布布拉格反射镜组4的部分表面，在所述圆柱形台体的侧壁和所述部分表面上形成的掩膜8，以及位于第二缓冲层7上的p电极9；

其中，第一分布布拉格反射镜组4包括至少10对层叠设置的分布布拉格反射镜，第一分布布拉格反射镜组4中包含的铝的含量在生长方向上发生突变，有源层5包括2至4个层叠设置的量子阱结构，所述部分表面与第一分布布拉格反射镜组4和有源层5的接触平面共面且所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触。

衬底2采用gaas材料，衬底2的厚度可以为100微米，含有掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的si。在衬底2上生长的第一缓冲层3的厚度为50纳米，第一缓冲层3可以采用gaas材料。在第一缓冲层3上生长的第一分布布拉格反射镜组4包括至少10对层叠设置的分布布拉格反射镜，所述分布布拉格反射镜是由algaas和gaas两种不同折射率的材料层叠排列构成，包括一层algaas和一层gaas，每层材料的光学厚度为所述垂直腔面发射激光器中心波长的1/4，所述垂直腔面发射激光器中心波长可以为850nm，第一分布布拉格反射镜组4的折射率在99％以上。第一分布布拉格反射镜组4中包含的铝的含量在生长方向上发生突变，用于抚平第一分布布拉格反射镜组4中导带和价带的能量尖峰，例如，第一分布布拉格反射镜组4中相邻的两对所述分布布拉格反射镜，其中靠近第一缓冲层3的一对所述分布布拉格反射镜的algaas材料层中al的含量为20％，而靠近有源层5的一对所述分布布拉格反射镜的algaas材料层中al的含量为90％，使第一分布布拉格反射镜组4中铝的含量在生长方向上发生突变。其中，所述分布布拉格反射镜可以为n型。

在第一分布布拉格反射镜组4上生长有源层5，有源层5包括2至4个层叠设置的量子阱结构，每个所述量子阱结构的厚度可以为6nm，由gaas和algaas材料层叠排列构成，包括一层gaas和一层algaas。在有源层5生长有第二分布布拉格反射镜组6，第二分布布拉格反射镜组6可以由p型所述分布布拉格反射镜构成，用于提供激光器的光增益，第二分布布拉格反射镜组6的折射率在99％以上。在第二分布布拉格反射镜组6上生长有第二缓冲层7，第二缓冲层7可以采用algaas材料。对第二缓冲层7、第二分布布拉格反射镜组6和有源层5进行刻蚀形成圆柱形台体，并形成围绕所述圆柱形台体的所述第一分布布拉格反射镜组的部分表面，所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触，所述部分表面与第一分布布拉格反射镜组4和有源层5的接触平面共面，在所述圆柱形台体的侧壁和所述部分表面上形成掩膜8，掩膜8可以采用sio2材料，厚度为300nm，用于提高激光器的整体性能。

在第二缓冲层7上形成有p电极9，p电极9可以为环状，厚度为350nm，采用ti-pt-au结构。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上刻蚀出所述垂直腔面发射激光器的出光孔。

本发明提供的垂直腔面发射激光器，通过有源层的量子阱结构、第一分布布拉格反射镜组和第二分布布拉格反射镜组，实现超窄线宽和平顶陡边光谱响应，能够降低vcsel的阈值电流，提高光电转换效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，靠近有源层5的第一分布布拉格反射镜组4中的三对所述分布布拉格反射镜的铝含量为90％，第一分布布拉格反射镜组4中其余的所述分布布拉格反射镜的铝含量为20％。上述结构，实现了第一分布布拉格反射镜组4中包含的铝的含量在生长方向上发生突变。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第一分布布拉格反射镜组4包括36对所述分布布拉格反射镜，并掺杂硅杂质。

在上述各实施例的基础上，进一步地，有源层5包括2个所述量子阱结构，每个所述量子阱结构的厚度为6纳米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，第二分布布拉格反射镜组6包括22对所述分布布拉格反射镜，并掺杂锌杂质。

在上述各实施例的基础上，进一步地，衬底2的厚度为100微米，第一缓冲层3的厚度为50纳米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述p电极的厚度为350纳米。

图2为本发明一实施例垂直腔面发射激光器的制作方法的流程示意图，如图2所示，本发明提供的垂直腔面发射激光器的制作方法包括：

s201、在衬底上生长第一缓冲层，并在所述第一缓冲层上生长第一分布布拉格反射镜组；其中，所述第一分布布拉格反射镜组包括至少10对分布布拉格反射镜，所述第一分布布拉格反射镜组中包含的铝的含量在生长方向上发生突变；

具体地，在衬底生长第一缓冲层，所述第一缓冲层的厚度可以为50nm，采用gaas材料。然后在所述第一缓冲层上生长第一分布布拉格反射镜组，所述第一分布布拉格反射镜组包括至少10对的分布布拉格反射镜，并且第一分布布拉格反射镜组4中包含的铝的含量在生长方向上发生突变，形成的第一分布布拉格反射镜组6的折射率在99％以上。其中，所述衬底可以采用gaas基材料，含有掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的si，所述衬底的厚度通常为2毫米。

s202、在所述第一分布布拉格反射镜组上生长有源层，所述有源层包括2至4个量子阱结构；

具体地，形成所述第一分布布拉格反射镜组后，在所述第一分布布拉格反射镜组上生长有源层，所述有源层包括包括2至4个层叠设置的量子阱结构，每个所述量子阱结构的厚度可以为6nm，由gaas和algaas材料层叠排列构成，包括一层gaas和一层algaas。

s203、在所述有源层上生长第二分布布拉格反射镜组，并在所述第二分布布拉格反射镜组上生长第二缓冲层；

具体地，形成所述有源层后，在所述有源层生长第二分布布拉格反射镜组，所述第二分布布拉格反射镜组可以由p型所述分布布拉格反射镜构成，形成后的所述第二分布布拉格反射镜组的折射率在99％以上。再在所述第二分布布拉格反射镜组上生长第二缓冲层，所述第二缓冲层可以采用algaas材料。

s204、对所述第二缓冲层、所述第二分布布拉格反射镜组和所述有源层进行刻蚀，制作出圆柱形台体并露出围绕所述圆柱形台体的所述第一分布布拉格反射镜组的部分表面，所述部分表面与所述第一分布布拉格反射镜组和所述有源层的接触平面共面且所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触。

具体地，在形成所述第二缓冲层后，通过低压等离子体刻蚀方法对所述第二缓冲层、所述第二分布布拉格反射镜组和所述有源层进行刻蚀，制作出圆柱形台体，所述圆柱形台体位于所述第一分布布拉格反射镜组和所述有源层的接触平面上。并蚀刻露出围绕所述圆柱形台体的所述第一分布布拉格反射镜组的部分表面，所述部分表面与所述第一分布布拉格反射镜组和所述有源层的接触平面共面，且所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触。

s205、在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜的部分表面形成掩膜；

具体地，在形成圆柱形台体和所述部分表面后，采用等离子体增强化学气相淀积法在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜的部分表面上淀积一层sio2作为掩膜，所述掩膜的厚度可以是300nm。

s206、在所述第二缓冲层上制作p电极，并对所述衬底进行减薄后制作n电极。

具体地，在制作完成掩膜后，利用电子束溅射法在所述第二缓冲层的表面上溅射形成p电极，所述p电极的厚度可以是350nm，采用ti-pt-au结构，所述p电极可以制作成环状。将所述衬底的厚度减至100μm，利用真空镀膜装备，在300℃高温在所述衬底与所述第一缓冲层相对的一面蒸镀一层ge/au/ni-au结构，并进行快速热处理之后，形成n电极。形成所述n电极之后，可以利用等离子体干法刻蚀工艺在所述n电极上刻蚀出所述垂直腔面发射激光器的出光孔。

下面以制作一个本发明提供的垂直腔面发射激光器过程为例，来详细说明所述垂直腔面发射激光器的制作过程：

步骤一、在gaas衬底生长厚度为50nm的第一缓冲层，所述第一缓冲层采用gaas材料，gaas衬底的硅掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。接着在所述第一缓冲层上在1000-1300℃环境下生长出n型所述第一分布布拉格反射镜组，所述第一分布布拉格反射镜组包括36对所述分布布拉格反射镜，所述分布布拉格反射镜是由algaas和gaas两种不同折射率的材料层叠排列构成，包括一层algaas和一层gaas，在生长的过程中采用用金属键合方法将algaas层和gaas层粘在一起，每层材料的光学厚度为所述垂直腔面发射激光器中心波长的1/4，所述垂直腔面发射激光器中心波长可以为850nm。其中，所述第一分布布拉格反射镜组中包含的铝的含量在生长方向上发生突变，靠近所述有源层的所述第一分布布拉格反射镜组中的三对所述分布布拉格反射镜的铝含量为90％，所述第一分布布拉格反射镜组中其余的所述分布布拉格反射镜的铝含量为20％。制作完成的所述第一分布布拉格反射镜组4的折射率在99％以上。

步骤二、采用金属有机物化学气相淀积技术在n型所述第一分布布拉格反射镜组上生长2个量子阱结构，每个所述量子阱结构的厚度可以为6nm，由一层gaas和一层algaas材料构成，所述2个量子阱结构堆栈组成所述有源层。

步骤三、在所述有源层上生长p型所述第二分布布拉格反射镜组，所述第二分布布拉格反射镜组包括22对所述分布布拉格反射镜，所述分布布拉格反射镜是由algaas和gaas两种不同折射率的材料层叠排列构成，包括一层algaas和一层gaas，在生长的过程中采用用金属键合方法将algaas层和gaas层粘在一起，每层材料的光学厚度为所述垂直腔面发射激光器中心波长的1/4，所述垂直腔面发射激光器中心波长可以为850nm。其中，形成的所述第二分布布拉格反射镜组的折射率在99％以上。然后在所述第二分布布拉格反射镜组上生长所述第二缓冲层，所述第二缓冲层采用algaas材料。

步骤四、通过低压等离子体刻蚀方法，对所述第二缓冲层、所述第二分布布拉格反射镜组和所述有源层进行刻蚀形成圆柱形台体，并露出围绕所述圆柱形台体的n型所述第一分布布拉格反射镜组的部分表面，所述部分表面与所述圆柱形台体的侧壁相接触，所述部分表面与所述第一分布布拉格反射镜组和所述有源层的接触平面共面。

步骤五、利用等离子体增强化学气相淀积法在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜的部分表面上淀积一层300nm厚的sio2作为掩膜，以提高激光器的整体性能。

步骤六、利用电子束溅射法在所述第二缓冲层上溅射一层厚度为350nm的ti-pt-au结构，作为所述p电极，所述p电极呈圆环状。再将gaas衬底的厚度减至100μm，然后利用真空镀膜装备，在300℃高温蒸镀一层ge/au/ni-au结构在gaas衬底与生长所述第一缓冲层相对的一侧的表面上，进行快速热处理之后，在gaas衬底上形成n电极。最后，再利用等离子体干法刻蚀技术在所述n电极上刻蚀出所述垂直腔面发射激光器的出光孔。

本发明提供的垂直腔面发射激光器的制作方法，通过制造出有源层的量子阱结构、第一分布布拉格反射镜组和第二分布布拉格反射镜组，实现超窄线宽和平顶陡边光谱响应，能够降低vcsel的阈值电流，提高光电转换效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，在所述衬底上生长所述第一缓冲层之前，将所述衬底生长所述第一缓冲层的一侧刻蚀光滑。

具体地，在所述衬底上生长所述第一缓冲层之前，可以采用等离子体干法刻蚀工艺在掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3的硅的gaas衬底上刻蚀，使所述衬底朝向所述第一缓冲层的一侧的表面刻蚀光滑，例如，刻蚀后的所述衬底表面的均方根粗糙度小于1nm。其中，在干法刻蚀时使用sicl4/ar/h2气体。

在上述各实施例的基础上，进一步地，在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜的部分表面形成掩膜包括：

采用等离子体增强化学气相淀积法在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜组朝向生长方向的漏出部分表面淀积一层300纳米厚的sio2作为掩膜。

具体地，利用等离子体增强化学气相淀积法在所述圆柱形台体的侧壁和所述第一分布布拉格反射镜的部分表面上淀积一层sio2作为掩膜，所述掩膜的厚度为300nm，所述掩膜可以提高所述垂直腔面发射激光器的整体性能。

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。