一种用于VCSEL阵列激光器的外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及vcsel阵列激光器技术领域，特别涉及一种用于vcsel阵列激光器的外延结构以及这种外延结构的制备方法。

背景技术：

垂直腔发射激光器阵列（vcsel激光器阵列）通过在一颗芯片上集成数百颗vcsel激光器而获得数百毫瓦的光输出，具有体积小、功率大、光束集中的特点，且可通过vcsel的不同排布方式来获得不同照明图案的vcsel阵列，器件设计自由度大，因而在3d识别、工业照明、夜视照明、机器人3d视觉、打印、激光治疗等领域具有广泛的应用。为了使vcsel阵列的光输出达到理想的设计效果并且保持量产的一致性，要求vcsel阵列上单个vcsel激光器的光电特性保持一致，这对vcsel激光器的外延结构与芯片工艺提出了更高的要求。

一般地，vcsel外延层由衬底、n-dbr、有源区、氧化限制层、p-dbr、欧姆接触层等几部分构成，n-dbr与p-dbr镜面组成了vcsel激光器的光学谐振腔，有源区为载流子增益介质，通过电泵浦实现vcsel激光器的连续激射，氧化限制层的引入，保证电流集中在激光发射区域，可保证vcsel激光器低的阈值电流。芯片工艺包括台面刻蚀、氧化、沟槽填充、增透膜蒸镀、正面金属蒸镀、衬底减薄和背面金属蒸镀等。为了vcsel阵列的光输出性能一致，阵列上单个vcsel激光器的光电特性要求保持一致，从材料外延角度而言，要保证有源区mqw的发光效率与增益一致，同时，dbr的反射率与反射光中心要尽量保持一致，要求不断提高vcsel激光器外延生长的均匀性；从芯片工艺的角度而言，要保证台面大小与台面刻蚀深度一致，以及氧化限制层氧化深度一致。

针对传统结构的vcsel激光器，研究学者与产业界在vcsel台面腐蚀工艺上投入了大量的精力：辛国锋等人通过调节hf/cro3腐蚀液的体积比，确定了alxga1-xas组分渐变材料的腐蚀条件；刘霖等人利用线性液膜的红外热像测定了gaas材料与h2so4/h2o2/h2o（5：1：50）腐蚀液的反应启动时长约为0.2s。杨瑞霞等人研究了不同体积比的柠檬酸/双氧水溶液对gaas/algaas系材料的选择性刻蚀特性，对algaas停止层的组分与腐蚀液体积比进行了优化；仝如民等人用50%的一水柠檬酸溶液与30%的双氧水，体积比为3：1对gaas/alas的选择性湿法腐蚀工艺进行研究，获得了较好的vcsel台面。

但采用传统技术生长的vcsel激光器全部采用gaas/algaas材料体系，台面刻蚀时，由于gaas/algaas材料特性一致，台面刻蚀深度难保持一致，导致形成的vcsel阵列出光功率一致性较差。

导致上述缺点的原因是：vcsel激光器外延层全部采用gaas/algaas材料体系，不管是湿法腐蚀还是干法刻蚀，由于无法通过外延层材料本身来截止刻蚀，而是通过刻蚀时间来控制刻蚀的深度，工艺均存在约5%的工艺偏差，导致vcsel台面深度不一致。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能有效保证vcsel阵列性能一致的vcsel阵列激光器的外延结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于vcsel阵列激光器的外延结构，包括gaas衬底，在gaas衬底上依次沉积有gaas缓冲层、n型dbr层、有源层、氧化限制层、p型dbr层和欧姆接触层，所述n型dbr层由algaas/gaas系dbr层与(al)gaas/(al)gainp系dbr层两部分组成，所述(al)gaas/(al)gainp系dbr层靠近所述有源层。

优选的，所述algaas/gaas系dbr层包括由低al组分al0.15ga0.85as向高al组分al0.90ga0.10as过渡的第一渐变过渡层、al0.90ga0.10as低折射率层、由高al组分al0.90ga0.10as向低al组分al0.15ga0.85as过渡的第二渐变过渡层、al0.15ga0.85as高折射率层。

优选的，所述algaas/gaas系dbr层的对数为21组，每组algaas/gaas系dbr层厚度为141nm，所述第一渐变过渡层的厚度为20nm，所述低折射率层的厚度为53.5nm，所述第二渐变过渡层的厚度为20nm，所述高折射率层的厚度为47.5nm。

优选的，所述algaas/gaas系dbr层的对数为21组，每组algaas/gaas系dbr层厚度为127.5nm，所述第一渐变过渡层的厚度为20nm，所述低折射率层的厚度为46.3nm，所述第二渐变过渡层的厚度为20nm，所述高折射率层的厚度为41.2nm。

本发明还公开了一种vcsel阵列激光器的制备方法，其包括如下步骤：1）以电导率为2-8x10¹⁸cm^-2的n型gaas作为生长衬底，把生长衬底放入到mocvd系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以h2为载气，三甲基铟（tmin）、三甲基镓（tmga）、三甲基铝（tmal）、二乙基锌（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）为反应源气体，依次生长si掺杂的gaas缓冲层，si掺杂的al0.15ga0.85as/al0.90ga0.10asdbr层，(al)gaas/(al)gainpdbr层，ingaas/algaas形成的mqw有源层,zn掺杂的al0.98ga0.02as氧化限制层、zn掺杂al0.15ga0.85as/al0.90ga0.10as的p型dbr层，zn掺杂的gaas欧姆接触层，形成vcsel阵列激光器外延层；2）外延层生长完成后，利用光刻、刻蚀和蒸镀工艺制程来制作vcsel阵列。

优选的，gaas衬底具有7-15度的偏向角。

优选的，在刻蚀vcsel台面时，采用温法刻蚀工艺，首先，在外延片表面采用光刻胶形成台面的图形，然后以h2so4/h2o2/h2o为刻蚀液，比例为5：1：1进行刻蚀，台面刻蚀完成后，采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成20-24nm直径的出光孔，然后在表面cap层上蒸镀正面电极，并将gaas衬底减薄，在减薄的gaas衬底背面蒸镀背面电极，即完成vcsel激光器阵列的制作。

优选的，在刻蚀vcsel台面时，采用rie干法刻蚀工艺，首先，在外延片表面采用光刻胶形成台面的图形，采用pecvd生长约150nm厚度的sio2保护层，然后，采用带终点探测的rie设备，采用cl2/h2/ar为刻蚀气体刻蚀台面，当综点探测器探测到p元素存在时，刻蚀停止，台面刻蚀完成后，去除sio2保护层，然后采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成20-24nm直径的出光孔，然后在表面cap层上蒸镀正面电极，并将gaas衬底减薄，在减薄的gaas衬底背面蒸镀背面电极，即完成vcsel激光器阵列的制作。

优选的，在采用rie干法刻蚀工艺完成后，采用h2so4/h2o2/h2o溶液进行湿法浸润处理。

优选的，si掺杂的al0.15ga0.85as/al0.90ga0.10asdbr层（21）的对数为21组，(al)gaas/(al)gainpdbr层（22）的对数为1组。

如上所述，本发明的用于vcsel阵列激光器的外延结构及其制备方法具有以下有益效果：该vcsel阵列激光器的外延结构在n型dbr层上增加了(al)gaas/(al)gainp系dbr层，这样在进行台面刻蚀时，当刻蚀到(al)gainp层后截止，这样就能保证vcsel阵列上所有的单颗vcsel激光器台面高度一致，从而保证vcsel阵列激光器输出特性一致，量产良率高，且可以依据不同的vcsel阵列设计，得到不同的图形输出。

附图说明

图1为本发明实施例的方框连接示意图。

图2为本发明实施例的外形结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1、2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1、2所示，本发明提供一种用于vcsel阵列激光器的外延结构，其包括gaas衬底00，在gaas衬底上依次沉积有gaas缓冲层01、n型dbr层02、有源层03、氧化限制层04、p型dbr层05和欧姆接触层06。其中n型dbr层02由algaas/gaas系dbr层21与(al)gaas/(al)gainp系dbr层22两部分组成，(al)gaas/(al)gainp系dbr层22靠近有源层03，algaas/gaas系dbr层21靠近gaas缓冲层01。algaas/gaas系dbr层21采用的是algaas/gaas材料体系，(al)gaas/(al)gainp系dbr层22采用的是(al)gaas/(al)gainp材料体系，(al)gaas/(al)gainp材料体系可以为gaas/gainp材料体系或algaas/algainp材料体系。

由于低al组分al0.15ga0.85as与高al组分的al0.90ga0.10as之间带阶差较大，导致电阻过大影响电流的注入效率，为了降低电阻，可在dbr之间插入渐变过渡层。因此algaas/gaas系dbr层21可包括由低al组分al0.15ga0.85as向高al组分al0.90ga0.10as过渡的第一渐变过渡层、al0.90ga0.10as低折射率层、由高al组分al0.90ga0.10as向低al组分al0.15ga0.85as过渡的第二渐变过渡层和al0.15ga0.85as高折射率层。第一渐变过渡层、低折射率层、第二渐变过渡层、高折射率层由下向上依次堆积。（al）gaas层与(al)gainp层可根据al组分的不同，以及反射峰中心的不同，有不同的厚度

与传统n-dbr结构对比，本发明通过(al)gainp材料与(al)gaas系材料特性的不同，在台面刻蚀时，可以通过湿法的选择性腐蚀在(al)gainp材料截止，也在通过干法刻蚀在(al)gainp材料截止，从而保证制作vcsel阵列时台面刻蚀深度一致。

本专利还公开了一种vcsel阵列激光器的制备方法，其具体包括如下步骤：以电导率为2-8x10¹⁸cm^-2的n型gaas作为生长衬底，为了提高材料的生长质量，gaas衬底需要具有7-15度的偏向角。把15度衬底放入到aixtron公司的mocvd系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以h2为载气，三甲基铟（tmin）、三甲基镓（tmga）、三甲基铝（tmal）、二乙基锌（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等为反应源气体，依次生长si掺杂的gaas缓冲层01，si掺杂的algaas/gaas系dbr层21（对数为21组）；(al)gaas/(al)gainp系dbr层22(对数为1组)，ingaas/algaas形成的mqw有源层03,zn掺杂的al0.98ga0.02as氧化限制层04、zn掺杂al0.15ga0.85as/al0.90ga0.10as的p型dbr层05（对数为17组），zn掺杂的gaas欧姆接触层06。

本实施例中，有源层03波长设定为930nm，量子阱in0.18ga0.82as具有一定的压应变，厚度设定为3nm，量子垒al0.1ga0.9as厚度设定为4nm。n型dbr层02由algaas/gaas系dbr层21和gaas/ga0.5in0.5p系dbr层022组成。作为一种具体实施方法algaas/gaas系dbr层21每组的厚度为141nm，由于低al组分al0.15ga0.85as与高al组分的al0.90ga0.10as之间带阶差较大，导致电阻过大影响电流的注入效率，为了降低电阻，在dbr之间插入渐变过渡层。algaas/gaas系dbr层21的结构为：20nm的第一渐变过渡层，53.5nm的al0.90ga0.10as低折射率层，20nm的第二渐变过渡层，47.5nm的al0.15ga0.85as高折射率层。gaas/ga0.5in0.5p系dbr层022厚度为134.4nm，其中gaas层的厚度为64nm，ga0.5in0.5p层厚度为70.4nm。n型dbr层02结构列表如下：

外延层生长完成后，利用光刻、刻蚀和蒸镀等芯片工艺制程来制作vcsel阵列。特别地，在刻蚀vcsel台面时，采用温法刻蚀工艺，首先，在外延片表面采用pr955光刻胶形成台面的图形，胶厚为800nm，然后以h2so4/h2o2/h2o为刻蚀液，比例为5：1：1进行刻蚀，刻蚀液对含as材料具有明显的刻蚀作用，刻蚀速率约为0.021um/s，但刻蚀液完全不会刻蚀含p的材料，因此，刻蚀到gainp层后，溶液不会向下继续刻蚀。台面刻蚀完成后，采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成20-24nm直径的出光孔，然后在表面cap层上蒸镀正面电极，并将gaas衬底减薄，在减薄的gaas衬底背面蒸镀背面电极，即完成vcsel激光器阵列的制作。

外延层生长完成后，利用光刻、刻蚀和蒸镀等芯片工艺制程来制作vcsel阵列。特别地，在刻蚀vcsel台面时，采用温法刻蚀工艺，首先，在外延片表面采用pr955光刻胶形成台面的图形，胶厚为800nm，然后以h2so4/h2o2/h2o为刻蚀液，比例为5：1：1进行刻蚀，刻蚀液对含as材料具有明显的刻蚀作用，刻蚀速率约为0.021um/s，但刻蚀液完全不会刻蚀含p的材料，因此，刻蚀到gainp层后，溶液不会向下继续刻蚀。台面刻蚀完成后，采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成20-24nm直径的出光孔，然后在表面cap层上蒸镀正面电极，并将gaas衬底减薄，在减薄的gaas衬底背面蒸镀背面电极，即完成vcsel激光器阵列的制作。

本专利还公开了另一实施例，基本结构与生长方法与前一实施例类似，不同的是：本实施例中，有源层03波长设定为835nm，量子阱为in0.008ga0.992as具有一定的压应变，厚度设定为7nm，量子垒al0.3ga0.7as厚度设定为9nm。n型dbr层02由algaas/gaas系dbr层21和gaas/ga0.5in0.5p系dbr层022组成。algaas/gaas系dbr层21每组的厚度为127.5nm，algaas/gaas系dbr层21的结构为：20nm的第一渐变过渡层，46.3nm的al0.90ga0.10as低折射率层，20nm的第二渐变过渡层，41.2m的al0.15ga0.85as高折射率层。gaas/ga0.5in0.5p系dbr层022厚度为124.7nm，其中gaas层的厚度为60.1nm，ga0.5in0.5p层厚度为64.6nm。n型dbr层02结构列表如下：

外延层生长完成后，利用光刻、刻蚀和蒸镀等芯片工艺制程来制作vcsel阵列。特别地，在刻蚀vcsel台面时，采用rie干法刻蚀工艺，首先，在外延片表面采用az5214光刻胶形成台面的图形，采用pecvd生长约150nm厚度的sio2保护层，然后，采用带终点探测的rie设备（型号为sentechsi591），采用cl2/h2/ar为刻蚀气体刻蚀台面，当综点探测器探测到p元素存在时，刻蚀停止。由于干法刻蚀会导致刻蚀的表面粗糙，本实验增加了30s的h2so4/h2o2/h2o溶液湿法浸润处理，一方面可以有效减小刻蚀面的毛刺，另一方面，可以进一步清除al0.15ga0.35in0.5p以上残余的含as材料。台面刻蚀完成后，去除sio2保护层，然后采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成20-24nm直径的出光孔，然后在表面cap层上蒸镀正面电极，并将gaas衬底减薄，在减薄的gaas衬底背面蒸镀背面电极，即完成vcsel激光器阵列的制作。

该vcsel阵列激光器的外延结构在n型dbr层上增加了(al)gaas/(al)gainp系dbr层，这样在进行台面刻蚀时，当刻蚀到(al)gainp层后截止，这样就能保证vcsel阵列上所有的单颗vcsel激光器台面高度一致，从而保证vcsel阵列激光器输出特性一致，量产良率高，且可以依据不同的vcsel阵列设计，得到不同的图形输出。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。