垂直面腔表面发射激光器的制作方法

本实用新型的实施例涉及半导体激光器，尤其涉及一种垂直面腔表面发射激光器(VCSEL)及其制备方法。

背景技术：

垂直面腔表面发射激光器(VCSEL)作为一种新型的半导体激光器，与普通的边缘发射激光器相比，具有阈值电流低、效率高、功耗小、光发散角小、易与光纤耦合、易集成等优点，在光信息处理、光互联、光计算、照明、显示等方面都有广阔的应用前景。

半导体激光器结构可以简化成由具有增益特性的材料层以及两端的反射镜。垂直面腔表面发射激光器(VSCEL)的特别之处在于：它采用高低折射率材料层周期性排布的分布式布拉格反射镜(DBR)，并且增益材料层位于上下反射镜中间且与反射镜平行。在一种典型的VCSEL结构中，P面电极下方是由多对高低折射率不同的半导体材料交替生长而成的P型分布式布拉格反射镜(DBR)，P型DBR下方是有源区，例如是几个纳米的量子阱结构，以获得高增益。在有源区下面是N型DBR，最下面是衬底。

在当前的VCSEL器件制备中，为获得高的增益，通常需要生长多对布拉格反射镜(DBR)，一般在30对以上，这种DBR工艺存在外延生长困难，串联电阻增加，热损耗加重和光损耗增加等一系列不足。

技术实现要素：

本实用新型的实施例旨在提供一种垂直面腔表面发射激光器(VCSEL)，其至少能够克服现有技术中的至少一个问题，提高垂直面腔表面发射激光器的性能。

根据本实用新型一方面的实施例，提供一种垂直面腔表面发射激光器，包括：

按顺序层叠设置的第一反射镜层、有源层和第二反射镜层，所述第二反射镜层位于出光侧，所述第一反射镜层位于非出光侧，其特征在于：

所述第一反射镜层包括位于非出光侧的金属反射镜层和介于金属反射镜层与有源层之间第一布拉格反射镜层；以及

所述第二反射镜层包括第二布拉格反射镜层。

根据本实用新型的一个示例实施例，所述第一布拉格反射镜层包括1-15个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层，优选包括1-10个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层，更优选包括1-5个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层。

根据本实用新型的一个示例实施例，第二布拉格反射镜层包括5-30个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层。

根据本实用新型的一个示例实施例，所述的垂直面腔表面发射激光器，还包括设置在金属反射镜层的非出光侧的第一电极层和设置在第二布拉格反射镜层的出光侧的第二电极层。

根据本实用新型的一个示例实施例，所述的垂直面腔表面发射激光器，还包括设置在有源层和第二布拉格反射镜层之间的氧化隔离层。

根据本实用新型的一个示例实施例，所述金属反射镜层包括Cu反射镜层、Ag反射镜层或Au反射镜层。

根据本实用新型各个实施例的垂直面腔表面发射激光器(VCSEL)及其制备方法，通过在下层DBR的背面侧设置金属反射镜层，以代替部分DBR，可以减少下层DBR反射镜的周期数，增加反射效率，提高增益，同时可以获得更好的热稳定性，并且降低阈值电流密度。

为了使本实用新型的目的、特征及优点能更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个示例性实施例的垂直面腔表面发射激光器的部分结构的截面示意图；

图2是包含了电极结构的图1所示的垂直面腔表面发射激光器的截面示意图；和

图3是示出制备图1和2的垂直面腔表面发射激光器的过程中的器件结构的截面示意图，其中示出了剥离衬底之前的器件结构。

具体实施方式

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置被省略以简化附图。并且，在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件。

图1是根据本实用新型的一个示例性实施例的垂直面腔表面发射激光器100部分结构的截面示意图。如图1所示，该垂直面腔表面发射激光器(VCSEL)100主要包括：第一反射镜层10、第二反射镜层(第二布拉格反射镜层)20和夹在第一反射镜层10和第二反射镜层20之间的有源层30。第二反射镜层20位于出光侧(图中的上侧)，第一反射镜层10位于非出光侧(图中的下侧)。这里，出光侧是指VCSEL器件发出激光的一侧，非出光侧是VCSEL器件的与出光侧相反的一侧。第一反射镜层10包括层叠设置的位于非出光侧的金属反射镜层11和位于出光侧的第一布拉格反射镜层12。第二反射镜层20由第二布拉格反射镜层构成。

根据一些实施例，有源层30包括量子阱结构，例如包括InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs，GaInP/AlGaInP，GaAsP/AlGaAsP量子阱结构。本领域技术人员可根据期望的VCSEL器件的目标波长具体选择有源层的材料体系及量子阱结构。以激光波长为650nm左右的VCSEL为例：为了尽量和GaAs(衬底)匹配，并且使量子效率达到最大值，有源区材料使用的是(AlxGa1-x)0.51In0.49P，其中势垒材料是(Al0.33Ga0.67)0.51In0.49P，势阱材料是GaInP，量子阱上下两边是空间层，材料是(Al0.55Ga0.45)0.51In0.49P。为了和GaAs衬底晶格匹配，DBR材料选择AlGaAs。这个材料体系对器件性能存在一个限制因素：作为DBR反射镜的材料，要求不能吸收激射波长的光(650～700nm)，这就需要DBR组成采用A10.5Ga0.5As/AlAs或相似的组合。但这就导致反射镜层的两种材料的折射率差就不够大，因此需要更多的DBR层数来达到想要的反射率。再者，0.5的Al组分恰好是AlGaAs材料中热阻和电阻最大的Al组分，这将导致更大的热效应。而采用本实用新型实施例的带有金属反射镜层的DBR结构，可以消除或极大的降低这些限制因素。

根据一些实施例，金属反射镜层11可以包括例如Cu、Ag、Au等具有高反射率和良好欧姆接触的金属材料或其材料组合，其厚度为例如为50nm左右。第一布拉格反射镜层12包括至少一对交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层。第二布拉格反射镜层20包括多对周期性地交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层。第一布拉格反射镜层12和第二布拉格反射镜层20的具体材料可根据VCSEL有源区材料及激射波长而定，通常选择晶格常数匹配，串阻小，在激射波长附件具有高低反射率差的材料制备DBR结构。DBR层数要求反射率在90％以上。

根据一些实施例，第一布拉格反射镜层12和第二布拉格反射镜层20可根据衬底类型选择N型或者P型的AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs或GaInP/GaAs等材料，但不限于这两种材料，以分别形成与有源层30波长匹配的反射镜层。第一布拉格反射镜层12和第二布拉格反射镜层20的周期数可以根据实际需要设定在5-30之间。以激光波长为940nm的InGaAsP基VCSEL为例，上层DBR可采用20周期的Al0.92GaAs/Al0.15GaAs结构；对于激光波长为405nm的GaN基VCSEL，上层DBR可采用8周期的Ta205/SiO2结构。

根据本实用新型实施例的垂直面腔表面发射激光器(VCSEL)，通过在下层DBR的背面侧(非出光侧)设置金属反射镜层，可以显著减少下层DBR反射镜的周期数，增加反射效率(尤其是红外波段)，提高增益，同时可以获得更好的热稳定性，并且降低阈值电流密度，从而极大地提高VCSEL器件的性能。此外，由于需要外延生长的DBR反射镜的层数减少，也可以提高VCSEL器件的生产效率和降低制备VCSEL器件的成本。进一步地，金属反射镜层可以兼作金属电极与半导体之间的欧姆接触层，从而可以省去制备单独的欧姆接触层的步骤。

在一个具体的示例中，以激射波长为940nm的GaInAs/GaAs VCSEL常用的Al0.15Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As结构DBR为例，要达到99.5％以上的反射率，至少需要21个周期；若要达到99.9％反射率，则需要27个周期以上。若采用Ag金属膜作为金属反射镜层，由于Ag金属膜的反射率在400～2000nm范围内均大于96％。因此，在DBR的背面增加Ag金属膜作为金属反射镜层，只需要1个周期的DBR就可以保证整体反射率大于99.9％。

根据VCSEL的器件电光转换效率公式：

其中，Ith表示阈值电流密度，Rs表示串联电阻，V0表示器件的开启电压，h是普朗克常数，v是VCSEL器件出光波长对应频率，ηd表示理想情况下有源层厚度为d时器件的光学效率，q是电荷常数，I是器件的注入电流。

采用本实用新型实施例的带有金属反射镜层的DBR结构，可以大幅降低Rs，带来VCSEL器件综合性能提升。原因如下：第一，反射率对阈值电流密度的影响非常大，通常底部反射率提高0.01，就可以降低几百安每平方厘米的阈值电流密度，因此大幅降低阈值电流密度Ith；第二，DBR厚度增加会增加器件的串联电阻Rs，降低器件的转换效率，通过金属反射镜在保持大于99.9％的反射率条件下可以将DBR从近30个周期减少为1个周期，可以大幅降低器件内部串联电阻，提高器件的转换效率；第三，垂直面腔表面发射激光器对通电流后所产生的热相当敏感，减少DBR周期数同时可以大幅降低器件的串联电阻，减少器件的热效应，提示器件性能和稳定性。

根据一些实施例，第一布拉格反射镜层12可以包括1-15个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层，优选包括1-10个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层，更优选包括1-5个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层。第二布拉格反射镜层20可以包括5-30个周期的交替排列的高折射率材料层和低折射率材料层。

如图1所示，根据本实用新型实施例的垂直面腔表面发射激光器100还可以包括设置在有源层30和第二布拉格反射镜层20之间的氧化隔离层40。氧化隔离层40可以选择易于实现氧化和控制氧化速率的材料。

图2是包含了电极结构的图1所示的垂直面腔表面发射激光器100的截面示意图。如图2所示，垂直面腔表面发射激光器100还包括设置在金属反射镜层11的非出光侧的第一电极层50和设置在第二布拉格反射镜层20的出光侧的第二电极层60。第一电极层50和第二电极层60例如可采用Ag/NiAg合金在金属反射镜层11和第二DBR层20的表面分别制作，之后可以根据需要在第二DBR层20和第二电极层60中刻蚀出光窗口70。

图1和图2只是示意地示出了根据本实用新型的一个实施例的垂直面腔表面发射激光器100的结构。本领域技术人员可知，垂直面腔表面发射激光器100还可以包括其它本领域已知的必要的层结构，例如欧姆接触层、钝化保护层等，本实用新型对此不做限制。

图3是示出制备图1和2的垂直面腔表面发射激光器100的过程中的器件结构的截面示意图，其中仅示出了剥离衬底之前的器件结构。以下参照图1-3说明制备垂直面腔表面发射激光器100的过程。

如图3所示，首先提供衬底80。根据期望的VCSEL器件的目标波长，衬底80的材料可以选择GaAs、SiC、InP或其它材料。

接着，在衬底80上依次外延生长牺牲层90、第一布拉格反射镜层12、有源层30和第二布拉格反射镜层20。外延生长牺牲层90、第一布拉格反射镜层12、有源层30和第二布拉格反射镜层20的工艺可采用常规工艺，在此不再赘述。

牺牲层90可选择与衬底80和第一布拉格反射镜层12的材料腐蚀速率相差大的材料以实现选择性腐蚀。可选地，牺牲层90也可以插入第一布拉格反射镜层12的中间，而不局限于衬底与DBR之间。第一布拉格反射镜层12可根据衬底选择生长N型或者P型的AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs或GalnP/GaAs等材料，其周期数可以根据实际需要设定在1-15之间，优选可设置在1-10之间，更优选可设置在1-5之间。有源层30包括InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs，GaInP/AlGaInP，GaAsP/AlGaAsP等材料组成的量子阱结构，其量子阱/垒对的对数可选择在2对到5对之间。第二布拉格反射镜层20的材料可以是AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs或GaInP/GaAs材料，但不限于这两种材料，其周期数可以在5-30之间，以形成与有源层30波长匹配的反射镜层。

可选地，在有源层30和第二布拉格反射镜层20之间可外延生长形成氧化隔离层40。氧化隔离层40可选择易于实现氧化和控制氧化速率的材料，例如AlAs，通过热的水蒸气湿法氧化工艺制备。

接着，采用腐蚀工艺剥离牺牲层90，以将衬底80从第一布拉格反射镜层12剥离。

接着，在剥离了牺牲层90的第一布拉格反射镜层12表面沉积金属反射镜层11。金属反射镜层11的材料可以是Au、Ag、Cu或其材料组合形成，具有高反射率和良好的欧姆接触。可采用电子束蒸发、热蒸发、溅射等工艺沉积金属反射镜层11。

在上述步骤之后即形成了图1所示的垂直面腔表面发射激光器100的层结构。

之后，如图2所示，在金属反射镜层11的背离第一布拉格反射镜层12的一侧制作第一电极层50，并在第二布拉格反射镜层30的背离有源层30的一侧制作第二电极层60。可电子束蒸发、磁控、电镀等工艺制作第一电极层50和第二电极层60，电极材料可选用Cu、Ag等导电材料。制作第一电极层50和第二电极层60的顺序不做限定，可以先制作第一电极层50，然后制作第二电极层60；或者反之亦可。

接着，可以根据需要在第二DBR层20和第二电极层60中刻蚀出光窗口70。光窗口可以根据实际需要的图形采用掩模工艺选择刻蚀。

在上述步骤之后即形成了图2所示的垂直面腔表面发射激光器100的层结构。本领域技术人员可知，垂直面腔表面发射激光器100还可以包括其它本领域已知的必要的层结构，例如欧姆接触层、钝化保护层等，本实用新型对此不做限制。

本实用新型实施例采用的外延剥离VCSEL结构薄膜，然后在下层DBR上沉积金属反射镜以减少DBR层厚度的技术，可以但不局限于应用在InGaAs/GaAs、A1GaAs/GaAs、GaInP/A1GaInP以及GaN基等VCSEL器件工艺中。

以下通过具体的例子说明制作本实用新型的垂直面腔表面发射激光器100的过程。

例一：

使用N型GaAs衬底作为衬底，其上依次外延生长AlAs剥离牺牲层、N型DBR层、多层量子阱构成的有源层、氧化隔离层和P型DBR。其中，N型DBR采用5个周期的GaInP/GaAs组成，P型DBR采用20个周期的GaInP/GaAs组成。接着，利用选择腐蚀实现外延的器件层与衬底的剥离。用Ag作为材料，在剥离后的N型DBR表面制备金属反射镜。采用Ag/NiAg合金，在金属反射镜和P型DBR层表面分别制作电极，最后根据需要刻蚀光窗口。

例二：

衬底用蓝宝石衬底，先在其上外延10个周期的A1N/GaN DBR层，再依次生长AlAs剥离牺牲层、10个周期的A1N/GaN DBR层、10个周期的In0.2Ga0.8N/GaN量子阱/势垒堆栈(包含腔模结构)、氧化隔离层、8个周期的Ta2O5/SiO2上层DBR。接着，利用选择腐蚀实现外延的器件层与衬底的剥离。用Ag作为材料，在剥离后的下层DBR表面制备金属反射镜。采用Ag/NiAg合金，在金属反射镜和上层DBR层表面分别制作电极，最后根据需要刻蚀光窗口。

如上所述，本实用新型的实施例通过采用金属反射镜代替部分或全部DBR，可以减少DBR反射镜的周期数，简化器件结构；增加反射效率，提高增益，同时可以获得更好的热稳定性，并且降低阈值电流密度；采用衬底剥离的方法可以实现外延层转移和制作金属反射镜，结合外延层转移和键合工艺可实现规模集成。另外，本实用新型减薄了外延厚度和减少了生长时间，可以达到降低成本的目的。

上述实施例仅示例性的说明了本实用新型的原理及构造，而非用于限制本实用新型，本领域的技术人员应明白，在不偏离本实用新型的总体构思的情况下，对本实用新型所作的任何改变和改进都在本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围，应如本申请的权利要求书所界定的范围为准。应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。另外，权利要求的任何元件标号不应理解为限制本实用新型的范围。