垂直腔面发射激光器及其制作方法与流程

本公开属于半导体激光器技术领域，涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术：

大功率、低能耗和高波长稳定性垂直腔面发射半导体激光器vcsel在激光测距、激光雷达、空间激光通信等国防安全领域具有重要的应用。

要实现器件的大功率输出的一个重要手段就是增加vcsel的出光口径，但出光口径增大会出现的注入电流不均、模式损耗增强，输出功率降低，光束质量变差的问题。为了改善大口径vcsel载流子聚集效应，现有技术主要包括：采用环形桥型分布电极实现了工作电流相对均匀分布，改善了激射光场能量分布；采用透明导电薄膜结构作为电流扩展层改善电流分布的同时，增大了高阶模式的阈值增益，实现基模对高阶模的抑制；采用n面制作种子源激光器约束p面的主光源激光器，改善大口径vcsel的光束质量。

但是，现有技术存在结构设计复杂、易引入界面态杂质污染、工艺制作复杂、成本高昂的不足。因此，现有技术中存在大口径vcsel光功率密度分布不均，模式损耗严重，导致输出功率降低、光束质量变差的技术问题。

因此，有必要提出一种大功率vcsel的结构，其能够同时实现大口径范围内光功率密度均匀分布、输出模式稳定、和高质量光束输出，且在此基础上实现对应结构的制备工艺较为简单、无界面态杂质污染、降低成本等效果。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：n面电极108、n型衬底107、n型dbr106、有源区105、以及p型dbr103；多个台面结构201，由该外延结构表面向下刻蚀至n型dbr106表面或内部一设定深度得到；其中，多个台面结构201沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，在多个台面结构之间存在绝缘介质膜102实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜102的光学厚度为四分之一波长奇数倍；多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜102之上的p面电极101实现交相互连和电流注入。

在本公开的一些实施例中，垂直腔面发射激光器，还包括：氧化限制层104，位于有源区105之上，该氧化限制层104呈一环形，该环形的中心部分形成出光孔径的通道。

在本公开的一些实施例中，各个台面结构之间存在台面间隙202，该台面间隙202的宽度大于一恒定值，以保证氧化限制层104形成过程中湿法氧化气流分布的均匀性；同时，该台面间隙202的宽度为固定值或以器件中心向两侧方向逐渐减小；和/或，该台面间隙202由电镀厚金或聚酰亚胺/苯丙环丁烯(pi/bcb)材料填充；和/或，刻蚀的设定深度为有源区105下表面的第1～3对n型dbr106。

在本公开的一些实施例中，有源区105包括：有源层125；p型波导层135，位于有源层125上方，作为p侧增益导引层；以及n型波导层115，位于有源层125下方，作为n侧增益导引层；其中，p型波导层135、有源层125和n型波导层115的总光学厚度为波长整数倍。

在本公开的一些实施例中，有源层的结构为如下结构中的一种或几种：单层的量子阱、量子点及量子线结构，或多层的量子阱、量子点及量子线结构；和/或，有源层的材料为有源介质材料，包括如下材料中的一种：iii-v族半导体材料或ii-vi族半导体材料；和/或，有源层的增益峰值波长范围涵盖近紫外到红外波段；和/或，p型波导层135和n型波导层115为非掺杂结构。

在本公开的一些实施例中，p型dbr103和n型dbr106是由两种不同折射率材料交替排列以成对的方式形成多个周期的结构，且p型dbr103和n型dbr106的掺杂浓度从靠近有源区105向远离有源区105两侧的方向呈逐渐增大的趋势。

在本公开的一些实施例中，多个台面结构201整体形成一个共用下方n型dbr106及该n型dbr106下方结构的台面阵列结构，该台面阵列结构的外围为器件扩展区203，该器件扩展区203用于集成更多台面。

在本公开的一些实施例中，p面电极101为ti/au或ti/pt/au结构，n面电极108为augeni/au、au/ge/ni或au/ge结构。

根据本公开的另一个方面，提供了一种本公开提到的任一种垂直腔面发射激光器的制作方法，该制作方法包括：制作一外延结构，该外延结构自下而上包含：n型衬底107、n型dbr106、有源区105、以及p型dbr103；制作多个台面结构201，由制作的外延结构向下采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式刻蚀至n型dbr106表面或内部一设定深度得到多个台面结构201；其中，多个台面结构201沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布；在多个台面结构201上形成绝缘介质膜102实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜102的光学厚度为四分之一波长奇数倍；在绝缘介质膜102之上覆盖p面电极101，实现多个台面结构之间的交相互连和电流注入；在n型衬底107下方制作n面电极108。

在本公开的一些实施例中，在制作多个台面结构201的步骤之后还包括：将制作完多个台面结构201的器件放入湿法氧化炉中进行湿法氧化形成氧化限制层104；

优选的，湿法氧化的反应条件是：流量为1l/min～2l/min的载气n2携带温度为90℃～95℃的水汽，进入410℃～450℃氧化气氛中进行氧化，通过湿法氧化反应形成致密均匀的氧化限制层104。

三有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法，具有以下有益效果：

1、整个出光口径的范围内包含有呈环状密堆积分布且电极交相互连的多个台面结构，很好地缓解了器件在大电流工作时环形电极边缘的电流富集效应，电流分布不均的问题在由整化零的过程中得到解决；与此同时，交相互连的环形台面结构激光输出的光耦合效应对于器件的输出模式进行调控，大口径范围内实现接近准单模的模式输出，改善了光束质量和模式稳定性，实现大口径vcsel的高功率准基模输出，能够同时实现大口径范围内光功率密度均匀分布、输出模式稳定、和高质量光束输出，有效提高了输出功率和光电转换效率。

2、台面间隙由电镀厚金或pi/bcb材料填充后，一方面可提供良好的导电特性，另一方面还具有很好的散热特性。

3、台面间隙的宽度大于某一恒定值，以保证氧化限制层形成过程中湿法氧化气流分布的均匀性。

4、制作方法与现有vcsel的制备工艺兼容，制备工艺简单，重复性好、成本低，在大功率半导体垂直腔面发射激光器(vcsel)领域会有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器的结构示意图。

图2为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器表面的呈环形密堆积分布的台面结构示意图。

图3为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器的制作方法流程图。

图4为本公开一实施例所示的进行台面刻蚀后进行表面形貌的sem表征结果。

图5为本公开一实施例所示的制作完p面电极之后利用金相显微镜进行表面形貌的表征结果。

图6为本公开一实施例所示的封装后的vcsel单管的功率-电流-电压特性曲线。

【符号说明】

101-p面电极；102-绝缘介质膜；

103-p型dbr；104-氧化限制层；

105-有源区；

125-有源层；

115-n侧增益导引层/n型波导层；

135-p侧增益导引层/p型波导层；

106-n型dbr；107-n型衬底；

108-n面电极；

201-台面结构；202-台面间隙；

203-器件扩展区。

具体实施方式

本公开提出一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，同现有技术相比，本公开的技术方案既能保留大口径尺寸vcsel的高输出功率的优点，又能有效地克服环形电极边缘的电流富集效应问题，此外，通过表面金属等离子耦合效应还可以很好实现对器件模式的调控，实现大口径vcsel的高功率准基模输出。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种垂直腔面发射激光器。

图1为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器的结构示意图。

参照图1所示，本公开的垂直腔面发射激光器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：n面电极108、n型衬底107、n型dbr106、有源区105、以及p型dbr103；多个台面结构201，由该外延结构表面向下刻蚀至n型dbr106表面或内部一设定深度得到；其中，多个台面结构201沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，在多个台面结构之间存在绝缘介质膜102实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜102的光学厚度为四分之一波长奇数倍；多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜102之上的p面电极101实现交相互连和电流注入。

本实施例中，垂直腔面发射激光器，还包括：氧化限制层104，位于有源区105之上，该氧化限制层104呈一环形，该环形的中心部分形成出光孔径的通道。多个台面结构201整体形成一个共用下方n型dbr106及该n型dbr106下方结构的台面阵列结构，该台面阵列结构的外围为器件扩展区203，该器件扩展区203用于集成更多台面。

下面结合附图对本实施例的垂直腔面发射激光器的各部分作详细说明。

图2为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器表面的呈环形密堆积分布的台面结构示意图。

如图2所示，本实施例中，该垂直腔面发射激光器的波长为808nm，多个台面结构201沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，一个φ100μm的大圆柱台面(外延结构)里面包含了7个呈现环形密堆积分布的多个小台面结构201；相邻台面结构201的圆心之间的间距为恒定值d，每个台面结构201的半径为r，出光孔的半径为r，r/r设计比例约为5∶3。

本实施例中，多个台面结构201通过利用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式在该外延结构表面向下刻蚀穿过p型dbr103和有源区105至n型dbr106表面或内部一设定深度得到，经过实验优化和性能分析测试，优选的，刻蚀的设定深度为有源区105下表面的第1～3对n型dbr106。刻蚀深度至有源区下表面的第1～3对n型dbr能有效的提高电流的注入效率，抑制电流侧向扩展，但刻蚀深度太深，将使器件的损耗增大，影响器件的性能。

参照图1和图2所示，本实施例中，各个台面结构之间存在台面间隙202，该台面间隙202的宽度大于某一恒定值，以保证氧化限制层104形成过程中湿法氧化气流分布的均匀性；同时，该台面间隙202的宽度为固定值或以器件中心向两侧方向逐渐减小；减小的方式包括线性变化或抛物线型变化等，实现湿法氧化孔径尺寸的均匀性和可重复性。

当然，这里的台面间隙202对应的是整体器件结构中已经被绝缘介质膜102和p面电极101填充后各个台面结构201之间的间隙部分，对应在下述的制备方法的描述中，台面间隙也可表示没有进行绝缘介质膜102和p面电极101覆盖的台面结构之间的间隙，此时根据沉积的绝缘介质膜102和p面电极101的厚度、宽度等尺寸对应设置相应的间隙尺寸参数即可。

优选的，该台面间隙202由电镀厚金或聚酰亚胺/苯丙环丁烯(pi/bcb)材料填充，一方面可提供良好的导电特性，另一方面还具有很好的散热特性。

本实施例中，参照图1所示，有源区105包括：有源层125；p型波导层135，位于有源层125上方，作为p侧增益导引层；以及n型波导层115，位于有源层125下方，作为n侧增益导引层；其中，p型波导层135、有源层125和n型波导层115的总光学厚度为波长整数倍。

其中，p型波导层135和n型波导层115可以关于有源层125在结构上对称或者不对称(对称包括厚度和分布)，不公开不作具体限定，只要p型波导层135、有源层125和n型波导层115的总光学厚度为波长整数倍的条件满足即可。

其中，有源层的结构包括但不限于如下结构中的一种或几种：单层的量子阱、量子点及量子线结构，或多层的量子阱、量子点及量子线结构等；和/或，有源层的材料为任意有源介质材料，例如包括但不限于如下材料中的一种：iii-v族半导体材料或ii-vi族半导体材料；和/或，有源层的增益峰值波长范围涵盖近紫外到红外波段。

在一些示例中，iii-v族半导体材料例如为gaas/a1gaas、inp/ingaasp或gan/algan等，ii-vi族半导体材料例如为zno。

本实施例中，p型波导层135和n型波导层115为非掺杂结构。

本实施例中，p型dbr103和n型dbr106是由两种不同折射率材料交替排列以成对的方式形成多个周期的结构，且p型dbr103和n型dbr106的掺杂浓度从靠近有源区105向远离有源区105两侧的方向呈逐渐增大的趋势。

举例而言，p型dbr103和n型dbr106由gaas基、inp基、gan基、zno基的多对高折射率材料和低折射率材料交替叠置而成，且掺杂浓度从靠近有源区105向远离有源区105两侧的方向呈逐渐增大的趋势，增大的变化方式例如为线性、抛物线型等形式。

在本公开的一些实施例中，p面电极101为ti/au或ti/pt/au结构，n面电极108为augeni/au、au/ge/ni或au/ge结构。

综上所述，本实施例的vcsel通过在外延结构形成的整个大口径台面上制备沿着出光孔径轴线呈现环形密堆积分布的多个小台面结构，在多个台面结构之间存在光学厚度为四分之一波长奇数倍的绝缘介质膜实现各个台面结构之间的电气隔离，多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜之上的p面电极实现交相互连和电流注入，多个台面的设置一方面缓解了器件在大电流工作时环形电极边缘的电流富集效应，电流分布不均的问题在由整化零的过程中得到解决，另一方面，交相互连的环形台面结构通过表面金属等离子耦合效应，在激光输出时存在光耦合效应能够对器件的输出模式进行调控，在大口径范围内实现接近准单模的模式输出，改善了光束质量和模式稳定性，实现大口径vcsel的高功率准基模输出。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种第一个实施例所示的垂直腔面发射激光器的制作方法。

图3为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器的制作方法流程图。

参照图3所示，本实施例中的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括：

步骤s21：制作一外延结构，该外延结构自下而上包含：n型衬底107、n型dbr106、有源区105、以及p型dbr103；

本实施例中，在n型衬底107上通过金属有机化学气相外延(mocvd)方法由下至上依次生长：缓冲层、n型dbr106、有源区105、p型dbr103和p面盖层，制备出外延晶圆片。其中，缓冲层和p面盖层的设置属于常规设置。

其中，有源区105包括：有源层125；p型波导层135，位于有源层125上方，作为p侧增益导引层；以及n型波导层115，位于有源层125下方，作为n侧增益导引层；其中，p型波导层135、有源层125和n型波导层115的总光学厚度为波长整数倍。

本实施例中，有源层125包括ingaalas/algaas压应变多量子阱结构；n型dbr106和p型dbr103采用组分渐变的下述结构：

al0.2ga0.8as/alxga1-xas/al0.9ga0.1as结构。

步骤s22：制作多个台面结构201，由制作的外延结构向下采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式刻蚀至n型dbr106表面或内部一设定深度得到多个台面结构201；

图4为本公开一实施例所示的进行台面刻蚀后进行表面形貌的sem表征结果。

该步骤s22主要进行台面刻蚀制作呈环形密堆积分布的多个台面，包括：在外延晶圆片上均匀旋涂光刻胶，并利用带有环形密堆积结构的掩膜版对其进行曝光、显影，在外延材料表面形成掩膜结构；采用例如感应耦合等离子刻蚀(icp)的干法刻蚀或湿法腐蚀技术对带有掩膜的外延晶圆片进行刻蚀，形成不同台面分布的环形密堆积器件结构，其中，刻蚀深度至n型dbr106表面的第1～3对dbr处，同时保证侧壁结构均匀光滑。进行台面刻蚀后的器件进行表面形貌的扫描电镜测试结果如图4所示。

步骤s23：将制作完多个台面结构201的器件放入湿法氧化炉中进行湿法氧化形成氧化限制层104；

优选的，湿法氧化的反应条件是：流量为1l/min～2l/min的载气n2携带温度为90℃～95℃的水汽，进入410℃～450℃氧化气氛中进行氧化，通过湿法氧化反应形成致密均匀的氧化限制层104。

步骤s24：在多个台面结构201上形成绝缘介质膜102实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜102的光学厚度为四分之一波长奇数倍；

本实施例中，在外延晶圆片清洁处理后，采用等离子体增强化学气相沉积(pevcd)设备在包含多个台面结构的器件上生长光学厚度为四分之一奇数波长的透明绝缘介质膜102，该绝缘介质膜102覆盖于各个台面结构201之间的台面间隙202(这里的含义在上文结构的描述中提到，其尺寸根据实验进行适应性设置)中并且延伸至台面结构201的上表面，实现各个台面结构之间的电气隔离，再经过光刻和刻蚀工艺在台面结构201的上表面得到电流注入窗口。

步骤s25：在绝缘介质膜102之上覆盖p面电极101，实现多个台面结构之间的交相互连和电流注入；

图5为本公开一实施例所示的制作完p面电极之后利用金相显微镜进行表面形貌的表征结果。

本实施例中，将负胶光刻后的晶圆片放入磁控溅射设备中，在绝缘介质膜102之上覆盖p面电极101，p面电极101为ti/au或ti/pt/au结构，其厚度为300nm～450nm，之后通过lift-off工艺形成交相互连的图案化的p面电极101，金相显微镜表面形貌测试结果如图5所示。

步骤s26：在n型衬底107下方制作n面电极108；

对n型衬底107进行减薄，减薄后的n型衬底107厚度为50μm～100μm；在n型衬底107下表面蒸镀n面电极108材料，厚度为300nm～450nm，并于高温条件下快速退火形成良好的欧姆接触。其中，n面电极108为augeni/au、au/ge/ni或au/ge结构。

经过步骤s21-s26制作过程之后，经解理、封装工艺后得到环形密堆积结构的垂直腔面发射激光器。

该vcsel的制作方法与现有vcsel的制备工艺兼容，制备工艺简单，重复性好、成本低，在大功率半导体垂直腔面发射激光器(vcsel)领域会有广泛的应用前景。

图6为本公开一实施例所示的封装后的vcsel单管的功率-电流-电压特性曲线。对封装后的vcsel单管进行了性能测试，该vcsel单管的p-i-v测试曲线如图6所示，在室温、准连续条件(qcw)下，工作电流i＝350ma，脉宽150μs，重频100hz的测试条件下，本实施例制作得到的vcsel器件的准连续输出功率为275mw，斜率效率为1.03w/a，光电转换效率为30.3％，能够同时实现大口径范围内光功率密度均匀分布、输出模式稳定、和高质量光束输出，有效提高了输出功率和光电转换效率。

综上所述，本公开提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，解决了现有技术中大口径vcsel光功率密度分布不均，模式损耗严重，导致输出功率降低、光束质量变差的技术问题。同现有技术相比，本公开的技术方案既能保留大口径尺寸vcsel的高输出功率的优点，又能有效的克服环形电极边缘的电流富集效应问题，此外，通过表面金属等离子耦合效应还可以很好实现对器件模式的调控，实现大口径vcsel的高功率准基模输出。总之，本公开提供的这种环形密堆积结构台面分布的垂直腔面发射激光器具有输出功率高、模式输出稳定、光束质量好等优点，且与现有vcsel制备工艺兼容，制备工艺简单，重复性好、成本低，在大功率半导体垂直腔面发射激光器(vcsel)领域会有广泛的应用前景。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件、厚度等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。