一种垂直腔面发射激光器及其制作方法与流程

本申请涉及半导体激光器技术领域，特别是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(vertical-cavitysurface-emittinglaser，vcsel)是一种出光方向垂直与谐振腔表面的激光器，具有阈值电流小，发散角小且光斑呈现圆形对称性，易二维集成等优点，目前被广泛应用于光互连、光存储、光通信等领域。

vcsel在原子传感器(原子钟、原子陀螺仪、磁力计)等方面的应用时，需要在较高的温度下输出一定功率大小的激光。为了保证vcsel的激光波长在工作电流大小下满足原子传感器中原子蒸汽吸收谱线对应的中心波长的要求，可通过调节vcsel的工作温度来实现对vcsel激光波长的调节，进而满足系统对激光波长的要求。而vcsel的加热需要借助于单独的加热设备给vcsel加热，首先把vcsel封装到管壳表面，然后把带有vcsel的管壳与加热设备贴紧，通过加热激光器管壳来加热vcsel，最后根据vcsel的温度漂移特性(0.06nm/℃)实现对激光波长的调节。外加的加热设备增加了系统的复杂性，使得系统的体积变大，不能满足微型化、小型化的需求，并且外加的加热设备成本高。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，使垂直腔面发射激光器可以升温，同时减小垂直腔面发射激光器的体积，降低成本。

为解决上述技术问题，本申请提供一种垂直腔面发射激光器，包括垂直腔面发射激光器组件、位于所述垂直腔面发射激光器组件表面的第一绝缘层、位于所述第一绝缘层的上表面的加热组件；

所述加热组件包括金属层、接线垫、连接所述金属层和所述接线垫的导线；所述垂直腔面发射激光器组件包括从下至上依次分布的n型背面电极、衬底、n面dbr层、位于所述n面dbr层上表面第一预设区域的凸起结构，和分布在所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域、所述凸起结构侧面、所述凸起结构上表面第二预设区域的第二绝缘层，以及分布在所述第二绝缘层外表面的p型注入电极。

可选的，所述第一绝缘层位于所述凸起结构上表面。

可选的，所述第一绝缘层位于所述p型注入电极的第三预设区域，其中，所述第三预设区域对应所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域以外的区域。

可选的，所述第一绝缘层为二氧化硅层、氧化铝层、氮化硅层中的任一种。

可选的，所述金属层为往返环绕型环形金属层。

可选的，所述衬底为砷化镓衬底。

本申请还提供一种垂直腔面发射激光器制作方法，包括：

在衬底的上表面生长n面dbr层；

在所述n面dbr层上表面的第一预设区域生长凸起结构；

在所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域、上锁凸起结构侧面、所述凸起结构上表面第二预设区域生长第二绝缘层；

在所述第二绝缘层外表面生长p型注入电极，得到垂直腔面发射激光器组件；

在所述垂直腔面发射激光器组件的表面生长第一绝缘层；

所述第一绝缘层的上表面的形成金属层、接线垫、连接所述金属层和所述接线垫的导线；

在所述衬底的下表面生长n型背面电极。

可选的，所述在所述n面dbr层的上表面生长凸起结构包括：

在所述n面dbr层的上表面生长外延片；

采用光刻技术对所述外延片进行刻蚀，得到预处理凸起结构，所述预处理凸起结构包括由下至上依次层叠的第一空间层、有源层、第二空间层、待氧化层、p面dbr层；

对所述待氧化层进行氧化，得到氧化层；

在所述氧化层中制作电流注入孔，得到所述凸起结构。

可选的，所述在所述垂直腔面发射激光器组件的表面生长第一绝缘层包括：

在所述凸起结构上表面生长所述第一绝缘层。

可选的，所述在所述垂直腔面发射激光器组件的表面生长第一绝缘层包括：

在所述p型注入电极的第三预设区域生长所述第一绝缘层，其中，所述第三预设区域对应所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域以外的区域。

本申请所提供的垂直腔面发射激光器，包括垂直腔面发射激光器组件、位于所述垂直腔面发射激光器组件表面的第一绝缘层、位于所述第一绝缘层的上表面的加热组件；所述加热组件包括金属层、接线垫、连接所述金属层和所述接线垫的导线；所述垂直腔面发射激光器组件包括从下至上依次分布的n型背面电极、衬底、n面dbr层、位于n面dbr层上表面第一预设区域的凸起结构，和分布在所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域、凸起结构侧面、凸起结构上表面第二预设区域的第二绝缘层，以及分布在所述第二绝缘层外表面的p型注入电极。

可见，本申请中的垂直腔面发射激光器包括垂直腔面发射激光器组件、第一绝缘层和加热组件三部分，其中，加热组件包括金属层、接线垫和导线，垂直腔面发射激光器组件包括n型背面电极、衬底、n面dbr层、位于n面dbr层上表面第一预设区域的凸起结构、第二绝缘层、p型注入电极，当需要升高垂直腔面发射激光器的温度时，向加热组件中通入电流即可，电流流过金属层时产生热能，热量从金属层扩散至垂直腔面发射激光器组件中，从而使垂直腔面发射激光器温度升高，由于加热组件中包括金属层、接线垫和导线，整个加热组件的体积很小、结构简单、成本低，从而使得垂直腔面发射激光器的体积小，满足小型化的发展趋势，同时又可以降低垂直腔面发射激光器的复杂程度和制作成本。此外，本申请还提供一种具有上述优点的制作方法。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的俯视图；

图3为本申请实施例所提供的另一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的另一种垂直腔面发射激光器的俯视图；

图5为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器制作方法的流程图；

图中，1.垂直腔面发射激光器组件，2.第一绝缘层，3.加热组件，4.电流注入区域，5.出光口，11.n型背面电极，12.衬底，13.n面dbr层，14.凸起结构，15.第二绝缘层，16.p型注入电极，31.金属层，33.接线垫，32.导线，141.第一空间层，142.有源层，143.第二空间层，144.氧化层，145.p面dbr层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前vcsel加热时需要借助于单独的加热设备给vcsel加热，首先把vcsel封装到管壳表面，然后把带有vcsel的管壳与加热设备贴紧，通过加热激光器管壳来加热vcsel。外加的加热设备增加了系统的复杂性，使得系统的体积变大，不能满足微型化、小型化的需求，并且外加的加热设备成本高。

有鉴于此，本申请提供了一种垂直腔面发射激光器，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图，包括垂直腔面发射激光器组件1、位于所述垂直腔面发射激光器组件1表面的第一绝缘层2、位于所述第一绝缘层2的上表面的加热组件3；

所述加热组件3包括金属层31、接线垫33、连接所述金属层31和所述接线垫33的导线32；所述垂直腔面发射激光器组件1包括从下至上依次分布的n型背面电极11、衬底12、n面dbr层13、位于所述n面dbr层13上表面第一预设区域的凸起结构14，和分布在所述n面dbr层13上表面除所述第一预设区域、所述凸起结构14侧面、所述凸起结构14上表面第二预设区域的第二绝缘层15，以及分布在所述第二绝缘层15外表面的p型注入电极16。

具体的，凸起结构14包括由下至上依次层叠的第一空间层141、有源层142、第二空间层143、氧化层144、p面dbr(distributedbraggreflector，分布布拉格反射镜)层145，且氧化层144中设有电流注入孔。其中，第一空间层141和第二空间层143均可以但不限定为al0.3ga0.7as。

需要说明的是，本实施例中对金属层31的材料不做具体限定，只要满足通入电流后能发热即可。例如，金属层31可以为铜金属层31，或者铁金属层31等等。

在本申请的一个实施例中，所述金属层31为往返环绕型环形金属层31，但是，本申请对此并不做具体限定，在本申请的其他实施例中，金属层31还可以为蛇形金属层31。

进一步的，本实施例中对金属层31的截面积不做具体限定，金属层31电阻大小与金属层31截面积大小成反比，截面积越小，金属层31的电阻越大，当通入金属层31的电流一定时，金属层31产生的热量越多，垂直腔面发射激光器升温越快。

需要说明的是，接线垫33和导线32的数量均为两个，两根导线32分别与金属层31的两端点相连，两个接线垫33分别与两根导线32相连，分别用于电流的导入和导出，由于导线32的直径非常小，细如发丝，电流不能直接导入和导出，需要借助接线垫33。

本实施例中第一绝缘层2的设置目的是，将金属层31与垂直腔面发射激光器组件1的电极阻隔成独立的电注入系统，实现垂直腔面发射激光器组件1、金属层31分别独立加电。其中，垂直腔面发射激光器组件1的电流注入区域4位于第二绝缘层15。

可选的，所述第一绝缘层2包括但不限于二氧化硅层、氧化铝层、氮化硅层中的任一种。同理，第二绝缘层15包括但不限于二氧化硅层、氧化铝层、氮化硅层中的任一种。

可选的，在本申请的一个实施例中，所述衬底12为砷化镓衬底12。

需要指出的是，第一预设区域一般为n面dbr层13上表面的中间区域，但是，本申请对此并不做限定，视情况而定。第二预设区域视第一绝缘层2的位置而定，下面会对第二预设区域进行说明。

本实施例中的垂直腔面发射激光器包括垂直腔面发射激光器组件1、第一绝缘层2和加热组件3三部分，其中，加热组件3包括金属层31、接线垫33和导线32，垂直腔面发射激光器组件1包括n型背面电极11、衬底12、n面dbr层13、位于n面dbr层13上表面第一预设区域的凸起结构14、第二绝缘层15、p型注入电极16，当需要升高垂直腔面发射激光器的温度时，向加热组件3中通入电流即可，电流流过金属层31时产生热能，热量从金属层31扩散至垂直腔面发射激光器组件1中，从而使垂直腔面发射激光器温度升高，由于加热组件3中包括金属层31、接线垫33和导线32，整个加热组件3的体积很小、结构简单、成本低，从而使得垂直腔面发射激光器的体积小，满足小型化的发展趋势，同时又可以降低垂直腔面发射激光器的复杂程度和制作成本。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘层2位于所述凸起结构14上表面，如图1所示，此时，第二预设区域为圆形凸起结构14上表面边缘的半圆环，请参考图2。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述第一绝缘层2位于所述p型注入电极16的第三预设区域，其中，所述第三预设区域对应所述n面dbr层13上表面除所述第一预设区域以外的区域，如图3所示，此时，第二预设区域为圆形凸起结构14上表面边缘的圆环，请参考图4。

请参考图5，图5为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器制作方法的流程图，该方法包括：

步骤s101：在衬底的上表面生长n面dbr层。

可选的，采用金属有机化学气相沉积法在衬底上表面生长n面dbr(distributedbraggreflector，分布布拉格反射镜)层。

步骤s102：在所述n面dbr层上表面的第一预设区域生长凸起结构。

需要指出的是，第一预设区域一般为n面dbr层上表面的中间区域，但是，本申请对此并不做限定，视情况而定。

具体的，生长凸起结构的过程包括：

步骤s1021：在所述n面dbr层的上表面生长外延片。

其中，外延片包括由下至上依次层叠的待处理第一空间层、待处理有源层、待处理第二空间层、待氧化层、待处理p面dbr层。

步骤s1022：采用光刻技术对所述外延片进行刻蚀，得到预处理凸起结构，所述预处理凸起结构包括由下至上依次层叠的第一空间层、有源层、第二空间层、待氧化层、p面dbr层。

具体的，对外延片进行曝光显影等操作，然后制备出一个与预处理凸起结构大小和形状一样的掩膜，然后将带有掩膜的外延片进行刻蚀，刻蚀深度直到露出第二空间层，得到预处理凸起结构。

步骤s1023：对所述待氧化层进行氧化，得到氧化层。

可选的，将预处理凸起结构置于湿法氧化炉中对待氧化层进行氧化，得到氧化层，以形成电流限制和光限制，其中，待氧化层为高铝组分层。

步骤s1024：在所述氧化层中制作电流注入孔，得到所述凸起结构。

步骤s103：在所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域、上锁凸起结构侧面、所述凸起结构上表面第二预设区域生长第二绝缘层。

可选的，采用等离子增强化学气相沉积法生长第二绝缘层。第二预设区域视第一绝缘层的位置而定，下面会对第二预设区域进行说明。

步骤s104：在所述第二绝缘层外表面生长p型注入电极，得到垂直腔面发射激光器组件。

可选的，采用溅射法在第二绝缘层外表面生长p型注入电极。

步骤s105：在所述垂直腔面发射激光器组件的表面生长第一绝缘层。

可选的，采用等离子增强化学气相沉积法生长第一绝缘层。

需要说明的是，本实施例中对生长的第一绝缘层不做具体限定，

步骤s106：所述第一绝缘层的上表面的形成金属层、接线垫、连接所述金属层和所述接线垫的导线。

具体的，通过光刻、金属膜沉积、金属膜剥离等工艺形成金属层、接线垫、导线。

需要说明的是，本实施例中对形成金属层的形状不做具体限定，视情况而定。例如，金属层可以为往返环绕型环形金属层或者蛇形金属层等。

步骤s107：在所述衬底的下表面生长n型背面电极。

可选的，采用溅射法在衬底的下表面生长n型背面电极。

需要说明的是，在生长n型背面电极之前需要对衬底进行减薄至需要的厚度，然后再生长n型背面电极。

本实施例中的垂直腔面发射激光器制作的垂直腔面发射激光器，包括垂直腔面发射激光器组件、第一绝缘层和加热组件三部分，其中，加热组件包括金属层、接线垫和导线，垂直腔面发射激光器组件包括n型背面电极、衬底、n面dbr层、位于n面dbr层上表面第一预设区域的凸起结构、第二绝缘层、p型注入电极，当需要升高垂直腔面发射激光器的温度时，向加热组件中通入电流即可，电流流过金属层时产生热能，热量从金属层扩散至垂直腔面发射激光器组件中，从而使垂直腔面发射激光器温度升高，由于加热组件中包括金属层、接线垫和导线，整个加热组件的体积很小、结构简单、成本低，从而使得垂直腔面发射激光器的体积小，满足小型化的发展趋势，同时又可以降低垂直腔面发射激光器的复杂程度和制作成本。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述在所述垂直腔面发射激光器组件的表面生长第一绝缘层包括：

在所述凸起结构上表面生长所述第一绝缘层。此时，第二预设区域为圆形凸起结构上表面边缘的半圆环。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述在所述垂直腔面发射激光器组件的表面生长第一绝缘层包括：

在所述p型注入电极的第三预设区域生长所述第一绝缘层，其中，所述第三预设区域对应所述n面dbr层上表面除所述第一预设区域以外的区域。此时，第二预设区域为圆形凸起结构上表面边缘的圆环。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。