高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法与流程

本发明一般涉及激光器技术领域，具体涉及一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法。

背景技术：

在垂直腔面发射激光(vertical-cavitysurface-emittinglaser；vcsel)器中，可以采用高对比度光栅(highcontrastgrating；hcg)来代替布拉格反射器(distributedbraggreflector；dbr)。该hcg包括间隔层，间隔层上形成有凹槽，在该凹槽的上方悬浮光栅。由于光栅是悬浮于凹槽上方，则其易受到机械损伤，另外在采用2维(dimensions；d)光栅时，其只能采用网格化的形状。

技术实现要素：

本申请期望提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法，用于解决现有技术中采用空气悬浮光栅的2d结构仅能采用网状结构，不能形成柱状结构，且易于损坏的问题。

第一方面，本发明提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括：

层叠设置的第一反射器层、有源层及第二反射器层；

所述第二反射器层包括氧化物隔离层和光栅层，所述氧化物隔离层位于所述光栅层和所述有源层之间，所述光栅层至少部分区域设置有光栅，所述光栅的栅槽延伸至所述氧化物隔离层，所述氧化物隔离层设置有第一氧化区域，所述第一氧化区域支撑所述光栅，所述第一氧化区域的折射率小于所述光栅的折射率。

作为可实现的方式，所述第一反射器层、所述有源层和所述第二反射器层形成三阶台阶结构；

所述有源层上形成有电流扩展层，所述电流扩展层上形成有第一电极，所述第一电极位于台阶位置处。

作为可实现的方式，所述第一反射器层、所述有源层和所述第二反射器层形成两阶台阶结构，其中，所述第一反射器层形成第一个台阶，至少所述有源层和所述第二反射器层形成第二个台阶；

所述光栅层上位于所述光栅外侧的区域设置有第一电极。

作为可实现的方式，所述有源层的至少一侧形成有氧化层，所述氧化层包括第二氧化区域和未氧化区域，所述第二氧化区域环绕所述未氧化区域，所述未氧化区域用于界定激光出射窗。

作为可实现的方式，所述第一反射器层、所述有源层和所述第二反射器层形成平台结构；

所述有源层包括质子或离子注入区域和第一未注入区域，所述质子或离子注入区域环绕所述第一未注入区域，所述第一未注入区域用于界定激光出射窗。

作为可实现的方式，所述激光出射窗小于等于所述第一氧化区域，所述有源层还包括第二未注入区域，所述第二未注入区域位于所述氧化物隔离层与所述质子或离子注入区域之间。

作为可实现的方式，所述氧化物隔离层的厚度小于λ/6，其中，λ为所述高对比度光栅垂直腔面发射激光器所发射激光的波长。

第二方面，本发明提供一种上述高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

依次形成层叠设置的第一反射器层、有源层及第二反射器层；

所述第二反射器层的形成方法包括：

依次形成氧化物隔离层和光栅层，所述氧化物隔离层位于所述光栅层和所述有源层之间；

对所述光栅层的至少部分区域进行栅槽的刻蚀，以形成所述光栅，所述栅槽延伸至所述氧化物隔离层；

透过所述栅槽对所述氧化物隔离层进行湿法氧化工艺，形成正对所述光栅的第一氧化区域，所述第一氧化区域的折射率小于所述光栅的折射率。

作为可实现的方式，在所述第一反射器层朝向所述有源层的一侧形成电极接触层；

至少在所述有源层的一侧形成氧化层；

在所述氧化物隔离层背离所述光栅层的一侧形成电流扩展层；

去除所述光栅所对区域以外的所述光栅层及所述光栅所对区域以外的所述氧化物隔离层；

形成氧化沟槽，所述氧化沟槽至少自所述第二反射器层延伸至所述电极接触层；

在所述氧化沟槽内通过所述湿法氧化工艺，使所述氧化层自所述氧化沟槽向内形成环绕所述未氧化区域的所述第二氧化区域；

在电极接触层及电流扩展层形成电极。

作为可实现的方式，在所述第一反射器层朝向所述有源层的一侧形成电极接触层；

至少在所述有源层的一侧形成氧化层；

在所述氧化物隔离层背离所述光栅层的一侧形成电流扩展层；

形成氧化沟槽，所述氧化沟槽至少自所述第二反射器层延伸至所述电极接触层；

在所述氧化沟槽内通过所述湿法氧化工艺，使所述氧化层自所述氧化沟槽向内形成环绕所述未氧化区域的所述第二氧化区域；

在电极接触层及光栅层形成电极。

作为可实现的方式，通过质子或离子注入工艺，在所述有源层形成质子或离子注入区域和第一未注入区域，所述质子或离子注入区域环绕所述第一未注入区域，所述第一未注入区域用于界定激光出射窗。

上述方案，第一氧化区域对光栅进行支撑，而并非如现有技术中的光栅悬浮于凹槽上，因此光栅不易于被损坏，极大地提高了该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的可靠性，另外，由于第一氧化区域的支撑作用，光栅可以采用条状、网状、柱状等结构。第一氧化区域的折射率小于光栅的折射率，形成了高对比度光栅。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图2-图7为发明实施例提供的其中一种垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制作过程示意图，

图8发明实施例提供的垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器的其中一种结构示意图；

图9-图13为发明实施例提供的另一种垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制作过程示意图；

图14发明实施例提供的垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器的另外一种结构示意图；

图15-图20为发明实施例提供的又一种垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制作过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本发明实施例提供一种垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括：

层叠设置的第一反射器层1、有源层8及第二反射器层3；第二反射器层3包括氧化物隔离层31和光栅层32，氧化物隔离层31位于光栅层32和有源层8之间，光栅层32至少部分区域设置有光栅4，光栅4的栅槽5延伸至氧化物隔离层31，氧化物隔离层31设置有第一氧化区域6，第一氧化区域6支撑光栅，第一氧化区域6的折射率小于光栅的折射率。

氧化物隔离层31的材料例如但不限于选用algaas，具体地，其配比可以为alxga1-xas(0.8＜x≤1)。

光栅例如但不限于为亚波长光栅。

上述方案，第一氧化区域6对光栅进行支撑，而并非如现有技术中的光栅悬浮于凹槽上，因此光栅不易于被损坏，极大地提高了该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的可靠性，另外，由于第一氧化区域6的支撑作用，光栅可以采用条状、网状、柱状等结构。此外还可以使更复杂的光学结构集成到光栅上，例如但不限于用于生成轨道角动量束的透镜或相位板等。第一氧化区域6的折射率小于光栅的折射率，形成了高对比度光栅。

该垂高对比度光栅垂直腔面发射激光器，除了包括第一反射器层1、有源层8及第二反射器层3之外，还可以根据实际需要包括氧化层2、电流扩展层9等功能性层，下文将逐一进行叙述。

如图2-图7所示，作为其中一种可实现方式，第一反射器层1、有源层8和第二反射器层3形成三阶台阶结构；第一反射器层1形成第一个台阶、有源层8形成第二个台阶、第二反射器层3形成第三个台阶，可以理解为第一反射器层1、有源层8和第二反射器层3的尺寸依次减小。当然，在其他实施例中，第一反射器层1、有源层8和第二反射器层3的尺寸还可以依次增大。

在有源层8上形成有电流扩展层9，电流扩展层9上形成有第一电极13，第一电极13位于台阶位置处。可以通过沉积的方式，例如可以通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式在电流扩展层9上形成第一电极13。

电流扩展层9的材料例如但不限于为gaas。

为了对电流进行局限，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的出光效率，在有源层8的至少一侧形成有氧化层2，氧化层2包括第二氧化区域12和未氧化区域11，第二氧化区域12环绕所述未氧化区域11，未氧化区域11用于界定激光出射窗。该高对比度光栅垂直腔面发射激光器设置多个发光区域的情况下，通过设置氧化层2使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。该第二氧化区域12可以与第一氧化区域6在同一氧化工艺中形成，当然，也可在两个氧化工艺中分别形成。

该实施例的高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以采用以下步骤形成：

提供一基底；该基底可为gaas基底。

在基底上形成第一反射器层1；第一反射器层1可以为dbr。第一反射器层1可包括由algaas和gaas两种不同折射率的材料层叠构成；基底及第一反射器层1可均为n型或均为p型。该实施例中采用n型。

在第一反射器层1上形成n型电极接触层7。

在n型电极接触层7上形成有源层8，在有源层8上形成氧化层2。当然，还可以在n型电极接触层7上形成氧化层2，在氧化层2上形成有源层8。还可以在n型电极接触层7上形成氧化层2，在氧化层2上形成有源层8，在有源层8上再形成一层氧化层2。

有源层8至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由gaas、algaas、gaasp及ingaas材料层叠排列构成，有源层8用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。

相应地，在有源层8或氧化层2上形成电流扩展层9，在电流扩展层9上形成第二反射器层3；形成第二反射器层3是先在电流扩展层9上形成氧化物隔离层31，然后在氧化物隔离层31上形成光栅层32。氧化物隔离层31的材料可以为alxga1-xas(x>0.9)，光栅层32的材料可以为alyga1-yas(y<0.4)。

然后通过刻蚀的方式在光栅层32的部分区域上刻蚀形成栅槽5，栅槽5延伸至氧化物隔离层31。可以通过激光刻蚀或化学刻蚀的方式来刻蚀上述栅槽5。

随后再刻蚀掉光栅区域之外的光栅层32及氧化物隔离层31，并暴露出电流扩展层9。

之后再进行氧化沟槽10的刻蚀，氧化沟槽10延伸至n型电极接触层7；

通过湿法氧化工艺在氧化物隔离层31对应于光栅的位置形成第一氧化区域6，作为一种实现方式，第一氧化区域6为上述刻蚀氧化物隔离层31后剩余的部分，在氧化层2内形成自氧化沟槽10向内形成环绕未氧化区域11的第二氧化区域12。

通过湿法氧化工艺，例如在温度430℃下，2l/min的氮气携带一定温度的水蒸气进行选择性湿法氧化，氧化深度即图中左右方向的延伸深度由时间控制，以在氧化层2形成第二氧化区域12，第二氧化区域12围绕氧化层2中的未氧化区域11，以及在氧化物隔离层31对应于光栅的位置形成第一氧化区域6。

通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式在电流扩展层9及n型电极接触层7上形成电极，其中，电流扩展层9上的电极为第一电极13，n型电极接触层7上的电极为第二电极14。

如图8所示，作为其中的一种优选方式，第二电极14还可以形成在第一反射器层1背离有源层8的一侧，该第二电极14可以是面状电极，其可以完全覆盖第一反射器层背离有源层8的表面，以提供足够大的电极，降低电阻。

如图9-13所示，作为其中一种可实现方式，第一反射器层1、有源层8和第二反射器层3形成两阶台阶结构，其中，第一反射器层1形成第一个台阶，至少有源层8和第二反射器层3形成第二个台阶；可以理解为第一反射器层1的尺寸大于有源层8和第二反射器层3的尺寸，并且，有源层8和第二反射器层3的尺寸相同。当然，在其他实施例中，第一反射器层1的尺寸小于有源层8和第二反射器层3的尺寸，并且，有源层8和第二反射器层3的尺寸相同。在有源层8上和第二发射器层之间形成有电流扩展层9，电流扩展层9的材料例如但不限于为gaas。。光栅层32上位于光栅外侧的区域设置有第一电极13。可以通过沉积的方式，例如可以通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式在光栅层32上形成第一电极13。

为了对电流进行局限，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的出光效率，在有源层8的至少一侧形成有氧化层2，氧化层2包括第二氧化区域12和未氧化区域11，第二氧化区域12环绕所述未氧化区域11，未氧化区域11用于界定激光出射窗。该高对比度光栅垂直腔面发射激光器设置多个发光区域的情况下，通过设置氧化层2使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。该第二氧化区域12可以与第一氧化区域6在同一氧化工艺中形成，当然，也可在两个氧化工艺中分别形成。

该实施例的高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以采用以下步骤形成：

提供一基底；该基底可为gaas基底。

在基底上形成第一反射器层1；第一反射器层1可以为dbr。第一反射器层1可包括由algaas和gaas两种不同折射率的材料层叠构成；基底及第一反射器层1可均为n型或均为p型。该实施例中采用n型。

在第一反射器层1上形成n型电极接触层7。

在n型电极接触层7上形成有源层8，在有源层8上形成氧化层2。当然，还可以在n型电极接触层7上形成氧化层2，在氧化层2上形成有源层8。还可以在n型电极接触层7上形成氧化层2，在氧化层2上形成有源层8，在有源层8上再形成一层氧化层2。

有源层8至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由gaas、algaas、gaasp及ingaas材料层叠排列构成，有源层8用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。

相应地，在有源层8或氧化层2上形成电流扩展层9，在电流扩展层9上形成第二反射器层3；形成第二反射器层3是先在电流扩展层9上形成氧化物隔离层31，然后在氧化物隔离层31上形成光栅层32。氧化物隔离层31的材料可以为alxga1-xas(x>0.9)，光栅层32的材料可以为alyga1-yas(y<0.4)。

然后通过刻蚀的方式在光栅层32的部分区域上刻蚀形成栅槽5，栅槽5延伸至氧化物隔离层31。可以通过激光刻蚀或化学刻蚀的方式来刻蚀上述栅槽5。

之后进行氧化沟槽10的刻蚀，氧化沟槽10延伸至n型电极接触层7；

通过湿法氧化工艺在氧化物隔离层31对应于光栅的位置形成第一氧化区域6，在氧化层2内形成自氧化沟槽10向内形成环绕未氧化区域11的第二氧化区域12；

通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式在光栅层32及n型电极接触层7上形成电极，其中，光栅层32上的电极为第一电极13，n型电极接触层7上的电极为第二电极14。

如图14所示，作为其中的一种优选方式，第二电极14还可以形成在第一反射器层1背离有源层8的一侧，该第二电极14可以是面状电极，其可以完全覆盖第一反射器层背离有源层8的表面，以提供足够大的电极，降低电阻。

如图15-20所示，作为其中一种可实现方式，第一反射器层1、有源层8和第二反射器层3形成平台结构，可以理解他们三者之间可以是尺寸相等的，不存在台阶结构；有源层8包括质子或离子注入区域17和第一未注入区域18，质子或离子注入区域17环绕第一未注入区域18，第一未注入区域18用于界定激光出射窗。采用此种结构可以不用设置氧化层2，亦不需要进行氧化沟槽10的刻蚀，简化制程工艺，降低加工的复杂程度。

该实施例的高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以采用以下步骤形成：

提供一基底；该基底可为gaas基底。

在基底上形成第一反射器层1；第一反射器层1可以为dbr。第一反射器层1可包括由algaas和gaas两种不同折射率的材料层叠构成；基底及第一反射器层1可均为n型或均为p型。该实施例中采用n型。

在第一反射器层1上形成n型电极接触层7。

在n型电极接触层7上形成有源层8。

有源层8至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由gaas、algaas、gaasp及ingaas材料层叠排列构成，有源层8用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。

在有源层8上形成电流扩展层9，在电流扩展层9上形成第二反射器层3；形成第二反射器层3是先在电流扩展层9上形成氧化物隔离层31，然后在氧化物隔离层31上形成光栅层32。氧化物隔离层31的材料可以为alxga1-xas(x>0.9)，光栅层32的材料可以为alyga1-yas(y<0.4)。

然后通过刻蚀的方式在光栅层32的部分区域上刻蚀形成栅槽5，栅槽5延伸至氧化物隔离层31。可以通过激光刻蚀或化学刻蚀的方式来刻蚀上述栅槽5。

通过湿法氧化工艺在氧化物隔离层31对应于光栅的位置形成第一氧化区域6；

在光栅层32上设置光阻15等质子或离子注入工艺的保护结构，通过质子或离子注入工艺，在有源层8形成质子或离子注入区域17和第一未注入区域18，质子或离子注入区域17环绕第一未注入区域18，第一未注入区域18用于界定激光出射窗。第一未注入区域18是质子或离子注入工艺的保护结构覆盖的区域。质子或离子注入工艺的保护结构覆盖的区域主要作用是在质子或离子隔离注入时，对其下方的各层起到保护作用，防止其下的各层在质子或离子隔离注入时被绝缘化。在质子或离子注入工艺结束后去除质子或离子注入工艺的保护结构。

通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式在光栅层32上形成第一电极13，在第一反射器层1背离有源层8的一侧形成第二电极14，该第二电极14可以是面状电极，其可以完全覆盖第一反射器层1背离有源层8的表面，以提供足够大的电极，降低电阻。

进一步地，激光出射窗小于等于第一氧化区域6，以提高激光出射效率，有源层8还包括第二未注入区域16，第二未注入区域16位于氧化物隔离层31与质子或离子注入区域17之间。第二未注入区域16可以作为电流扩展层。为了降低电流扩展层的电阻，在质子或离子注入后，进行退火处理，使质子或离子注入路径上，位于质子或离子注入区域17之上的各层恢复较好的导电性。

进一步地，氧化物隔离层31的厚度小于λ/6，以降低材料的使用量及制造难度。其中，λ为所述高对比度光栅垂直腔面发射激光器所发射激光的波长。

本发明实施例还提供一种上述高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

依次形成层叠设置的第一反射器层1、有源层8及第二反射器层3；

所述第二反射器层3的形成方法包括：

依次形成氧化物隔离层31和光栅层32，所述氧化物隔离层31位于所述光栅层32和所述有源层8之间；

对所述光栅层32的至少部分区域进行栅槽5的刻蚀，以形成所述光栅，所述栅槽5延伸至所述氧化物隔离层31；

透过所述栅槽5对所述氧化物隔离层31进行湿法氧化工艺，形成正对所述光栅的第一氧化区域6，所述第一氧化区域6的折射率小于所述光栅的折射率。

该方法是上述高对比度光栅垂直腔面发射激光器对应的制作方法，其原理及效果参见上述实施例的描述，这里不再赘述。

进一步地，在所述第一反射器层1朝向所述有源层8的一侧形成电极接触层；

至少在所述有源层8的一侧形成氧化层2；

在所述氧化物隔离层31背离所述光栅层32的一侧形成电流扩展层9；

去除所述光栅所对区域以外的所述光栅层32及所述光栅所对区域以外的所述氧化物隔离层31；

形成氧化沟槽10，所述氧化沟槽10至少自所述第二反射器层3延伸至所述电极接触层；

在所述氧化沟槽10内通过所述湿法氧化工艺，使所述氧化层2自所述氧化沟槽10向内形成环绕所述未氧化区域11的所述第二氧化区域12；

在电极接触层及电流扩展层9形成电极。

进一步地，在所述第一反射器层1朝向所述有源层8的一侧形成电极接触层；

至少在所述有源层8的一侧形成氧化层2；

在所述氧化物隔离层31背离所述光栅层32的一侧形成电流扩展层9；

形成氧化沟槽10，所述氧化沟槽10至少自所述第二反射器层3延伸至所述电极接触层；

在所述氧化沟槽10内通过所述湿法氧化工艺，使所述氧化层2自所述氧化沟槽10向内形成环绕所述未氧化区域11的所述第二氧化区域12；

在电极接触层及光栅层32形成电极。

进一步地，通过质子或离子注入工艺，在所述有源层8形成质子或离子注入区域17和第一未注入区域18，所述质子或离子注入区域17环绕所述第一未注入区域18，所述第一未注入区域18用于界定激光出射窗。

需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。