专利名称：含高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体光电子领域，特别是指 一 种含
高掺杂隧道结的高功率、高亮度、高效率垂直腔面发
射激光器。
北旦 冃豕技术
众所周知，与其他种类的激光器相比，半导体激
光器具有十分突出的优点除了体积小、重量轻、转
换效率高、省电等优点外，半导体激光器的制造工艺
与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，因此
便于与其他器件实现单片光电子集成。
20世纪7 0年代初实现了半导体激光器的室温
连续激射后，开创了半导体激光器发展的新时期。巨
前，小功率半导体激光器已是光纤通信、光纤传感、光
存储、光互连等领域中不可替代的重要光源。而自9
0年代以后，半导体激光器的输出功率取得了显著提
高，而高功率的半导体激光器可以应用在材料加工、
激光印刷、激光医疗、激光雷达、激光泵浦、空间激 光通讯等诸多领域。在需求的牵引下，高功率半导体 激光正向高功率密度、高光束质量、高转换效率、长 寿命、低成本等方向发展。
作为半导体激光器家族中的成员，垂直腔面发射
激光器的结构主要包括分布布拉格反射镜(DBR )和夹 在中间的有源区，出光方向与生长方向平行。这样的 结构给它带来与生俱来的优点，与传统的边发射激光
器相比
1 、光束质量高，发散角小，与光纤耦合效率高， 不需要进行光束整形。
2、由于出光方向与材料生长方向平行，模式光
场与增益材料的重叠区就比边发射要大的多，这样就 更充分利用了增益介质。
3 、侧向尺度大，功率密度比边发射激光器低， 不易产生灾变性光学损伤(C0D)。
4 、外延片不需要解理、镀腔面膜等工艺就能进 行在片测试。
5、适合二维面阵集成，进一步提高功率输出。
随着外延材料质量的提高和湿法氧化等器件工艺 技术的进展，高功率、高亮度垂直腔面发射激光器也 迅速发展起来。为了实现高功率输出， 一般来说器件
总的发光面积应相应的增大，而为了实现激光器的咼
壳度，发光面积又应该尽可能的小，所以高功率、咼
亮度面发射激光器应该在发光面积上进行优化。
2001年，德国ULM大学的研究小组报道了连
续输出达到8 90 mW的单管器件，激射波长为980
nm ， tb光窗□ 32 0微米。2 0 0 4年，中国科学院
长春光机所研制出连续输出1 . 9 5 W ，激射波长98
0 nm的单管器件，出光窗口 6 0 0微米。2 0 0 5年， 美国 Princeton Optronics公司进一步将单管功率提 高到3 W 。这些器件都是普通底部发射的结构，无法避
开P型DBR较大的串联电阻和因此产生的高的热量，
所以效率都低于2 Q % 。
利用隧道结的反向隧穿电流特性，可以用N型DBR代替P型DBR ，结合金刚石散热片和水冷铜热沉，并优
化出光窗口尺寸，可以实现功率达到瓦级，效率高于
20%，亮度满足应用要求的垂直腔面发射激光器。
北 冃景技术中传统普通底部发射的垂直腔面发射激
光器由于其固有结构的限制，无法避免使用P型DBR ，这样会带来高的串联电阻和产生很高的热量，对大功
率输出不利，更难以达到高的转换效率，而且，过于
大的出光窗口虽然 一 定程度提高了输出功率，但降低
了功率密度，无法达到高亮度的应用要求。为了解决
上述问题，本发明的目的是提高输出功率，实现单管 瓦级以上，提高功率密度，实现高亮度，提高转换效 率，达到2 0 %以上。为此，本发明将提供 一 种含高掺 杂隧道结的高功率、高亮度、高效率的垂直腔面发射 激光器。N + /P +隧道结在其他光学和电学器件里已经得 到了广泛的应用，在垂直腔面发射激光器中，隧道结
作为整个器件的空穴源，可以将P型DBR用N型DBR 代替。在反向偏置电压作用下，电子在隧道结处产生 隧穿效应，从而产生空穴，产生的空穴在电压作用下 流向有源区与电子进行辐射复合产生光子。用N型DBR 代替P型DBR ，就降低了器件的串联电阻，改善了器件 的热特性。
发明内容
本发明的目的在于，提供 一 种含高掺杂隧道结的
垂直腔面发射激光器，其可实现垂直腔面发射激光器
的高功率、咼壳度、高效率。
为了实现上述目的，本发明的一种含有高掺杂隧
道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，,包括
一热沉
一散*惑片，该散热片制作在热沉上；
一上N型电极，该上N型电极制作在散热片上的
中间处；
一上N型DBR层，该上N型DBR层为 一 倒梯形， 该上N型DBR层制作在上N型电极上；
一高铝组分氧化限制层，该高铝组分氧化限制层 位于上N型DBR层中间的两侧；
一绝缘层，该绝缘层制作在上N型DBR层的外侧； 一光学谐振腔，该光学谐振腔制作在上N型DBR 层上；
——■下N型DBR层，该下N型DBR层制作在光学谐
振腔上
一衬底，该衬底制作在下N型DBR层上；
下N型电极，该下N型电极制作在衬底上，该
下N型电极的中间形成出光窗口 。
中光学谐振腔包括: 一隧道结；多量子阱有源区，该多量子阱有源区制作在隧道结上。
中隧道结包括:N型层；一P型层，该P型
层制作在N型层上。
中该出光窗口内的衬底上镀有增透膜。
其中镀有增透膜的出光窗口的直径范围在5 0微
米到400微米之间。
中隧道结处于光学谐振腔中的驻波节点处。
其中隧道结的尺寸与管芯尺寸相同，解理后管芯
为正方形，边长为1 0 0微米到1 0 0 Q微米之间。
中隧道结的反向电流密度大于3 0 0 A/cm2，以
产生较咼的反向隧穿电流。
中执 V 、"沉为水冷铜热沉。
中散扭 八"片为金刚石散热片。
为进步说明本发明的具体技术内容，以下结合
《施例及附图详细说明如后，其中
图1是本发明垂直腔面发射激光器结构的示意
图2是本发明垂直腔面发射激光器隧道结的能带 示意图3是计算本发明实施例1垂直腔面发射激光器
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进 一 步说明，但 本发明不限于这些实施例。
请参阅图1所示，本发明 一 种含有高掺杂隧道结
图
关
电
窗
输
的
的垂直腔面发射激光器，包括
一热沉1 ，该热沉1为水冷铜热沉；
一散热片2 ，该散热片2制作在热沉1上，该散 热片2为金刚石散热片；
一上N型电极3 ，该上N型电极3制作在散热片
2上的中间处；
一上N型DBR层4 ， 该上N型DBR层4为 一 倒梯 形，该上N型DBR层4制作在上N型电极3上；
一高铝组分氧化限制层5 ，该高铝组分氧化限制 层5位于上N型DBR层4中间的两侧；
一绝缘层6 ，该绝缘层6制作在上N型DBR层4
一光学谐振腔7 ，该光学谐振腔7制作在上N型 DBR层4上；该光学谐振腔7包括 一 隧道结7 1 ;多 量子阱有源区7 2，该多量子阱有源区7 2制作在隧
道结71上；该隧道结71包括一N型层711 ;
一P型层7 1 2，该P型层7 1 2制作在N型层7 1 1上；其中隧道结7 1处于光学谐振腔7中的驻波节 点处；其中隧道结7 1的尺寸与管芯尺寸相同，解理 后管芯为正方形，边长为1 0 0微米到1 0 Q 0微米 之间；其中隧道结7 1的反向电流密度大于3 0 0 A/cm2，以产生较高的反向隧穿电流；
一下N型DBR层8 ，该下N型DBR层8制作在光
学谐振腔7上
一衬底9， 该衬底9制作在下N型固层8上；
一下N型电极1 o ，该下N型电极10制作在衬
底9上，该下N型电极10的中间形成出光窗口 1
1该出光窗口 1 1内的衬底9上镀有增透膜;g巾
镀有增透膜的出光窗口 11的直径范围在50微米到
400微米之间。
实施例1:请再结合参阅图1 ，其中沉1是采
用水冷铜沉，利用冷却水将器件工作时产生的大量
热量带走，以免器件温升对器件的性能产生不良影响。
散热片2采用金刚石散热片，利用金刚石的高的 热导率，使器件产生的热量能尽可能多的传向热沉。
上下N型电极3和1 Q均由金、锗、镍三种金属 材料制成，并制作成良好的欧姆接触，降低电极引入 的串联电阻。
上N型DBR层4由3 0对Al。.9Ga。」As/GaAs材料交 替制成，每层厚度为设计真空中心波长的四分之 一 再 除以其折射率，为了降低DBR的串联电阻，对AlGaAs 层采用组分渐变技术。
高铝组分氧化限制层5是A 1 。 . 9 8 Ga 。 . 。 2 A s制成，高的铝组分能形成良好的限制层，减少电流注入的横
向扩展，增大电流注入效率。
绝缘层6采用Si02材料制成。
隧道结71采用GaAs同质隧道结，隧道结由N型
层711和P型层7 1 2组成，每层厚度1 Q - 2 Q nm，
采用超薄层的隧道结可以减少对光子的吸收损耗，隧
道结放置在光学谐振腔7的驻波节点处，这样可以减
少隧道结与光场的相互作用，也起到降低损耗的作用，
在垂直腔面发射激光器中(参阅图2 )，隧道结作为整
个器件的空穴源，可以将P型DBR用N型DBR代替。
在反向偏置电压作用下，电子在隧道结处产生隧穿效
应，从而产生空穴，产生的空穴在电压作用下流向有
源区与电子进行辐射复合产生光子。用N型DBR代替P
型DBR ，就降低了器件的串联电阻，改善了器件的热特 性。由于器件要工作于大的注入电流下，所以隧道结 必须能提供高的反向电流，本发明中，反向电流密度 大于3 0 0 A/cm2。
多量子阱有源区7 2由三个InGaAs/GaAsP量子阱 组成，GaAsP材料的势垒起到应变补偿的作用，可以提 高量子阱材料的生长质量。
下N型DBR由2 0对Al .9Ga。. ，As/GaAs材料交替制 成，AlGaAs层组分也是渐变的。
衬底9由GaAs材料制成。
出光窗口 1 1的增透膜由Zr02材料制成，Zr02粘
附性好、膜结构致密、均匀无针孔，具有良好的抗激
光损伤的能力
传统垂直腔面发射激光器是使衬底面与热沉相连
接，而在本发明中，为了使有源区与热沉更近，整个
器件使用倒装焊结构，即将外延片的外延面与热沉连
接，这样产生的热量可以更快的由执沉带走。为了同
时实现咼功率、 咼亮度、高效率输出，出光窗口 11
直径在50微米到4 0 Q微米之间选择。解理后，管
芯为正方形，加上电极区域，整个管芯的边长在10
0微米到100 0微米之间，隧道结的尺寸与管芯尺
寸相同
在整个么±构的外延生长过程中:,用MBE或者MOCVD技术在衬底9上生长各外延层，主要《《次为下N型DBR层8 ，多量子阱有源层7 2 ，隧道结7 1，高铝组分
氧化限制层5，上N型DBR层4整个含隧道结的外
延片一次生长而成
本发明在工艺方面，采用减薄清洗、生长绝缘
膜、光刻、套刻、腐蚀台面、侧向氧化、上下电极蒸 发、衬底面减薄抛光、双面对准光刻、生长增透膜、 解理、压焊、封装、散热等工艺制备垂直腔面发射激
光器主要依次为以下几个步骤
1:外延片的外延面通过标准光刻工艺形成台面
图形用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀，腐蚀深度
以露出咼铝组分氧化限制层为宜。腐蚀液配比为K2Cr2。7
饱和水溶液:HBr :CH3C00H= 1 :1:1，在常温下腐蚀。
这种腐蚀液的机理是K2Cr2。7是氧化剂，HBr起络合作
用，CH3C00H起缓冲作用，这三种成分中起主要作用的 是K2Cr2()7。这种腐蚀液腐蚀速率适中，腐蚀面平整无 凹槽，没有腐蚀沟出现。
2 :进行湿法氧化，氧化条件为炉温4 2 0 °C , 水温9 0 °C ，氮气流量1升/分，氧化时间3 0-6 0 分钟。此条件下氧化速度可以精确稳定控制，对于 Al。. ^Ga。. 。2As ， 氧化速率大约1 . 1 um/s。
3 :大面积生长绝缘层6 ，使用Si02，采用PECVD 方法生长。
4 :用标准套刻工艺形成上电极图形，以光刻胶 作掩膜腐蚀掉Si02，去胶以后蒸发上N型电极。
5 :衬底减薄抛光。为了减少衬底对出射光的吸 收，采用机械减薄，将器件的厚度减到1 Q 0 um左右， 并用抛光布和抛光液进行抛光。
6 :使用双面对准工艺进行光刻，并带胶蒸发下N 型电极，接着带胶剥离形成下N型电极1 0 。
生长Zr02，米用电子束蒸发制作，然后带胶剥离窗口
以外的Zr02。
8 :解理、压焊、封装、使用水冷铜热沉1和金 刚石散热片2散热。
本发明采用半导体激光器输出特性计算公式，
《
并结合含高掺杂隧道结垂直腔面发射激光器结构
特点，计算获得不同出光窗口直径的9 8 0 nm垂直腔
面发射激光器的P-1特性，并得到其功率密度。计算 结果如图3所示
曲线1 2对应出光窗口直径为5 Q微米，最大功
为0 . 5 6 1 2 W，功率密度为2 8 . 6 kW/
c m
曲线l 3对应出光窗口直径为1 0 Q微米，最大
功率为0.9 2 4 9W，功率密度为l
7 kW/cm2;
曲线l 4对应出光窗口直径为2 0 O微米，最大
功率为l.l 6 1 7W，功率密度为3.7 kW/c
m
曲线1 5对应出光窗口直径为3 0 0微米，最大
带
图
窗
术
技
标
使
7
功率为2 1 4 2W，功率密度为3.03 kW/cm2;
曲线1 6对应出光窗口直径为40 0微米，最大
功率为2.7 2 9W， 功率密度为2.1kW/cm2;
曲绊1 7对应出光窗口直径为50 0微米，最大
功率为3.0 6 9W，功率密度为1.56 kW/cm2;
曲线1 8对应出光窗口直径为60 0微米，最大
功率为2.9 9W，功率密度为l.O 6kW/cm2;
曲线1 9对应出光窗口直径为70 0微米，最大
功率为2.9 8 2W，功率密度为0.77 9 kW/cm2;
计算表明，出光窗口直径在5 0-4 0 0微米左右
时，可同时得到高的输出功率和高的功率密度，而且
1 00-2:0 O微米为最佳尺寸。解理后，管芯为正方
形，加上出光面电极区域，管芯边长在l 0 Q微米到
1 000微米之间，隧道结尺寸与管芯尺寸相同。
实施例2 :请再结合参阅图1 ，高铝组分氧化限
制层5是AlAs材料制成。绝缘层6用Al2(1:,制成，其他 部件与实施例1相同。
实施例3 :中间多量子阱有源区7采用 InGaAs/GaAs材料，其它部件与实施例l相同。
实施例4 :中间多量子阱有源区7采用 GalnNAs/GaAs材料，其它部件与实施例1相同。本发明工作时器件以电注入方式工作，其中上N 型电极相对于下N型电极是正电压，这样就使隧道结 反向偏置，电子和空穴在多量子阱有源区进行复合， 产生受激发射，并经过谐振腔选模振荡，激光从出光 窗口 11出射。
本发明采用高掺杂隧道结、金刚石散热片和水冷 铜热沉，并优化出光窗口尺寸，可以实现功率达到瓦
级，效率高于2 0%，亮度满足应用要求的垂直腔面发 射激光器。
权利要求
1、一种含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括一热沉；一散热片，该散热片制作在热沉上；一上N型电极，该上N型电极制作在散热片上的中间处；一上N型DBR层，该上N型DBR层为一倒梯形，该上N型DBR层制作在上N型电极上；一高铝组分氧化限制层，该高铝组分氧化限制层位于上N型DBR层中间的两侧；一绝缘层，该绝缘层制作在上N型DBR层的外侧；一光学谐振腔，该光学谐振腔制作在上N型DBR层上；一下N型DBR层，该下N型DBR层制作在光学谐振腔上；一衬底，该衬底制作在下N型DBR层上；一下N型电极，该下N型电极制作在衬底上，该下N型电极的中间形成一出光窗口。
全文摘要
一种含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，包括一热沉；一散热片，该散热片制作在热沉上；一上N型电极，该上N型电极制作在散热片上的中间处；一上N型DBR层，该上N型DBR层为一倒梯形，该上N型DBR层制作在上N型电极上；一高铝组分氧化限制层，该高铝组分氧化限制层位于上N型DBR层中间的两侧；一绝缘层，该绝缘层制作在上N型DBR层的外侧；一光学谐振腔，该光学谐振腔制作在上N型DBR层上；一下N型DBR层，该下N型DBR层制作在光学谐振腔上；一衬底，该衬底制作在下N型DBR层上；一下N型电极，该下N型电极制作在衬底上，该下N型电极的中间形成一出光窗口。
文档编号H01S5/183GK101192739SQ20061014430
公开日2008年6月4日 申请日期2006年12月1日 优先权日2006年12月1日
发明者何国荣, 宋国峰, 渠红伟, 青 王, 陈良惠, 欣 韦 申请人:中国科学院半导体研究所