一种垂直腔面发射激光器VCSEL的制作方法

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器VCSEL。

背景技术：

随着人们对网络带宽需求的不断增加，接入网和城域网的带宽也在不断升级，我们不难发现，在大比特路由器等一些电信设备结构中，互连是限制系统性能的重要瓶颈。目前，板间、框间信号的主要载体是铜互连以及光互连，光互连与铜互连比较，前者具有高宽带、低损耗、无串扰以及电磁兼容等优点。且单芯光互连已经得到了广泛的应用，而大容量(大比特级)的平行多芯光互连技术在板间、框间以及短途机柜间的互连中显示出了一定的应用前景，我们将这种传输距离在300m之内的大容量光互连称为“短距离光互连”。

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，简称面发射型激光器，面发射型激光器与边发射型激光器相比存在以下优势：

1、VCSEL谐振腔单片生长的特点决定了它在制作过程中不会出现机械损伤、氧化以及沾污等引起器件性能退化的问题；

2、由于谐振腔体积小，VCSEL可形成低阈值电流激射；

3、极短的谐振腔易实现动态单模工作；

4、有源区内置从而增加器件寿命；

5、高光束质量，较小的光束发散角，易与光纤耦合；

6、高能量转换效率；

7、可进行非解理的片上测试，易模块化和封装；

由于上述优势，在短距离光互连技术中，VCSEL通常被作为光源来实现框间/框内的光互连。

现有技术中的VCSEL主要包括以下两种结构：外部反射镜辅助的单横模VCSEL以及氧化层小孔径单模VCSEL，其中，外部反射镜辅助的单横模VCSEL的优点是实现单横模LP01(其中，LP为Linearly Polarized，线极性化)激射模式，但是其在制备的过程中需要增加额外的复杂制备工艺流程，如制备静电机械臂固定反射镜等，且其包括的微电子机械系统反射镜容易在制备、加工以及后期处理过程中受到损坏，外部反射镜辅助的单横模VCSEL复杂的工艺制备流程导致了额外的成本；氧化层小孔径单模VCSEL的优点是实现单横模LP01激射模式，但是其较小的孔径面积导致了串联电阻率的增大，在驱动电流相同的情况下，相当一部分能量被电阻发热损耗掉，这使氧化层小孔径单模VCSEL工作在较高的自热状态，导致其可靠性降低，且降低了输出光功率。

可见，现有技术中的VCSEL存在制备成本高、可靠性低以及输出光功率小的问题。

技术实现要素：

本发明实施例公开了一种垂直腔面发射激光器VCSEL，用于解决现有技术中VCSEL的制备成本高、可靠性低以及输出光功率小的问题。

本发明实施例第一方面公开了一种垂直腔面发射激光器VCSEL，所述VCSEL包括自下而上的外延层结构，所述自下而上的外延层结构包括n型掺杂的电极接触层、n型掺杂的砷化镓GaAs衬底、一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜、第一半导体缓冲层、有源层、第二半导体缓冲层、一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜以及两个p型接触点，所述n型掺杂的电极接触层两侧预留两个n型接触点，所述一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜包括至少两层n型掺杂的分布式布拉格反射镜，每层所述n型掺杂的分布式布拉格反射镜由金属组分值不同的相同材料构成，所述自下而上的外延层结构还包括第三半导体缓冲层以及吸收层，且所述一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜包括双氧化层谐振泄漏腔，其中：

所述第三半导体缓冲层处于所述一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜以及所述吸收层之间，所述吸收层处于所述第三半导体缓冲层以及两个所述p型接触点之间，所述双氧化层谐振泄漏腔用于在所述VCSEL发生激射时使LP11激射模式下的光场集中在所述双氧化层谐振泄漏腔内且降低所述LP11激射模式下的增益以保证LP01激射模式为所述VCSEL的主激射模式，所述吸收层用于形成环形栅栏，所述环形栅栏用于吸收所述LP11激射模式下的光能以保证所述LP01激射模式下的输出光功率，所述第一半导体缓冲层、所述第二半导体缓冲层以及所述第三半导体缓冲层用于实现不同金属化合物之间的过渡，所述有源层用于实现电光转换，两个所述n型接触点用于连接供电电源的负极，两个所述p型接触点用于连接所述供电电源的正极。

结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第一种可能的实现方式中，所述一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜包括P层p型掺杂的分布式布拉格反射镜，且所述p型掺杂的分布式布拉格反射镜的材料为铝镓砷AlGaAs，所述P层p型掺杂的分布式布拉格反射镜包括两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜以及(P-2)层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜，所述第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值较高，所述第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值较低，所述两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜与L层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜构成所述双氧化层谐振泄漏腔，所述L层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜处于所述两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜之间，所述两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜用于经过氧化工艺后形成高电阻率-低折射率的结构以限制电流以及光场，所述P是大于2的偶数，所述L是大于等于1且小于等于所述(P-2)的整数。

结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第二种可能的实现方式中，所述吸收层包括晶格匹配吸收层，所述晶格匹配吸收层的材料为砷化镓GaAs，所述晶格匹配吸收层通过浅刻蚀技术被刻蚀为所述环形栅栏，且所述晶格匹配吸收层的厚度为所述VCSEL激射波长的四分之一的奇数倍，所述环形栅栏到中心的距离等于LP11的近场光斑到中心的距离，所述环形栅栏的宽度大于等于LP11光斑的直径。

结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第三种可能的实现方式中，所述n型掺杂的分布式布拉格反射镜的材料为铝镓砷AlGaAs，且所述一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜是由不同铝组分值的AlxGa1-xAs以及AlyGa1-yAs交替生长构成，所述x以及所述y的取值范围为大于等于0且小于等于1。

结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第四种可能的实现方式中，所述第一半导体缓冲层的材料为AlzGa1-zAs，所述z的值处于与所述第一半导体缓冲层相邻的n型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值以及所述有源层中铝组分值之间。

结合本发明实施例第一方面，在本发明实施例第一方面的第五种可能的实现方式中，所述有源层包括多量子阱型有源层或应变多量子阱型有源层。

本发明实施例中，VCSEL包括自下而上的外延层结构，且自下而上的外延层结构中的一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜形成了双氧化层谐振泄漏腔以便在VCSEL发生激射时使LP11激射模式下的光能集中在双氧化层谐振泄漏腔内且降低LP11激射模式下的增益，从而保证了LP01激射模式为VCSEL的主激射模式，且自下而上的外延层结构中的吸收层用于形成环形栅栏，环形栅栏用于吸收LP11激射模式下的光能，从而保证了LP01激射模式下的输出光功率。可见，本发明实施例中的VCSEL制备工艺简单、可靠性高且提高了输出光功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL的竖截面的结构示意图；

图2是本发明实施例公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL中双氧化层谐振泄漏腔以及双氧化层谐振泄漏腔之上的横截面的结构俯视示意图；

图3是本发明实施例公开的一种双氧化层谐振泄漏腔的竖截面的结构示意图；

图4是本发明实施例公开的一种环形栅栏的横截面的结构俯视示意图；

图5是现有技术公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL的竖截面的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种垂直腔面发射激光器VCSEL，制备工艺简单、可靠性高且提高了输出光功率。

请参阅图1，图1是本发明实施例公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL的竖截面的结构示意图。如图1所示，VCSEL包括自下而上的外延层结构，自下而上的外延层结构可以包括n型掺杂的电极接触层101、n型掺杂的砷化镓GaAs衬底103、一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜104、第一半导体缓冲层105、有源层106、第二半导体缓冲层107、一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜108、第三半导体缓冲层109、吸收层110以及两个p型接触点(如图1中所示的1201以及1202)，n型掺杂的电极接触层101两侧预留两个n型接触点(如图1中所示的1021以及1022)，一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜104包括至少两层n型掺杂的分布式布拉格反射镜，每层n型掺杂的分布式布拉格反射镜由金属组分值不同的相同材料构成，且一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜108包括双氧化层谐振泄漏腔1081，其中：

双氧化层谐振泄漏腔1081用于在VCSEL发生激射时使LP11激射模式下的光能集中在双氧化层谐振泄漏腔1081内且降低LP11激射模式下的增益以保证LP01激射模式为VCSEL的主激射模式，吸收层110用于形成环形栅栏1101，环形栅栏1101用于吸收LP11激射模式下的光能以保证LP01激射模式下的输出光功率，第一半导体缓冲层105、第二半导体缓冲层107以及第三半导体缓冲层109用于实现不同金属化合物之间的过渡，有源层106用于实现电光转换，两个n型接触点(如图1中所示的1021以及1022)用于连接供电电源的负极，两个p型接触点(如图1中所示的1201以及1202)用于连接供电电源的正极。

本发明实施例中，请参阅图2，图2是本发明实施例公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL中双氧化层谐振泄漏腔以及双氧化层谐振泄漏腔之上的横截面的结构俯视示意图，如图2所示，从外到内依次是HR-LI(High Resistivity-Low Refractive Index，高电阻率低折射率)结构、双氧化层孔径以及环形栅栏，其中，LP11激射模式下的光斑(如图2所示的LP11光斑)被限制在环形栅栏内，垂直腔面发射激光器VCSEL最终发射的激光是如图2中的LP01光斑形成的。

作为一种可选的实施方式，一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜108包括P层p型掺杂的分布式布拉格反射镜，且p型掺杂的分布式布拉格反射镜的材料为铝镓砷AlGaAs，其中，P层p型掺杂的分布式布拉格反射镜包括两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜以及(P-2)层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜，第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值较高，第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值较低，两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜与L层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜(其中，该L层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜处于两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜之间)构成双氧化层谐振泄漏腔1081，如图3所示，图3是本发明实施例公开的一种双氧化层谐振泄漏腔的竖截面的结构示意图。两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜(即两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜)用于经过氧化工艺后形成高电阻率-低折射率(HR-LI)的结构以限制电流以及光场，其中，P是大于2的偶数，L是大于等于1且小于等于(P-2)的整数，且高电阻率-低折射率(HR-LI)的结构围成的孔径叫做双氧化层孔径，双氧化层孔径的折射率很高，且激光光场被限制在该双氧化层孔径内。

本发明实施例中，一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜108中包括两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜(即两层第一类p型掺杂的分布式布拉格反射镜)，且两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值一般大于0.96，如Al0.96Ga0.02As等，两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜与该两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜之间的p型掺杂的分布式布拉格反射镜(即L层第二类p型掺杂的分布式布拉格反射镜)构成了双氧化层谐振泄漏腔1081，如图3所示，该双氧化层谐振泄漏腔中双氧化层孔径周围的垂直长度为Lsurrounding且双氧化层孔径的垂直长度为Laperture，它们的计算公式可以分别如下所示：

其中，noxide表示氧化层的折射率，doxide表示单氧化层的厚度，nAlGaAs表示两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜之间的单层p型掺杂的分布式布拉格反射镜的折射率，dAlGaAs表示两层铝组分值较高的p型掺杂的分布式布拉格反射镜中间的单层p型掺杂的分布式布拉格反射镜的厚度，M表示双氧化层谐振泄漏腔1081中所有p型掺杂的分布式布拉格反射镜的层数，即M等于L加2且M大于2小于等于P，λ01表示VCSEL的待激射的LP01激射模式下的波长，λ11表示VCSEL的LP11激射模式下在双氧化层孔径周围区域内的谐振波长，K1以及K2均为正整数，根据模场泄漏的充要条件可知，λ01＝λ11时才能使得泄漏发生，因此，通过设计合适的doxide、M、K1以及K2使得公式(1)以及公式(2)成立，如此一来，VCSEL在发生激射时，LP11激射模式下的光能便集中到了双氧化层谐振泄漏腔1081内，LP11激射模式与有源层106的空间重合度降低，这使得LP11激射模式获得的增益大大降低以保证LP01激射模式为VCSEL的主激射模式。

作为一种可选的实施方式，吸收层110可以包括晶格匹配吸收层，晶格匹配吸收层的材料为砷化镓GaAs，晶格匹配吸收层可以通过浅刻蚀技术被刻蚀为环形栅栏1101，且晶格匹配吸收层的厚度为VCSEL激射波长的四分之一的奇数倍，环形栅栏1101到中心的距离等于LP11的近场光斑到中心的距离，环形栅栏1101的宽度大于等于LP11光斑的直径以保证LP11激射模式下的光能最大限度的被环形栅栏吸收，如图4所示，图4是本发明实施例公开的一种环形栅栏的横截面的结构俯视示意图。

本发明实施例中，双氧化层谐振泄漏腔1081保证了LP01激射模式为VCSEL的主激射模式，但是随着调制电流的增大，当调制电流逐渐增大到LP11激射模式的激射阈值后，LP11激射模式下的光场强度迅速升高，虽然LP01激射模式下的光场强度也会升高，但是LP01/LP11的边模抑制比会降低，基于此，VCSEL的顶层又生长了一层晶格匹配吸收层，当激射波长为850nm时，晶格匹配吸收层的组成材料可以为砷化镓GaAs，砷化镓GaAs对850nm波段附近的光有很强的吸收作用，以砷化镓GaAs为组成材料的晶格匹配吸收层可以作为一个理想的吸收层。为了实现不同金属化合物的逐渐过渡，在一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜108之上生长了一层第三半导体缓冲层109，从而实现铝组分值从有到无的过渡。晶格匹配吸收层可以通过浅刻蚀的方法刻蚀出一个环形栅栏1101，浅刻蚀技术是指刻蚀的深度以刚好穿透晶格匹配吸收层为宜。LP01激射模式下的光场主要集中在环形栅栏1101围成的孔径内，而LP11激射模式下的光场主要集中在环形栅栏1101中，由于砷化镓GaAs对850nm波段附件的光有很强的吸收作用，所以当LP11激射模式下的光场到达环形栅栏1101时，很大部分的光都会被吸收损耗，只有很少一部分光会被反射到双氧化层谐振泄漏腔1081内，因此，环形栅栏1101的作用有以下两个：一是直接通过吸收作用大大降低LP11激射模式下的发射功率，保证即使工作在大电流条件下，LP11发生激射时也可以最大程度提高LP01/LP11的边模抑制比；二是大大增加了LP11激射模式的激射电流阈值，保证尽可能的从源头下抑制LP11模式不发生激射。

作为一种可选的实施方式，n型掺杂的分布式布拉格反射镜的材料为铝镓砷AlGaAs，且一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜104可以包括N层由不同铝组分值的AlxGa1-xAs以及AlyGa1-yAs交替生长构成，铝组分值高的铝镓砷AlGaAs折射率高，铝组分值低的铝镓砷AlGaAs折射率低，其中，x以及y的取值范围为大于等于0且小于等于1，且N是大于0的偶数。

本发明实施例中，一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜104包括的每层n型掺杂的分布式布拉格反射镜的有效厚度可以为VCSEL激射波长(如850nm)的四分之一，这样可以保证每层n型掺杂的分布式布拉格反射镜不会形成一个独立的谐振腔。

作为一种可选的实施方式，第一半导体缓冲层105的材料为AlzGa1-zAs，z的值可以处于与第一半导体缓冲层105相邻的n型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值以及有源层106中铝组分值之间。本发明实施例中，举例来说，假设与第一半导体缓冲层105相邻的n型掺杂的分布式布拉格反射镜中铝组分值为0.2且有源层106中铝组分值为0.9，则z的取值范围应该处于0.2与0.9之间(如0.55等)以实现不同金属化合物之间的过渡，进而实现连续性的晶格结构匹配。

作为一种可选的实施方式，有源层106可以包括多量子阱型有源层或应变多量子阱型有源层等，本发明实施例不做限定。本发明实施例中，当VCSEL的激射波长为850nm时，有源层106可以是组成材料为砷化镓GaAs/铝镓砷AlGaAs的多量子阱型有源层，也可以是组成材料为铟镓砷InxGa1-xAs/铝镓砷AlyGa1-yAs的应变多量子阱型有源层，本发明实施例不做限定。

作为一种可选的实施方式，n型掺杂的电极接触层101的材料可以为锗化金AuGe、镍Ni以及金Au中的任意一种，本发明实施例不做限定。

本发明实施例中，分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)的原理是依靠两种高低折射率相间的材料层(如AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs，x、y均是大于等于0且小于等于1的值)构成很多对(如P/2对以及N/2对)的周期结构以使分布式布拉格反射镜的反射率达到99.5％以上，且一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜108中p型掺杂的分布式布拉格反射镜的层数P以及一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜104中n型掺杂的分布式布拉格反射镜的层数N是分别是由高低折射率相间的不同金属组分值的两种同类材料的折射率之差决定的，不同金属组分值的两种同类材料的折射率之差越高，分布式布拉格反射镜的反射率达到99.5％以上所需的层数(P层以及N层)就越少。

本发明实施例中的VCSEL的发光原理与其他激光器的发光原理一样，在两个p型接触点连接供电电源正极以及两个n型接触点连接供电电源负极后，VCSEL只需满足以下两个条件就能够实现激光激射：一、粒子数反转过程：在有源层106内存在粒子数反转，在激光媒质提供的增益足够超过损耗的情况下，当有电流注入时，光强将持续增加，处于高能态导带底的电子跃迁到处于低能态价带时，随着特定波长的光在有源层106上下两个反射镜面来回反射，放大过程不断重复，便形成了激光；二、双氧化层谐振泄漏腔：在有源层106产生的激光中选择一定频率且方向一致的激光并优先放大选择的激光，对于其它频率以及方向的激光加以抑制，如激光光场(LP01激射模式下的激光光场以及LP11激射模式下的激光光场)被限制在如图2或如图3所示的双氧化层孔径内。当激光光场通过如图2或如图3所示的双氧化层孔径被激射时，吸收层形成的环形栅栏1101通过吸收LP11激射模式下的激光光场大大降低了LP11激射模式下的发射功率，而LP01激射模式下的激光光场则通过环形栅栏围成的孔径被激射出以作为VCSEL最终输出的激光。

本发明实施例中，请参阅图5，图5是现有技术公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL的竖截面的结构示意图，如图5所示，该现有技术公开的一种一种垂直腔面发射激光器VCSEL自下而上可以包括n型掺杂的电极接触层501、n型掺杂的砷化镓GaAs衬底503、一组n型掺杂的分布式布拉格反射镜504、第一半导体缓冲层505、有源层506、第二半导体缓冲层507、一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜508以及两个p型接触点(如图5中所示的5091以及5092)，且n型掺杂的电极接触层501两侧预留两个n型接触点(如图1中所示的5021以及5022)。对比图1及图5，我们可以看出，本发明实施例公开的垂直腔面发射激光器VCSEL包括自下而上的外延层结构，且自下而上的外延层结构中的一组p型掺杂的分布式布拉格反射镜形成了双氧化层谐振泄漏腔以便在VCSEL发生激射时使LP11激射模式下的光能集中在双氧化层谐振泄漏腔内且降低LP11激射模式下的增益，从而保证了LP01激射模式为VCSEL的主激射模式，且自下而上的外延层结构中的吸收层用于形成环形栅栏，环形栅栏用于吸收LP11激射模式中的光能，从而保证了LP01激射模式下的输出光功率，此外，图1中的第三半导体缓冲层109用于实现不同金属化合物之间的过渡以匹配吸收层110以及与第三半导体缓冲层109相邻的一层p型掺杂的分布式布拉格反射镜。可见，本发明实施例中的VCSEL制备工艺简单、可靠性高且提高了输出光功率。

以上对本发明实施例公开的一种垂直腔面发射激光器VCSEL进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明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发明及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。