一种高频垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种高频垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法。

背景技术

vcsel，全名为垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于led(发光二极管)和ld(laserdiode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。

vcsel芯片中，为了增加发光层的出光率，芯片中的n型层和p型层一般选择分布式布拉格反射镜结构，分布式布拉格反射镜结构包括多个反射层，当芯片中注入高频电流时，布拉格反射镜结构中的多个反射层之间会产生电容效应，致使vcsel芯片的高频敏感性较差。

综上，现有技术中vcsel芯片在通高频电流时，高频敏感性较差。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法，以提高垂直腔面发射激光器芯片的高频敏感性。

第一方面，本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：

衬底、依次形成于所述衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，所述衬底背面形成有n型电极层；所述n型层和所述p型层均包括多层反射层；所述发光层、所述电流限制层和所述p型层暴露所述n型层的边缘区域；所述n型层暴露所述衬底的边缘区域；

所述n型层边缘设置有连通所述n型层的多层反射层的导电层；

所述电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；

所述p型层包括与所述绝缘区域对应的暴露区域，所述暴露区域暴露所述p型层中的底层的反射层；

所述p型电极层覆盖包括所述暴露区域的p型层，所述p型电极层包括与所述电流注入区域对应的出光孔。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述p型层还包括设置于多层反射层之上的欧姆接触层。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述p型层的多层反射层构成p型分布式布拉格反射镜结构，所述n型层的多层反射层构成n型分布式布拉格反射镜结构。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述p型分布式布拉格反射镜结构包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层；

所述n型分布式布拉格反射镜结构包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。

结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述电流注入区域为圆孔区域，所述圆孔区域的直径范围为5-15um。

第二方面，本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：

衬底、依次形成于所述衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，所述衬底背面形成有n型电极层；所述n型层和所述p型层均包括多层反射层；

所述电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；

所述p型层包括与所述绝缘区域对应的暴露区域，所述暴露区域暴露所述p型层中的底层的反射层；

所述p型电极层覆盖包括所述暴露区域的p型层，所述p型电极层包括与所述电流注入区域对应的出光孔。

第三方面，本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：

衬底、依次形成于所述衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，所述衬底背面形成有n型电极层；所述n型层和所述p型层均包括多层反射层；所述发光层、所述电流限制层和所述p型层暴露所述n型层的边缘区域；所述n型层的暴露所述衬底的边缘区域；

所述n型层边缘设置有连通所述n型层的多层反射层的导电层；

所述电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；

所述p型电极层包括与所述电流注入区域对应的出光孔。

第四方面，本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，用于制备第一方面至第一方面的第四种可能的实施方式中的任一所述的高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：

在衬底上依次形成n型层、发光层、电流限制层和p型层，所述n型层和所述p型层均包括多层反射层，所述电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；

去除所述p型层、所述电流限制层和所述发光层的边缘区域，暴露所述n型层的边缘区域；以及去除所述n型层的边缘区域，暴露所述衬底的边缘区域；

蚀刻所述p型层，使得所述p型层形成与所述绝缘区域对应的暴露区域，所述暴露区域暴露所述p型层中的底层的反射层；

在所述p型层上形成p型电极层，使得所述p型电极层覆盖包括所述暴露区域的p型层；

蚀刻所述p型电极层，使得所述p型电极层形成与所述电流注入区域对应的出光孔；

在所述n型层的边缘区域形成连通所述n型层的多层反射层的导电层；

在所述衬底背面形成n型电极层。

第五方面，本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，用于制备第二方面所述的高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：

在衬底上依次形成n型层、发光层、电流限制层和p型层，所述n型层和所述p型层均包括多层反射层，所述电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；

蚀刻所述p型层，使得所述p型层形成与所述绝缘区域对应的暴露区域，所述暴露区域暴露所述p型层中的底层的反射层；

在所述p型层上形成p型电极层，使得所述p型电极层覆盖包括所述暴露区域的p型层；

蚀刻所述p型电极层，使得所述p型电极层形成与所述电流注入区域对应的出光孔；

在所述衬底背面形成n型电极层。

第六方面，本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，用于制备第三方面所述的高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：

在衬底上依次形成n型层、发光层、电流限制层和p型层，所述n型层和所述p型层均包括多层反射层，所述电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；

去除所述p型层、发光层和电流限制层的边缘区域，暴露所述n型层的边缘区域；以及去除所述n型层的边缘区域，暴露所述衬底的边缘区域；

在所述p型层上形成p型电极层；

蚀刻所述p型电极层，使得所述p型电极层形成与所述电流注入区域对应的出光孔；

在所述n型层的边缘区域形成连通所述n型层的多层反射层的导电层；

在所述衬底背面形成n型电极层。

与现有技术相比，本申请实施例提供的一种高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：衬底、依次形成于衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，衬底背面形成有n型电极层；n型层和p型层均包括多层反射层；发光层、电流限制层和p型层暴露n型层的边缘区域；n型层的暴露衬底的边缘区域；n型层边缘设置有连通n型层的多层反射层的导电层；电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；p型层包括与绝缘区域对应的暴露区域，暴露区域暴露p型层中的底层的反射层；p型电极层覆盖包括暴露区域的p型层，p型电极层包括与电流注入区域对应的出光孔。

可见，本申请给出的高频垂直腔面发射激光器芯片中，p型层和n型层中的多层反射层被导电材料连通，这样高频垂直腔面发射激光器芯片在通电后，p型层和n型层中的相邻反射层之间不会再出现电容效应，从而提高了高频垂直腔面发射激光器芯片的高频敏感性。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1a示出了本申请实施例所提供的第一种高频垂直腔面发射激光器芯片的切面结构示意图；

图1b示出了本申请实施例所提供的第一种高频垂直腔面发射激光器芯片的俯视图结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的第一种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备方法流程示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的第一种高频垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之一；

图4示出了本申请实施例所提供的第一种高频垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之二；

图5示出了本申请实施例所提供的第一种高频垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之三；

图6示出了本申请实施例所提供的第二种高频垂直腔面发射激光器芯片结构示意图；

图7示出了本申请实施例所提供的第二种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备流程图；

图8示出了申请实施例所提供的第三种高频垂直腔面发射激光器芯片结构示意图；

图9示出了本申请实施例所提供的第三种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备流程图。

图标：11-衬底；12-n型层；13-发光层；14-电流限制层；15-p型层；16-p型电极层；17-n型电极层；18-导电层；141-电流注入区域；142-绝缘区域；151-暴露区域；152-欧姆接触层；161-出光孔。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片，如图1a所示，为高频垂直腔面发射激光器芯片的切面示意图，图1b为该高频垂直腔面发射激光器芯片的俯视图，包括：衬底11、依次形成于衬底11上的n型层12、发光层13、电流限制层14、p型层15和p型电极层16，衬底11背面形成有n型电极层17；n型层12和p型层15均包括多层反射层；发光层13、电流限制层14和p型层15暴露n型层12的边缘区域；n型层12暴露衬底11的边缘区域。

可选地，衬底可以为砷化镓衬底。

可选地，本申请实施例中的发光层为alxga1-xas/inxgaas/alxga1-xas量子阱结构，其中x为in的含量，根据波长进行调整。

为了对输入到芯片中的电流进行降压，p型层15还包括设置于多层反射层之上的欧姆接触层152。可选地，本申请中的欧姆接触层包括砷化镓层。

p型电极层和n型电极层的材料为导电性良好的金属材料，比如铜、银和金等。

其中，n型层12边缘设置有连通n型层12的多层反射层的导电层18。

电流限制层14包括电流注入区域141和绝缘区域142。

这里电流注入区域是导电的，电流能够通过该电流注入区域与发光层连通，其中电流限制层中的电流注入区域可以为方形区域，可以为圆形区域，在本申请实施例中为圆孔区域，且圆孔区域的直径范围为5-15um。

p型层15包括与绝缘区域142对应的暴露区域151，暴露区域151暴露p型层15中的底层的反射层。

这里暴露区域暴露p型层中的底层的反射层，比如暴露p型层中最下层的一对反射层，或者最后一层反射层，这里是为了使得后期蒸镀p型电极层时，避免p型电极层与电流限制层中的绝缘区域接触，而造成电流被绝缘无法通过电流注入区域进入发光层。

p型电极层16覆盖包括暴露区域151的p型层15，p型电极层包括与电流注入区域141对应的出光孔161。

可选地，p型层的多层反射层构成分布式布拉格反射镜结构，n型层的多层反射层构成分布式布拉格反射镜结构。

具体地，p型层中的多层反射层构成p-dbr结构，即p型分布式布拉格反射镜，其结构包括多层交替的砷化铝和砷化铝镓，较佳地，本申请实施例中p-dbr结构包括18对交替的砷化铝和砷化铝镓，p-dbr结构这样的结构，能够增加对光的反射率，其反射率可达99.8％。

n型层构成n-dbr结构，即n型分布式布拉格反射镜，可选地，本申请实施例中的n-dbr结构也包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层，优选地，本申请实施例中n-dbr结构包括32对交替的砷化铝层和砷化铝镓层，n-dbr结构这样的结构，能够增加对光的反射率，其反射率可达99.9％。

较佳地，p-dbr结构和n-dbr结构中，每层砷化铝层和砷化铝镓层的厚度均为波长的1/4。

本申请实施例提供了一种直腔面发射激光器芯片，用于制备上述高频垂直腔面发射激光器芯片，如图2所示，包括以下具体步骤：

s200，在衬底上依次形成n型层、发光层、电流限制层和p型层，n型层和p型层均包括多层反射层，电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域。

这里的电流限制层可以通过对氧化层进行湿法氧化后形成，使得该氧化层形成导电的电流注入区域以及不导电的绝缘区域；也可以通过对导电层进行绝缘离子注入后形成，使得该导电层形成导电的电流注入区域以及不导电的绝缘区域。

在衬底11上依次形成n型层12、发光层13、电流限制层14和p型层15，其中，n型层12和p型层15均包括多层反射层，电流限制层14包括电流注入区域141和绝缘区域142，p型层包括形成于电流限制层14上的p-dbr层，以及形成于p-dbr层上的欧姆接触层152，这样得到如图3所示的结构图。

这里电流限制层的制备方法可以通过离子注入或者图形化氧化等方法，在此不做具体限定。

s201，去除p型层、电流限制层和发光层的边缘区域，暴露n型层的边缘区域；以及去除n型层的边缘区域，暴露衬底的边缘区域。

这里的去除可以包括湿法蚀刻或者干法蚀刻，只要能去除掉边缘区域以使下层暴露即可，这里去除的方法不做具体限定。

在图3的基础上，去除p型层15(这里包括欧姆接触层152和p-dbr层)、电流限制层14和发光层13的边缘区域，暴露n型层12的边缘区域；以及去除n型层12的边缘区域，暴露衬底11的边缘区域，得到如图4所示的结构图。

s202，蚀刻p型层，使得p型层形成与绝缘区域对应的暴露区域，暴露区域暴露p型层中的底层的反射层。

s203，在p型层上形成p型电极层，使得p型电极层覆盖包括暴露区域的p型层。

s204，蚀刻p型电极层，使得p型电极层形成与电流注入区域对应的出光孔。

在图4的基础上，蚀刻p型层15，使得p型层15形成与绝缘区域142对应的暴露区域151，暴露区域151暴露p型层15中的底层的反射层；然后在p型层15上蒸镀形成p型电极层16，使得p型电极层16覆盖包括暴露区域151的p型层15。然后在蚀刻p型电极层16，使得p型电极层形成与电流注入区域对应的出光孔161，得到如图5所示的结构示意图。

s305，在n型层的边缘区域形成连通n型层的多层反射层的导电层。

s306，在衬底背面形成n型电极层。

在图5所得的结构基础上，在n型层12的边缘区域形成连通n型层的多层反射层的导电层18，最后在衬底背面形成n型电极层17，即得到如图1所示的结构。

与现有技术相比，本申请实施例提供的一种高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：衬底、依次形成于衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，衬底背面形成有n型电极层；n型层和p型层均包括多层反射层；发光层、电流限制层和p型层暴露n型层的边缘区域；n型层的暴露衬底的边缘区域；n型层边缘设置有连通n型层的多层反射层的导电层；电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；p型层包括与绝缘区域对应的暴露区域，暴露区域暴露p型层中的底层的反射层；p型电极层覆盖包括暴露区域的p型层，p型电极层包括与电流注入区域对应的出光孔。

可见，本申请给出的高频垂直腔面发射激光器芯片中，p型层和n型层中的多层反射层被导电材料连通，这样高频垂直腔面发射激光器芯片在通电后，p型层和n型层中的相邻反射层之间不会再出现电容效应，从而提高了垂直腔面发射激光器芯片的高频敏感性。

本申请实施例还提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片，如图6所示包括：衬底11、依次形成于衬底11上的n型层12、发光层13、电流限制层14、p型层15和p型电极层16，衬底11背面形成有n型电极层17；n型层12和p型层15均包括多层反射层。

电流限制层14包括电流注入区域141和绝缘区域142。

p型层15包括与绝缘区域142对应的暴露区域151，暴露区域151暴露p型层15中的底层的反射层。

p型电极层16覆盖包括暴露区域151的p型层15，p型电极层16包括与电流注入区域141对应的出光孔161。

该实施例中的高频垂直腔面发射激光器芯片与上一实施例中的高频垂直腔面发射激光器芯片中各层的材料相同，与上一实施例中的p型层、n型层和电流限制层结构相同，在此不再赘述。

本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，用于制备上述高频垂直腔面发射激光器芯片，如图7所示，包括以下步骤s700～s704：

s700，在衬底上依次形成n型层、发光层、电流限制层和p型层，n型层和p型层均包括多层反射层，电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域。

这里通过步骤s700，得到的结构示意图如图3所示，其中这里的p型层还包括形成于多层反射层上的欧姆接触层。

s701，蚀刻p型层，使得p型层形成与绝缘区域对应的暴露区域，暴露区域暴露p型层中的底层的反射层。

s702，在p型层上形成p型电极层，使得p型电极层覆盖包括暴露区域的p型层。

s703，蚀刻p型电极层，使得p型电极层形成与电流注入区域对应的出光孔。

s704，在衬底背面形成n型电极层。

在图3的基础上，蚀刻p型层，使得p型层形成与绝缘区域对应的暴露区域，暴露区域暴露p型层中的底层的反射层；然后，在p型层上形成p型电极层，使得p型电极层覆盖包括暴露区域的p型层；然后，蚀刻p型电极层，使得p型电极层形成与电流注入区域对应的出光孔；最后，在衬底背面形成n型电极层，从而得到如图6所示的结构。

与现有技术相比，本申请实施例提供的高频垂直腔面发射激光器芯片包括：衬底、依次形成于衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，衬底背面形成有n型电极层；n型层和p型层均包括多层反射层；电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；p型层包括与绝缘区域对应的暴露区域，暴露区域暴露p型层中的底层的反射层；p型电极层覆盖包括暴露区域的p型层，p型电极层包括与电流注入区域对应的出光孔。

可见，本申请给出的高频垂直腔面发射激光器芯片中，p型层中的多层反射层被导电材料连通，这样高频垂直腔面发射激光器芯片在通电后，p型层中的相邻反射层之间不会再出现电容效应，从而提高了垂直腔面发射激光器芯片的高频敏感性。

本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片，如图8所示，包括：衬底11、依次形成于衬底11上的n型层12、发光层13、电流限制层14、p型层15和p型电极层16，衬底11背面形成有n型电极层17；n型层12和p型层15均包括多层反射层；发光层13、电流限制层14和p型层15暴露n型层12的边缘区域；n型层12暴露衬底11的边缘区域。

其中，p型层15包括形成于电流限制层上的多层反射层和形成于多层反射层上的欧姆接触层152。

n型层12边缘设置有连通n型层的多层反射层的导电层18。

电流限制层14包括电流注入区域141和绝缘区域142。

p型电极层16包括与电流注入区域141对应的出光孔161。

该实施例中的高频垂直腔面发射激光器芯片与上一实施例中的高频垂直腔面发射激光器芯片中各层的材料相同，与上一实施例中的p型层、n型层和电流限制层结构相同，在此不再赘述。

本申请实施例提供了一种高频垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，用于制备上述高频垂直腔面发射激光器芯片，如图9所示，包括以下具体步骤s900～s904：

s900，在衬底上依次形成n型层、发光层、电流限制层和p型层，n型层和p型层均包括多层反射层，电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域。

这里通过步骤s900，得到的结构示意图如图3所示，其中这里的p型层还包括形成于多层反射层上的欧姆接触层。

s901，去除p型层、电流限制层和发光层的边缘区域，暴露n型层的边缘区域；以及去除n型层的边缘区域，暴露衬底的边缘区域。

在图3的基础上，执行步骤s901，得到如图4所示的结构。

s902，在p型层上形成p型电极层；蚀刻p型电极层，使得p型电极层形成与电流注入区域对应的出光孔。

s903，在n型层的边缘区域形成连通n型层的多层反射层的导电层。

s904，在衬底背面形成n型电极层。

在图4的基础上，依次执行步骤s902、s903和s904，得到如图8所示的结构。

与现有技术相比，本申请实施例提供的一种高频垂直腔面发射激光器芯片，包括：衬底、依次形成于所述衬底上的n型层、发光层、电流限制层、p型层和p型电极层，衬底背面形成有n型电极层；n型层和p型层均包括多层反射层；发光层、电流限制层和p型层暴露n型层的边缘区域；n型层的暴露衬底的边缘区域；n型层边缘设置有连通n型层的多层反射层的导电层；电流限制层包括电流注入区域和绝缘区域；p型电极层包括与电流注入区域对应的出光孔。

可见，本申请给出的高频垂直腔面发射激光器芯片中，n型层中的多层反射层被导电材料连通，这样高频垂直腔面发射激光器芯片在通电后，n型层中的相邻反射层之间不会再出现电容效应，从而提高了垂直腔面发射激光器芯片的高频敏感性。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。