一种垂直腔面发射激光器的制作方法

本发明涉及垂直腔面发射激光器，具体涉及一种具有多个电流限制层的dbr反射镜的高功率单模垂直腔面发射激光器。

背景技术：

在高功率单模vcsel(垂直腔面发射激光器)中有几种有效的电流限制和横向光学限制方法，其中较常采用的方法是掩埋异质结构、蚀刻气柱、离子注入和选择性氧化。特别是采用氧化限制的vcsel由于在小的有效体积中的有效电流和光学限制而在调制带宽方面表现出优异的性能。已经使用vcsel内的氧化限制层通过在激光模式内收缩电流和引导激光来最小化功率耗散。然而，这些氧化限制层由于其外延半导体不完美的形状而产生了不希望的光学散射，并且需要较大的模直径以实现低光学损耗。

顶部p型dbr反射镜中具有多个氧化限制层的vcsel结构由两部分组成；一个是电流限制层，另一个是光学限制层。对于vcsel来说，电流限制是合乎需要的，其中电流用于提供泵浦有源区以获得增益的手段。例如：在vcsel中，通常在有源区上方和下方提供顶部和底部电触点，以通过有源区施加泵浦电流。电流限制方法通过设置电流限制结构以将泵浦电流限制在有源区域的相对小的区域中。其中包括顶部p型dbr反射镜的简单台面蚀刻或是铝含量高的选择性横向氧化，如al0.98ga0.02as或甚至位于有源层附近光驻波的节点和/或波腹位置之间的alas，其厚度通常在20nm和30nm之间。

光学限制层形成为相同的电流限制层和/或在电流限制层上方的几对dbr反射镜中的替代氧化限制层。在这些典型的vcsel结构中，光学限制层被设计成具有比电流限制层大约1-3μm的更大氧化物孔径，并且有源区域和氧化物孔径都位于光驻波的波腹位置。因此，这些vcsel作为指数引导(index-guided)器件工作，具有强径向内置折射率限制，有利于更高阶横模，对于氧化限制层中的6μm光学孔径更宽，这些典型的vcsel结构不能保证单模运行。

虽然单模的散射损耗可以被抑制到与典型vcsel相同的水平，但是与典型的vcsel相比，多个氧化层产生更大的散射损耗并抑制更高阶的横模。高阶横模的光学模式分布比基模宽。如果光学限制层的孔径尺寸被设计为比基本模式的轮廓宽并且小于高阶横向模式的孔径尺寸，则仅高阶横向模式由于光学限制层的散射而遭受更大的光学损失。

vcsel的散射损耗取决于vcsel谐振腔内氧化限制层位置的影响。当氧化限制层位于光驻波中的节点处时，不存在孔径相关的损耗。然而，当氧化限制层位于波腹处时，散射损失显然是孔径尺寸的函数。随着孔径尺寸增加到>6μm的尺寸，散射损失开始合并。对于大型多模vcsel，氧化限制层的放置不会对散射损失起作用。然而，对于小型单模vcsel，通过在光驻波中的节点处放置孔，可以将散射损耗降低到可忽略的水平。

用于前几个顶部p型dbr反射镜的algaas层的al分数从94％增加到96％以形成氧化限制层。当氧化孔隙层时，这些高铝含量层比在台面周边形成较厚介电层的其它dbr反射镜周期相对更快地氧化。这些氧化层有效地增加了等效电容器厚度并降低了寄生电容(parasiticcapacitance)。增加多个氧化限制层的总厚度以实现器件的低寄生电容是有效的。

氧化物限制的vcsel器件通常作为激光源是有效的。但是，可以改善氧化限制。例如，氧化物限制的vcsel器件具有直接放置在有源区顶部上方的电流限制层。通过适当设计不同数量的氧化孔径层来减小寄生电容并实现具有低功耗的高频。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种垂直腔面发射激光器。本发明能够稳定实现单模运行，并且具有低光学损耗、低能耗和低寄生电容的优点。

本发明所述的一种垂直腔面发射激光器，包括衬底，在衬底上依次层叠有基板、底部n型dbr反射镜、第一氧化限制层、n型引导间隔层、有源区层、p型渐变间隔层、第二氧化限制层、第一间隔层、第三氧化限制层、第二间隔层、第四氧化限制层、第三间隔层、第五氧化限制层、第四间隔层、第六氧化限制层、第五间隔层、第七氧化限制层、第六间隔层、第八氧化限制层、顶部p型dbr反射镜、p型接触层和p侧电极；在衬底远离基板的一面设有n侧电极；

所述的底部n型dbr反射镜包括多个第一折射率层和多个第二折射率层，所述的第一折射率层和第二折射率层均为algaas层；所述的第一折射率层的折射率低于第二折射率层的折射率；

所述的有源区层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的波腹区域，所述的有源区层包括多个量子阱层，所述的量子阱层为inalgaas层；

所述的第一氧化限制层设有第一电流注入区域，所述的第一电流注入区域的直径范围为9-14μm；所述的第一氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第二氧化限制层设有第二电流注入区域，所述的第二电流注入区域的直径等于第一电流注入区域的直径；所述的第二氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第三氧化限制层设有第三电流注入区域，所述的第三电流注入区域的直径小于第二电流注入区域的直径6-9μm；所述的第三氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第四氧化限制层设有第四电流注入区域，所述的第四电流注入区域的直径等于第三电流注入区域的直径；所述的第四氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第五氧化限制层设有第五电流注入区域，所述的第五电流注入区域的直径范围为14-20μm，所述的第五氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第六氧化限制层设有第六电流注入区域，所述的第六电流注入区域的直径范围为14-20μm，所述的第六氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第七氧化限制层设有第七电流注入区域，所述的第七电流注入区域的直径范围为14-20μm，所述的第七氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的第八氧化限制层设有第八电流注入区域，所述的第八电流注入区域的直径范围为14-20μm，所述的第八氧化限制层设置在垂直腔面发射激光器形成的光驻波的节点位置；

所述的顶部p型dbr反射镜包括多个第三折射率层和多个第四折射率层，所述的第三射率层和第四折射率层均为algaas层，所述第三折射率层的折射率低于第四折射率层的折射率；

还包括自顶部p型dbr反射镜向底部n型dbr反射镜延伸的台面结构，在所述的台面结构的至少部分侧面设有介电涂层。

优选地，在所述的第一氧化限制层、第二氧化限制层、第三氧化限制层、第四氧化限制层、第五氧化限制层、第六氧化限制层、第七氧化限制层、第八氧化限制层中的至少一层设有环形氧化注入区域，所述的第一环形氧化注入区域设有用于限制有源区层中电流流动的电流限制层。

优选地，在所述的第一氧化限制层、第二氧化限制层、第三氧化限制层、第四氧化限制层、第五氧化限制层、第六氧化限制层、第七氧化限制层、第八氧化限制层中的至少一层设有第一环形氧化限制区域，所述的第一环形氧化限制区域设有用于限制有源区层中产生的光的光学限制层。

优选地，在所述的第一氧化限制层、第二氧化限制层、第三氧化限制层、第四氧化限制层、第五氧化限制层、第六氧化限制层、第七氧化限制层、第八氧化限制层中的至少四层设有第二环形氧化限制区域，所述的第二环形氧化限制区域设有氧化通孔。

优选地，所述的环形氧化注入区域、第一环形氧化限制区域和第二环形氧化限制区域为氧化的algaas层，其自组分为0.94至0.98。

优选地，所述的衬底为网格衬底。

优选地，在所述的基板和底部n型dbr反射镜之间设有缓冲层。

优选地，所述的p侧电极为环形电极。

优选地，所述的底部n型dbr反射镜、有源区层和顶部p型dbr反射镜为分子束外延层或金属有机化学气相沉积层。

本发明所述的一种垂直腔面发射激光器，其优点在于，将多层氧化限制层设置在光驻波的节点位置，保证所述的垂直腔面发射激光器进行单模运行。顶部p型dbr反射镜和底部n型dbr反射镜的结构可以减低本发明的电阻，降低电力消耗。氧化限制层的结构能有效减小本发明的寄生电容，增加氧化层的厚度以减少氧化物电容，加快本发明的调制速度。通过在有源区两侧使用多个氧化限制层并优化氧化限制层细节，载流子分布与基本vcsel横向模式更匹配。同时确保了单模操作。

附图说明

图1是本发明所述一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之一；

图2是本发明所述一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之二；

图3是本发明所述一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之三。

附图标记说明：100-衬底，101-基板，102-底部n型dbr反射镜，104-第一氧化限制层，105-n型引导间隔层，106-有源区层，107-p型渐变间隔层，108-第二氧化限制层，109-第一间隔层，110-第三氧化限制层，111-第二间隔层，112-第四氧化限制层，113-第三间隔层，114-第五氧化限制层，115-第四间隔层，116-第六氧化限制层，117-第五间隔层，118-第七氧化限制层，119-第六间隔层，120-第八氧化限制层，121-顶部p型dbr反射镜，122-p型接触层，123-p侧电极，130-台面结构，a-光驻波的节点，b-光驻波的波腹，c-光驻波的驻波强度。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明所述的一种垂直腔面发射激光器，将参考附图详细描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明实施例的vcsel的截面结构。图2放大了图1及附近截面表示出了第一氧化限制层104，第二氧化限制层108，第三氧化限制层110，第四氧化限制层112，第五氧化限制层114，第六氧化限制层116，第七氧化限制层118和第八氧化限制层120。图2放大了图1及附近截面图示出了第一氧化限制层104，第二氧化限制层108，第三氧化限制层110，第四氧化限制层112，第五氧化限制层114，第六氧化限制层116第七氧化限制层118和第八氧化限制层120的光驻波强度。图2作为模型的视图，因此其尺寸和形状与实际尺寸和形状不同。

vcsel包括谐振器，其中底部n型dbr反射镜102，第一氧化限制层104，n型引导间隔层105，有源区层106，p型渐变间隔层107，第二氧化限制层108，第一间隔层109，第三氧化限制层110，第二间隔层111，第四氧化限制层112，第三间隔层113，第五氧化限制层114，第四间隔层115，第六氧化限制层116，第五间隔层117，第七氧化限制层118，第六间隔层119，第八氧化限制层120，顶部p型dbr反射镜121，p型接触层122和p侧电极123依次层叠在基板101的一个面上。

底部n型dbr反射镜102的上部，第一氧化限制层104，n型引导间隔层105，有源区层106，p型渐变间隔层107，第二氧化限制层108，第一间隔层109，第三氧化限制层110，第二间隔层111，第四氧化限制层112，第三间隔层113，第五氧化限制层114，第四间隔层115，第六氧化限制层116，第五间隔层117，第七氧化限制层118，第六间隔层119，第八氧化限制层120，顶部p型dbr反射镜121和p型接触层122，然后，从顶面选择性地蚀刻p型接触层122，从而成为柱状的台面结构130。在p型接触层122上形成p侧电极123，p侧电极123和n侧电极100是形成在基板101的背面上。

所述的第一氧化限制层104设置在有源区层106下方约π/4处，所述的第二氧化限制层108设置在有源区层106上方约π/4处。

基板，底部n型dbr反射镜102，第一电流注入区域104a，n型引导间隔层105，有源区层106，p型渐变间隔层107，第二电流注入区域108a，第三电流注入区域110a，第四电流注入区域112a，第五非常大电流注入区域114a，第六电流注入区域116a，第七电流注入区域118a，第八电流注入区域120a和p型接触层122分别由例如gaas基化合物半导体制成。gaas基化合物半导体包括在短周期周期表中至少包含iii族元素的镓(ga)和在短周期周期表中至少包含v族元素的砷(as)的化合物半导体。

衬底100由例如n型gaas制成。底部n型dbr反射镜层102包括多组第一折射率层和第二折射率层，例如将这些层视为一组。第一折射率层由λ/(4na)(λ表示振荡波长，na表示折射率)厚度的n型algaas形成。第二折射率层由λ/(4nb)(nb是折射率)厚度的n型algaas形成。作为n型杂质，例如：可以列举硅(si)，硒(se)等。第一折射率层的折射率低于第二折射率层。

n型引导间隔层105由例如algaas制成。有源区106由例如gaas基材料制成。在有源区层106中，与电流注入区域相对的区域是发光区域，发光区域106a的中心区域是主要产生基本横向模式振荡，并且围绕发光中心的区域。发光区域106a是主要产生高阶横模振荡的区域。p型引导间隔层107由例如algaas制成。尽管n型引导间隔层105，有源区106和p型引导层107理想地不含杂质，但可包含p型杂质或n型杂质。

各个间隔层由例如p型algaas制成。例如：顶部p型dbr反射镜121包括多组第三折射率层和第四折射率层，将这些层视为一组。例如，第三折射率层由p型algaas(0<x6<1)形成，其厚度为折射率λ/4nc(λ是振荡波长，nc是折射率)。第四折射率层由p型algaas形成，其厚度为λ/4nd(nd是折射率)厚度。作为p型杂质，可以列举锌(zn)，镁(mg)，铍(be)等。

作为电流限制层的第一氧化限制层104在其外边缘区域中具有环面形状的第一电流限制区域104b。第一氧化限制层104在其中心区域具有圆形的第一电流注入区域104a(第一电流注入区域)，其直径为w2(例如，9至14μm)。第一电流注入区域104a由例如algaas(0.98<x<1)制成。第一电流限制区域104包含通过从台面结构130的侧表面氧化包含在第一氧化限制层104中的高浓度al而获得的al2o3(氧化铝)。即第一氧化限制层104具有限制电流的功能。

作为电流限制层的第二氧化限制层108在其外边缘区域中具有环面形状的第二电流限制区域108b。第二氧化限制层108在其中心区域具有圆形的第二电流注入区域108a(第二电流注入区域)，其直径为w2(例如，10至15μm)。第二电流注入区域108a由例如alxga1-xas(0.97<x<0.99)制成。第二电流限制区域108包含通过从台面124的侧表面氧化包含在第二电流限制层108中的高浓度al而获得的al2o3(氧化铝)。即第二氧化限制层108具有限制电流的功能。

第一氧化限制层104和第二氧化限制层108形成在包括与有源区层106中的波腹分开的节点的区域λ/2(λ是谐振波长)。例如：如图2所示，第一氧化限制层104形成在有源区106和底部n型dbr层102之间的区域。第二氧化限制层108形成在有源区层106和有源区106之间的区域。

当包含氧化物的层位于光驻波的节点的位置时，谐振器中的光穿过不会被包含氧化物的层散射。含有氧化物的层对于谐振器中的光穿透是透明的。因此，第一电流限制区域104b和第二电流限制区域108b具有不会损害谐振器中的光穿过并且不抑制振荡的特性。

第三氧化限制层110和第四氧化限制层112具有比第一氧化限制层104和第二氧化限制层108更强的限制电流的功能。因此，第一电流注入区域104a的直径尺寸和第二电流注入区域108a的直径可以根据需求自由地设置。当第一电流注入区域104a和第二电流注入区域108a的直径被调整到适当的值(例如，10到15μm)时，在基本横向模式中的光几乎不会损失。在发光区域106a的中心部分中的大增益，并且仅在发光区域106a的外边缘中具有大增益的高阶横模中的光选择性地给出损耗。如上所述，除了限制电流的功能之外，第一氧化限制层104和第二氧化限制层108还具有选择性地仅对高阶横模中的光提供损耗的功能。

另外，即使当第一电流注入区域104a和第二电流注入区域108a的直径没有过度变小时，第三氧化限制层110和第四氧化限制层112也可以抑制高的振荡顺序横向模式。因此，可以增加第一电流注入区域104a和第二电流注入区域108a的直径。当第一电流注入区域104a和第二电流注入区域108a的直径增加时，发光区域106a的面积增加。因此，有源层106的电阻(结电阻)减小，并且可以减小vcsel的串联电阻和电功率消耗。

第三氧化限制层110和第四氧化限制层112在外边缘区域中具有环面形状的第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b。第三氧化限制层110和第四氧化限制层112在其中心区域具有圆形的第三电流注入区域110a和圆形的第四电流注入区域112a，其直径为w1(例如，6至9μm)。w1小于w2。第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a由例如alxga1-xas(0.98<x<1)制成。第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b包含通过从台面124的侧表面氧化包含在第三氧化限制层110和第四氧化限制层112中的高浓度al而获得的al2o3(氧化铝)。如图所示，第三氧化限制层110和第四氧化限制层112具有比第一氧化限制层104和第二氧化限制层108更有力地限制电流的功能。

第三氧化限制层110和第四氧化限制层112形成在包括与有源区层106中的波腹分开的节点的区域处，分别为(3λ)/4和(5λ)/4。例如：如图2所示，第三氧化限制层110形成在第二氧化限制层108和第四氧化限制层112之间的区域。第四氧化限制层112形成在第三氧化限制层110和第三间隔层113之间的区域处。

当包含氧化物的层位于光驻波的节点的位置时，谐振器中的光穿过不会被包含氧化物的层散射。含有氧化物的层对于谐振器中的光穿透是透明的。因此，第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b理想地具有不会损害谐振器中的光穿过并且不抑制振荡的特性。然而，第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b实际上具有一定的厚度并占据除光驻波的节点之外的部分。因此，轻微地产生光损失。

第一氧化限制层104和第二氧化限制层108布置成不在物理上彼此接触。第三氧化限制层110和第四氧化限制层112也布置成不在物理上彼此接触。如果第一氧化限制层104、第二氧化限制层108、第三氧化限制层110和第四氧化限制层112彼此接触，则包括第一和第二氧化限制层以及第三和第四氧化限制层的厚氧化物层形成谐振器，导致阻塞谐振器的幅度函数的可能性。如果谐振器的振幅函数丢失，则不仅抑制了高阶横模中的振荡而且抑制了基横模中的振荡，因此难以选择性地仅抑制高阶横模振荡。

第三氧化限制层110和第四氧化限制层112形成在包括与有源区层106中的波腹分开的波腹的区域，分别为λ和(3λ)/2。例如，如图3所示，第三氧化限制层110形成在第二氧化限制层108和第四氧化限制层112之间的区域。第四氧化限制层112形成在第三氧化限制层110和第三间隔层之间的区域处。

当氧化限制层位于光驻波的波腹位置时，谐振器中的光穿过被包含氧化物的层散射。因此，第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b基本上具有使谐振器中的光穿过损失并抑制振荡的特性。然而，第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b分别仅形成在第三氧化限制层110和第四氧化限制层112的外边缘区域中。因此，第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b主要抑制横向模式中的振荡，其中在与第三氧化限制层110的外边缘区域和第四氧化限制相对应的区域中具有大增益的第四氧化限制层112(发光区域的外边缘)在谐振器中的光穿梭之外。也就是说，第三电流限制区域110b和第四电流限制区域112b几乎不抑制横向模式中的振荡，其中在与第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a对应在谐振器中央发光区域中具有大增益。因此，对于具有横向高模式的光，第三氧化限制层110和第四氧化限制层112几乎是透明的。

由于第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a设置在第三氧化限制层110和第四氧化限制层112的中心部分处，所以第三氧化限制层110和第四氧化限制层112具有限制电流的功能。因此，第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a的直径可以减小到电流密度在第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a的整个区域上几乎均匀，没有大幅度损失光源。如上所述，在第三氧化限制层110和第四氧化限制层112中，第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a的直径尺寸可以相对自由地设定。

此外，第三氧化限制层110和第四氧化限制层112设置在比第一氧化限制层104和第二氧化限制层108更远离有源区106的位置。因此，第三氧化限制层110和第二氧化限制层108的第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a被设定为在第三电流注入区域110a和第四电流注入区域112a的整个区域上电流密度变得几乎均匀的尺寸，由第三电流注入区域注入的电流被第三氧化限制层110和第四氧化限制层112限制，不集中在第一氧化限制层104的第一电流注入区域104a的外边缘和第二氧化限制层108的第二电流注入区域108a的外边缘上，并且电流集中在第一电流注入区的中心部分离子104a和第二电流注入区域108a。结果，可以将电流集中注入到有源区层106中与第一电流注入区域104a和第二电流注入区域108a相对应的的中心部分(即发光区域106a的中心部分)。如上所述，第三氧化限制层110和第四氧化限制层112不仅可以限制电流，还可以将电流注入发光区域106a的中心部分。

vcsel的第五氧化限制层114，第六氧化限制层116，第七氧化限制层118和第八氧化限制层120可用于减小寄生电容。这些层的氧化等效地增加了净电介质厚度。寄生电容由氧化限制层和本征半导体有源区产生。它们都没有电流，总电容是这些层的氧化电容与本征半导体串联的第一至第四氧化限制层的电容之和。第五至第八氧化限制层在其中心区域中具有w3(例如，14至20μm)直径的圆形的第五电流注入区域114a，第六电流注入区域116a，第七电流注入区域118a和第八电流注入区域120a。

p型接触层122由例如p型gaas制成。p侧电极123通过依次层叠例如钛(ti)层，铂(pt)层和金(au)层而构成，并且电连接到p型接触层122。此外，在p侧电极123中，孔径w1设置在与第三电流注入区域110a和第四注入区域112a对应的区域中。n侧电极具有这样的结构，其中，例如：金(au)和锗(ge)的合金层，镍(ni)层和金(au)层从基板101依次层叠。可以在n型dbr层102中的台面结构130周围暴露的表面上形成n侧电极100，并且电连接到基板101。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。