一种提升激光增益的VCSEL芯片的制作方法

本申请涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种提升激光增益的VCSEL芯片。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)芯片，又称VCSEL芯片，是以以砷化镓半导体材料为基础的激光发射芯片，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。

现有技术中的VCSEL芯片的剖面结构参考图1，主要包括砷化镓衬底10和位于砷化镓衬底10上依次层叠的N型DBR20(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜)、量子阱层30、限制层40、P型DBR50、砷化镓接触层60和电极结构70，其中，限制层40包括导电结构41和位于导电结构41两侧的氧化结构42，以起到汇聚电流，从而形成大电流注入量子阱层30中激发激光的目的；电极结构70包括第一电极71和第二电极72，第一电极71和第二电极72分别位于砷化镓接触层60的两端，第一电极71和第二电极72之间的区域是VCSEL芯片的出光区域。

在这种VCSEL芯片中，由于谐振腔的腔长增益低，使得VCSEL芯片出射的光线的功率较低。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种提升激光增益的VCSEL芯片，以实现提高VCSEL芯片的出射光线的功率的目的。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种提升激光增益的VCSEL芯片，包括：

衬底；

位于所述衬底上的外延结构，所述外延结构包括位于所述衬底表面依次层叠设置的第一型包覆层、第一限制层、量子阱层、第二限制层、第二型包覆层和电极接触层；所述第一限制层包括第一导电结构和位于所述第一导电结构两侧的第一氧化结构；所述第二限制层包括第二导电结构和位于所述第二导电结构两侧的第二氧化结构；

位于所述电极接触层背离所述衬底一侧的电极结构；

所述第一型包覆层、第一限制层、量子阱层、第二限制层和第二型包覆层构成谐振腔结构。

可选的，所述谐振腔结构的厚度为所述提升激光增益的VCSEL芯片出射的光线波长的N倍，N≤2。

可选的，所述第一型包覆层和第二型包覆层的厚度相同。

可选的，所述外延结构还包括：

位于所述衬底与所述第一型包覆层之间的第一型反射层；

位于所述第二型包覆层与所述电极接触层之间的第二型反射层。

可选的，所述第一型反射层为N型分布式布拉格反射镜DBR层；

所述第二型反射层为P型DBR层。

可选的，所述第一型包覆层为N型铝镓砷层；

所述第二型包覆层为P型铝镓砷层；

所述电极接触层为磷化镓层；

所述衬底为砷化镓衬底。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种提升激光增益的VCSEL芯片，所述提升激光增益的VCSEL芯片的外延结构中，第一型包覆层、第一限制层、量子阱层、第二限制层和第二型包覆层构成了谐振腔结构，增加了VCSEL芯片的谐振腔结构的腔长，从而增加了谐振腔结构对于量子阱层产生的光线的增益，实现了提高VCSEL芯片的出射光线的功率的目的。

并且由于第一限制层和第二限制层的存在，使得电极结构向量子阱层传输的电流仍然可以被第一限制层和第二限制层汇聚，从而实现向量子阱层的大电流的集中注入，保证了VCSEL芯片的基本功能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的VCSEL芯片的剖面结构示意图；

图2为本申请的一个实施例提供的一种提升激光增益的VCSEL芯片的剖面结构示意图；

图3为图2所示的提升激光增益的VCSEL芯片的电流路径示意图；

图4为本申请的一个实施例提供的一种提升激光增益的VCSEL芯片的制备方法的流程示意图；

图5-图7为本申请的一个实施例提供的一种提升激光增益的VCSEL芯片的制备流程示意图；

图8为本申请的另一个实施例提供的一种提升激光增益的VCSEL芯片的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种提升激光增益的VCSEL芯片，如图2所示，包括：

衬底100；

位于所述衬底100上的外延结构，所述外延结构包括位于所述衬底100表面依次层叠设置的第一型包覆层310、第一限制层410、量子阱层500、第二限制层420、第二型包覆层320和电极接触层600；所述第一限制层410包括第一导电结构411和位于所述第一导电结构411两侧的第一氧化结构412；所述第二限制层420包括第二导电结构421和位于所述第二导电结构421两侧的第二氧化结构422；

位于所述电极接触层600背离所述衬底100一侧的电极结构700；

所述第一型包覆层310、第一限制层410、量子阱层500、第二限制层420和第二型包覆层320构成谐振腔结构。

在图2中，所述电极结构700包括第一电极710和第二电极720。

参考图3，图3为图2所示的VCSEL芯片内部的电流路径示意图，图3中的箭头表示电流流向，在本申请实施例提供的VCSEL芯片中，第一限制层410和第二限制层420对由电极结构700注入到量子阱层500的电流的路径进行了限制，由于第一氧化结构412和第二氧化结构422的绝缘特性，使得从电极结构700注入的电流被限制在第一导电结构411和第二导电结构421之间，实现了对量子阱层500的大电流的注入的目的，保证量子阱层500能够被激发产生用于形成激光的光线。

并且由于所述第一型包覆层310、第一限制层410、量子阱层500、第二限制层420和第二型包覆层320共同构成了VCSEL芯片的谐振腔结构，增加了VCSEL芯片的谐振腔结构的膜层构成，从而实现了谐振腔结构的腔长的增加，进而提升了谐振腔结构对于量子阱层500产生的光线的增益，实现了提高VCSEL芯片的出射光线的功率的目的。

需要说明的是，所述第一型包覆层310和第二型包覆层320除了用于构成所述谐振腔结构之外，还用于提供载流子。

仍然参考图3，为了进一步提升芯片的出光效率，所述外延结构还包括：

位于所述衬底100与所述第一型包覆层310之间的第一型反射层210；

位于所述第二型包覆层320与所述电极接触层600之间的第二型反射层220。

所述第一型反射层210为N型分布式布拉格反射镜DBR层；

所述第二型反射层220为P型DBR层。

第一型包覆层310为N型铝镓砷(AlGaAs)层；

所述第二型包覆层320为P型铝镓砷层；

所述电极接触层600为磷化镓层；

所述衬底100为砷化镓衬底。

所述电极接触层600采用磷化镓的原因包括：1、磷化镓能够在第二型包覆层320或第二型反射层上生长，且成膜质量良好；2、磷化镓具有光学透明特性，能够使量子阱层500激发产生的光线通过，降低电极接触层600对光线的吸收，提升VCSEL芯片的光利用率。

在本申请的一个具体实施例中，N型DBR层包括32个层叠排列的反射单元，P型DBR层包括20个层叠排列的反射单元，所述反射单元包括一层砷化铝层和一层砷化镓铝层，每个反射单元的厚度与VCSEL芯片出射的光线的波长的关系为：反射单元的厚度＝VCSEL芯片出射的光线的波长的四分之一。所述量子阱层500包括三个层叠的量子阱单元，以保持高集中的电流注入。磷化镓层才厚度的取值范围为10nm-20nm，以实现磷化镓层和电极结构700之间的良好的欧姆接触。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个可选实施例中，所述谐振腔结构的厚度为所述提升激光增益的VCSEL芯片出射的光线波长的N倍，其中，N≤2。

将所述谐振腔结构的厚度的上限限制为VCSEL芯片出射的光线波长的2倍的原因是：当谐振腔结构的厚度大于VCSEL芯片出射的光线波长的两倍时，会导致VCSEL芯片的成本过高，与带来的光线功率增强的收益而言不成正比。

在保持量子阱层500包括三个层叠的量子阱单元不变的情况下，可以通过调节第一型包覆层310、第一限制层410、第二限制层420和第二型包覆层320的膜层厚度来实现的谐振腔结构的整体厚度的调节。

另外，在调节第一型包覆层310、第一限制层410、第二限制层420和第二型包覆层320的膜层的过程中，需要保证所述第一型包覆层310和第二型包覆层320的厚度相同。

相应的，本申请实施例还提供了一种提升激光增益的VCSEL芯片的制备方法，如图4所示，包括：

S101：提供衬底；

参考图5，图5为衬底的剖面结构示意图，图5中标号100表示所述衬底，可选的，所述衬底为砷化镓衬底。

S102：在所述衬底上依次形成第一型包覆层、第一导电结构、量子阱层、第二导电结构、第二型包覆层和电极接触层；所述第一导电结构覆盖所述第一型包覆层，所述第二导电结构覆盖所述量子阱层；

参考图6，图6为经过步骤S102后的衬底及其表面结构的剖面结构示意图；图6中，标号310表示所述第一型包覆层，标号411表示所述第一导电结构，标号500表示所述量子阱层，标号421表示所述第二导电结构，标号320表示第二型包覆层，标号600表示所述电极接触层；此外，图6中还示出了第一型反射层210和第二型反射层220。

S103：对所述第一导电结构和第二导电结构进行氧化处理，以将第一导电结构的两端氧化形成第一氧化结构，将第二导电结构的两端氧化形成第二氧化结构；所述第一氧化结构和剩余的第一导电结构构成第一限制层，所述第二氧化结构和剩余的第二导电结构构成第二限制层；

经过步骤S103后的衬底及其表面结构的剖面结构示意图参考图7；图7中的标号422表示所述第二氧化结构，420表示第二限制层，412表示所述第一氧化结构，410表示第一限制层。

S104：在所述电极接触层背离所述衬底一侧形成电极结构。

本申请实施例提供的VCSEL芯片的制备方法制备获得的VCSEL芯片的剖面结构参考图2。图2中标号700表示电极结构，710表示第一电极，720表示第二电极。

参考图3，图3为图2所示的VCSEL芯片内部的电流路径示意图，在本申请实施例提供的VCSEL芯片中，第一限制层和第二限制层对由电极结构注入到量子阱层的电流的路径进行了限制，由于第一氧化结构和第二氧化结构的绝缘特性，使得从电极结构注入的电流被限制在第一导电结构和第二导电结构之间，实现了对量子阱层的大电流的注入的目的，保证量子阱层能够被激发产生用于形成激光的光线。

并且由于所述第一型包覆层、第一限制层、量子阱层、第二限制层和第二型包覆层共同构成了VCSEL芯片的谐振腔结构，增加了VCSEL芯片的谐振腔结构的膜层构成，从而实现了谐振腔结构的腔长的增加，进而提升了谐振腔结构对于量子阱层产生的光线的增益，实现了提高VCSEL芯片的出射光线的功率的目的。

需要说明的是，所述第一型包覆层和第二型包覆层除了用于构成所述谐振腔结构之外，还用于提供载流子。

仍然参考图3，为了进一步提升芯片的出光效率，所述外延结构还包括：

位于所述衬底与所述第一型包覆层之间的第一型反射层；

位于所述第二型包覆层与所述电极接触层之间的第二型反射层。

所述第一型反射层为N型分布式布拉格反射镜DBR层；

所述第二型反射层为P型DBR层。

第一型包覆层为N型铝镓砷(AlGaAs)层；

所述第二型包覆层为P型铝镓砷层；

所述电极接触层为磷化镓层；

所述衬底为砷化镓衬底。

所述电极接触层采用磷化镓的原因包括：1、磷化镓能够在第二型包覆层或第二型反射层上生长，且成膜质量良好；2、磷化镓具有光学透明特性，能够使量子阱层激发产生的光线通过，降低电极接触层对光线的吸收，提升VCSEL芯片的光利用率。

在本申请的一个具体实施例中，N型DBR层包括32个层叠排列的反射单元，P型DBR层包括20个层叠排列的反射单元，所述反射单元包括一层砷化铝层和一层砷化镓铝层，每个反射单元的厚度与VCSEL芯片出射的光线的波长的关系为：反射单元的厚度＝VCSEL芯片出射的光线的波长的四分之一。所述量子阱层包括三个层叠的量子阱单元，以保持高集中的电流注入。磷化镓层才厚度的取值范围为10nm-20nm，以实现磷化镓层和电极结构之间的良好的欧姆接触。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个可选实施例中，所述谐振腔结构的厚度为所述提升激光增益的VCSEL芯片出射的光线波长的N倍，其中，N≤2。

将所述谐振腔结构的厚度的上限限制为VCSEL芯片出射的光线波长的2倍的原因是：当谐振腔结构的厚度大于VCSEL芯片出射的光线波长的两倍时，会导致VCSEL芯片的成本过高，与带来的光线功率增强的收益而言不成正比。

在保持量子阱层包括三个层叠的量子阱单元不变的情况下，可以通过调节第一型包覆层、第一限制层、第二限制层和第二型包覆层的膜层厚度来实现的谐振腔结构的整体厚度的调节。

另外，在调节第一型包覆层、第一限制层、第二限制层和第二型包覆层的膜层的过程中，需要保证所述第一型包覆层和第二型包覆层的厚度相同。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个可选实施例中，如图8所示，VCSEL芯片的制备方法包括：

S201：提供衬底；

S202：在所述衬底上依次形成第一型包覆层、第一导电结构、量子阱层、第二导电结构、第二型包覆层和电极接触层；所述第一导电结构覆盖所述第一型包覆层，所述第二导电结构覆盖所述量子阱层；

S203：对所述第一导电结构和第二导电结构进行湿法氧化处理，以将第一导电结构的两端氧化形成第一氧化结构，将第二导电结构的两端氧化形成第二氧化结构；所述第一氧化结构和剩余的第一导电结构构成第一限制层，所述第二氧化结构和剩余的第二导电结构构成第二限制层；

S204：在所述电极接触层背离所述衬底一侧形成电极结构。

其中，湿法氧化的大致过程包括：对衬底及其表面结构所在环境加热至高温，并在水蒸气环境下进行氧化过程。

综上所述，本申请实施例提供了一种提升激光增益的VCSEL芯片及其制备方法，其中，所述提升激光增益的VCSEL芯片的外延结构中，第一型包覆层、第一限制层、量子阱层、第二限制层和第二型包覆层构成了谐振腔结构，增加了VCSEL芯片的谐振腔结构的腔长，从而增加了谐振腔结构对于量子阱层产生的光线的增益，实现了提高VCSEL芯片的出射光线的功率的目的。

并且由于第一限制层和第二限制层的存在，使得电极结构向量子阱层传输的电流仍然可以被第一限制层和第二限制层汇聚，从而实现向量子阱层的大电流的集中注入，保证了VCSEL芯片的基本功能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。