一种垂直外腔面发射半导体激光器的制作方法

本发明涉及一种垂直外腔面发射半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。

背景技术：

近二十年来，gan基半导体材料在外延生长和光电子器件制备方面均取得了重大科技突破，其中发光二极管（led）和边发射激光器（eel）已经实现产业化，但是具有更优越特性的垂直腔面发射激光器(vcsel)仍处于实验室研究阶段。研发gan基vcsel已经成为国内外光电子领域研究的前沿和热点，国内外许多研发机构都投入了大量的人力和物力进行基础研究和应用开发。

vcsel的独特优点包括阈值电流低、易实现单纵模工作、调制频率高、发散角度小、圆形光斑、易与光纤耦合、不必解理即可完成工艺制作和检测，易实现高密度二维阵列及光电集成等。蓝光vcsel凭借以上优势，在高密度光存储、激光显示、激光打印、激光照明、激光电视、水下通信、海洋资源探测及激光生物医学等领域具有广阔的应用前景。

然而由于vcsel谐振腔短（仅几微米长），导致其单程增益长度也极短，因此就要求制作的分布布拉格反射镜（dbr）材料质量必须良好，还要求dbr的反射率极高（通常要求达到99%以上）。目前所采用离子注入孔径和空气隙孔径电流注入孔径结构的vcsel谐振腔均为双介质膜dbr结构。这两种电流注入孔径结构均采用ito膜内腔电极，ito膜内腔电极吸收引起的损耗以及ito/gan界面带来的损耗导致较高的阈值电流和较低的光输出。

本发明提出一种垂直外腔面发射半导体激光器及其制备方法。该方法的优点是只需一次外延生长dbr及发光结构，不需要二次制作顶部dbr，也不采用ito膜电极，能够避免ito膜内腔电极高吸收损耗的问题。这种垂直外腔面发射半导体激光器外腔镜的制备工艺简单，能够获得高质量的高反射率外腔镜，增大了单程增益长度，能有效减小外腔的腔长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种垂直外腔面发射半导体激光器结构，由热沉，蓝宝石衬底，缓冲层，同质结dbr层，势垒层，有源区，隧道结层，电流注入层，窗口层及dbr外腔镜组成。

为了实现上述目的，本发明提出了一种垂直外腔面发射半导体激光器结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底，该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层，为厚度是1000nm的gan材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；同质结dbr层，为外延生长不同掺杂浓度的n型gan（n-gan/n+-gan）dbr同质结材料；势垒层，为gan材料，制作在同质结dbr层上；有源区，为多量子阱，该层制作在势垒层上；隧道结，该层制作在多量子阱层上，电流注入层，该层制作在隧道结上，窗口层，为gan材料，制作在电流注入层上。

本发明提出一种垂直外腔面发射半导体激光器结构，由外延生长同质结dbr来实现高反射率的外腔镜，无需外腔镜面镀膜工艺，从而能够保证获得高质量的外腔镜材料，能解决外腔镜复杂模系设计及高反射膜、增透膜制备的问题。

本发明提出的一种垂直外腔面发射半导体激光器的外腔镜制备工艺简单，增大了单程增益长度，能有效减小外腔的腔长，获得高反射率外腔镜。

附图说明

图1为一种垂直外腔面发射半导体激光器结构示意图，1为热沉，2为衬底，3为缓冲层，4为同质结dbr层，5为势垒层，6为有源区，7为隧道结层，8为电流注入层，9为窗口层，10为dbr外腔镜。

图2为外腔镜结构示意图，21为蓝宝石衬底，22为缓冲层，23为同质结dbr层23，24为窗口层24。

图3为本发明的一种垂直外腔面发射半导体激光器dbr工艺示意图，2为衬底，3为缓冲层，4为同质结dbr层，5为势垒层，6为有源区，7为隧道结层，8为电流注入层，9为窗口层。

请参阅图1，图1是本发明的一种具体实施方式：本发明提出了一种垂直外腔面发射半导体激光器外延结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底2，该衬底用于在其上外延生长各层材料；缓冲层3，为厚度是1000nm的gan材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；同质结dbr层4，为外延生长不同掺杂浓度的n型gan（n-gan/n+-gan）dbr同质结材料，dbr总共20对，厚度分别为40nm和55nm，n-gan掺杂浓度为n=1e18/cm³，n⁺-gan掺杂浓度为n=1e19/cm³；势垒层5，为厚度是100nm的gan材料，制作在dbr层上；有源区6，为多量子阱，其发光波长为420nm-430nm，该层制作在势垒层上；隧道结7，为重掺杂n⁺-gan/p⁺-gan，n⁺-gan和p+-gan的掺杂浓度均5e19/cm³，厚度分别为15nm和10nm，该层制作在多量子阱层上；电流注入层8，为厚度是50nm的n+-gan材料，掺杂浓度为n=5e19/cm³，该层制作在隧道结上；窗口层9，为厚度是100nm的gan材料，掺杂浓度为n=1e18/cm³，该层制作在电流注入层上。

请参阅图2，本发明提出了一种垂直外腔面发射半导体激光器外腔镜结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底21，缓冲层22，为厚度是1000nm的gan材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；同质结dbr层23，为外延生长不同掺杂浓度的n型gan（n-gan/n+-gan）dbr同质结材料，dbr总共15对，厚度分别为40nm和55nm，n-gan掺杂浓度为n=1e18/cm³，n⁺-gan掺杂浓度为n=1e19/cm³；窗口层24，为厚度是100nm的gan材料，掺杂浓度为n=1e18/cm³。

请参阅图3，图3是本发明的一种垂直外腔面发射半导体激光器dbr工艺具体实施方式：本发明提出一种垂直外腔面发射半导体激光器dbr的制作方法，具体步骤如下：首先gan外延片第一次光刻、icp刻蚀。如图3所示，2为衬底，3为缓冲层，4为同质结dbr层，5为势垒层，6为有源区，7为隧道结层，8为电流注入层，9为窗口层。刻蚀溶液为硝酸（硝酸质量分数约为68%），采用脉冲直流恒压电源，调节刻蚀电压1.5v、矩形波电压脉冲宽度30s和间隔时间10s，刻蚀2小时后，升高电压至2.5v，5分钟后反应结束，实现gan垂直腔面发射激光器外延片电流注入孔径制作。如图3所示，30为第一次光刻、icp刻蚀沟道，31为dbr第一次刻蚀区，32为第二次光刻、icp刻蚀沟道，33为电流注入孔径区，34为隧道结刻蚀区，35为dbr刻蚀区。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

技术特征：

技术总结
本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种半导体激光器。一种垂直外腔面发射半导体激光器结构一种垂直外腔面发射半导体激光器由热沉，蓝宝石衬底，缓冲层，同质结DBR层，势垒层，有源区，隧道结层，电流注入层，窗口层及DBR外腔镜组成。本发明提出一种垂直外腔面发射半导体激光器，由外延生长同质结DBR来实现高反射率的外腔镜，无需外腔镜面镀膜工艺，从而能够保证获得高质量的外腔镜材料，能解决外腔镜复杂模系设计及高反射膜、增透膜制备的问题。本发明提出的一种垂直外腔面发射半导体激光器的外腔镜制备工艺简单，增大了单程增益长度，能有效减小外腔的腔长，获得高反射率外腔镜。

技术研发人员：李林;曾丽娜;李再金;乔忠良;赵志斌;曲轶;彭鸿雁
受保护的技术使用者：海南师范大学
技术研发日：2019.06.20
技术公布日：2019.08.09