垂直腔面发射激光器及其制作方法与流程

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(vcsel)由衬底、下布拉格反射镜、有源区、氧化层、上布拉格反射镜、正电极和负电极等构成，其激光腔由沿着材料生长方向的上/下布拉格反射镜(dbr)构成，激光沿着材料生长方向即垂直于衬底方向输出。由于vcsel独特的器件结构，它具有功耗低、调制速度快、体积小、成本低、可靠性高、圆形光束、二维阵列集成等优势，广泛应用于光通讯、光互连、打印、显示、传感、消费电子等等领域。

布拉格反射镜(distributedbraggreflector，dbr)由两种折射率不同的材料交替排布构成，达到99.5％的反射率需要dbr的对数在20对以上，因此整个vcsel的厚度可到达8微米，对材料生长有极大的挑战。dbr的反射带宽有限，只有3％-9％。此外，对gan基和inp基的vcsel，非常难制作高质量的dbr。近年来，人们发现高折射率差亚波长光栅(high-contrastgrating，hcg)具有接近于1的反射率，而且反射带宽可以达到30％，厚度只有200纳米左右，具有偏振选择性。所以，人们采用hcg替代vcsel的全部或者部分dbr，实现了hcg-vcsel的单模、单偏振工作。

由于砷化镓(gaas)吸收问题(在940nm波段，p型掺杂为1.6*10¹⁹/cm^-3吸收系数为100cm^-1)，人们基于a1gaas/gaas材料系制作了悬浮型algaas基hcg，替代了850nm波段的vcsel的部分上dbr，实现了单模、单偏振、低阈值、快速波长可调谐工作，但是algaas为p型掺杂，存在较严重的吸收。人们开发了基于gaas/alinp材料系的悬浮型hcg，实现了在1060nm波段的可调谐hcg-vcsel，但是alinp材料存在氧化。此外，人们开发了基于gaas/gainp材料系的悬浮型hcg，实现了在980nm波段的多波长vcsel阵列，但是gaas层为p型掺杂，存在较严重的吸收，影响输出功率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：衬底、缓冲层、谐振腔、p侧电极和n侧电极；其中，

缓冲层，形成于所述衬底上；

谐振腔，包括下布拉格反射镜、有源层、电流限制层、电流扩散层和非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层，其中：

下布拉格反射镜，形成于所述缓冲层上，用于构建所述谐振腔形成激光振荡；

有源层，形成于所述下布拉格反射镜上，用于提供增益产生激光；

电流限制层，形成于所述有源层的表面，用于形成电流限制孔径，通过所述电流限制孔径对注入所述有源层的电流进行限制；

电流扩散层，形成于所述有源层的上方，用作电流注入所述有源层的通道；

非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层，形成于所述电流扩散层上，包括亚波长光栅以及位于亚波长光栅和所述电流扩散层之间的空气隙，所述亚波长光栅在所述空气隙上方形成悬浮结构，用于构建所述谐振腔形成激光振荡；

p侧电极，形成于所述电流扩散层的未设置所述非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层的裸露区，实现p侧电极为内腔接触式电极结构；

n侧电极，形成于所述衬底的未设置缓冲层的裸露区，或者形成于所述缓冲层的未设置下布拉格反射镜的裸露区。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种上述垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：

在衬底上依次形成缓冲层、下布拉格反射镜、有源层、电流限制层、电流扩散层、牺牲层和用于制作亚波长光栅的非掺杂半导体层；

在所述衬底的未设置缓冲层的裸露区，或者在所述缓冲层的未设置下布拉格反射镜的裸露区制备n侧电极，在电流扩散层的未设置牺牲层的裸露区制备p侧电极；

刻蚀所述非掺杂半导体层，形成非掺杂亚波长光栅；然后选择性腐蚀牺牲层形成空气隙，使所述非掺杂亚波长光栅在所述空气隙上方形成悬浮结构，得到非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层。

从上述技术方案可以看出，本发明的一种垂直腔面发射激光器及其制作方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

1、为了解决传统vcsel材料生长困难以及p型dbr吸收大的问题，本发明采用非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层替代vcsel的p侧dbr，采用非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层作为上反射镜，减小了材料外延生长的难度；降低了自由载流子吸收，提高了器件输出效率；并且p侧电极形成于电流扩散层的未设置非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层的裸露区，通过配合电流限制层、电流扩散层，实现p侧电极为内腔接触式电极结构，降低电阻并且保护有源层。

2、本发明的垂直腔面发射激光器，其牺牲层采用非p型掺杂，减小了外延材料生长的难度。

3、本发明的垂直腔面发射激光器，因非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层具有偏振选择和模式选择特性，实现单偏振输出和单模工作，扩展成可调谐垂直腔面发射激光器。

附图说明

图1为本发明实施例1的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例2的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图3为本发明实施例3的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例1和2中悬浮型gaas基hcg层的扫描电镜图；

图5为本发明实施例2的垂直腔面发射激光器的驻波场图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1：n侧电极；2：衬底；3：缓冲层；4：下dbr；5：有源层；6：电流限制层；7：电流限制孔径；8：电流扩散层；9：牺牲层；10：非掺杂悬浮型hcg层；11：p侧电极。

具体实施方式

一种垂直腔面发射激光器，包括衬底，缓冲层，下dbr，有源层，电流限制孔径，电流扩散层，牺牲层(用于形成空气隙)，非掺杂悬浮型hcg层，n侧电极和p侧电极。本发明减小了垂直腔面发射激光器的材料外延难度，提高了材料生长的普适性，同时降低了自由载流子吸收，提高了器件输出效率，还具有偏振选择和单模输出特性，且能扩展成可调谐垂直腔面发射激光器。本发明的垂直腔面发射激光器可应用于光通讯、光互连、光学传感、医疗成像等领域。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一个示例性实施例，如图1-3所示，提出一种垂直腔面发射激光器，包括：衬底2、缓冲层3、谐振腔、p侧电极11和n侧电极1；其中，

缓冲层3，形成于衬底2上；

该衬底2为绝缘衬底，但不局限于此，还可以为n型掺杂衬底；优选的，衬底2为gan基、gaas基、inp基或gasb基材料。

缓冲层3为n型材料，用于隔离衬底2的缺陷对上层外延材料的影响。

谐振腔，包括下布拉格反射镜4、有源层5、电流限制层6、电流扩散层8和非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10，其中：

下布拉格反射镜4，形成于缓冲层3上，用于构建该谐振腔形成激光振荡；其中下布拉格反射镜为两种不同折射率的n型材料交替生长组成，每一层的厚度为四分之一工作波长，在工作波长处提供至少99.5％的反射率。

有源层5，形成于下布拉格反射镜4上，用于提供增益产生激光；有源层5为量子阱，但并不局限于此，还可以为量子点；在本发明的一些实施例中，当有源层5为量子阱时，量子阱选取个数为1到10个。

电流限制层6，形成于有源层5的表面，用于形成电流限制孔径7，通过电流限制孔径7对注入有源层5的电流进行限制；其中，电流限制层6的电流限制孔径7为氧化孔径或者由隧道结构成；

电流限制层6处于有源层5的上面，但并不局限于此，在其他实施例中，还可以处于有源层5的下面，或者同时处于有源层5的上面和下面；优选的，电流限制孔径7的孔径为0.5到20微米。

电流扩散层8，形成于有源层5的上方，用作电流注入有源层5的通道；电流扩散层8为p型单一gan基、gaas基、inp基或gasb基材料，或者为1到5对gan基、gaas基、inp基或gasb基布拉格反射镜。

非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10，形成于电流扩散层8上，包括亚波长光栅以及位于亚波长光栅和电流扩散层之间的空气隙，亚波长光栅在空气隙上方形成悬浮结构，用于构建该谐振腔形成激光振荡；

本发明为了解决传统vcsel材料生长困难以及dbr吸收大的问题，本发明采用非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层替代vcsel的p侧dbr，采用非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层作为上反射镜，减小了材料外延生长的难度；降低了自由载流子吸收，提高了器件输出效率。

在本发明的一些实施例中，空气隙由牺牲层9通过选择性湿法腐蚀形成，其中牺牲层9为非掺杂，牺牲层9和电流扩散层8及非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10具有高达500的腐蚀选择比；

其中，牺牲层9采用非p型掺杂，减小了外延材料生长的难度，利于非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10的形成。

在本发明的一些实施例中，非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10的亚波长光栅为一维或者二维gan基、gaas基、inp基或者gasb基的亚波长光栅，周围由空气包围，在工作波长处具有大于0.995的反射率。

其中，因非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层具有偏振选择和模式选择特性，实现单偏振输出和单模工作，扩展成可调谐垂直腔面发射激光器。

p侧电极11，形成于电流扩散层8的未设置非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10的裸露区，实现p侧电极11为内腔接触式电极结构；p侧电极11为tiau，但并不局限于此，还可以为tiptau。

其中，本发明的p侧电极11形成于电流扩散层8的未设置非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层10的裸露区，通过配合电流限制层6、电流扩散层8，实现p侧电极11为内腔接触式电极结构，降低电阻并且保护有源层。

n侧电极1，形成于衬底2的未设置缓冲层3的裸露区，但并不局限于此，还可以形成于缓冲层3的未设置下布拉格反射镜4的裸露区；n侧电极1为augeniau，但并不局限于此，还可以为augeau。

至此，本发明的垂直腔面发射激光器介绍完毕。

在本发明的另一个示例性实施例中，提出一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：

在衬底2上依次形成缓冲层3、下布拉格反射镜4、有源层5、电流限制层6、电流扩散层8、牺牲层9和用于制作亚波长光栅的非掺杂半导体层；

其中，缓冲层3、下布拉格反射镜4、有源层5、电流限制层6、电流扩散层8、牺牲层9和非掺杂半导体层是通过金属有机化学气相沉积方法或分子束外延法形成；

在衬底2的未设置缓冲层3的裸露区，或者在缓冲层3的未设置下布拉格反射镜4的裸露区制备n侧电极1，在电流扩散层8的未设置牺牲层9的裸露区制备p侧电极11；

其中缓冲层3的未设置下布拉格反射镜4的裸露区以及电流扩散层8的未设置牺牲层9的裸露区通过刻蚀形成；

其中n侧电极1和p侧电极11通过溅射法形成，但并不局限于此，还可以采用电子束蒸发法或者热蒸发法形成；

刻蚀非掺杂半导体层，形成非掺杂亚波长光栅；然后选择性腐蚀牺牲层形成空气隙，使非掺杂亚波长光栅在空气隙上方形成悬浮结构，得到非掺杂悬浮型高折射率差亚波长光栅层。

制备非掺杂亚波长光栅步骤具体包括：

在非掺杂半导体层上涂覆电子束胶或者光刻胶，用电子束曝光工艺或者纳米压印技术在电子束胶或者光刻胶上形成图案化的掩膜；采用干法刻蚀工艺刻蚀亚波长光栅的非掺杂半导体层，形成非掺杂亚波长光栅；但并不局限于此，在其他实施例中，还可以采用如下制备步骤：

首先在亚波长光栅的非掺杂半导体层上沉积二氧化硅或者氮化硅掩膜层；然后在二氧化硅或者氮化硅掩膜层上涂覆电子束胶或者光刻胶，用电子束曝光工艺或者纳米压印技术在电子束胶或者光刻胶上形成图案化的掩膜；再采用干法刻蚀工艺刻蚀二氧化硅或者氮化硅掩膜层，然后再采用干法刻蚀工艺刻蚀亚波长光栅的非掺杂半导体层，形成非掺杂亚波长光栅。

至此，在非掺杂亚波长光栅上可能仍残留二氧化硅或者氮化硅，采用干法刻蚀工艺将残留的二氧化硅或者氮化硅进行选择性刻蚀，最终完成制备。

在本实施例中，采用电子束胶或者光刻胶作为二氧化硅或者氮化硅掩膜层的掩膜，首先对二氧化硅或者氮化硅掩膜层进行刻蚀，然后利用刻蚀后的二氧化硅或者氮化硅掩膜层作为掩膜对非掺杂半导体层进行刻蚀，刻蚀选择比高，且刻蚀边缘光滑，刻蚀图形效果好。

该制作方法还包括在电流限制层6形成电流限制孔径的步骤，具体包括：

在一些实施例中，电流限制孔径7由隧道结构成，则在形成电流限制层6的同时制作隧道结；但并不局限于此，其他实施例包括电流限制孔径7为氧化孔径，则刻蚀电流扩散层8和电流限制层6，直至完全漏出电流限制层6侧壁；然后采用湿法氧化工艺使电流限制层横向氧化，使电流限制层局部氧化为绝缘层，形成被绝缘层包围的未被氧化的电流限制孔径，即氧化孔径。

至此，本发明的另一个实施例实施例垂直腔面发射激光器的制作方法介绍完毕。

以下结合具体实施例对本发明提供的垂直腔面发射激光器的结构和制作方法作进一步说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种垂直腔面发射激光器。图1为本发明的实施例1的垂直腔面发射激光器的结构示意图；图4为本发明实施例1中悬浮型gaas基hcg层的扫描电镜图。如图1和图4所示，本发明垂直腔面发射激光器，其工作波长为940nm波段，包括衬底2，缓冲层3，下dbr4，有源层5，电流限制层6，电流限制孔径7，电流扩散层8，gainp牺牲层9，非掺杂悬浮型gaas基hcg层10，n侧电极1和p侧电极11。

衬底2为n型gaas衬底。

缓冲层3为n型gaas。

下dbr4为n型al0.12ga0.88as/al0.9ga0.1as系dbr。

有源层5为3个ingaas/gaasp量子阱。

电流限制层6为30纳米p型al0.98ga0.02as。

电流限制孔径7为电流限制层6在高温水汽下氧化形成。

电流扩散层8为4对p型al0.12ga0.88as/al0.9ga0.1as系dbr。

gainp牺牲层9为非掺杂牺牲层，在非掺杂悬浮型gaas基hcg层10制作完成后用湿法腐蚀方法去除部分区域，得到空气隙，使得非掺杂悬浮型gaas基hcg层10形成悬浮结构。

非掺杂悬浮型gaas基hcg层10为非掺杂，可以采用电子束曝光和干法刻蚀方法制作实现。

n侧电极1为augeniau，处于衬底2背面。

p侧电极11为tiptau，处于电流扩散层8上。

垂直腔面发射激光器的制作方法和流程如下：

(1)采用金属有机化学气相沉积方法外延生长垂直腔面发射激光器结构；即在衬底上依次形成缓冲层、下布拉格反射镜、有源层、电流限制层、电流扩散层、牺牲层和用于制作亚波长光栅的非掺杂半导体层；

(2)采用热蒸发工艺制作n侧augeniau电极，然后快速退火，400℃下100秒；

(3)采用正型光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀用于制作hcg的gaas层；

(4)采用湿法腐蚀方法(可以采用但并不局限于盐酸溶液)腐蚀gainp牺牲层9，形成第一个台面；

(5)采用电子束蒸发工艺和剥离工艺制作p侧tiptau电极11；

(6)以第一个台面为基础，采用正型光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀电流扩散层8、电流限制层6，直到完全漏出电流限制层6为止；

(7)采用湿法氧化工艺(可以但并不局限于420度高温、氮气和水汽的混合气体氛围下)制作电流限制孔径7；

(8)采用电子束曝光工艺在电子束胶(其电子束胶可以采用但不局限于zep520a、pmma)上制作亚波长光栅图形，采用干法刻蚀工艺将电子束胶上的亚波长光栅图形转移到gaas层，然后利用选择性湿法腐蚀溶液(可以采用但不局限于盐酸溶液)腐蚀gainp牺牲层9，再利用临界点干燥工艺释放非掺杂悬浮型gaas基hcg层10。

实施例2

本发明实施例2提供一种垂直腔面发射激光器，图2是本发明的实施例2的垂直腔面发射激光器的结构示意图；图4为本发明实施例2中悬浮型gaas基hcg层的扫描电镜图。如图2和图4所示，本发明垂直腔面发射激光器，其工作波长为980nm波段，包括衬底2，缓冲层3，下dbr4，有源层5，电流限制层6，电流限制孔径7，电流扩散层8，gainp牺牲层9，非掺杂悬浮型gaas基hcg层10，n侧电极1，和p侧电极11。

衬底2为n型gaas衬底。

缓冲层3为n型gaas。

下dbr4为n型al0.12ga0.88as/al0.9ga0.1as系dbr。

有源层5为3个ingaas/gaasp量子阱。

电流限制层6为30纳米p型al0.98ga0.02as。

电流限制孔径7为电流限制层6在高温水汽下氧化形成。

电流扩散层8为p型gaas。

gainp牺牲层9为非掺杂牺牲层，在非掺杂悬浮型gaas基hcg层10制作完成后用湿法腐蚀方法去除部分区域，得到空气隙，使得非掺杂悬浮型gaas基hcg层10形成悬浮结构。

非掺杂悬浮型gaas基hcg层10为非掺杂，可以采用电子束曝光和干法刻蚀方法制作实现。

n侧电极1为augeniau，处于缓冲层3上。

p侧电极11为tiptau，处于电流扩散层8上。

垂直腔面发射激光器的制作方法和流程如下：

(1)采用金属有机化学气相沉积方法外延生长垂直腔面发射激光器结构，即在衬底上依次形成缓冲层、下布拉格反射镜、有源层、电流限制层、电流扩散层、牺牲层和用于制作亚波长光栅的非掺杂半导体层；

(2)采用正型光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀用于制作hcg的gaas层；

(3)采用湿法腐蚀方法(可以采用但不局限于盐酸溶液)腐蚀gainp牺牲层9，形成第一个台面；

(4)采用电子束蒸发工艺和剥离工艺制作p侧tiptau电极11；

(5)以第一个台面为基础，采用正型光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀电流扩散层8、电流限制层6、有源层5、下dbr4，直到完全漏出缓冲层3为止(可为但并不局限，也可以刻蚀直到完全露出衬底2为止)，形成第二个台面；

(6)采用湿法氧化工艺(可为但并不局限于420度高温、氮气和水汽的混合气体氛围下)制作电流限制孔径7；

(7)采用热蒸发工艺制作n侧augeniau电极1，然后快速退火，400℃下100秒；

(8)采用电子束曝光工艺在电子束胶(其电子束胶可以采用但不局限于zep520a、pmma)上制作亚波长光栅图形，采用干法刻蚀工艺将电子束胶上的亚波长光栅图形转移到gaas层，然后利用选择性湿法腐蚀溶液(可以采用但不局限于盐酸溶液)腐蚀gainp牺牲层9，再利用临界点干燥工艺释放非掺杂悬浮型gaas基hcg层10。

图5为本发明实施例2的垂直腔面发射激光器的驻波场图，如图5所示，说明，通过以上制作方法形成的具有非掺杂悬浮型亚波长光栅层结构的垂直腔面发射激光器，具有实际应用意义。

实施例3

本发明实施例3提供一种垂直腔面发射激光器，图3是本发明的实施例3的垂直腔面发射激光器的结构示意图。如图3所示，本发明垂直腔面发射激光器，其工作波长为1550nm波段，包括衬底2，缓冲层3，下dbr4，有源层5，电流限制孔径7，电流扩散层8，ingaas牺牲层9，非掺杂悬浮型inp基hcg层10，n侧电极1，和p侧电极11。

衬底2为n型inp衬底。

缓冲层3为n型inp。

下dbr4为n型ingaalas/inalas系dbr。

有源层5为3个ingaalas量子阱。

电流限制孔径7由隧道结构成。

电流扩散层8为n型inp。

ingaas牺牲层9为非掺杂牺牲层，在非掺杂悬浮型inp基hcg层10制作完成后用湿法腐蚀方法去除部分区域，得到空气隙，使得非掺杂悬浮型inp基hcg层10形成悬浮结构。

非掺杂悬浮型inp基hcg层10为非掺杂，可以采用电子束曝光和干法刻蚀方法制作实现。

n侧电极1为augeniau，处于衬底2背面。

p侧电极11为tiptau，处于电流扩散层8上。

垂直腔面发射激光器的制作方法和流程如下：

(1)采用金属有机化学气相沉积方法外延生长垂直腔面发射激光器结构，在衬底2上依次外延生长缓冲层3、n型ingaalas/inalas系dbr4、3个ingaalas量子阱有源层5、隧道结电流限制孔径7、n型inp电流扩散层8、ingaas牺牲层9和用于制作hcg的inp层，其中隧道结电流限制孔径7是在电流限制层6生长中制作完成；

(2)采用热蒸发工艺制作n侧augeniau电极1，然后快速退火(可以但并不局限于400度下100秒)；

(2)采用正型光刻胶做掩膜，采用干法刻蚀工艺刻蚀用于制作hcg的inp层；

(3)采用湿法腐蚀方法(如：硫酸和双氧水的混合溶液)腐蚀ingaas牺牲层9，形成第一个台面；

(4)采用电子束蒸发工艺和剥离工艺在电流扩散层8上制作p侧tiptau电极11；

(5)采用电子束曝光工艺在电子束胶(其电子束胶可以采用但不局限于zep520a、pmma)上制作亚波长光栅图形，采用干法刻蚀工艺将电子束胶上的亚波长光栅图形转移到inp层，然后利用选择性湿法腐蚀溶液(可以采用但并不局限于硫酸和双氧水的混合溶液)腐蚀ingaas牺牲层9，再利用临界点干燥工艺释放非掺杂悬浮型inp基hcg层10。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。