具有多重限制隔离的VCSEL及VCSEL制作方法与流程

本发明涉及vcsel技术领域，尤其涉及一种具有多重限制隔离的vcsel及vcsel制作方法。

背景技术：

现有的vcsel一般采用单纯离子注入或者单纯氧化限制来进行限制隔离。采用离子注入，离子扩散深度影响孔径和量子复合范围，进而影响出光效果。而采用氧化限制，其缺点是不能限制载流子扩散路径，高阶模产生几率大。

如公开号为cn107171181a的中国专利公开了一种高速vcsel激光器外延结构，包括gaas衬底，在gaas衬底上依次采用mocvd衬底gaas缓冲层、n型掺杂的dbr、有源层、氧化限制层、p型掺杂的dbr和欧姆接触层，所述氧化限制层由多个ga组分可自由调节的al1-xgaxas外延层组成，其中x为ga元素的组分。其通过调节氧化限制层中ga的比例，减小氧化限制层的氧化速率，使氧化易于控制。虽然该专利通过设置多个ga组分可自由调节的al1-xgaxas外延层来控制氧化，但是仍然存在无法有效限制载流子扩散路径的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的为：提供一种具有多重限制隔离的vcsel，可有效限制载流子的扩散路径，将载流子集中化注入到有源区。

本发明的另一个目的为：提供一种vcsel制作方法，可制得能够有效限制载流子的扩散路径，将载流子集中化注入到有源区的vcsel。

本发明采用的技术方案为：

一种具有多重限制隔离的vcsel，包括自下而上依次层叠的衬底、n-dbr层、有源层、限制隔离层和p-dbr层，所述限制隔离层包括自下而上依次层叠的第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层和离子注入层，所述第一氧化层的氧化深度、第二氧化层的氧化深度、第三氧化层的氧化深度和离子注入层的离子扩散深度依次减小，所述第一氧化层的氧化末端呈第一尖形，该第一尖形的顶点位于所述第一氧化层的上下表面之间且靠近所述第一氧化层的上表面设置，所述第二氧化层的氧化末端呈第二尖形，所述第二尖形的顶点与所述第二氧化层的下表面齐平，所述第三氧化层的氧化末端呈第三尖形，所述第三尖形的顶点与所述第三氧化层的下表面齐平，所述第三尖形靠上一侧的倾斜角大于所述第二尖形靠上一侧的倾斜角。

可选的，所述第二氧化层的氧化深度比所述第一氧化层的氧化深度小0.5-1.5um，所述第三氧化层的氧化深度比所述第二氧化层的氧化深度小1-5um。

可选的，所述离子注入层的离子扩散深度与所述第三氧化层的氧化深度的比例为7/10至8/10。

可选的，所述离子注入层的注入厚度为2-3.2um。

可选的，所述第三尖形靠上一侧沿垂直方向切得的边长与所述第二尖形靠上一侧沿垂直方向切得的边长为2-3um。

可选的，所述第一尖形靠上一侧的端点与所述第一尖形靠下一侧的端点之间的水平距离为1-2um。

可选的，所述第一尖形靠上一侧的倾斜角、所述第一尖形靠下一侧的倾斜角、所述第二尖形靠上一侧的倾斜角和所述第三尖形靠上一侧的倾斜角的范围为15-50度。

可选的，所述第一氧化层包括自下而上依次层叠的al组分从0.95渐变至0.98的algaas渐变层、al0.98gaas层、al0.9gaas层、al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层、al0.1gaas层以及al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层；

所述第二氧化层包括自下而上依次层叠的al0.97gaas层、al组分从0.97渐变至0.93的algaas渐变层、al0.9gaas层、al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层、al0.1gaas层以及al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层；

所述第三氧化层包括自下而上依次层叠的al0.96gaas层、al组分从0.97渐变至0.9的algaas渐变层、al0.9gaas层、al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层、al0.1gaas层以及al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层。

本发明采用的另一个技术方案为：

一种vcsel制作方法，包括：

在衬底上自下而上依次生长n-dbr层、有源层、限制隔离层和p-dbr层；

所述限制隔离层包括自下而上依次生长的第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层和离子注入层，所述第一氧化层的氧化深度、第二氧化层的氧化深度、第三氧化层的氧化深度和离子注入层的离子扩散深度依次减小，所述第一氧化层的氧化末端呈第一尖形，该第一尖形的顶点位于所述第一氧化层的上下表面之间且靠近所述第一氧化层的上表面设置，所述第二氧化层的氧化末端呈第二尖形，所述第二尖形的顶点与所述第二氧化层的下表面齐平，所述第三氧化层的氧化末端呈第三尖形，所述第三尖形的顶点与所述第三氧化层的下表面齐平，所述第三尖形靠上一侧的倾斜角大于所述第二尖形靠上一侧的倾斜角。

可选的，生长离子注入层的方法包括：以100-500kev的注入功率注入离子，注入厚度为2-3.2um，然后在温度为350-600度的环境下进行退火，退火时间为5-60min。

从上述可知：

(1)本发明的具有多重限制隔离的vcsel，通过设置第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层和离子注入层，并且第一氧化层的氧化深度、第二氧化层的氧化深度、第三氧化层的氧化深度和离子注入层的离子扩散深度依次减小，以及对各氧化层的氧化形状进行特殊设置，形成特殊的限制图形来实现多重限制隔离，从而形成特定的限制孔径，对载流子的扩散路径进行有效控制，将载流子集中化注入到有源区。

(2)本发明的vcsel制作方法，通过生长具有特殊氧化深度、离子扩散深度和氧化形状的限制隔离层，制得可有效限制载流子的扩散路径，将载流子集中化注入到有源区的vcsel。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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为本发明实施例的具有多重限制隔离的vcsel结构示意图一；

图2为本发明实施例的限制隔离层的结构示意图；

图3为本发明实施例的尖形沿垂直方向的截面示意图；

图4为本发明实施例的第一氧化层、第二氧化层和第三氧化层的结构示意图；

图5为本发明实施例的具有多重限制隔离的vcsel结构示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的离子扩散深度是指离子沿水平方向的扩散距离，注入厚度是指离子沿垂直方向注入的厚度，氧化深度是指沿水平方向的氧化距离。倾斜角为与水平方向的夹角。水平方向即左右方向，垂直方向即上下方向。

请参考图1和图2，本发明实施例提供一种具有多重限制隔离的vcsel，包括自下而上依次层叠的衬底1、n-dbr层2、有源层3、限制隔离层4和p-dbr层5，所述限制隔离层4包括自下而上依次层叠的第一氧化层41、第二氧化层42、第三氧化层43和离子注入层44，所述第一氧化层41的氧化深度、第二氧化层42的氧化深度、第三氧化层43的氧化深度和离子注入层44的离子扩散深度依次减小，所述第一氧化层41的氧化末端呈第一尖形a，该第一尖形a的顶点位于所述第一氧化层41的上下表面之间且靠近所述第一氧化层41的上表面设置，所述第二氧化层42的氧化末端呈第二尖形b，所述第二尖形b的顶点与所述第二氧化层42的下表面齐平，所述第三氧化层43的氧化末端呈第三尖形c，所述第三尖形c的顶点与所述第三氧化层43的下表面齐平，所述第三尖形c靠上一侧的倾斜角大于所述第二尖形b靠上一侧的倾斜角。

上述具有多重限制隔离的vcsel，通过设置离子注入层以及多层氧化层，并对氧化深度、氧化形状进行特殊设置，形成特定氧化图形，改变载流子的移动方向，使载流子沿着有效方向上移动，提高增益，改善边缘抑制模，并配合特殊的离子扩散深度，限制载流子的移动面积，将载流子集中化注入到有源区。

各氧化层的氧化区域沿垂直方向的截面均呈现为由一长条形和一尖形组成。其中第一氧化层中的尖形，其上下两侧均有倾斜角，且下侧的倾斜角大于上侧的倾斜角。而第二氧化层中的尖形和第三氧化层中的尖形仅上侧有倾斜角，且第二氧化层中的尖形倾斜角小于第二氧化层中的尖形倾斜角。请参考图2，其中阴影部分表示氧化区域或者离子注入区域，需要说明的是，该图只是示意图，而非对本发明的具体限制。

需要说明的是，上述各尖形可为锥形、侧边为弧形等形状。尖形沿垂直方向的截面示意图包括但不限于如图3所示的形状。

在另一可选实施方式中，所述第一尖形a靠上一侧的倾斜角、所述第一尖形a靠下一侧的倾斜角、所述第二尖形b靠上一侧的倾斜角和所述第三尖形c靠上一侧的倾斜角的范围为15-50度。具体的，所述第一尖形a靠上一侧的倾斜角小于30度，所述第一尖形a靠下一侧的倾斜角小于45度。

在另一可选实施方式中，所述第一尖形a靠上一侧的端点与所述第一尖形a靠下一侧的端点不在同一垂直线上，具体的，该第一尖形a靠上一侧的端点与该第一尖形a靠下一侧的端点之间的水平距离为1-2um。该第一尖形a靠下一侧的端点更靠近所述第一氧化层41的侧壁。

在另一可选实施方式中，所述第二氧化层42的氧化深度比所述第一氧化层41的氧化深度小0.5-1.5um，所述第三氧化层43的氧化深度比所述第二氧化层42的氧化深度小1-5um。

在一优选设置中，所述第三尖形c靠上一侧沿垂直方向切得的边长与所述第二尖形b靠上一侧沿垂直方向切得的边长为2-3um。

在另一可选实施方式中，所述离子注入层44的离子扩散深度与所述第三氧化层43的氧化深度的比例为7/10至8/10。离子扩散深度与氧化深度的比例在7/10至8/10范围内，载流子移动面积限制效果最佳。

在另一可选实施方式中，所述离子注入层44的注入厚度为2-3.2um。

在一可选实施方式中，所述第一氧化层41包括自下而上依次层叠的al组分从0.95渐变至0.98的algaas渐变层411、al0.98gaas层412、al0.9gaas层413、al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层414、al0.1gaas层415以及al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层416；

所述第二氧化层42包括自下而上依次层叠的al0.97gaas层421、al组分从0.97渐变至0.93的algaas渐变层422、al0.9gaas层423、al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层424、al0.1gaas层425以及al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层426；

所述第三氧化层43包括自下而上依次层叠的al0.96gaas层431、al组分从0.97渐变至0.9的algaas渐变层432、al0.9gaas层433、al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层434、al0.1gaas层435以及al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层436。请参考图4。

需要说明的是，上述通过设置不同的algaas层来实现特定的氧化图形，当然，上述实施方式只是形成特定氧化图形的一种具体方式，而不是对本发明的限制。各氧化层也可以采用algaasp、gainp、inp等材料，通过组分、厚度、层数等设置来实现本发明所需的氧化图形。

请参考图5，在一优选设置中，所述具有多重限制隔离的vcsel还包括应变缓冲层6、n型限制层7、第一波导层8、第二波导层9、p型限制层10、p型截止层11和p型盖层12。所述衬底1、应变缓冲层6、n-dbr层2、n型限制层7、第一波导层8、有源层3、第二波导层9、p型限制层10、p型截止层11、限制隔离层4、p-dbr层5和p型盖层12自下而上依次层叠。

本发明另一实施例提供一种vcsel制作方法，用于制作上述具有多重限制隔离的vcsel，包括：

在衬底上自下而上依次生长n-dbr层、有源层、限制隔离层和p-dbr层；

所述限制隔离层包括自下而上依次生长的第一氧化层、第二氧化层、第三氧化层和离子注入层，所述第一氧化层的氧化深度、第二氧化层的氧化深度、第三氧化层的氧化深度和离子注入层的离子扩散深度依次减小，所述第一氧化层的氧化末端呈第一尖形，该第一尖形的顶点位于所述第一氧化层的上下表面之间且靠近所述第一氧化层的上表面设置，所述第二氧化层的氧化末端呈第二尖形，所述第二尖形的顶点与所述第二氧化层的下表面齐平，所述第三氧化层的氧化末端呈第三尖形，所述第三尖形的顶点与所述第三氧化层的下表面齐平，所述第三尖形靠上一侧的倾斜角大于所述第二尖形靠上一侧的倾斜角。

具体的，所述限制隔离层的设置可参考上述具有多重限制隔离的vcsel，此处不再赘述。

在一可选实施方式中，生长离子注入层的方法包括：以100-500kev的注入功率注入离子，注入厚度为2-3.2um，然后在温度为350-600度的环境下进行退火，退火时间为5-60min。可使用h⁺、he⁺、o⁺等质子注入。通过质子对电流的限制，从而达到载流子限制在有效范围内、不扩散到其他地方的效果，降低产生高阶模的几率。具体的，对vcsel进行icp蚀刻出台柱，然后以100-500kev的注入功率通入5-150l的h2o，然后在前述环境下进行氧化和退火，最终满足退火后的离子扩散深度与所述第三氧化层的氧化深度的比例为7/10至8/10。

离子扩散深度与退火温度、离子注入量等因素有较大关系，控制较难。注入量大，破坏量子复合范围，降低功率。退火不好，限制孔径大小不一，影响出光效果，并且阈值较大。本实施方式采用特殊的注入工艺，实现有效的离子扩散深度。

下面以具体实施例来说明。

实施例一

请参考图2和图5，一种具有多重限制隔离的vcsel，包括自下而上依次层叠的衬底1、应变缓冲层6、n-dbr层2、n型限制层7、第一波导层8、有源层3、第二波导层9、p型限制层10、p型截止层11、限制隔离层4、p-dbr层5和p型盖层12。其中所述衬底1为gaas衬底。

所述限制隔离层4包括自下而上依次层叠的第一氧化层41、第二氧化层42、第三氧化层43和离子注入层44，所述第一氧化层41的氧化深度、第二氧化层42的氧化深度、第三氧化层43的氧化深度和离子注入层44的离子扩散深度依次减小，所述第一氧化层41的氧化末端呈第一尖形a，该第一尖形a的顶点位于所述第一氧化层41的上下表面之间且靠近所述第一氧化层41的上表面设置，即该第一尖形a靠下一侧的倾斜角大于靠上一侧的倾斜角。所述第二氧化层42的氧化末端呈第二尖形b，所述第二尖形b的顶点与所述第二氧化层42的下表面齐平，所述第三氧化层43的氧化末端呈第三尖形c，所述第三尖形c的顶点与所述第三氧化层43的下表面齐平，所述第三尖形c靠上一侧的倾斜角大于所述第二尖形b靠上一侧的倾斜角。所述第二氧化层42的氧化深度比所述第一氧化层41的氧化深度小0.5-1.5um，所述第三氧化层43的氧化深度比所述第二氧化层42的氧化深度小1-5um。所述离子注入层44的离子扩散深度与所述第三氧化层43的氧化深度的比例为7/10至8/10。所述离子注入层44的注入厚度为2-3.2um。所述第一尖形a靠上一侧的倾斜角为15-30度，所述第一尖形a靠下一侧的倾斜角为15-45度，所述第二尖形b靠上一侧的倾斜角和所述第三尖形c靠上一侧的倾斜角的范围为15-50度。

实施例二

请参考图2、图4和图5，一种具有多重限制隔离的vcsel，包括自下而上依次层叠的衬底1、应变缓冲层6、n-dbr层2、n型限制层7、第一波导层8、有源层3、第二波导层9、p型限制层10、p型截止层11、限制隔离层4、p-dbr层5和p型盖层12。其中所述衬底1为gaas衬底。

所述限制隔离层4包括自下而上依次层叠的第一氧化层41、第二氧化层42、第三氧化层43和离子注入层44。

所述第一氧化层41包括自下而上依次层叠的：

al组分从0.95渐变至0.98的algaas渐变层411，厚度为5-10nm；

al0.98gaas层412，厚度为5-20nm；

al0.9gaas层413，厚度为10-56nm；

al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层414，厚度为5-30nm；

al0.1gaas层415，厚度为30-100nm；以及

al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层416，厚度为5-30nm。

所述第二氧化层42包括自下而上依次层叠的：

al0.97gaas层421，厚度为5-20nm；

al组分从0.97渐变至0.93的algaas渐变层422，厚度为5-10nm；

al0.9gaas层423，厚度为10-56nm；

al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层424，厚度为5-30nm；

al0.1gaas层425，厚度为30-100nm；以及

al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层426，厚度为5-30nm。

所述第三氧化层43包括自下而上依次层叠的：

al0.96gaas层431，厚度为5-20nm；

al组分从0.97渐变至0.9的algaas渐变层432，厚度为5-10nm；

al0.9gaas层433，厚度为10-56nm；

al组分从0.9渐变至0.1的algaas渐变层434，厚度为5-30nm；

al0.1gaas层435，厚度为30-100nm；以及

al组分从0.1渐变至0.9的algaas渐变层436，厚度为5-30nm。

所述离子注入层44的注入厚度为2-3.2um，离子注入层44的离子扩散深度与所述第三氧化层43的氧化深度的比例为8/10。

本实施例中，第一氧化层通过不同的al组分，由于氧化速率不同，形成一定形状的氧化层，从而达到有效限制电流的目的。第二氧化层通过与第一氧化层的氧化形状配合，形成一定的氧化收缩，使载流子更加向中心聚集，降低载流子分布不均匀所产生的高阶模。第三氧化层与第二氧化层、第一氧化层的氧化形状配合，形成进一步的氧化收缩，使载流子更加向中心聚集，更进一步降低了高阶模的产生。离子注入层配合多层氧化，利用离子隔离载流子，使载流子不能向其他发光孔边缘扩散，确保具有良好增益和阈值电流。

综上所述，本发明通过设置特定氧化形状的氧化层结构，形成特定的绝缘区域，限制载流子的走向，使载流子集聚在中心，降低高阶模的产生；通过离子注入以及特殊的离子扩散深度、注入厚度等设置，在p-dbr层表面形成绝缘层，从而使载流子主要集中在氧化层附近，反过来再通过氧化限制，更好的形成载流子分布，降低载流子扩散造成边缘高阶模。

可以理解的，本发明中所述的“上”、“下”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

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发明。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发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。