一种激光器的制作方法

1.本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种激光器其及制造方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)是一种垂直表面出光的新型激光器，一般以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于led(发光二极管)和ld(laser diode，激光二极管)等其他光源，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，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。
3.随着雷达和远距离tof的应用日益普及，对于大功率密度的激光器阵列的需求也越来越多。为提高激光器的反射率，一般在有源区上下生长几十层的iii-v材料作为分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflector，dbr)，这种结构的激光器生长复杂，且热阻高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种激光器其及制造方法，所述激光器通过设置一定周期以及大小的光子晶体阵列，可以无需使用分布式布拉格反射镜产生光腔。
5.为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明提供的一种激光器，其包括：
7.衬底；
8.第一半导体层，形成于所述衬底上；
9.量子阱层，形成于所述第一半导体层上；
10.第二半导体层，形成于所述量子阱层上；
11.接触层，形成于所述第二半导体层上；
12.光子晶体阵列，形成与所述接触层上，且所述光子晶体阵列穿过所述接触层、所述第二半导体层、所述量子阱层、所述第一半导体层以及部分衬底；
13.第一电极，形成于所述衬底上；以及
14.第二电极，形成于所述接触层上。
15.在本发明一实施例中，所述光子晶体阵列包括多个光子晶体，所述光子晶体包括多个光子晶体孔洞。
16.在本发明一实施例中，所述光子晶体孔洞穿过所述接触层、所述第二半导体层、所述量子阱层、所述第一半导体层以及部分衬底，且所述光子晶体孔洞与所述衬底的底部具有预设距离。
17.在本发明一实施例中，所述光子晶体孔洞呈矩阵排布，且相邻所述光子晶体孔洞之间具有第一长度的距离，且所述第一长度为0.48～0.52倍的波长。
18.在本发明一实施例中，所述光子晶体孔洞呈柱形结构孔洞。
19.在本发明一实施例中，所述光子晶体孔洞的直径范围为0.1～2um。
20.在本发明一实施例中，所述光子晶体孔洞的直径为第二长度，且所述第二长度与所述第一长度之比的范围为0.5～0.9。
21.在本发明一实施例中，所述光子晶体孔洞采用二氧化硅或氮化硅填充。
22.在本发明一实施例中，所述第一半导体层、所述量子阱层和所述第二半导体层采用iii-v族化合物或ii-vi族化合物制成。
23.在本发明一实施例中，所述第二电极呈环形设置，且所述第二电极环绕所述光子晶体阵列。
24.如上所述本发明提供的一种激光器，空穴和光子在量子阱内产生辐射复合发出光子，光子通过光子晶体的调控可以垂直于表面的方向发射到器件外；且通过设置具有一定周期和大小的光子晶体，形成光子晶体阵列，以增加激光器的反射率。本发明提供的所述激光器，在不设置分布式布拉格反射镜时，提高激光器的反射率。
25.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为一种激光器半导体外延结构图。
28.图2为图1的俯视图。
29.图3为一种光子晶体阵列结构图。
30.图4为图3的俯视图。
31.图5为一种激光器结构图。
32.图6为图5的俯视图。
33.图7为另一种激光器结构图。
34.图8为图7的俯视图。
35.图9为另一种光子晶体阵列的排列图。
具体实施方式
36.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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.激光器在生产创造中具有比较广泛的应用，激光器例如可以作为雷达中的激光发射器，还可以作为距离传感器中的激光器，或者作为光通信激光器。为提高激光器的反射率，在一些实施例中，一般在激光器的有源区上下生长几十层不同折射率的iii-v材料作为分布式布拉格反射镜，当光经过不同折射率的薄膜的时候，由于各层反射回来的光因相位角的改变而进行建设性干涉，然后互相结合再一起，得到强烈反射光，以增加激光器的反射
率。这种具有分布式布拉格反射镜结构的激光器结构复杂，生长过程繁琐，且最终获得的激光器热阻高。本发明提供一种激光器，在激光器上形成光子晶体阵列，以增加激光器发射率，且不会出现热阻高的问题。
38.请参阅图1至图6所示，本发明提供的激光器为一种垂直腔面发射激光器，且本发明提供的激光器具体包括衬底100，设置在衬底100上的外延层，形成在外延层上，且穿过外延层以及部分衬底100的光子晶体阵列，以及与外延层连接的第一电极107和第二电极108。其中，本实施例提供的外延层可以包括在衬底100上依次形成的第一半导体层102、量子阱层103、第二半导体层104以及接触层105。
39.具体的，请参阅图1所示，在本发明一实施例中，衬底100可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的半绝缘材料。衬底100例如可以为例如掺杂的砷化镓(gaas)、硅、硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物。在本实施例中，衬底100例如为半绝缘性砷化镓基板，该半绝缘性砷化镓基板是掺杂有杂质的砷化镓基板。
40.请参阅图1至图2，以及图5所示，在本施例中，衬底100连接第一半导体层102和第一电极107。本实施例中，衬底100与第一半导体层102导电类型相同，例如为n型。且衬底100的掺杂浓度高于第一半导体层102，使得第一半导体层102与第一电极107形成良好的接触。
41.请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，第一半导体层102形成于衬底100上，且第一半导体层102覆盖衬底100。第一半导体层102采用iii-v族化合物或ii-vi族化合物制成。更进一步的，第一半导体层102例如采用gap，gaas,，algaas，ingaas，ingaasp，algainas，gan，alsb，aln，algan，alas，inp，gasb，inas，insb，ga2o3制成，或采用hgte，hgse，znte，cds，znse，zns，zno制成。在本实施例中，第一半导体层102例如为n型半导体层，且第一半导体层102的掺杂浓度低于衬底100的掺杂浓度。
42.请参阅图1至图2，以及图5所示，在本发明一实施例中，量子阱层103形成于第一半导体层102上，且量子阱层103覆盖第一半导体层102。量子阱层103采用iii-v族化合物或ii-vi族化合物制成。更进一步的，量子阱层103例如采用为gap，gaas,，algaas，ingaas，ingaasp，algainas，gan，alsb，aln，algan，alas，inp，gasb，inas，insb，ga2o3制成，或采用hgte，hgse，znte，cds，znse，zns，zno制成。在本实施例中，电子通过第一电极107、衬底100和第一半导体层102至量子阱层103，空穴通过第二电极108、接触层105和第二半导体层104至量子阱层103，电子与空穴在量子阱层103中产生辐射发出光子。
43.请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，第二半导体层104形成于量子阱层103上，且第二半导体层104覆盖量子阱层103。第二半导体层104采用iii-v族化合物或ii-vi族化合物制成。更进一步的，第二半导体层104例如采用gap，gaas,，algaas，ingaas，ingaasp，algainas，gan，alsb，aln，algan，alas，inp，gasb，inas，insb，ga2o3制成，或采用hgte，hgse，znte，cds，znse，zns，zno制成。在本实施例中，第二半导体层104例如为p型半导体层。
44.请参阅图1至图2所示，第一半导体层102与量子阱层103之间、第二半导体层104与量子阱层103之间可形成分别限制异质结构。
45.请参阅图1至图2所示，在本发明一实施例中，在接触层105形成于第二半导体层104上，且接触层105覆盖第二半导体层104。第二半导体层104连接第二半导体层104和第二电极108，以降低第二半导体层104与第二电极108之间的接触电阻。本实施例中，接触层105
例如为欧姆接触层。更进一步的，接触层105与第二半导体层104导电类型相同，例如为p型欧姆接触层。且接触层105的掺杂浓度高于第二半导体层104，使得第二半导体层104与第二电极108形成良好的欧姆接触。
46.请参阅图3至图4所示，本发明提供的垂直腔面发射激光器上设置有光子晶体阵列，光子晶体阵列包括多个光子晶体，且光子晶体包括形成在外延层上的光子晶体孔洞106。在本实施例中，光子晶体孔洞106形成在接触层105上，且光子晶体孔洞106依次穿过接触层105、第二半导体层104、量子阱层103、第一半导体层102和部分衬底100，且光子晶体孔洞106与衬底100的底部设置具有预设距离h1，预设距离h1大于衬底100厚度的一半。
47.请参阅图3至图4所示，本发明中的光子晶体孔洞106的侧壁垂直于衬底100和外延层，且光子晶体孔洞106呈柱形结构孔洞，本发明对光子晶体孔洞106的具体形状不做限制。在本实施例中，光子晶体孔洞106例如呈圆柱结构。在其他实施例中，光子晶体孔洞106还可以呈棱柱结构，且棱柱的截面可以为正方形、长方形或者三角形。
48.请参阅图3至图4所示，在本发明一实施例中，外延层上设置的光子晶体孔洞106呈阵列排布，本发明并不限制光子晶体孔洞106阵列的形状，例如可以是如图8所示的正方形阵列，或如图9所示的三角形阵列，以及其他规则形状的阵列。相邻光子晶体孔洞106之间具有第一长度d1，且第一长度d1例如为0.48～0.52倍的波长，具体例如为0.5倍的波长。在本实施例中，光子晶体孔洞106呈圆柱结构，光子晶体孔洞106的直径为第二长度d2，且第二长度d2为相邻光子晶体孔洞106之间的距离d1的例如0.5～0.9倍。即第二长度d2＝第一长度d1*(0.5～0.9)。在本发明一具体实施例中，光子晶体孔洞106的直径d2例如为0.1um～2um。
49.请参阅图3至图4所示，在本发明一实施例中，光子晶体孔洞106采用低折射率的材料填充，或将光子晶体孔洞106内抽成真空。在本发明一实施例中，在光子晶体孔洞106内，填充空气。在其他实施例中，在光子晶体孔洞106内，还可以填充二氧化硅(sio2)或氮化硅(sin)，以及其他类型的折射率较低的聚合物或介质膜等。
50.请参阅图5至图6所示，本发明提供的垂直腔面发射激光器包括与衬底100连接的第一电极107和与接触层105连接的第二电极108。在本发明一实施例中，第一电极107位于衬底100相对于第一半导体层102的一侧，且覆盖衬底100相对于第一半导体层102的一侧。在本实施例中，第一电极107可以为n型金属电极。第二电极108位于接触层105上，且与接触层105连接。在本实施例中，第二电极108呈环形，且设置在光子晶体阵列外侧，并环绕光子晶体阵列。在本实施例中，第二电极108可以为p型金属电极。
51.在本发明并不限制激光器的具体结构，请参阅图7至图8所示，在本发明另一实施例中，衬底100例如可以为未掺杂的半绝缘材料制成，或其他绝缘材料制成。则在衬底100上可形成一层第一接触层101，第一电极107形成于第一接触层101上。此时，第一接触层101例如为欧姆接触层，且第一接触层101与第一半导体层102的导电类型相同，例如为n型欧姆接触层。第一接触层101的掺杂浓度高于第一半导体层102，使第一半导体层102与第一电极107形成良好的欧姆接触。
52.请参阅图7至图8所示，在本发明另一实施例中，第一电极107形成于第一接触层101上。在本实施例中，第一半导体层102未完全覆盖第一接触层101，且在第一接触层101的边缘，第一半导体层102与第一接触层101之间形成一台阶。第一电极107位于台阶上，且第一电极107呈环形设置。与上一实施例相同，第一电极107例如为n型金属电极。量子阱层103
位于第一半导体层102上，第二半导体层104位于量子阱层103上，接触层105位于第二半导体层104上，第二电极108与接触层105连接。在接触层105上形成有光子晶体阵列，第二电极108环绕光子晶体阵列。
53.请参阅图1至图8所示，电子通过第一电极107以及第一半导体层102至量子阱层103中，空穴通过第二电极108、接触层105以及第二半导体层104至量子阱层103中，在量子阱层103中，电子与空穴产生辐射复合发出光子。光子受到器件中光子晶体的调控以垂直于表面的方向发射到器件外。由于光子晶体的调控，有存在于光子晶体能带光锥以外的模式。通常情况下，这些存在于光子晶体能带光锥以外的模式是辐射模，不足以形成高品质因子的激光腔。通过对光子晶体孔洞106大小和周期的设计，在光子晶体结构中，可以实现连续的辐射模式中可以存在独立的束缚模式，并且该模式可以产生非常高的品质因子。此高品质因子腔体可以作为激光辐射腔。无需在激光器内设置分布布拉格反射镜，从而省去了生长、制作多层分布布拉格反射镜的步骤。
54.在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
55.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。