一种高功率垂直腔面发射激光器的外延结构
1.技术领域
2.本发明属于新型半导体激光器技术领域，尤其涉及一种高功率垂直腔面发射激光器的外延结构。
3.
背景技术：
4.伴随着人工智能（ai）技术逐步成熟，智能硬件的发展趋势渗透到光电产业的许多方面。3d传感作为ai感知核心技术之一，能够捕捉真实世界空间、人体、物体的三维信息，可以赋予终端设备类似人眼感知环境的能力。激光雷达（lidar）与飞行时间（tof）传感器都是一种利用发射和接收激光脉冲信号的时间差来实现对被测目标的距离测量的装置。高功率脉冲vcsel（垂直腔面发射激光器）是tof技术与lidar的核心器件。目前，应用于3d传感的vcsel芯片正面临着输出光功率及转换效率等挑战。
5.中国发明专利cn112003124b提出具备非圆柱形平台的垂直腔面发射激光器及其制备方法，所述激光器包括衬底、位于所述衬底之上的第一镜层、位于所述第一镜层之上的活化层和位于所述活化层之上的第二镜层，所述第二镜层、所述活化层和靠近所述活化层的部分所述第一镜层经过蚀刻之后形成非圆柱形主动区平台。该发明综合考虑了晶面类型以及主动区平台不同方向对氧化速度的影响，针对不同的晶面类型，对常用的圆柱形主动区平台的形状进行改进，进而实现氧化孔径的形状规则化，使其与圆形或正多边形近似，使vcsel射出的光更加的规则。
6.中国发明专利cn111181001b提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，包括，衬底；第一反射层，形成在所述衬底的第一表面上；至少两个发光单元，形成在所述第一反射层上，每一所述发光单元包括至少两个发光子单元；绝缘层，形成在所述至少两个发光单元之间；至少两个第二电极，形成在所述至少两个发光单元上，每一所述发光单元内的发光子单元通过所述第二电极连接；第一电极，形成在所述衬底的第二表面上；其中，每一所述发光子单元包括一发光孔，所述第二电极围绕在所述发光孔的外周。该发明提出的垂直腔面发射激光器应用频率快。
7.传统vcsel芯片大都采用氧化物限制结构，即在量子阱和上层dbr(分布式布拉格反射层)之间分别插入一层一定厚度的algaas或alas层。其中高al含量的algaas层在高温下与h2o反应转化为原生氧化铝，由于氧化铝是绝缘体，可以实现良好的电学限制，与此同时，氧化铝（折射率约为1.7）和半导体（折射率约为3.0）之间的高折射率差异，也可以提供良好的光学限制，使vcsel实现极低阈值连续发射。
8.工业界采用的850 nm和940 nm的vcsel产品都是基于氧化孔径技术平台。虽然氧化孔径技术给vcsel提供了可接受的光学和电学特性，但几个与氧化孔径有关的缺点严重影响并限制了vcsel芯片的性能和良率。
9.首先，氧化铝层的热导率(0.7 w/（m
•
k）)比半导体(约20-50 w/（m
•
k）)低，降低了芯片内部的热传导，导致热阻增加。因此，氧化孔径vcsel的最大输出功率以及调制带宽由于早期热致功率滚降而受到根本限制。
10.其次，在氧化过程中，氧化层和半导体界面会产生点状缺陷和位错，而且氧化层和半导体的热膨胀系数不同，这导致氧化过程通常非常难以控制，工艺窗口超窄，氧化过程后氧化层-半导体界面容易开裂或剥离。另外，氧化层与有源区紧密相邻，由于热膨胀系数的差异，芯片工作时形成内部应变，内部温度上升，应变场会推动点缺陷和位错向有源区迁移，最终导致芯片失效，从而使芯片的可靠性降低。
11.再有，氧化铝的形成是一个扩散过程，它强烈地依赖于工艺条件，如algaas层中的al含量、水蒸气含量、炉温和晶体结构。这使得氧化孔径的横向几何形状和尺寸难以控制，并导致片内和片间氧化孔径尺寸的不确定。在目前成熟的商业制造工艺中，这种片内和片间的氧化孔径绝对变化至少为1 μm，这限制了制造良率，尤其是小孔径芯片的制造良率。
12.所以，传统的vcsel芯片正面临着诸多挑战：应用端对vcsel芯片的高功率需求；与氧化限制层相关的激光器的性能与良率问题。
技术实现要素：
13.为解决上述技术问题，本发明提出一种高功率垂直腔面发射激光器的外延结构，包括衬底上依次布置的mocvd沉积缓冲层、第一n型掺杂分布式布拉格反射层、多级联有源区、第二隧穿结、第二n型掺杂分布式布拉格反射层和欧姆接触层；衬底为gaas或者inp衬底；gaas或者inp为n型掺杂且掺杂浓度在数量级；第一n型掺杂分布式布拉格反射层和第二n型掺杂分布式布拉格反射层由至少两种半导体材料叠加形成。
14.在本发明中，分布式布拉格反射层简称dbr；垂直腔面发射激光器简称为vcsel；p_dbr全称为p型掺杂分布式布拉格反射层，n_dbr全称为n型掺杂分布式布拉格反射层。
15.本发明通过堆叠空腔中的有源区域来增加增益量提高vcsel的输出功率，同时将顶部p_dbr（p型掺杂dbr）替换为n_dbr（n型掺杂dbr），将大大提高外延均匀性和良率。
16.本发明相对于现有技术突出的不同表现在，光腔引入隧穿结，形成多级联有源区；掩埋隧穿结代替传统氧化限制层实现电学、光学限制。
17.具体来说，本发明提供的是一种非氧化孔径高功率垂直腔面发射激光器外延结构。
18.其中，所述缓冲层可以采用gaas或者inp，与衬底材料保持一致；优选的，缓冲层为n型掺杂，厚度200-300 nm，且掺杂浓度在数量级。
19.在具体材料布置上，所述第一/二n型掺杂dbr层由一定厚度的至少两种半导体材料叠加形成。
20.优选的，所述第一/二n型掺杂dbr层的材料可以为但不限于algaas/gaas、alas/gaas、ingaalas/inp、ingaasp/inp、algainas/alinas，且上述半导体材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。
21.所述多级联有源区通过第一隧穿结对有源区进行级联。
22.所述第一/二隧穿结由第一/二p型重掺层和第一/二n型重掺层构成。
23.所述p型重掺层与n型重掺层掺杂浓度为~数量级。
24.所述第一/二p型重掺层材料可以为但不限于ingaasp、ingaalas、alinas、gaas、algaas、gaassb，所述第一/二n型重掺层材料可以为但不限于algaas、gaas、gainas、inp、ingaasp、ingaalas、inalas、gaassb，且上述半导体材料的晶格常数与衬底材料的晶格常数保持匹配。
25.所述第一/二p型重掺层掺杂原子可以为但不限于c、mg、zn、be，所述第一/二n型重掺层掺杂原子可以为但不限于te、se、si、s。
26.优选的，所述p型重掺层厚度范围为8-50nm，所述n型重掺层厚度范围为10-50nm，所述耗尽层厚度为5-50nm；所述欧姆接触层厚度范围为10-300nm；所述第二隧穿结孔径范围为4-500
µ
m。
27.相对于现有技术，本发明的高功率vcsel激光器外延结构具有以下有益效果：1.多级联有源区通过堆叠空腔中的有源区域来增加增益量，提高vcsel的输出功率;而且第一隧穿结的引入使得载流子再生，提高了vcsel的斜率效率与净效率。
28.2.第二遂穿结反转了p_dbr的极性，所以n_dbr-谐振腔（位于多级联有源区）-隧穿结-n_dbr的配置将大大减少p_dbr中较高的自由载流子吸收，从而大大减小损耗；而且由于去掉了p_dbr，串联电阻也将大幅降低，有助于提高斜率效率和高速运行。
29.3.利用第二隧穿结平台将顶部p_dbr替换为n_dbr，将大大提高外延均匀性和良率。
30.4.用第二隧穿结代替氧化孔径，掩埋遂穿结孔径同时具有优异的电学限制和光学限制作用，摆脱氧化工艺相当于摆脱了vcsel生产中最大的良率杀手。
31.5.vcsel孔径由光刻机或更精确的方法定义，因此孔径尺寸控制和均匀性可以在+/-0.1微米以内或更好。
32.本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
33.附图说明
34.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。
35.图1是本发明一个实施例的一种高功率垂直腔面发射激光器的外延结构的主体结构示意图图2是图1所述高功率垂直腔面发射激光器的外延结构中多级联有源区的层状结构示意图图3是图1所述高功率垂直腔面发射激光器的外延结构中的第一隧穿结的内部层状结构示意图图4是图1所述高功率垂直腔面发射激光器的外延结构中多级联有源区中第n有源区的层状结构示意图图5是图1所述高功率垂直腔面发射激光器的外延结构中的第二隧穿结的内部层状结构示意图
图示说明：衬底1缓冲层2第一n型掺杂dbr3多级联有源区4第二隧穿结5第二n型掺杂dbr6欧姆接触层7第一有源区41第一隧穿结42第二有源区43第n有源区44第一p型重掺层421第一n型重掺层422限制层441波导层442量子阱层443对称波导层444对称限制层445第二p型重掺层51第二n型重掺层52
具体实施方式
36.下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
37.需要指出的是，在本发明的各个实施例中给出的说明书附图描述仅仅是示意性的，不代表全部的具体的结构；本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能覆盖的范围内。
38.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
39.图1首先从整体上介绍本发明一个实施例的一种高功率垂直腔面发射激光器的外延结构的主体层状结构。
40.在图1中，所述外延结构包括衬底1，在所述衬底1上依次布置mocvd沉积缓冲层2、第一n型掺杂分布式布拉格反射层3、多级联有源区4、第二隧穿结5、第二n型掺杂分布式布拉格反射层6和欧姆接触层7；所述衬底1为gaas或者inp衬底；其中，所述缓冲层2可以采用gaas或者inp，与衬底1材料保持一致；所述gaas或者inp为n型掺杂且掺杂浓度在数量级；并且，所述gaas衬底的n型掺杂原子为si，所述inp衬底的n型掺杂原子为s；所述第一n型掺杂分布式布拉格反射层3和所述第二n型掺杂分布式布拉格反射层6由至少两种半导体材料叠加形成。
41.作为更优选的实施例，衬底1为掺si的gaas衬底，掺杂浓度在数量级。缓冲层2为掺si的gaas层，掺杂浓度在数量级。第一n型掺杂dbr为第一折射率/第二折射率的交替机构，所述第一折射率值大于所述第二折射率值；优选的，第一折射率为高折射率，第二折射率为低折射率，从而所述第一n型掺杂dbr为高折射率/低折射率/高折射率/低折射率
……
/高折射率结构。
42.优选的，高折射率结构的材料为掺si 的al
0.1
ga
0.9
as层，低折射率结构的材料为掺si 的al
0.9
ga
0.1
as层。
43.具体的，在该实施例中，所述掺si 的al
0.1
ga
0.9
as层的高折射率（即第一折射率）数值为3.4437，所述掺si al
0.9
ga
0.1
as层的低折射率（即第二折射率）的数值为3.0094。掺si 的al
0.1
ga
0.9
as层厚度为77 nm，掺杂浓度在数量级，掺si al
0.9
ga
0.1
as层厚度为88 nm，掺杂浓度在数量级。
44.在图1基础上，参见图2，图2是图1所述高功率垂直腔面发射激光器的外延结构中多级联有源区的层状结构示意图。
45.在图2中，所述多级联有源区通过第一隧穿结对有源区进行级联。
46.具体的，多级联有源区采用n个有源区与第一隧穿结交替级联的方式，例如依次采用第一有源区41、第一隧穿结42、第二有源区43、第一隧穿结42
……
第n有源区44。在图4中，对于每一个有源区，由下至上为限制层441、波导层442、量子阱层443、对称波导层444、对称限制层445。
47.所述第一有源区41、第二有源区43
……
第n有源区44中的量子阱层位于谐振腔腔内驻波波腹处，第一遂穿结42位于谐振腔腔内驻波波谷处。
48.具体的，作为优选，多级联有源区由第一有源区41、第一隧穿结42、第二有源区43构成。第一/二有源区由下至上包括掺si的al
0.6
ga
0.4
as限制层，al
0.3
ga
0.7
as波导层，gaas
0.8
p
0.2
为垒、in
0.28
ga
0.72
as为阱的垒/阱/垒/阱/垒量子阱层，al
0.3
ga
0.7
as对称波导层，掺c的al
0.6
ga
0.4
as对称限制层。第一隧穿结由下至上包括gaas重掺be层，gaas重掺si层。其中掺si的al
0.6
ga
0.4
as限制层厚度为70 nm，且掺杂浓度10
17
数量级，al
0.3
ga
0.7
as波导层厚度为160 nm，gaas
0.8
p
0.2
垒层厚度为15 nm，in
0.28
ga
0.72
as厚度为9 nm，al
0.3
ga
0.7
as对称波导层厚度为160 nm，掺c的al
0.6
ga
0.4
as对称限制层为70 nm，且掺杂浓度10
17
数量级。gaas重掺be层厚度为50 nm，gaas重掺si层厚度为50 nm，gaas重掺be层掺杂浓度在10
19
数量级， gaas重掺si层掺杂浓度在10
18
数量级。
49.在图1-图2的实施例中，所述第一/二隧穿结均由第一/二p型重掺层和第一/二n型重掺层构成。
50.优选的，所述p型重掺层与n型重掺层掺杂浓度为~数量级。
51.优选的，所述p型重掺层厚度范围为8-50 nm，所述n型重掺层厚度范围为10-50 nm，所述耗尽层厚度为5-50nm；所述欧姆接触层厚度范围为10-300 nm；所述第二隧穿结孔径范围为4-500
ꢀµ
m。
52.优选的，参见图4，是图2所述多级联有源区中第n有源区的具体内部层状结构示意图。
53.在图3中，第一隧穿结由第一p型重掺层421和第一n型重掺层422构成。
54.在图5中，第二隧穿结由第二p型重掺层51和第二n型重掺层52构成。
55.作为优选，第二隧穿结由下至上包括gaas重掺c层，in
0.16
ga
0.84
as重掺si层，gaas重掺c层厚度为50 nm，掺杂浓度在10
20
数量级，in
0.16
ga
0.84
as重掺si层厚度为12.5 nm，掺杂浓度在10
19
数量级。第二隧穿结的孔径为5
ꢀµ
m。
56.在图1-图3基础上，接下来参见图4。图4是图1所述高功率垂直腔面发射激光器的外延结构中多级联有源区中第n有源区的层状结构示意图。
57.在图4中，第n有源区依次采用限制层441、波导层442、量子阱层443、对称波导层444、对称限制层445。
58.基于图1-图5的基础，下面给出多种不同的实现相应结构的实施例如下：在一个实施例中，第二n型掺杂dbr为第一折射率/第二折射率/第一折射率/第二折射率
……
/第一折射率结构，所述第一折射率值大于所述第二折射率值；优选的， 第一折射率为高折射率，第二折射率为低折射率;优选的，所述高折射率结构材料为掺si的al
0.1
ga
0.9
as层，低折射率结构的材料为掺si al
0.9
ga
0.1
as层。
59.在该实施例中，所述掺si al
0.1
ga
0.9
as层的高折射率数值为3.4437，所述掺si al
0.9
ga
0.1
as层的低折射率的数值为3.0094。掺si al
0.1
ga
0.9
as层厚度为77 nm，掺杂浓度在10
18
数量级，掺si al
0.9
ga
0.1
as层厚度为88 nm，掺杂浓度在10
18
数量级。
60.作为一种优选方式，第一/二n型dbr为第一折射率/第二折射率/第一折射率/第二折射率
……
/第一折射率结构。
61.所述第一折射率值大于所述第二折射率值；优选的， 第一折射率为高折射率，第二折射率为低折射率;优选的，所述高折射率结构的材料为掺si铝组分渐变的al
x
ga
1-x
as层，al组分的渐变范围为10%-30%；低折射率结构的材料为掺si铝组分渐变的al
x
ga
1-x
as层，al组分的渐变范围为90%-60%。高/低折射率材料掺si掺杂浓度在10
18
数量级。
62.在该实施例中，所述高折射率材料数值为3.392，所述低折射率材料的数值为3.093。
63.采用铝组分渐变的al
x
ga
1-x
as材料可以降低异质结界面处的势垒，有助于减小dbr的串联电阻，从而提高芯片的转化效率。
64.在一个实施例中，多级联有源区由下至上为第一有源区、第一隧穿结、第二有源区。
65.第一/二有源区由下至上包括掺si的al
0.6
ga
0.4
as限制层，al
0.3
ga
0.7
as波导层，gaas
0.8
p
0.2
为垒、in
0.28
ga
0.72
as为阱的垒/阱/垒/阱/垒量子阱层，al
0.3
ga
0.7
as对称波导层，掺c的al
0.6
ga
0.4
as对称限制层。其中掺si 的al
0.6
ga
0.4
as限制层厚度为70 nm，且掺杂浓度10
17
数量级，al
0.3
ga
0.7
as波导层厚度为160 nm，gaas
0.8
p
0.2
垒层厚度为15 nm，in
0.28
ga
0.72
as厚度为9 nm，al
0.3
ga
0.7
as对称波导层厚度为160 nm，掺c的al
0.6
ga
0.4
as对称限制层为70 nm，且掺杂浓度10
17
数量级。第一隧穿结由下至上包括gaas重掺be层，gaas重掺si层。gaas重掺be层厚度为50 nm，gaas重掺si层厚度为50 nm。gaas重掺be层掺杂浓度在10
19
数量级，gaas重掺si层掺杂浓度在10
18
数量级。
66.第一遂穿结将2个有源区级联形成多量子阱有源区。多级联有源区通过堆叠空腔中的有源区来增加增益量，提高vcsel的输出功率；而且第一隧穿结的引入使得载流子再生，提高了vcsel的斜率效率与净效率。
67.在一个实施例中，第二隧穿结由下至上包括gaas重掺c层，in
0.16
ga
0.84
as重掺si层，gaas重掺c层厚度为50 nm，掺杂浓度在10
20
数量级，in
0.16
ga
0.84
as重掺si层厚度为12.5 nm，掺杂浓度在10
19
数量级。第二隧穿结的孔径为5
ꢀµ
m。
68.第二遂穿结反转了p_dbr的极性，所以ndbr-谐振腔-隧穿结-ndbr的配置将大大减
少p_dbr中较高的自由载流子吸收，从而大大减小损耗；而且由于去掉了p_dbr，串联电阻也将大幅降低，有助于提高斜率效率和高速运行。目前vcsel的外延非均匀性(主要外延良率损失之一)主要是由p_dbr生长中需要的高c掺杂引入的。所以，利用第二隧穿结平台将顶部p_dbr替换为n_dbr，将大大提高外延均匀性和良率。另外，隧穿结的孔径由光刻机或更精确的方法定义，因此孔径尺寸控制和均匀性可以在+/-0.1微米以内或更好，这对更高的良率和未来高速vcsel应用至关重要。
69.作为一种优选方式，第二隧穿结由下至上包括gaas
0.88
sb
0.12
重掺c层，in
0.16
ga
0.84
as重掺si层，gaas
0.88
sb
0.12
重掺c层厚度为9.5 nm，掺杂浓度在10
20
数量级，in
0.16
ga
0.84
as重掺si层厚度为12.5 nm，掺杂浓度在10
19
数量级。第二隧穿结的孔径为5
ꢀµ
m。
70.综上述，本发明提出提供一种新型的电学限制和光学限制，应用于3d传感器的非氧化孔径高功率垂直腔面发射激光器外延结构，该结构包括衬底，在衬底上依次采用mocvd沉积缓冲层、第一n型掺杂dbr(分布式布拉格反射层)、多级联有源区、第二隧穿结、第二n型掺杂dbr和欧姆接触层。
71.所述n型掺杂，对于gaas衬底n型掺杂原子为si，对于inp衬底n型掺杂原子为s。
72.所述缓冲层为n型掺杂，厚度200-300 nm，且掺杂浓度在10
18
数量级。
73.所述第一/二n型掺杂dbr层由一定厚度的至少两种半导体材料叠加形成。第一/二n型掺杂dbr层的材料可以为但不限于algaas/gaas、alas/gaas、ingaalas/inp、ingaasp/inp、algainas/alinas。
74.所述第一/二n型掺杂dbr，生长对数为10-30半整数对。
75.所述第一/二n型掺杂dbr掺杂原子可以为si、te，且掺杂浓度在10
18
数量级。
76.所述多级联有源区通过第一隧穿结对有源区进行级联。
77.所述第一/二隧穿结由第一/二p型重掺层和第一/二n型重掺层构成。
78.所述第一/二 p型重掺层材料可以为但不限于ingaasp、ingaalas、alinas、gaas、algaas、gaassb，所述第一/二n型重掺层材料可以为但不限于algaas、gaas、gainas、inp、ingaasp、ingaalas、alinas、gaassb。
79.所述第一/二p型重掺层掺杂原子可以为但不限于c、mg、zn、be，所述第一/二n型重掺层掺杂原子可以为但不限于te、se、si、s。
80.优选的，所述第一/二p型重掺层与第一/二n型重掺层掺杂浓度为10
19-10
20
数量级。
81.优选的，所述第一/二p型重掺层厚度范围为8-50 nm，所述第一/二n型重掺层厚度范围为10-50 nm。
82.发光区材料的折射率应高于发光区两边材料的折射率，以进行光学限制。
83.发光区材料的折射率：3.857；发光区两边材料的折射率：3.290。
84.优选的，所述第二遂穿结孔径规格在4-500
ꢀµ
m。
85.优选的，所述欧姆接触层材料可以为gaas、ingaas或inp。
86.优选的，所述欧姆接触层为p掺杂，且掺杂浓度在10
19-10
20
数量级。
87.优选的，所述欧姆接触层厚度范围为10-300 nm。
88.本发明的高功率vcsel激光器外延结构具有以下有益效果：1. 多级联有源区通过堆叠空腔中的有源区域来增加增益量，提高vcsel的输出功
率; 而且第一隧穿结的引入使得载流子再生，提高了vcsel的斜率效率与净效率。
89.2. 第二遂穿结反转了p_dbr的极性，所以n_dbr-谐振腔-隧穿结-n_dbr的配置将大大减少p_dbr中较高的自由载流子吸收，从而大大减小损耗；而且由于去掉了p_dbr，串联电阻也将大幅降低，有助于提高斜率效率和高速运行。
90.3. 目前vcsel的外延非均匀性(主要外延良率损失之一)主要是由p_dbr生长中需要的高c掺杂引入的。所以，利用第二隧穿结平台将顶部p_dbr替换为n_dbr，将大大提高外延均匀性和良率。
91.4. 用第二隧穿结代替氧化孔径，与氧化孔径类似，掩埋遂穿结孔径同时具有优异的电学限制和光学限制作用，摆脱氧化工艺相当于摆脱了vcsel生产中最大的良率杀手。
92.5. vcsel孔径由光刻机或更精确的方法定义，因此孔径尺寸控制和均匀性可以在+/-0.1微米以内或更好，这对更高的良率和未来高速vcsel应用至关重要。
93.本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。。
94.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。