一种垂直腔面发射激光器的制作方法

1.本发明涉及光电技术领域，具体而言，涉及一种垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel)，又可以称为垂直共振腔面射型激光，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。
3.现有技术中的垂直腔面发射激光器，一般会在制备过程中通过氧化孔径实现单模输出，如果要再进一步优化并限制高阶横模，一般会在制备过程中增加锌扩散制程。具体地，在氧化限制vcsel的顶部分布式布拉格反射镜(distributed bragg reflection，简称dbr)上，采用锌扩散方法制作模式选择结构，通过降低该dbr层的反射率，以及提高自由载流子的吸收损耗，从而抑制高阶横模，实现基横模激射。目前，上述方式存在以下缺点：锌扩散的深度(或者说浓度)取决于锌扩散制程的温度和时间，无法进行精准控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器，能够通过插入层起到阻挡的作用，有助于精准控制锌扩散的深度。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器，包括衬底以及依次层叠设置于所述衬底上的底部布拉格反射镜层、多量子阱有源层、具有电流限制孔的氧化层和顶部布拉格反射镜层，所述顶部布拉格反射镜层包括依次层叠设置的第一布拉格反射镜层、插入层和具有锌扩散区的第二布拉格反射镜层，所述插入层用于阻挡所述锌扩散区沿所述第二布拉格反射镜层至所述第一布拉格反射镜层的方向扩散。
7.作为一种可实施的方式，所述第一布拉格反射镜层的扩散系数和所述第二布拉格反射镜层的扩散系数相同，所述第二布拉格反射镜层的扩散系数和所述插入层的扩散系数不同。
8.作为一种可实施的方式，波长为λ的光在所述插入层中的折射率为n，所述插入层的厚度为d，且满足关系式：
9.作为一种可实施的方式，所述插入层的材料为砷化镓、砷化铝镓、磷化铟镓、磷化铝铟、磷化铝镓铟或磷砷化铟镓。
10.作为一种可实施的方式，所述第二布拉格反射镜层具有通光孔，所述锌扩散区环绕于所述通光孔的外缘，所述电流限制孔和所述通光孔在层叠方向上对应。
11.作为一种可实施的方式，所述电流限制孔和所述通光孔在层叠方向上正对应。
12.作为一种可实施的方式，所述通光孔的孔径小于所述电流限制孔的孔径。
13.作为一种可实施的方式，所述底部布拉格反射镜层和所述多量子阱有源层之间设
置有第一缓冲层，所述多量子阱有源层和所述氧化层之间设置有第二缓冲层，所述氧化层和所述第一布拉格反射镜层之间设置有第三缓冲层。
14.作为一种可实施的方式，所述第二布拉格反射镜层背离所述插入层的一侧设置有接触层，所述底部布拉格反射镜层和所述多量子阱有源层形成台阶结构。
15.作为一种可实施的方式，所述接触层背离所述第二布拉格反射镜层的一侧设置有第一电极，所述底部布拉格反射镜层靠近所述多量子阱有源层的台面上设置有第二电极。
16.本发明实施例的有益效果包括：
17.该垂直腔面发射激光器包括衬底以及依次层叠设置于衬底上的底部布拉格反射镜层、多量子阱有源层、具有电流限制孔的氧化层和顶部布拉格反射镜层，顶部布拉格反射镜层包括依次层叠设置的第一布拉格反射镜层、插入层和具有锌扩散区的第二布拉格反射镜层，插入层用于阻挡锌扩散区沿第二布拉格反射镜层至第一布拉格反射镜层的方向扩散。在顶部布拉格反射镜层上进行锌扩散时，沿第二布拉格反射镜层至第一布拉格反射镜层的方向，锌离子会先以一定的扩散速率从第二布拉格反射镜层背离插入层的一侧注入第二布拉格反射镜层内形成锌扩散区，当锌离子到达插入层靠近第二布拉格反射镜层的一侧时，由于插入层的阻挡作用，会导致锌离子的扩散速率减慢，从而使得在除锌扩散制程的温度和时间的控制方式以外，还能够通过插入层的阻挡作用控制锌扩散的深度，进而有助于精准控制锌扩散的深度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
19.图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之一；
20.图2为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之二；
21.图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之三。
22.图标：100-垂直腔面发射激光器；110-衬底；120-底部布拉格反射镜层；130-第一缓冲层；140-多量子阱有源层；150-第二缓冲层；160-氧化层；161-电流限制孔；170-第三缓冲层；180-顶部布拉格反射镜层；181-第一布拉格反射镜层；182-插入层；183-第二布拉格反射镜层；1831-锌扩散区；1832-通光孔；190-接触层；200-第一电极；210-第二电极。
具体实施方式
23.下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。
24.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如
本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
25.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
26.诸如“在
…
下方”或“在
…
上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。
27.本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
28.除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
29.请结合参照图1至图3，本实施例提供一种垂直腔面发射激光器100，包括衬底110以及依次层叠设置于衬底110上的底部布拉格反射镜层120、多量子阱有源层140、具有电流限制孔161的氧化层160和顶部布拉格反射镜层180，顶部布拉格反射镜层180包括依次层叠设置的第一布拉格反射镜层181、插入层182和具有锌扩散区1831的第二布拉格反射镜层183，插入层182用于阻挡锌扩散区1831沿第二布拉格反射镜层183至第一布拉格反射镜层181的方向扩散。该垂直腔面发射激光器100能够通过插入层182起到阻挡的作用，有助于精准控制锌扩散的深度。
30.需要说明的是，如图1所示，该垂直腔面发射激光器100包括依次层叠设置的衬底110、底部布拉格反射镜层120、多量子阱有源层140、氧化层160和顶部布拉格反射镜层180，其中，氧化层160具有电流限制孔161，以通过电流限制孔161对电流的流向起到引导和限制的作用，如图2所示，电流在流经氧化层160时，会被局限在电流限制孔161内，这样一来，能够使得较高的腔内电流密度注入到多量子阱有源层140，从而获得较高的内部量子效率，进而实现单模输出。
31.现有技术中，为了再进一步优化并限制高阶横模，一般会在制备过程中增加锌扩散制程，具体地，在顶部分布式布拉格反射镜上，采用锌扩散方法制作模式选择结构，以通过降低该dbr层的反射率，以及提高自由载流子的吸收损耗，从而抑制高阶横模，实现基横模激射。但是，在上述生产制造过程中，锌扩散的深度(或者说浓度)只能取决于锌扩散制程
的温度和时间，无法进行精准控制。
32.为了解决上述问题，如图1所示，在本技术中，顶部布拉格反射镜层180包括依次层叠设置的第一布拉格反射镜层181、插入层182和第二布拉格反射镜层183，其中，插入层182用于阻挡锌扩散区1831沿第二布拉格反射镜层183至第一布拉格反射镜层181的方向扩散。这样一来，在顶部布拉格反射镜层180上进行锌扩散时，沿第二布拉格反射镜层183至第一布拉格反射镜层181的方向，锌离子会先以一定的扩散速率从第二布拉格反射镜层183背离插入层182的一侧注入第二布拉格反射镜层183内形成锌扩散区1831，当锌离子到达插入层182靠近第二布拉格反射镜层183的一侧时，由于插入层182的阻挡作用，会导致锌离子的扩散速率减慢，从而使得在除锌扩散制程的温度和时间的控制方式以外，还能够通过插入层182的阻挡作用控制锌扩散的深度，进而有助于精准控制锌扩散的深度。
33.如图1所示，在本技术中，通过在制备过程中增加锌扩散制程所制得的垂直腔面发射激光器100，其第二布拉格反射镜层183具有锌扩散区1831，以通过锌扩散区1831对电流的流向起到引导的作用。
34.作为一种可实施的方式，第一布拉格反射镜层181的扩散系数和第二布拉格反射镜层183的扩散系数相同，第二布拉格反射镜层183的扩散系数和插入层182的扩散系数不同。
35.需要说明的是，第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183分别位于插入层182在层叠方向上的下方和上方，只是为了便于解释说明，因此进行了区别描述，并不用于限制第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183的具体结构的不同。可选地，第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183均包括依次层叠设置的多个组成单元，每个组成单元均包括两个不同折射率的algaas层，示例地，其中一个algaas层中al的含量较高，例如90％，以使该algaas层的折射率较高，另外一个algaas层中al的含量较低，例如20％，以使该algaas层的折射率较低。由于第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183的实际组成相同，因此，第一布拉格反射镜层181的扩散系数和第二布拉格反射镜层183的扩散系数相同，这样一来，在锌扩散过程中，锌离子注入第一布拉格反射镜层181内的扩散速率和锌离子注入第二布拉格反射镜层183内的扩散速率也就相同。
36.在现有技术中，第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183之间没有设置插入层182，仅通过锌扩散制程的温度和时间控制锌扩散区1831的深度，会很容易发生锌扩散区1831的深度超出预设深度的现象，而在本技术中，第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183之间设置有插入层182，由于插入层182的实际组成与第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183的实际组成不同，因此，插入层182的扩散系数与第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183的扩散系数不同，这样一来，在锌扩散过程中，锌离子注入插入层182内的扩散速率与锌离子注入第一布拉格反射镜层181内的扩散速率和锌离子注入第二布拉格反射镜层183内的扩散速率也就不同，以使插入层182能够起到阻挡锌离子沿第二布拉格反射镜层183至第一布拉格反射镜层181的方向扩散的作用，从而在除锌扩散制程的温度和时间的控制方式以外，还能够通过插入层182的阻挡作用控制锌扩散的深度，进而有助于精准控制锌扩散的深度。
37.作为一种可实施的方式，波长为λ的光在插入层182中的折射率为n，插入层182的
厚度为d，且满足关系式：以使顶部布拉格反射镜层180的折射率能够达到垂直腔面发射激光器100的折射率。
38.作为一种可实施的方式，插入层182的材料为砷化镓、砷化铝镓、磷化铟镓、磷化铝铟、磷化铝镓铟或磷砷化铟镓。其中，当插入层182的材料为砷化铝镓(即algaas)时，其所包含的al的含量越高，插入层182的扩散系数越大，锌离子越容易注入，反之，其所包含的al的含量越低，插入层182的扩散系数越小，锌离子越难以注入。
39.示例地，第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183的每个组成单元均包括al
0.9
ga
0.1
as和al
0.2
ga
0.8
as，光的波长λ取850nm，可以计算得到al
0.9
ga
0.1
as的折射率n为3.06，al
0.2
ga
0.8
as的折射率n为3.49，代入上述关系式可以计算得到al
0.9
ga
0.1
as的厚度应为69.4nm，al
0.2
ga
0.8
as的厚度应为60.9nm。
40.当插入层182的材料为砷化镓(即gaas)时，其折射率n为3.655，光的波长λ取850nm，代入上述关系式可以计算得到插入层182的厚度为58.1nm；当插入层182的材料为砷化铝镓(即algaas)时，其所包含的al的含量取50％，即al
0.5
ga
0.5
as，光的波长λ取850nm，可以计算得到al
0.5
ga
0.5
as的折射率n为3.3，代入上述关系式可以得到al
0.5
ga
0.5
as的厚度应为64.4nm。
41.如图2所示，作为一种可实施的方式，第二布拉格反射镜层183具有通光孔1832，锌扩散区1831环绕于通光孔1832的外缘，电流限制孔161和通光孔1832在层叠方向上对应，以通过锌扩散区1831对电流的流向起到引导作用，如图2所示，电流在流经第二布拉格反射镜层183时，会经由锌扩散区1831注入到电流限制孔161内，这样一来，能够使得较高的腔内电流密度注入到多量子阱有源层140，从而获得较高的内部量子效率，进而实现单模输出。
42.如图1所示，作为一种可实施的方式，电流限制孔161和通光孔1832在层叠方向上正对应，以使区域内等效电阻r相较于现有技术中单个氧化孔径的等效电阻更低，从而有助于提高器件性能。
43.如图1和图3所示，作为一种可实施的方式，通光孔1832的孔径d2小于电流限制孔161的孔径d1，以通过通光孔1832再次过滤掉电流限制孔161边缘的高阶横模态。
44.作为一种可实施的方式，底部布拉格反射镜层120和多量子阱有源层140之间设置有第一缓冲层130，多量子阱有源层140和氧化层160之间设置有第二缓冲层150，氧化层160和第一布拉格反射镜层181之间设置有第三缓冲层170，以通过第一缓冲层130、第二缓冲层150和第三缓冲层170提高器件性能。
45.作为一种可实施的方式，第二布拉格反射镜层183背离插入层182的一侧设置有接触层190，以便于当器件导通时，通过接触层190将电流注入，底部布拉格反射镜层120和多量子阱有源层140形成台阶结构，以便于通过台阶结构实现器件的侧向氧化。
46.作为一种可实施的方式，接触层190背离第二布拉格反射镜层183的一侧设置有第一电极200，底部布拉格反射镜层120靠近多量子阱有源层140的台面上设置有第二电极210，以便于通过第一电极200和第二电极210实现器件的电连接。
47.可选地，第一电极200为p型电极，第二电极210为n型电极。与之相对应地，第一布拉格反射镜层181和第二布拉格反射镜层183均为p型布拉格反射镜层，底部布拉格反射镜层120为n型布拉格反射镜层。
48.以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
49.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。