一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器及其制备方法

1.本发明涉及半导体激光器领域，具体为一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vcsel)具有体积小、发散角小、光束质量高、成本低、易于二维集成等独特优势，近年来在半导体激光器领域引起了广泛的研究兴趣，并且也在应用端市场上迅速扩展，其中包括：3d面部识别、激光医美、气体探测、智能家居、激光雷达等应用。
3.目前主流的vcsel芯片，主要采用单有源区大孔径(5-10μm)结构，这种做法增加了光学设计难度，同时降低了出光功率密度，难以满足高集成度、高功率密度的需求。通过高掺杂的隧道结连接多个有源区是目前提高功率密度、量子效率和斜效率的一种行之有效的途径。然而，在多结vcsel中，较高的隧穿几率和减小隧道结引入的吸收损耗是矛盾的。选择宽带隙材料、降低掺杂浓度虽然有利于减小隧道结引入的内部损耗，但是同时会影响隧道结的隧穿几率，导致由隧道结引入的压降和电阻升高，严重时会造成无隧穿效应。反之，如果只追求高隧穿几率，选择窄带隙材料，会使隧道结的吸收损耗很大，同样也会影响vcsel激光器各方面的特性，而且导致激光器难以实现基模激射。
4.本发明针对上述问题，设计了一种基于ⅱ型异质隧道结的高性能多结垂直腔面发射激光器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决现有垂直腔面发射激光器功率密度、量子效率和斜效率低、且吸收损耗较高的问题，本发明提供一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器及其制备方法，在确保较低的激光器阈值和大功率的同时，减小了串联电阻和隧道结处的价带间吸收，电阻比同质隧道结小40％左右，实现了提供一种高性能的多结垂直腔面发射激光器。
6.本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：
7.一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为p电极、p型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、ⅱ型异质隧道结、第二氧化层、第二有源区、n型布拉格反射镜组、衬底、n电极。
8.可选的，所述ⅱ型异质隧道结包括：相邻的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
及n型重掺杂al
x
ga
1-x
as，相邻的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
及n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的两侧分别为p型轻掺杂al
x
ga
1-x
as及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as。
9.可选的，其中所述p型轻掺杂及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as的al
x
ga
1-x
as组分变化范围为：x＝0.2-0.4。
10.可选的，其中所述p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
组分变化范围为：x＝0-0.2，y＝0.8-1。
11.可选的，其中所述n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的al
x
ga
1-x
as组分变化范围为：x＝0-0.1。
12.可选的，所述p型轻掺杂及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as掺杂浓度范围为5
×
10
17
cm-3
—2
×
10
18
cm-3
，厚度为20-100nm。
13.可选的，所述p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
的掺杂浓度范围为5
×
10
19
cm-3
—1
×
10
20
cm-3
，厚度为5-10nm。
14.可选的，所述n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的掺杂浓度范围为8
×
10
18
cm-3
—3
×
10
19
cm-3
，厚度为10-20nm。
15.本发明还提供一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
16.s1、在衬底上依次外延n型布拉格反射镜组、第二有源区、第二氧化层、ⅱ型异质隧道结、第一有源区、第一氧化层、p型布拉格反射镜组，得到第一预制件；
17.s2、在第一预制件的所述p型布拉格反射镜组远离第一有源区的一侧制作p电极，在所述衬底远离所述n型布拉格反射镜组的一侧制作n电极，得到目标激光器。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.1.本发明所涉及的一种异质隧道结垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过在激光器中引入异质隧道结，确保较低的激光器阈值和大功率的同时，减小了串联电阻和隧道结处的价带间吸收，使得本发明的隧道结的电阻比同质隧道结小40％左右，实现了高性能的多结垂直腔面发射激光器，解决了现有垂直腔面发射激光器功率密度、量子效率和斜效率低、且吸收损耗较高的问题。
附图说明
20.图1为一种异质隧道结垂直腔面发射激光器的结构示意图。
21.图2为一种异质隧道结垂直腔面发射激光器的隧道结能带结构示意图。
22.图3为试验1中光学与电学性能测试示意图。
23.附图标记：1-p电极，2-p型布拉格反射镜组，3-第一氧化层，4-第一有源区，5
‑ⅱ
型异质隧道结，6-第二氧化层，7-第二有源区，8-n型布拉格反射镜组，9-衬底，10-n电极
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体实施方式
26.参见图1所示，一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为p电极1、p型布拉格反射镜组2、第一氧化层3、第一有源区4、ⅱ型异质隧道结5、第二氧化层6、第二有源区7、n型布拉格反射镜组8、衬底9、n电极10。
27.可以理解的，本发明所涉及的一种异质隧道结垂直腔面发射激光器，通过在激光器中引入ⅱ型异质隧道结5，确保较低的激光器阈值和大功率的同时，减小了串联电阻和隧
道结处的价带间吸收，使得本发明的ⅱ型异质隧道结5的电阻比同质隧道结小40％左右，实现了高性能的多结垂直腔面发射激光器，解决了现有垂直腔面发射激光器功率密度、量子效率和斜效率低、且吸收损耗较高的问题。
28.应理解的是，在隧道结中，一方面，为了避免光吸收，隧道结材料必须由比激光波长能量更大的带隙半导体组成；另一方面，隧穿概率随着构成隧穿结的半导体带隙减小而增加，短波长垂直腔面发射激光器很难实现低电阻隧道结，因此，很难同时实现低电阻和低光吸收。
29.传统的近红外多结垂直腔面发射激光器(如905、940和980nm)隧道结材料一般采用gaas同质结。然而，对于905nm多结垂直腔面发射激光器，室温下有源区材料的荧光峰在890nm附近，对应的光子能量为1.393ev，而本征gaas材料在室温时的禁带宽度为1.424ev，两者仅相差31mev。考虑到重掺杂带尾效应和载流子屏蔽作用引起的带隙收缩以及电弗朗兹一凯尔迪什效应导致的本征吸收边红移，gaas同质结对该波段的光子存在本征吸收的可能性。因此异质结的隧道结更具有优越性。
30.具体的，参考ⅱ型结隧穿概率公式：e
geff
≡e
gp-δec＝e
gn-δev(1)在公式(1)中，e
gp
和e
gn
表示p侧半导体和n侧半导体的带隙能，e
geff
表示异质界面p侧的价带边和n侧的导带边之间的能隙。由于e
geff
小于e
gp
和e
gn
，ⅱ型异质隧道结的隧穿概率远大于同质结或ⅰ型隧道结。
31.进一步的，在ⅱ型隧道结材料中，由于e
gp
和e
gn
大于激光波长能量，而e
geff
小于激光波长能量，因此，光吸收可以发生在异质结附近。然而，从异质界面p侧的价带边到n侧的导带边的转变需要载波函数穿透带隙，因此，其穿透概率不高。此外，在垂直腔面发射激光器中，ⅱ型异质隧道结一般放在驻波节点，因此，采用ⅱ型异质隧道结的光吸收很小，这样的设置确保较低的激光器阈值和大功率的同时，ⅱ型异质隧道结的电阻比同质隧道结小40％左右，大大降低了垂直腔面发射激光器的电阻。
32.进一步的，本发明所涉及的一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，在每个有源区的p区一侧都设置了氧化层，氧化层的作用除了限制发光区孔径之外，还可以有效抑制电子的泄漏，进一步提升器件内量子效率。
33.本发明中的所述ⅱ型异质隧道结包括：相邻的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
及n型重掺杂al
x
ga
1-x
as，相邻的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
及n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的两侧分别为p型轻掺杂al
x
ga
1-x
as及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as。需要说明的是，在隧道结中引入al
x
ga
1-x
asysb
1-y
与al
x
ga
1-x
as两种材料，使得隧道结具有异质结构，此处的光吸收很小，因此使得此处能够实现较低的激光器阈值、较小的电阻、较大的输出功率，光电性能优越。
34.在本发明的一些实施例中，上述的p型轻掺杂及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as的al
x
ga
1-x
as组分变化范围为：x＝0.2-0.4。
35.其中，上述的p型轻掺杂及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as的al
x
ga
1-x
as组分变化范围优选为x＝0.3。
36.在本发明的一些实施例中，上述的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
组分变化范围为：x＝0-0.2，y＝0.8-1。
37.其中，上述的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
组分变化范围优选为
x＝0.1，y＝0.9。
38.在本发明的一些实施例中，上述的n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的al
x
ga
1-x
as组分变化范围为：x＝0-0.1。
39.其中，上述的n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的al
x
ga
1-x
as组分变化范围优选为x＝0.05。
40.在本发明的一些实施例中，上述的p型轻掺杂及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as掺杂浓度范围为5
×
10
17
cm-3
—2
×
10
18
cm-3
，厚度为20-100nm。
41.其中，上述的p型轻掺杂及n型轻掺杂al
x
ga
1-x
as掺杂浓度范围为1
×
10
18
cm-3
，厚度为60nm。
42.在本发明的一些实施例中，上述的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
的掺杂浓度范围为5
×
10
19
cm-3
—1
×
10
20
cm-3
，厚度为5-10nm。
43.其中，上述的p型重掺杂的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
的掺杂浓度范围优选为1
×
10
20
cm-3
，厚度为8nm。
44.在本发明的一些实施例中，上述的n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的掺杂浓度范围为8
×
10
18
cm-3
—3
×
10
19
cm-3
，厚度为10-20nm。
45.其中，上述的n型重掺杂al
x
ga
1-x
as的掺杂浓度范围优选为8
×
10
18
、1
×
10
19
、3
×
10
19
cm-3
，厚度为10、12、15、20nm。
46.本发明还提供一种异质隧道结垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
47.s1、在衬底9上依次外延n型布拉格反射镜组8、第二有源区7、第二氧化层6、ⅱ型异质隧道结5、第一有源区4、第一氧化层3、p型布拉格反射镜组2，得到第一预制件；
48.s2、在第一预制件的所述p型布拉格反射镜组2远离第一有源区4的一侧制作p电极1，在所述衬底9远离所述n型布拉格反射镜组8的一侧制作n电极10，得到目标激光器。
49.本发明中优选gaas衬底。
50.本发明的p电极1、n电极10为金、铜、石墨、银或锡中的任一种。
51.需要说明的是，在具体的外延过程中，在已经涉及的p型布拉格反射镜组2、第一氧化层3、第一有源区4、ⅱ型异质隧道结5、第二氧化层6、第二有源区7、n型布拉格反射镜组8等各层之间还存在缓冲层，根据实际的制备需求调整参数对各缓冲层进行外延，以满足实际的需求。
52.在本发明的一些实施例中，外延的方法可以选择金属有机化学气相沉积法(mocvd)或分子束外延法(mbe)对各层进行外延。
53.实施例1
54.一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为p电极、p型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、ⅱ型异质隧道结、第二氧化层、第二有源区、n型布拉格反射镜组、衬底、n电极。
55.本实施例中，所述ⅱ型异质隧道结包括：相邻的p型重掺杂的al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05
及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as，相邻的p型重掺杂的al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05
及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as的两侧分别为p型轻掺杂al
0.3
ga
0.7
as及n型轻掺杂al
0.2
ga
0.7
as。
56.其中，p型轻掺杂al
0.3
ga
0.7
as及n型轻掺杂al
0.2
ga
0.7
as的掺杂浓度范围为5
×
10
17
cm-3
，厚度为20nm；p型重掺杂的al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05
的掺杂浓度范围为5
×
10
19
cm-3
，厚度为6nm；n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as的掺杂浓度范围为8
×
10
18
cm-3
，厚度为11nm。
57.实施例2
58.一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为p电极、p型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、ⅱ型异质隧道结、第二氧化层、第二有源区、n型布拉格反射镜组、衬底、n电极。
59.本实施例中，所述ⅱ型异质隧道结包括：相邻的p型重掺杂的al
0.2
ga
0.8
as
0.9
sb
0.1
及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as，相邻的p型重掺杂的al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05
及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as的两侧分别为p型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as及n型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as。
60.其中，p型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as及n型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as掺杂浓度范围为1
×
10
18
cm-3
，厚度为60nm；p型重掺杂的al
0.2
ga
0.8
as
0.9
sb
0.1
的掺杂浓度范围为0.5
×
10
20
cm-3
，厚度为8nm；及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as的掺杂浓度范围为2
×
10
19
cm-3
，厚度为15nm。
61.实施例3
62.一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为p电极、p型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、ⅱ型异质隧道结、第二氧化层、第二有源区、n型布拉格反射镜组、衬底、n电极。
63.本实施例中，所述ⅱ型异质隧道结包括：相邻的p型重掺杂的al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05
及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as，相邻的p型重掺杂的al
0.2
ga
0.8
as
0.9
sb
0.1
及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as的两侧分别为p型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as及n型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as。
64.其中，p型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as及n型轻掺杂al
0.2
ga
0.8
as掺杂浓度范围为2
×
10
18
cm-3
，厚度为100nm；p型重掺杂的al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05
的掺杂浓度范围为1
×
10
20
cm-3
，厚度为10nm；及n型重掺杂al
0.1
ga
0.9
as的掺杂浓度范围为3
×
10
19
cm-3
，厚度为20nm。
65.进一步的，为了验证本发明所涉及的发射激光器的光学与电学性能，进行以下的试验例。
66.试验例.检验发射激光器的光学与电学性能
67.1.1试验设计
68.试验设置两个处理组，实验组为实施例1的所涉及的al
0.1
ga
0.9
as/al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05ⅱ型异质隧道结的三结垂直腔面发射激光器，对照组为采用普通同质隧道结的垂直腔面发射激光器，在相同的试验条件下，对其进行光学与电学的性能测试。
69.测试结果见图3，其中，点划线代表对照组(普通gaas同质隧道结的垂直腔面发射激光器)，实线代表实验组(al
0.1
ga
0.9
as/al
0.15
ga
0.85
as
0.95
sb
0.05ⅱ型异质隧道结垂直腔面发射激光器)。
70.检验后，分别得出表征光学性能的电流—功率曲线，表征电学性能的电流—电压曲线。
71.1.2结果分析
72.参见图3的参见电流—功率曲线可知，可见在光学性能方面，实验组的电流激射阈值为1.1ma，而对照组的电流激射阈值1.2ma，可见两者的电流激射阈值相差不大，这是因为采用ⅱ型异质隧道结al
x
ga
1-x
as/al
x
ga
1-x
asysb
1-y
没有增加吸收损耗。可见实验组与对照组相比，保证激射阈值不变的情况下，实验组的微分电阻和斜线效率表现更好，因此，实施例1的异质隧道结垂直腔面发射激光器具有更高的光电转换效率。
73.参见电流—电压曲线，在电学性能方面，实验组的曲线更陡峭，即实验组的微分电
阻相较于对照组更小。可见，ⅱ型隧道结al
x
ga
1-x
as/al
x
ga
1-x
asysb
1-y
具有更短的隧穿距离，增大了电子的隧穿概率，从而减小了微分电阻。
74.结合两组曲线，实验组与对照组相比，保证激射阈值不变的情况下，微分电阻和斜线效率表现更好，具有更高的光电转换效率。
75.综上所述，本发明所涉及的一种异质隧道结的多结垂直腔面发射激光器，通过在激光器中引入异质隧道结，确保较低的激光器阈值和大功率的同时，减小了串联电阻和隧道结处的价带间吸收，使得本发明的隧道结的电阻比同质隧道结小40％左右，实现了高性能的多结垂直腔面发射激光器，解决了现有垂直腔面发射激光器功率密度、量子效率和斜效率低、且吸收损耗较高的问题。
76.以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。