一种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.目前垂直腔面发射激光器的有源区主要由宽带隙的势垒层和窄带隙的势阱层交替生长组成。其中，宽带隙的势垒层对载流子起到明显的量子限制作用。然而，在大电流注入的情况下，随着有源区温度升高，阱层中电子的热逃逸概率增加，减小了激光器的内量子效率，因此难以满足大注入、高功率密度的需求。现有技术常常通过在有源区附近插入高铝组分的电子阻挡层来抑制载流子热逃逸，提高功率密度和量子效率。然而，插入含高al组分的电子阻挡层后，界面价带偏移会形成阻挡空穴输运的势垒，降低了载流子的注入效率，增加了器件的串联电阻，使得此种垂直腔面发射激光器光电性能不佳。
4.本发明针对上述问题，设计了一种基于ⅱ型载流子阻挡层的高性能垂直腔面发射激光器。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决现有技术中在大电流注入下垂直腔面发射激光器的阈值高、斜效率低、光电性能不佳的问题，本发明提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过在有源区的p侧引入ⅱ型电子阻挡层，随着有源区温度升高，在确保较低的激光器阈值和串联电阻的同时，减小了电子热逃逸，提供了一种在高温下依然高性能的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、氧化层、电子阻挡层、有源区、n型布拉格反射镜组、衬底、n电极。
8.可选的，所述电子阻挡层包括al
x
ga
1-x
asysb
1-y
，组分变化范围为：x＝0.4-0.8，y＝0.8-1。
9.可选的，所述电子阻挡层厚度为10-20nm。
10.可选的，掺杂浓度范围为1
×
10
17
cm-3
—2
×
10
18
cm-3
。
11.可选的，所述p电极和n电极的材质为金、铜、石墨、银或锡中的任一种。
12.本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
13.s1、在衬底上依次外延n型布拉格反射镜组、有源区、电子阻挡层、氧化层、p型布拉格反射镜组；
14.s2、在所述p型布拉格反射镜组远离衬底的一侧制作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，完成激光器的制作。
15.与现有技术相比，本发明的优点在于：
16.1.本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过在有源区的p侧设计一种含锑元素的ⅱ型电子阻挡层，锑元素的电子阻挡层对载流子起到明显的量子限制作用，抑制空穴泄漏电流，同时不增加激光器的串联电阻，不会阻碍空穴的注入，从而不会影响激光器的光电性能。
17.2.本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，al
x
ga
1-x
asysb
1-y
可与in
1-x-y
al
x
gayas体系材料形成完美的ⅱ类能带结构。al
x
ga
1-x
asysb
1-y
材料的导带和价带的最低和最高能量均高in
1-x-y
al
x
gayas材料相应的能量。因此，当al
x
ga
1-x
asysb
1-y
作为电子阻挡层时，界面导带处较大的偏移会形成阻挡电子输运的势垒，抑制有源区电子的逃逸；同时，界面价带处较小偏移不会对空穴的注入形成阻碍。
18.3.本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，阻挡层的设置使得有效抑制空穴泄漏电流，使器件内量子效率大大提升、斜线效率大幅增加。
附图说明
19.图1为一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。
20.图2为试验1中光学与电学性能测试示意图。
21.附图说明：1-p电极，2-p型布拉格反射镜组，3-氧化层，4-电子阻挡层，5-有源区，6-n型布拉格反射镜组，7-衬底，8-n电极。
22.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。
23.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
24.参见图1所示，一种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、氧化层3、电子阻挡层4、有源区5、n型布拉格反射镜组6、衬底7、n电极8。
25.可以理解的，本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器，通过在有源区5的p侧设计一种含锑元素的ⅱ型电子阻挡层4，锑元素的电子阻挡层4能够在高温下抑制量子阱内热激发的电子扩散至包层区域，对载流子起到明显的量子限制作用，抑制空穴泄漏电流，同时不增加激光器的串联电阻，不会阻碍空穴的注入，从而不会影响激光器的光电性能。
26.可以理解的，阻挡层材料组分为al
x
ga
1-x
asysb
1-y
，组分变化范围为：x＝0.4-0.8，y＝0.8-1，厚度为10-20nm，掺杂浓度范围为1
×
10
17
cm-3
—2
×
10
18
cm-3
。sb基ⅲ族材料(如：al
x
ga
1-x
asysb
1-y
)可与in
1-x-y
al
x
gayas体系材料形成完美的ⅱ类能带结构。具体来说，al
x
ga
1-x
asysb
1-y
材料的导带和价带的最低和最高能量均高于in
1-x-y
al
x
gayas材料相应的能量。因此，当al
x
ga
1-x
asysb
1-y
作为电子阻挡层时，界面导带处较大的偏移会形成阻挡电子输运的势垒，抑制有源区电子的逃逸。同时，界面价带处较小偏移不会对空穴的注入形成阻碍，从而不会降低空穴的注入效率，器件的微分电阻并未增大。
27.可以理解的，电子阻挡层4的设置使得有效抑制空穴泄漏电流，使器件内量子效率大大提升、斜线效率大幅增加。
28.本发明在有源区的p区一侧设置了氧化层3，氧化层3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。
29.在本发明的一些实施例中，本发明的所述电子阻挡层4包括al
x
ga
1-x
asysb
1-y
，组分变化范围为：x＝0.4-0.8，y＝0.8-1。
30.在本发明的一些实施例中，电子阻挡层4的组分变化范围还可以为：x＝0.4-0.5，y＝0.8-0.9、x＝0.5-0.6，y＝0.8-1、x＝0.6-0.8，y＝0.9-1或x＝0.4-0.8，y＝0.85-0.95。
31.可以理解的，在大电流注入的情况下，随着有源区5温度升高，阱层中电子的热逃逸概率增加，减小了激光器的内量子效率，设置电子阻挡层，并将电子阻挡层的材质设置为al
x
ga
1-x
asysb
1-y
，可以有效抑制载流子的热逃逸，提高功率密度和量子效率。
32.同时，现有的垂直腔面发射激光器在有源区附近插入高铝组分的电子阻挡层，使得在界面价带偏移会形成阻挡空穴输运的势垒，使载流子的注入效率显著降低，器件的串联电阻增大。而本发明的al
x
ga
1-x
asysb
1-y
电子阻挡层的引入不会增加激光器的串联电阻，不会阻碍空穴的注入，从而不会影响激光器的光电性能。
33.在本发明的一些实施例中，优选所述电子阻挡层4包括al
x
ga
1-x
asysb
1-y
，组分变化范围为：x＝0.6，y＝0.9。
34.在本发明的一些实施例中，所述电子阻挡层4厚度为10-20nm，掺杂浓度范围为1
×
10
17
cm-3
—2
×
10
18
cm-3
。
35.在本发明的一些实施例中，优选所述电子阻挡层4厚度为10、12、15或20nm，掺杂浓度范围优选为1
×
10
17
、2
×
10
17
、1
×
10
18
cm-3
。
36.在本发明的一些实施例中，优选衬底7为gaas衬底。
37.在本发明的一些实施例中，所述p电极1和n电极8的材质为金、铜、石墨、银或锡中的任一种。优选采用金材质。
38.本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
39.s1、在衬底7上依次外延n型布拉格反射镜组6、有源区5、电子阻挡层4、氧化层3、p型布拉格反射镜组2；
40.s2、在所述p型布拉格反射镜组2远离衬底7的一侧制作p电极1，在所述衬底7远离所述n型布拉格反射镜组6的一侧制作n电极8，完成激光器的制作。
41.在本发明的一些实施例中，在具体的外延过程中，在已经涉及的有源区5、电子阻挡层4、氧化层3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。
42.在本发明的一些实施例中，本发明的制备方法可选用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。
43.实施例1
44.一种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、氧化层3、电子阻挡层4、有源区5、n型布拉格反射镜组6、衬底7、n电极8。
45.其中，在本实施例中，所述电子阻挡层包括al
0.6
ga
0.4
as
0.95
sb
0.05
；所述电子阻挡层厚度为10nm，掺杂浓度范围为1
×
10
17
cm-3
。
46.实施例2
47.一种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、氧化层3、电子阻挡层4、有源区5、n型布拉格反射镜组6、衬底7、n电极8。
48.其中，在本实施例中，所述电子阻挡层包括al
0.5
ga
0.5
as
0.85
sb
0.15
；所述电子阻挡层厚度为12nm，掺杂浓度范围为2
×
10
17
cm-3
。
49.实施例3
50.一种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、氧化层3、电子阻挡层4、有源区5、n型布拉格反射镜组6、衬底7、n电极8。
51.其中，在本实施例中，所述电子阻挡层包括al
0.6
ga
0.4
as
0.85
sb
0.15
；所述电子阻挡层厚度为15nm，掺杂浓度范围为5
×
10
17
cm-3
。
52.实施例4
53.一种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、氧化层3、电子阻挡层4、有源区5、n型布拉格反射镜组6、衬底7、n电极8。
54.其中，在本实施例中，所述电子阻挡层包括al
0.7
ga
0.3
as
0.85
sb
0.15
，组分变化范围为：x＝0.7，y＝0.85；所述电子阻挡层厚度为18nm，掺杂浓度范围为6
×
10
17
cm-3
。
55.实施例5
56.一种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、氧化层3、电子阻挡层4、有源区5、n型布拉格反射镜组6、衬底7、n电极8。
57.其中，在本实施例中，所述电子阻挡层包括al
0.5
ga
0.5
as
0.85
sb
0.15
；所述电子阻挡层厚度为20nm，掺杂浓度范围为2
×
10
17
cm-3
。
58.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。
59.试验例检验发射激光器的光学与电学性能
60.1.1试验设计
61.试验设置两个处理组，实验组为实施例1所涉及的ⅱ型电子阻挡层的垂直腔面发射激光器，对照组为采用在有源区附近插入高al的ⅰ型电子阻挡层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。测试结果见图2，点划线代表ⅰ型电子阻挡层的垂直腔面发射激光器(对照组)，实线代表实施例1所涉及的垂直腔面发射激光器(实验组)。
62.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。
63.1.2结果分析
64.参见图2可知，在光学性能方面，参见电流—功率曲线，实验组的斜线效率为0.6w/a，而对照组的斜线效率为0.54w/a，可见实验组有更高的斜线效率。因此，在大电流注入情况下，实验组可获得更大输出功率，在高温下仍能保持优良的性能。可见由于实验组引入了al
0.6
ga
0.4
as
0.95
sb
0.05ⅱ型电子阻挡层，能够在高温下抑制量子阱内热激发的电子扩散至包层区域。
65.同时，在电学性能方面，参见电流—电压曲线，实验组相比对照组的曲线更陡峭，可见实验组的微分电阻更小。可见，由于al
0.6
ga
0.4
as
0.95
sb
0.05ⅱ型电子阻挡层的引入使得在价带处较小偏移不会对空穴的注入形成阻碍，但对照组的al
0.6
ga
0.4
asⅰ型电子阻挡层在界
面价带和导带处同时存在较大偏移，抑制热电子扩散的同时也阻碍了空穴的注入增大了器件的微分电阻。
66.结合两组曲线，可见实验组在微分电阻和斜线效率上表现更好，具有更高的光电转换效率。
67.综上所述，本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器，通过在有源区的p侧设计一种含锑元素的ⅱ型电子阻挡层，锑元素的电子阻挡层能够在高温下抑制量子阱内热激发的电子扩散至包层区域，对载流子起到明显的量子限制作用，抑制空穴泄漏电流，同时不增加激光器的串联电阻，界面价带处较小偏移不会对空穴的注入形成阻碍，不会阻碍空穴的注入。解决了现有技术中在大电流注入下垂直腔面发射激光器的阈值高、斜效率低、光电性能不佳的问题。
68.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。