基模低发散角垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种基模低发散角垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器，简称(vcsel)，它具有低阈值电流、圆形光斑、高调制带宽、单纵模激射、易于实现高密度二维阵列、制作成本较低等诸多优点，在许多领域中都具有广泛得应用，特别是在光纤通讯领域扮演着重要的角色。vcsel由于横向宽度较大，器件通常为多横模激射，导致输出激光的相干性较差，并且发散角较大。

2、为了实现基模激射，常用的方法是通过制作小的电流注入或小的发光孔径来限制高阶横模，一般可采用湿氮氧化、质子轰击或掩埋异质结等方式。这些方法面临的问题是工艺一致性较差，例如氧化方式和质子轰击方式在大尺寸晶圆的外延工艺中，各vcsel最终形成的孔径误差较大，影响器件的成品率。掩埋隧道结方式通过光刻的精度来控制孔径大小，一致性很高。但该方法涉及二次外延的生长工艺，工艺难度较大，影响器件的可靠性。同时，由于这些方法采用均采用电流从侧向流入孔径的注入方式，电流在孔径边缘存在堆积现象，整体的电流分布呈现边缘高中间低，导致高阶模式获得更高的模式增益，从而形成多模激射。如何通过使用可靠的、简单的结构、工艺等方式，使vcsel具有基模、低发散角的输出特性，是本领域技术人员所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器及其制备方法。

2、本发明第一目的在于提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器，包括：衬底、外延叠层、绝缘层、电传播层、接触层、介质膜dbr层、p型接触电极、n型接触电极；

3、所述外延叠层位于所述衬底上表面；

4、所述接触层位于所述外延叠层上表面的中心区域，用于电流的注入；所述接触层设置为长方形、菱形或椭圆形，用于实现单偏振模式；

5、所述绝缘层包围所述接触层并覆盖在所述外延叠层上表面，用于对非注入的电流区形成电隔离；

6、所述电传播层覆盖在所述接触层与所述绝缘层的上表面，用于引导外加电流向所述接触层流入；

7、所述介质膜dbr层部分覆盖于所述电传播层上方；所述介质膜dbr层的反射率低于所述n型dbr层，使激光从所述介质膜dbr层出射；

8、所述p型接触电极在所述电传播层上表面形成环形结构，形成正极；所述n型接触电极层叠于所述衬底背离所述外延叠层的一侧表面，形成负极。

9、优选的，外延叠层包括n型dbr层、间隔层、多量子阱有源区；所述间隔层包括第一间隔层和第二间隔层；所述外延叠层由下至上依次紧密堆叠n型dbr层、第一间隔层、多量子阱有源区、第二间隔层；所述接触层和所述绝缘层均覆盖在所述第二间隔层上表面。

10、优选的，间隔层为晶格匹配的间隔层，用于调节腔长。

11、优选的，间隔层的带隙大于所述多量子阱有源区的带隙，形成对载流子的限制作用；所述间隔层的材料为alxga1-xas。

12、优选的，n型dbr层为高低al组分的alxga1-xas半导体材料。

13、优选的，多量子阱有源区的材料为gaas/alxga1-xas。

14、优选的，绝缘层的材料为sio2或si3n4，厚度为300～500nm。

15、优选的，电传播层的材料为氧化铟砷薄膜。

16、优选的，介质膜dbr层为氧化物介质膜，按照高低折射率周期排布，每层厚度按照四分之一光学厚度生长；所述介质膜dbr层的材料包括si、sio2、hfo2和al2o3中的两种；所述周期为8～9。

17、优选的，衬底为ⅲ-ⅴ族半导体材料。

18、优选的，p型接触电极为ti/pt/au的三层结构；所述n型接触电极为au-ge/ni/au结构。

19、本发明第二目的在于提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，具体包括如下步骤：

20、s1、在ⅲ-ⅴ族半导体衬底上交替外延生长n型dbr层；

21、s2、外延生长第一间隔层；

22、s3、继续外延生长多量子阱有源区；

23、s4、继续生长第二间隔层，在所述第二间隔层上表面生长p型高掺杂的gaas；

24、s5、在所述p型高掺杂的gaas上表面涂胶、光刻、显影，形成接触层结构图形的掩模图案；对p型高掺杂的gaas进行干法刻蚀，直至暴露所述第二间隔层表面，得到所述接触层；

25、s6、在样品表面沉积sio2或si3n4；二次光刻，再次经过匀胶、光刻、显影步骤后暴露出所述接触层上方的sio2或si3n4，将暴露的部分刻蚀掉，得到绝缘层；

26、s7、在样品表面溅射ito薄膜，得到电传播层；旋涂负性光刻胶，再将样品进行第三次光刻，制作电极图形；对光刻显影后的样品蒸镀p型金属，将蒸镀完成后的样品放置在丙酮溶液中进行lift-off剥离工艺，形成最终的p型接触电极；

27、s8、在所述电传播层上旋涂负性光刻胶，再将样品进行第四次光刻，对光刻、显影后的样品使用电子束蒸发设备交替生长沉积氧化物介质膜，将蒸镀好的样品在丙酮溶液中进行lift-off剥离工艺，去除不需要的部分，得到介质膜dbr层；

28、s9、将所述衬底进行减薄抛光，采用电子束蒸发蒸镀n型接触电极。

29、优选的，步骤s1采用金属有机化合物化学气相淀积法mocvd完成所述的交替外延生长。

30、优选的，步骤s5中的干法刻蚀气体为cl2/bcl3ar混合气体；所述步骤s6中的刻蚀气体为cf4。

31、本发明有益效果：

32、(1)相比于其它方案，通过本发明提供的基模低发散角垂直腔面发射激光器结构，使载流子注入更均匀，不仅仅是通过缩小载流子注入的区域面积来实现单模输出，也优化了载流子的分布，使孔径中心的浓度大于边缘浓度，从而达到抑制高阶模式增益，实现vcsel单横模、低发散角的输出特性；

33、(2)解决了现有vcsel多模输出，发散角大的问题，相比于现有的氧化孔径、质子轰击、隧道结等方法，本结构在制备时无需复杂、昂贵的氧化或轰击工艺设备，同时，减化了工艺步骤，并且工艺的精度高，一致性高。

技术特征：

1.基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：衬底、外延叠层、绝缘层、电传播层、接触层、介质膜dbr层、p型接触电极、n型接触电极；

2.根据权利要求1所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述外延叠层包括n型dbr层、间隔层、多量子阱有源区；所述间隔层包括第一间隔层和第二间隔层；所述外延叠层由下至上依次紧密堆叠n型dbr层、第一间隔层、多量子阱有源区、第二间隔层；所述接触层和所述绝缘层均覆盖在所述第二间隔层上表面。

3.根据权利要求2所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述间隔层为晶格匹配的间隔层，用于调节腔长；所述间隔层的材料为alxga1-xas。

4.根据权利要求3所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述间隔层的带隙大于所述多量子阱有源区的带隙，形成对载流子的限制作用。

5.根据权利要求4所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n型dbr层为高低al组分的alxga1-xas半导体材料；所述多量子阱有源区的材料为gaas/alxga1-xas。

6.根据权利要求5所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述绝缘层的材料为sio2或si3n4，厚度为300～500nm；所述电传播层的材料为氧化铟砷薄膜。

7.根据权利要求6所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述介质膜dbr层为氧化物介质膜，按照高低折射率周期排布，每层厚度按照四分之一光学厚度生长；所述介质膜dbr层的材料包括si、sio2、hfo2和al2o3中的两种；所述周期为8～9。

8.根据权利要求7所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底为ⅲ-ⅴ族半导体材料。

9.根据权利要求8所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述p型接触电极为ti/pt/au的三层结构；所述n型接触电极为au-ge/ni/au结构。

10.一种基模低发散角垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备权利要求1所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于，具体包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器及其制备方法。包括：衬底、外延叠层、绝缘层、电传播层、接触层、介质膜DBR层、P型接触电极、N型接触电极；外延叠层位于衬底上表面；接触层位于外延叠层上表面的中心区域，为长方形、菱形或椭圆形，横向宽度小于基膜直径；绝缘层包围接触层并覆盖在外延叠层上表面；电传播层覆盖在接触层与绝缘层的上表面，用于引导外加电流向接触层流入；介质膜DBR层部分覆盖于电传播层上方；P型接触电极在所述电传播层上表面形成环形结构，N型接触电极层叠于所述衬底背离所述外延叠层的一侧表面。优点在于：抑制高阶模式增益，实现单横模、低发散角的输出特性。

技术研发人员：王小龙,佟存柱,于舒睿,刘博,蒋宁
受保护的技术使用者：吉光半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15