CN107093841A - 一种近红外vcsel激光器的外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种近红外VCSEL激光器的外延结构，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次沉积有GaAs 缓冲层、N型掺杂的DBR、有源层、氧化限制层、P型掺杂的DBR和欧姆接触层，所述有源层由下向上依次包括限制层，波导层、量子阱、对称波导层和对称限制层，所述量子阱由多组量子阱层组成，相邻两组量子阱层之间设有厚垒层，所述厚垒层的厚度为大于50nm。该近红外VCSEL激光器的外延结构通过在有源区量子阱中插入多层厚垒层来减小载流子的泄漏损失，提高有源区载流子的复合几率，提高有源区的微分增益，从而提高VCSEL激光器的辐射功率，同时增加了有源区光子的限制因子，提高了VCSEL激光器的响应速率。

Description

一种近红外VCSEL激光器的外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种近红外VCSEL激光器,特别涉及一种近红外VCSEL激光器的外延结构及其制备方法。
背景技术
垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 通过布拉格反射器（DBR）形成谐振腔，光从垂直于半导体衬底表面方向出射。相比边发射半导体激光器，VCSEL不存在光学腔面损伤，具有低的阈值电流、动态单模工作、远场发散角小、近圆形光斑和光方向垂直于衬底表面的特性，与光纤耦合效率高，易于集成二维阵列，所以VCSEL在光互联、光通讯、光信号处理以及WDM光纤通讯、神经网络、计算机芯片中有着广泛的应用。基于VCSEL,3D人脸识别、手势识别、虹膜识别、无人驾驶 激光雷达等等许多我们熟悉的应用都能得到实现。对应于上述应用的VCSEL要求具有这样的特征，如高的有源层增益、高辐射功率、高可靠性和受控偏振等。例如，IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS，1999，Vol.11，No.12，pp.1539-1541(“非专利文献”) 公开一种采用AlGaAs 材料的VCSEL，其辐射功率达到3mW 以上。
一般地，VCSEL由以下几部分组成：衬底、N-DBR、有源区、氧化限制层、P-DBR、欧姆接触层。N-DBR与P-DBR镜面组成了VCSEL激光器的光学谐振腔，有源区为载流子增益介质，通过电泵浦实现VCSEL激光器的连续激射。为了提高激射功率，需要提高DBR的反射率，减小光子的损失；另外，需要减小电流损失，通常的作法是在发光区外采用氢离子注入（inplant工艺），使对激光激射不产生作用的区域无载流子复合。
现有近红外VCSEL激光器的外延结构如图1、2所示，包括包括GaAs衬底01，在GaAs衬底01上依次沉积有GaAs 缓冲层02、N型掺杂的DBR 03、有源层04、氧化限制层05、P型掺杂的DBR 06和欧姆接触层07。如图2所示，其中有源层04由限制层10、波导层11和量子阱12，对称波导层13，对称限制层14组成。其中，量子阱由6组量子垒/阱组成（图示中，向右上方倾斜的是垒层，向左上方倾斜的是阱层），其中In0.12Ga0.88As阱层厚度为4nm,Al0.10Ga0.90As 垒层厚度为6nm。
采用这种工艺的缺陷是VCSEL光功率比较小，难以满足大部分近红外传感器的应用需求。导致上述缺陷的原因是上述方法是有源区载流子增益不够大，可能是有源区材料生长质量造成，也可能是有源区MQW结构设计不合理造成。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能减小载流子的泄漏，增加有源区载流子的增益的近红外VCSEL激光器的外延结构。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种近红外VCSEL激光器的外延结构，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次沉积有GaAs 缓冲层、N型掺杂的DBR、有源层、氧化限制层、P型掺杂的DBR和欧姆接触层，所述有源层由下向上依次包括限制层，波导层、量子阱、对称波导层和对称限制层，所述量子阱由多组量子阱层组成，相邻两组量子阱层之间设有厚垒层，所述厚垒层的厚度为大于50nm。
优选的，所述厚垒层的厚度为50-100nm。
优选的，所述量子阱内插有1-5层厚垒层。
优选的，所述量子阱中量子阱层的阱厚度为3nm，垒厚度为6nm。
优选的，所述量子阱包括第一量子阱层、第一厚垒层、第二量子阱层、第二厚垒层及第三量子阱层，所述第一量子阱层包括两组3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第一厚垒层包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第二量子阱层包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，所述第二厚垒层包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第三量子阱层包括两组3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒。
优选的，所述量子阱包括第一量子阱层、第一厚垒层、第二量子阱层、第二厚垒层及第三量子阱层，所述第一量子阱层包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，所述第一厚垒层包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第二量子阱层包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，所述第二厚垒层包括100nm的Al0.10Ga0.90As垒，所述第三量子阱层包括包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱。
优选的，GaAs衬底需要具有7-15度的偏向角。
本发明还公开了一种近红外VCSEL激光器的外延结构的制备方法，其包括如下步骤：把生长衬底放入到Aixtron公司的MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以H2为载气，三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、二乙基锌（DeZn）、硅烷（SiH4）、砷烷（AsH3）和磷烷（PH3）为反应源气体，依次生长Si掺杂的GaAs缓冲层（02），Si掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR（03），In0.12Ga0.88As/Al0.1Ga0.9As形成的MQW有源层（04），Zn掺杂的Al0.98Ga0.02As氧化限制层（05）、Zn掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR（06），Zn掺杂的GaAs欧姆接触层（07），其中有源层（04）由下向上依次包括限制层（10），波导层（11）、量子阱（12）、对称波导层（13）和对称限制层（14），所述量子阱（12）由多组量子阱层组成，相邻两组量子阱层之间设有厚垒层，所述厚垒层的厚度为大于50nm。
优选的，所述GaAs衬底需要具有7-15度的偏向角。
优选的，所述生长衬底采用电导率为2-8x1018cm-2的N型GaAs。
如上所述，本发明的近红外VCSEL激光器的外延结构具有以下有益效果：该近红外VCSEL激光器的外延结构通过在有源区量子阱中插入多层厚垒层来减小载流子的泄漏损失，提高有源区载流子的复合几率，提高有源区的微分增益，从而提高VCSEL激光器的辐射功率，同时增加了有源区光子的限制因子，提高了VCSEL激光器的响应速率。
附图说明
图1为典型的VCSEL外延结构示意图。
图2为传统技术VCSEL有源区的外延结构示意图。
图3为本发明第一实施例中VCSEL有源区的外延结构示意图。
图4为本发明第二实施例中VCSEL有源区的外延结构示意图。
具体实施方式
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。
请参阅图1至图4。须知，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涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种近红外VCSEL激光器的外延结构，包括GaAs衬底01，在GaAs衬底01上依次沉积有GaAs 缓冲层02、N型掺杂的DBR 03、有源层04、氧化限制层05、P型掺杂的DBR 06和欧姆接触层07。其中有源层04由限制层10、波导层11和量子阱12，对称波导层13，对称限制层14组成。量子阱12由多组量子阱层组成，相邻两组量子阱层之间设有厚垒层，厚垒层的厚度为大于50nm。作为一种优选方式，厚垒层的厚度为50-100nm，量子阱12内插有1-5层厚垒层，优选1-3层。每层量子阱层的阱厚度为3nm，垒厚度为6nm。
该近红外VCSEL激光器的外延结构的制备方法包括如下步骤：把生长衬底放入到Aixtron公司的MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以H2为载气，三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、二乙基锌（DeZn）、硅烷（SiH4）、砷烷（AsH3）和磷烷（PH3）为反应源气体，依次生长Si掺杂的GaAs缓冲层，Si掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR，In0.12Ga0.88As/Al0.1Ga0.9As形成的MQW有源层，Zn掺杂的Al0.98Ga0.02As氧化限制层、Zn掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR，Zn掺杂的GaAs欧姆接触层，其中有源层由下向上依次包括限制层，波导层、量子阱、对称波导层和对称限制层，所述量子阱由多组量子阱层组成，相邻两组量子阱层之间设有厚垒层。
下面结合具体实施例，对本专利的结构和制备方法做进一步的说明。
如图3所示，作为本专利的一个具体实施例，以电导率为2-8x1018cm-2的N型GaAs作为生长衬底，为了提高材料的生长质量，GaAs衬底需要具有7-15度的偏向角。把15度衬底放入到Aixtron公司的MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以H2为载气，三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、二乙基锌（DeZn）、硅烷（SiH4）、砷烷（AsH3）和磷烷（PH3）等为反应源气体，依次生长Si掺杂的GaAs缓冲层，Si掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR（对数为42组）；In0.12Ga0.88As/Al0.1Ga0.9As形成的MQW有源层,Zn掺杂的Al0.98Ga0.02As氧化限制层、Zn掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR（对数为28组），Zn掺杂的GaAs欧姆接触层。有源区由以下外延层组成：
第10层：60nm Al0.90Ga0.10As限制层；
第11层：50nm Al0.60Ga0.40As到Al0.10Ga0.90As组分渐变的波导层；
第12层：多组组由In0.12Ga0.88As阱和Al0.10Ga0.90As 垒组成的量子阱；
本发明结构中，量子阱12包括依次生长的第一量子阱层121、第一厚垒层122、第二量子阱层123、第二厚垒层124及第三量子阱层125，第一量子阱层121包括两组3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒，第一厚垒层122包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，第二量子阱层123包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，第二厚垒层124包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，第三量子阱层125包括两组3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒。
第13层：50nmAl0.10Ga0.90As到Al0.60Ga0.40As组分渐变的波导层；
第14层：60nm Al0.90Ga0.10As限制层.
外延层生长完成后，可利用公知的光刻与刻蚀工艺，形成VCSEL台面结构，采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成10-14nm的氧化孔径，然后在表面Cap层上蒸镀正面电极，并将GaAs衬底减薄，在减薄的GaAs衬底背面蒸镀背面电极，即完成VCSEL激光器的制作。
实施例二、
如图4所示，该实施例中结构与实施例一的区别在于有源区12的结构设计，本实施例有源区由以下外延层组成：
第10层：45nm Al0.90Ga0.10As限制层；
第11层：30nm Al0.60Ga0.40As到Al0.10Ga0.90As组分渐变的波导层；
第12层：多组组由In0.12Ga0.88As阱和Al0.10Ga0.90As 垒组成的量子阱；
本发明结构中，量子阱12包括第一量子阱层1210、第一厚垒层1220、第二量子阱层1230、第二厚垒层1240及第三量子阱层1250，所述第一量子阱层1210包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，第一厚垒层1220包括100nm的Al0.10Ga0.90As垒，第二量子阱层1230包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，第二厚垒层1240包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，第三量子阱层1250包括包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱。
第13层：50nmAl0.10Ga0.90As到Al0.60Ga0.40As组分渐变的波导层；
第14层：60nm Al0.90Ga0.10As限制层。
该近红外VCSEL激光器的外延结构通过在有源区量子阱中插入多层厚垒层来减小载流子的泄漏损失，提高有源区载流子的复合几率，提高有源区的微分增益，从而提高VCSEL激光器的辐射功率，同时增加了有源区光子的限制因子，提高了VCSEL激光器的响应速率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种近红外VCSEL激光器的外延结构，包括GaAs衬底（01），在GaAs衬底（01）上依次沉积有GaAs 缓冲层（02）、N型掺杂的DBR（ 03）、有源层（04）、氧化限制层（05）、P型掺杂的DBR（ 06）和欧姆接触层（07），所述有源层（04）由下向上依次包括限制层（10），波导层（11）、量子阱（12）、对称波导层（13）和对称限制层（14），所述量子阱（12）由多组量子阱层组成，其特征在于：相邻两组量子阱层之间设有厚垒层，所述厚垒层的厚度为大于50nm。
2.根据权利要求1所述的近红外VCSEL激光器的外延结构，其特征在于：所述厚垒层的厚度为50-100nm。
3.根据权利要求1所述的近红外VCSEL激光器的外延结构，其特征在于：所述量子阱（12）内插有1-5层厚垒层。
4.根据权利要求1所述的近红外VCSEL激光器的外延结构，其特征在于：所述量子阱（12）中量子阱层的阱厚度为3nm，垒厚度为6nm。
5.根据权利要求4所述的近红外VCSEL激光器的外延结构，其特征在于：所述量子阱（12）包括第一量子阱层（121）、第一厚垒层（122）、第二量子阱层（123）、第二厚垒层（124）及第三量子阱层（125），所述第一量子阱层（121）包括两组3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第一厚垒层（122）包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第二量子阱层（123）包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，所述第二厚垒层（124）包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第三量子阱层（125）包括两组3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒。
6.根据权利要求4所述的近红外VCSEL激光器的外延结构，其特征在于：所述量子阱（12）包括第一量子阱层（1210）、第一厚垒层（1220）、第二量子阱层（1230）、第二厚垒层（1240）及第三量子阱层（1250），所述第一量子阱层（1210）包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，所述第一厚垒层（1220）包括100nm的Al0.10Ga0.90As垒，所述第二量子阱层（1230）包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱，所述第二厚垒层（1240）包括100nm的Al0.10Ga0.90As 垒，所述第三量子阱层（1250）包括包括3nmIn0.12Ga0.88As阱、6nm的Al0.10Ga0.90As 垒、3nmIn0.12Ga0.88As阱。
7.根据权利要求1所述的近红外VCSEL激光器的外延结构，其特征在于：GaAs衬底需要具有7-15度的偏向角。
8.一种近红外VCSEL激光器的外延结构的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：把生长衬底放入到Aixtron公司的MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以H2为载气，三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、二乙基锌（DeZn）、硅烷（SiH4）、砷烷（AsH3）和磷烷（PH3）为反应源气体，依次生长Si掺杂的GaAs缓冲层（02），Si掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR（03），In0.12Ga0.88As/Al0.1Ga0.9As形成的MQW有源层（04），Zn掺杂的Al0.98Ga0.02As氧化限制层（05）、Zn掺杂的Al0.12Ga0.82As/Al0.82Ga0.12As DBR（06），Zn掺杂的GaAs欧姆接触层（07），其中有源层（04）由下向上依次包括限制层（10），波导层（11）、量子阱（12）、对称波导层（13）和对称限制层（14），所述量子阱（12）由多组量子阱层组成，相邻两组量子阱层之间设有厚垒层，所述厚垒层的厚度为大于50nm。
9.根据权利要求8所述的近红外VCSEL激光器的外延结构的制备方法，其特征在于：所述GaAs衬底需要具有7-15度的偏向角。
10.根据权利要求8所述的近红外VCSEL激光器的外延结构的制备方法，其特征在于：所述生长衬底采用电导率为2-8x1018cm-2的N型GaAs。
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