CN109088310A - 一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法 - Google Patents

一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法 Download PDF

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洪来荣
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陈进顺
翁妹芝
张坤铭
朱鸿根
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Abstract

本申请实施例提供了一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法，其中，该极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片包括：衬底、依次形成于所述衬底上的N型层、发光层、P型层和P型电极层，形成于所述衬底背面的N型电极层；所述P型层包括依次形成于所述发光层上的多个反射层，多个所述反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；所述P型电极层包括与所述导电区域对应的出光孔；所述出光孔内设置有凸透镜。本申请实施例减小了垂直腔面发射激光器芯片中出射光线的发散角。

Description

一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法。
背景技术
VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。
VCSEL芯片中包括电流限制层，比如氧化层，氧化层上的氧化孔对电流起到限制作用，氧化孔的大小直接影响VCSEL芯片中出射光线的发散角大小，为了尽可能的缩小VCSEL芯片的发散角，需要尽可能的制备小的氧化孔，但是目前制备孔径很小的氧化孔工艺繁琐，较难控制。
综上，目前VCSEL芯片中出射光线的发散角较大，不易于应用。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法，以减小目前垂直腔面发射激光器芯片中出射光线的发散角。
第一方面，本申请实施例提供了一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，包括：
衬底、依次形成于所述衬底上的N型层、发光层、P型层和P型电极层，形成于所述衬底背面的N型电极层；
所述P型层包括依次形成于所述发光层上的多个反射层，多个所述反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；
所述P型电极层包括与所述导电区域对应的出光孔；所述出光孔内设置有凸透镜。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述P型电极层包括形成于所述P型层上的欧姆接触层和形成于所述欧姆接触层上的P电极。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述P型层的多层反射层构成分布式布拉格反射镜结构。
结合第一方面的第二种可能的实施防方式，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述P型分布式布拉格反射镜结构包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述N型层的多层反射层构成N型分布式布拉格反射镜结构。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，所述N型分布式布拉格反射镜结构包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，多个所述反射层的导电区域均为圆形区域，各个所述圆形区域的中心与所述发光孔的中心重合。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，所述发光层上表面中心到所述凸透镜中心的距离等于所述凸透镜的焦距。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，所述出光孔的面积大于所述P型层中最底层的反射层中的导电区域的面积，且小于P型层中最上层的反射层中的导电区域的面积。
第二方面，本申请实施例提供了一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，包括：
在衬底上依次形成N型层和发光层；
在所述发光层上依次形成构成P型层的多层反射层，在每层反射层上进行离子注入，使得每层所述反射层形成导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；
在所述P型层的最上层反射层上形成P型电极层，蚀刻所述P型电极层，使得所述P型电极层形成与所述导电区域对应的出光孔；
在所述P型电极层的出光孔内注入环氧树脂后压模，形成凸透镜；
在所述衬底背面形成N型电极层。
与现有技术中相比，本申请实施例提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，包括：衬底、依次形成于所述衬底上的N型层、发光层、P型层和P型电极层，形成于所述衬底背面的N型电极层；所述P型层包括依次形成于所述发光层上的多个反射层，多个所述反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；所述P型电极层包括与所述导电区域对应的出光孔；所述出光孔内设置有凸透镜。
可见，本申请实施例中的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片中的P型层通过截面呈倒梯形的导电区域对电流进行限制以及对发光层出射的光进行初步汇聚，当由截面呈倒梯形的导电区域发出的光经过P型电极层的出光孔内设置的凸透镜后，进行进一步汇聚，从而减小目前垂直腔面发射激光器芯片中出射光线的发散角。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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。
图1示出了本申请实施例所提供的一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法流程图；
图3示出了本申请实施例所提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之一；
图4示出了本申请实施例所提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之二；
图5示出了本申请实施例所提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之三；
图6示出了本申请实施例所提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片对应的制备过程结构图之四。
图标：11-衬底；12-N型层；13-发光层；14-P型层；15-P型电极层；16-N型电极层；17-凸透镜；141-截面呈倒梯形的导电区域；151-出光孔；152-欧姆接触层；153-P电极层。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，如图1所示，包括：
衬底11、依次形成于衬底11上的N型层12、发光层13、P型层14和P型电极层15，形成于衬底背面的N型电极层16。
P型层14包括依次形成于发光层13上的多个反射层，多个反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得P型层14形成截面呈倒梯形的导电区域141。
P型层的中各个反射层形成的导电区域，在空间上形成类圆锥体。
P型电极层15包括与导电区域对应的出光孔151；出光孔151内设置有凸透镜17。为了对输入到芯片中的电流进行降压，P型电极层15包括形成于P型层14上的欧姆接触层152和形成于欧姆接触层上的P电极层153，优选地，本申请中的欧姆接触层包括砷化镓层，欧姆接触层的优选厚度为10nm。
P电极层和N型电极层的材料为导电性良好的金属材料，比如铜、银和金等。
可选地，衬底可以为砷化镓衬底。
可选地，本申请实施例中的发光层为AlxGa1-xAs/In xGaAs/AlxGa1-xAs量子阱结构，其中x为In的含量，根据波长进行调整。
具体地，P型层中的多层反射层构成P-DBR结构，即P型分布式布拉格反射镜，其结构包括多层交替的砷化铝和砷化铝镓，较佳地，本申请实施例中P-DBR结构包括18对交替的砷化铝和砷化铝镓，P-DBR结构这样的结构，能够增加对光的反射率，其反射率可达99.8％。
N型层构成N-DBR结构，即N型分布式布拉格反射镜，可选地，本申请实施例中的N-DBR结构也包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层，优选地，本申请实施例中N-DBR结构包括32对交替的砷化铝层和砷化铝镓层，N-DBR结构这样的结构，能够增加对光的反射率，其反射率可达99.9％。
较佳地，P-DBR结构和N-DBR结构中，每层砷化铝层和砷化铝镓层的厚度均为波长的1/4。
可选地，P型层中反射层的导电区域均为圆形区域，各个圆形区域的中心与发光孔的中心重合。
优选地，P型层中最下层的反射层的导电区域对应的圆心区域的直径范围为2-4um，发光孔的直径范围为4-6um。
其中，发光层上表面中心到凸透镜中心的距离等于凸透镜的焦距。
对在空气中厚度为d，曲率半径为R1和R2的透镜，有效焦距为：
1/f＝(n－1)[1/R1－1/R2+(n－1)d/nR1R2]
此处n是透镜材料的折射率，数值1/f就是这个透镜的光学倍率，f是焦距。即使得发光点到透镜的距离为f即可。
本申请实施例中，出光孔的面积大于P型层中最底层的反射层中的导电区域的面积，且小于P型层中最上层的反射层中的导电区域的面积。
与现有技术中相比，本申请实施例提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，包括：衬底、依次形成于所述衬底上的N型层、发光层、P型层和P型电极层，形成于所述衬底背面的N型电极层；所述P型层包括依次形成于所述发光层上的多个反射层，多个所述反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；所述P型电极层包括与所述导电区域对应的出光孔；所述出光孔内设置有凸透镜。
可见，本申请实施例中的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片中的P型层通过截面呈倒梯形的导电区域对电流进行限制以及对发光层出射的光进行初步汇聚，当由截面呈倒梯形的导电区域发出的光经过P型电极层的出光孔内设置的凸透镜后，进行进一步汇聚，从而减小目前垂直腔面发射激光器芯片中出射光线的发散角。
本申请实施例提供了一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，用于制备上述极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，如图2所示，包括以下具体步骤S200～S20：
S200，在衬底上依次形成N型层和发光层。
在衬底11上依次形成N型层12和发光层13，得到如图3所示的结构。
S201，在发光层上依次形成构成P型层的多层反射层，在每层反射层上进行离子注入，使得每层反射层形成导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得P型层形成截面呈倒梯形的导电区域。
在图3的基础上，在发光层13上依次形成构成P型层14的多层反射层，在每层反射层上进行离子注入，使得每层反射层形成导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得P型层14形成截面呈倒梯形的导电区域，具体地，图4示出了形成两层反射层时对应的结构示意图。
下面以一具体例子说明图4的形成过程，即先在发光层上形成砷化铝层，然后针对砷化铝层进行例子注入，使得图中位于中间导电区域两侧的区域不导电，然后对得到的结构进行有机清洗后，继续沉积一层砷化铝镓层，然后对该砷化铝镓层进行例子注入，使得砷化铝镓层形成比砷化铝层中的导电区域面积大的导电区域，如图4所示，之后继续按照该方法循环制作，重复18次，即可得到截屏呈到梯形的导电区域。
S202，在P型层的最上层反射层上形成P型电极层，蚀刻P型电极层，使得P型电极层形成与导电区域对应的出光孔。
当使得每层反射层形成导电区域和绝缘区域，使得P型层14形成截面呈倒梯形的导电区域后，在P型层14的最上层反射层上形成P型电极层15，蚀刻P型电极层15，使得P型电极层15形成与导电区域对应的出光孔151。
这里的P型电极层15包括形成于P型层14上的欧姆接触层152和形成于欧姆接触层上的P电极层153，进而得到如图5所示的结构。
S203，在P型电极层的出光孔内注入环氧树脂后压模，形成凸透镜。
在图5的基础上，在P型电极层15的出光孔151内注入环氧树脂后压模，形成凸透镜17，得到如图6所示的结构。
S204，在衬底背面形成N型电极层。
最终，在图6的基础上，在衬底11背面制备N型电极层16后，最终得到如图1所示的结构。
与现有技术中相比，本申请实施例提供的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，包括：衬底、依次形成于所述衬底上的N型层、发光层、P型层和P型电极层，形成于所述衬底背面的N型电极层；所述P型层包括依次形成于所述发光层上的多个反射层，多个所述反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；所述P型电极层包括与所述导电区域对应的出光孔；所述出光孔内设置有凸透镜。
可见，本申请实施例中的极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片中的P型层通过截面呈倒梯形的导电区域对电流进行限制以及对发光层出射的光进行初步汇聚，当由截面呈倒梯形的导电区域发出的光经过P型电极层的出光孔内设置的凸透镜后，进行进一步汇聚，从而减小目前垂直腔面发射激光器芯片中出射光线的发散角。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片，其特征在于，包括：
衬底、依次形成于所述衬底上的N型层、发光层、P型层和P型电极层，形成于所述衬底背面的N型电极层；
所述P型层包括依次形成于所述发光层上的多个反射层，多个所述反射层中的每个反射层均包括导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；
所述P型电极层包括与所述导电区域对应的出光孔；所述出光孔内设置有凸透镜。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述P型电极层包括形成于所述P型层上的欧姆接触层和形成于所述欧姆接触层上的P电极。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述P型层的多层反射层构成P型分布式布拉格反射镜结构。
4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述P型分布式布拉格反射镜结构包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述N型层的多层反射层构成N型分布式布拉格反射镜结构。
6.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述N型分布式布拉格反射镜结构包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，多个所述反射层的导电区域均为圆形区域，各个所述圆形区域的中心与所述发光孔的中心重合。
8.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述发光层上表面中心到所述凸透镜中心的距离等于所述凸透镜的焦距。
9.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述出光孔的面积大于所述P型层中最底层的反射层中的导电区域的面积，且小于P型层中最上层的反射层中的导电区域的面积。
10.一种极小发散角的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上依次形成N型层和发光层；
在所述发光层上依次形成构成P型层的多层反射层，在每层反射层上进行离子注入，使得每层所述反射层形成导电区域和绝缘区域，且多个反射层中的所述导电区域的面积自下至上逐渐增大，使得所述P型层形成截面呈倒梯形的导电区域；
在所述P型层的最上层反射层上形成P型电极层，蚀刻所述P型电极层，使得所述P型电极层形成与所述导电区域对应的出光孔；
在所述P型电极层的出光孔内注入环氧树脂后压模，形成凸透镜；
在所述衬底背面形成N型电极层。
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