CN110071424A - 垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

垂直腔面发射激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，属于半导体技术领域。所述垂直腔面发射激光器包括衬底、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极和下金属电极，所述下反射层、所述发光区、所述上反射层和所述上金属电极依次层叠在所述衬底的第一表面上，所述下金属电极设置在所述衬底的第二表面上，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；所述下反射层采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，所述下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构；当所述Ag岛状结构的层数为2层以上时，多层所述Ag岛状结构间隔插入在所述下反射层中。本发明可提高出光效率。

Description

垂直腔面发射激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(英文：Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称：VCSEL)是一种以砷化镓半导体材料为基础制作的、垂直于顶面射出激光的半导体器件。有别于发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)、激光二极管(英文：LaserDiode，简称：LD)等需要在制作完成后才能进行测试的光源，VCSEL可以在制作的任何阶段进行品质测试并对测试发现的问题进行及时处理，可以有效避免制作过程和加工时间的浪费。而且VCSEL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，可以广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。
现有的VCSEL包括衬底、下分布式布拉格反射镜(英文：Distributed BraggReflection，简称：DBR)、发光区、上DBR、上金属电极和下金属电极，下DBR、发光区、上DBR和上金属电极依次层叠在衬底的第一表面上，下金属电极设置在衬底的第二表面上，衬底的第二表面与衬底的第一表面相对。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于VCSEL设计为朝向VCSEL上部的光束用作输出，因此需要下DBR具有比上DBR更高的反射率。但是上DBR和下DBR通常都采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，上DBR的反射率和下DBR的反射率之间相差较小，导致VCSEL的出光效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，能够解决现有技术上DBR和下DBR折射率差不多，VCSEL出光效率较低的问题。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器包括衬底、下反射层、发光区、上反射层、上金属电极和下金属电极，所述下反射层、所述发光区、所述上反射层和所述上金属电极依次层叠在所述衬底的第一表面上，所述下金属电极设置在所述衬底的第二表面上，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；所述下反射层采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，所述下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构；当所述Ag岛状结构的层数为2层以上时，多层所述Ag岛状结构间隔插入在所述下反射层中。
可选地，所述Ag岛状结构的侧面与所述Ag岛状结构的底面之间的夹角为60°～80°。
进一步地，所述Ag岛状结构的高度为2nm～15nm。
更进一步地，所述Ag岛状结构的底面的最大宽度与所述Ag岛状结构的间距之比为1:2～2:1。
更进一步地，所述Ag岛状结构的间距为1nm～10nm。
可选地，所述Ag岛状结构的层数为5层～50层。
进一步地，所述Ag岛状结构两侧的所述下反射层的厚度相同。
另一方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，所述制作方法包括：
在衬底的第一表面上依次形成下反射层、发光区、上反射层、上金属电极；
在衬底的第二表面上形成下金属电极，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；
其中，所述下反射层采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，所述下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构；当所述Ag岛状结构的层数为2层以上时，多层所述Ag岛状结构间隔插入在所述下反射层中。
可选地，采用如下方式在所述下反射层中插入一层呈阵列分布的Ag岛状结构：
在所述下反射层的形成过程中，采用光刻技术在所述下反射层上形成负性光刻胶，所述负性光刻胶上设有若干延伸至所述下反射层的圆台形通孔，若干所述圆台形通孔在所述下反射层上呈阵列分布；
在所述负性光刻胶和若干所述圆台形通孔内的下反射层上铺设Ag；
去除所述负性光刻胶和所述负性光刻胶上的Ag，所述圆台形通孔内的Ag留下形成所述Ag岛状结构。
进一步地，所述制作方法还包括：
在形成所述Ag岛状结构之后，对所述Ag岛状结构进行退火。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构，Ag的反射率可以高达99％，因此可以有效提高下反射层的反射率，使下反射层的反射率远高于上反射层的反射率，大大提高VCSEL的出光效率。而且呈阵列分布的Ag岛状结构呈现的反射表面凹凸不平，会改变光线的入射角度，增加光线的反射几率，从而进一步提高下反射层的反射率，最终提高VCSEL的出光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的下反射层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器。图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。参见图1，该垂直腔面发射激光器包括衬底10、下反射层21、发光区30、上反射层22、上金属电极41和下金属电极42，下反射层21、发光区30、上反射层22和上金属电极41依次层叠在衬底10的第一表面上，下金属电极42设置在衬底10的第二表面上，衬底10的第二表面与衬底10的第一表面相对。
图2为本发明实施例提供的下反射层的结构示意图。参见图2，在本实施例中，下反射层21采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，下反射层21中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构40。当Ag岛状结构40的层数为2层以上时，多层Ag岛状结构40间隔插入在下反射层21中。
本发明实施例通过将下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构，Ag的反射率可以高达99％，因此可以有效提高下反射层的反射率，使下反射层的反射率远高于上反射层的反射率，大大提高VCSEL的出光效率。而且呈阵列分布的Ag岛状结构呈现的反射表面凹凸不平，会改变光线的入射角度，增加光线的反射几率，从而进一步提高下反射层的反射率，最终提高VCSEL的出光效率。另外，Ag岛状结构在下反射层中呈阵列分布，Ag岛状结构两侧的下反射层通过Ag岛状结构的间隔区域连接，不会影响到下反射层的形成。
同时Ag与下反射层中的Ga接触的区域形成AgGa合金相，AgGa合金相会改变电子波函数的能量分布，可以增加下反射层中的载流子浓度，提高下反射层的电学性能。
可选地，如图2所示，Ag岛状结构40的侧面与Ag岛状结构40的底面之间的夹角α为60°～80°。当Ag岛状结构的侧面与Ag岛状结构的底面之间的夹角α为60°～80°时，可以大幅改变光线的入射角度，有效增加光线的反射几率，最终提高VCSEL的出光效率。
在实际应用中，Ag岛状结构40的侧面与Ag岛状结构40的底面之间的夹角α也可以小于60°或者大于80°，此时也可以利用Ag的反射率本身较高的反射率，提高VCSEL的出光效率。
进一步地，如图2所示，Ag岛状结构40的高度h可以为2nm～15nm。当Ag岛状结构的高度h为2nm～15nm时，既能有效提高下反射层的反射率，又不会影响到下反射层的形成。
在实际应用中，Ag岛状结构的高度h也可以大于15nm，此时也能有效提高下反射层的反射率。
进一步地，如图2所示，Ag岛状结构40的底面的最大宽度w1与Ag岛状结构40的间距w2之比可以为1:2～2:1。当Ag岛状结构的底面的最大宽度w1与Ag岛状结构的间距w2之比为1:2～2:1时，既能有效提高下反射层的反射率，又不会影响到下反射层的形成。
进一步地，如图2所示，Ag岛状结构40的间距w2可以为1nm～10nm，可以有效保证下反射层的形成。
在实际应用中，Ag岛状结构40的间距w2也可以大于10nm，此时也能有效保证下反射层的形成。
可选地，Ag岛状结构40的层数可以为5层～50层，既能利用多层Ag岛状结构相互配合，最大程度提高下反射层的反射率，最终提高VCSEL的出光效率，又能兼顾实现的难度和成本。
在实际应用中，Ag岛状结构40的层数也可以小于5层或者大于50层，此时均能提高下反射层的反射率。
进一步地，Ag岛状结构40两侧的下反射层21的厚度可以相同。Ag岛状结构40均匀插入在下反射层21中，可以最大程度减小对VCSEL结构的不良影响。
在实际应用中，上反射层22的反射率可以低于下反射层21的反射率，以使光线从正面射出。示例性地，上反射层22可以包括依次层叠的多个周期结构，每个周期结构包括GaAs层和AlAs层，或者每个周期结构包括两个组分含量不同的AlGaAs层，有利于维持整体的晶格结构。其中，两个组分含量不同的AlGaAs层中含量不同的组分可以为Al和Ga中的至少一个。
在本实施例中，衬底10可以为GaAs。发光区30可以包括依次层叠的第一N型半导体层、第一有源层和第一P型半导体层；第一N型半导体层的材料可以采用N型掺杂的GaAs或者InP；第一P型半导体层的材料可以采用P型掺杂的GaAs或者InP；第一有源层可以为InGaAs量子阱、InGaAsN量子阱、InGaAs量子点、InGaNAs量子点中的一个。上金属电极41和下金属电极42的材料可以采用金(Au)、铝(Al)、镍(Ni)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)中的一种或多种。
图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的俯视图。参见图3和图1，在实际应用中，上金属电极41可以设置在上反射层22的上表面的整个边缘区域上，同时上反射层22的上表面的中心区域露出。例如，如图3所示，上反射层22的上表面为圆形，上金属电极41为沿上反射层22的上表面边缘设置的环形结构。另外，下金属电极42铺设在衬底10的整个第二表面上。
由于上金属电极41设置在上反射层22的上表面的整个边缘区域上，因此上金属电极41可以将电流均匀注入到发光区30中，同时上反射层22的上表面的中心区域露出，使得发光区30发生的光线可以集中从上反射层22的中心区域射出，形成理想的点光源。
可选地，该垂直腔面发射激光器还可以包括PN结51和中间电极52，PN结51设置在衬底10的第一表面上，中间电极52和下反射层21间隔设置在叠层结构51上。PN结和中间电极、下金属电极42组成光电二极管，当发光区发出的光线射到PN结时，PN结内的载流子吸收光子进行迁移，导致PN结内的电流增大，实现对发光区发光光线的检测。在实际应用中，可以基于PN结的检测结果，控制发光区的发光，从而达到较好的使用效果。而且整体器件共用衬底和电极，集成度高，实现成本低。
具体地，PN结51可以包括依次层叠的第二N型半导体层、第二有源层和第二P型半导体层；第二N型半导体层的材料可以采用N型掺杂的GaAs或者InP；第二P型半导体层的材料可以采用P型掺杂的GaAs或者InP；第二有源层可以为InGaAs量子阱、InGaAsN量子阱、InGaAs量子点、InGaNAs量子点中的一个。中间电极52的材料可以采用金(Au)、铝(Al)、镍(Ni)、铂(Pt)、铬(Cr)、钛(Ti)中的一种或多种。
在实际应用中，如图1和图3所示，下反射层21可以设置在PN结51的上表面的中心区域上，中间电极52设置在PN结51的上表面的整个边缘区域上，发光区30发生的光线可以集中从上反射层22的中心区域射出，形成理想的点光源。
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，适用于制作图1所示的垂直腔面发射激光器。图4为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。参见图4，该制作方法包括：
步骤201：在衬底的第一表面上依次形成下反射层、发光区、上反射层、上金属电极。
在本实施例中，下反射层采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构；当Ag岛状结构的层数为2层以上时，多层Ag岛状结构间隔插入在下反射层中。
可选地，可以采用如下方式在下反射层中插入一层呈阵列分布的Ag岛状结构：
在下反射层的形成过程中，采用光刻技术在下反射层上形成负性光刻胶，负性光刻胶上设有若干延伸至下反射层的圆台形通孔，若干圆台形通孔在下反射层上呈阵列分布；
在负性光刻胶和若干圆台形通孔内的下反射层上铺设Ag；
去除负性光刻胶和负性光刻胶上的Ag，圆台形通孔内的Ag留下形成Ag岛状结构。
光刻胶曝光区边缘上表面的曝光量会多于下表面，利用负性光刻胶在非曝光区显影的特点，曝光区边缘上表面的显影程度会弱于下表面，因此负性光刻胶中可以形成圆台形通孔，进而在圆台形通孔内形成Ag岛状结构。
优选地，该制作方法还可以包括：
在形成Ag岛状结构之后，对Ag岛状结构进行退火。
通过退火处理使Ag和Ga之间形成良好的接触，以便形成AgGa合金相，AgGa合金相会改变电子波函数的能量分布，增加下反射层中的载流子浓度，提高下反射层的电学性能。
进一步地，退火的温度为350℃～500℃，退火的气氛为氮气，退火的时长为5min～20min。实验证明，在上述参数条件的配合下，下反射层的电学性能可达到最佳。
可选地，发光区和上反射层可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)工艺形成。上金属电极可以采用真空蒸镀工艺形成。另外，可以通过光刻工艺实现上金属电极的图形化。
步骤202：在衬底的第二表面上形成下金属电极，衬底的第二表面与衬底的第一表面相对。
可选地，下金属电极也可以采用真空蒸镀工艺形成。
可选地，该制作方法还可以包括：
在步骤201之前，在衬底的第一表面上形成PN结。
在步骤201之后，在上反射层上开设延伸至PN结的凹槽；在凹槽内的PN结上形成中间电极。
进一步地，PN结可以采用MOCVD工艺形成，中间电极可以采用真空蒸镀工艺形成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括衬底(10)、下反射层(21)、发光区(30)、上反射层(22)、上金属电极(41)和下金属电极(42)，所述下反射层(21)、所述发光区(30)、所述上反射层(22)和所述上金属电极(41)依次层叠在所述衬底(10)的第一表面上，所述下金属电极(42)设置在所述衬底(10)的第二表面上，所述衬底(10)的第二表面与所述衬底(10)的第一表面相对；所述下反射层(21)采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，所述下反射层(21)中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构(40)；当所述Ag岛状结构(40)的层数为2层以上时，多层所述Ag岛状结构(40)间隔插入在所述下反射层(21)中。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Ag岛状结构(40)的侧面与所述Ag岛状结构(40)的底面之间的夹角为60°～80°。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Ag岛状结构(40)的高度为2nm～15nm。
4.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Ag岛状结构(40)的底面的最大宽度与所述Ag岛状结构(40)的间距之比为1:2～2:1。
5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Ag岛状结构(40)的间距为1nm～10nm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Ag岛状结构(40)的层数为5层～50层。
7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Ag岛状结构(40)两侧的所述下反射层(21)的厚度相同。
8.一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底的第一表面上依次形成下反射层、发光区、上反射层、上金属电极；
在衬底的第二表面上形成下金属电极，所述衬底的第二表面与所述衬底的第一表面相对；
其中，所述下反射层采用GaAs/AlAs超晶格结构或者AlGaAs/AlGaAs超晶格结构，所述下反射层中插入有至少一层呈阵列分布的Ag岛状结构；当所述Ag岛状结构的层数为2层以上时，多层所述Ag岛状结构间隔插入在所述下反射层中。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，采用如下方式在所述下反射层中插入一层呈阵列分布的Ag岛状结构：
在所述下反射层的形成过程中，采用光刻技术在所述下反射层上形成负性光刻胶，所述负性光刻胶上设有若干延伸至所述下反射层的圆台形通孔，若干所述圆台形通孔在所述下反射层上呈阵列分布；
在所述负性光刻胶和若干所述圆台形通孔内的下反射层上铺设Ag；
去除所述负性光刻胶和所述负性光刻胶上的Ag，所述圆台形通孔内的Ag留下形成所述Ag岛状结构。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在形成所述Ag岛状结构之后，对所述Ag岛状结构进行退火。
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