CN110148884B - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中，所述垂直腔面发射激光器的制备方法在砷化镓衬底的表面形成了多个构成预设的纳米图形的凸起结构，并在具有该凸起结构的一侧表面形成了应变缓冲层，以为外延结构的生长提供良好的基础；其中，多个凸起结构提供了砷化镓衬底中缺陷密度生长方向上的弯曲基础，所述应变缓冲层提供了平整的外延结构生长面，使得生长在应变缓冲层表面的外延结构可以最大程度上的避免受到砷化镓衬底中缺陷的不良影响，使得生长于应变缓冲层上的外延结构可以具有良好的晶体质量，提升了垂直腔面发射激光器的功率均匀性。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，更具体地说，涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)，是一种以砷化镓半导体材料制备的激光器。
VCSEL有别于发光二极管(Light Emitting Diode，LED)和激光二极管(Laserdiode，LD)等其他光源，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，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。
但现有技术中，由于砷化镓衬底自身内部和表面均存在着大量缺陷，这些缺陷会对生长在砷化镓衬底表面的外延结构的晶体质量带来不良影响，进而使得VCSEL的功率不均匀。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，以实现避免砷化镓衬底自身内部和表面存在的缺陷对于外延结构的不良影响的目的，提升了垂直腔面发射激光器的功率均匀性。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
提供砷化镓衬底；
对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓衬底表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
在所述砷化镓衬底表面形成应变缓冲层；
在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧形成外延结构。
可选的，所述提供砷化镓衬底包括：
提供晶向为晶向[100]偏晶向[111]2度的砷化镓衬底。
可选的，所述对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓衬底表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形包括：
利用纳米压印技术，对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形。
可选的，所述凸起结构的形状为椭圆锥形或三角形或方型或圆形或炮弹型。
可选的，所述凸起结构的高度的取值范围为30-50nm；
所述凸起结构的直径的取值范围为50-100nm；
相邻所述凸起结构的间距为10-50nm。
可选的，所述应变缓冲层为砷化镓层或铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层。
可选的，所述在所述砷化镓衬底表面形成应变缓冲层包括：
将所述砷化镓衬底放入MOCVD设备中；
在750-800℃的环境下，交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作；
在交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作之后，再次通入砷化氢气体反应预设时间后，通入三甲基镓生长第一缓冲层；
在所述第一缓冲层生长完成后，通入三甲基铟生长第二缓冲层；
在所述第二缓冲层生长完成后，停止通入三甲基铟，并生长10-100nm厚度的砷化镓层，生长压力为50毫巴。
可选的，所述交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作包括：
重复通入砷化氢气体3分钟后，停止通入砷化氢气体并烘烤5分钟的步骤三次。
一种垂直腔面发射激光器，包括：
砷化镓衬底，所述砷化镓衬底表面具有多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
位于所述砷化镓衬底具有纳米图形一侧表面的应变缓冲层；
在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧的外延结构。
可选的，所述凸起结构的形状为椭圆锥形或三角形或方型或圆形或炮弹型。
可选的，所述凸起结构的高度的取值范围为30-50nm；
所述凸起结构的直径的取值范围为50-100nm；
相邻所述凸起结构的间距的取值范围为10-50nm。
可选的，所述应变缓冲层为砷化镓层或铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中，所述垂直腔面发射激光器的制备方法在砷化镓衬底的表面形成了多个构成预设的纳米图形的凸起结构，并在具有该凸起结构的一侧表面形成了应变缓冲层，以为外延结构的生长提供良好的基础；其中，多个凸起结构提供了砷化镓衬底中缺陷密度生长方向上的弯曲基础，所述应变缓冲层提供了平整的外延结构生长面，使得生长在应变缓冲层表面的外延结构可以最大程度上的避免受到砷化镓衬底中缺陷的不良影响，使得生长于应变缓冲层上的外延结构可以具有良好的晶体质量，提升了垂直腔面发射激光器的功率均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程示意图；
图2-图5为图1所示的制备方法的制备流程示意图；
图6为本申请的另一个实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程示意图；
图7为本申请的一个实施例提供的凸起结构的形状的示意图；
图8为本申请的一个实施例提供的凸起结构的参数的示意图；
图9为本申请的又一个实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，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。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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垂直腔面发射激光器的制备方法，如图1所示，包括：
S101：提供砷化镓衬底；
如图2所示，图2示出了步骤S101中提供的砷化镓衬底的剖面示意图；图2中的标号10表示所述砷化镓衬底；
S102：对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓衬底表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
参考图3，图3示出了经过步骤S102后的砷化镓衬底及其表面结构的剖面结构示意图；图3中的标号11表示所述凸起结构。
S103：在所述砷化镓衬底表面形成应变缓冲层；
参考图4，图4示出了经过步骤S103后的砷化镓衬底及其表面结构的剖面结构示意图；图4中的标号20表示所述应变缓冲层。
S104：在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧形成外延结构。
参考图5，图5示出了经过步骤S104后的垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图。图5中的标号30表示所述外延结构。
在本实施例中，所述垂直腔面发射激光器的制备方法在砷化镓衬底的表面形成了多个构成预设的纳米图形的凸起结构，并在具有该凸起结构的一侧表面形成了应变缓冲层，以为外延结构的生长提供良好的基础；其中，多个凸起结构提供了砷化镓衬底中缺陷密度生长方向上的弯曲基础，使得砷化镓衬底中的缺陷的影响方向向水平方向弯曲，避免砷化镓衬底中的缺陷对位于其竖直方向上方的外延结构产生不良影响；
另外，所述应变缓冲层提供了平整的外延结构生长面，使得生长在应变缓冲层表面的外延结构可以最大程度上的避免受到砷化镓衬底中缺陷的不良影响，使得生长于应变缓冲层上的外延结构可以具有良好的晶体质量，提升了垂直腔面发射激光器的功率均匀性。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图6所示，所述垂直腔面发射激光器的制备方法包括：
S201：提供晶向为晶向[100]偏晶向[111]2度的砷化镓衬底；
S202：利用纳米压印技术，对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
S203：在所述砷化镓衬底表面形成应变缓冲层；
S204：在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧形成外延结构。
在本实施例中，所述砷化镓衬底的晶向为晶向[100]偏晶向[111]2度，发明人通过研究发现，晶向[100]偏晶向[111]2度的砷化镓衬底的缺陷密度很低，并且可以改善缺陷密度生长方向上的弯曲基础，有利于进一步改善砷化镓衬底内部和表面的缺陷的影响方向。
另外，在本实施例中，在砷化镓衬底表面形成多个凸起结构的工艺为纳米压印技术。在本申请的其他实施例中，形成多个凸起结构的工艺还可以为机械切割或刻蚀工艺等。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
参考图7，所述凸起结构的形状可以为椭圆锥形。在本申请的其他实施例中，所述凸起结构的形状还可以为三角形或方型或圆形或炮弹型等各种有利于降低缺陷密度的图形。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
参考图8，所述凸起结构的高度H的取值范围为30-50nm；
所述凸起结构的直径D的取值范围为50-100nm；
相邻所述凸起结构的间距S的取值范围为10-50nm。
可选的，所述外延结构包括位于所述应变缓冲层上依次层叠设置的N型分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflection，DBR)、第一限制层、第一波导层、有源区层、第二波导层、第二限制层、P型氧化截面截止层、P型分布式布拉格反射镜和P型CAP层。
可选的，所述应变缓冲层可以为砷化镓层，还可以为铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层等。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
在上述实施例的基础上，在本申请的另一个实施例中，如图9所示，所述垂直腔面发射激光器的制备方法包括：
S301：提供砷化镓衬底；
S302：对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓衬底表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
S303：将所述砷化镓衬底放入MOCVD设备中；
S304：在750-800℃的环境下，交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作；
S305：在交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作之后，再次通入砷化氢气体反应预设时间后，通入三甲基镓生长第一缓冲层；
S306：在所述第一缓冲层生长完成后，通入三甲基铟生长第二缓冲层；
S307：在所述第二缓冲层生长完成后，停止通入三甲基铟，并生长10-100nm厚度的砷化镓层，生长压力为50毫巴；
S308：在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧形成外延结构。
在本实施例中，步骤S303-S307提供了一种具体地在砷化镓衬底表面形成应变缓冲层的流程，在本实施例中，步骤S304-S305通过高温烘烤腐蚀的方法，边破坏晶体质量较差的外延层表面，边保护高晶体质量的外延层，降低了表面的杂质和脏物，留下了高晶体质量的砷化镓衬底。
在步骤S306中，通过通入三甲基铟(TMIN)的方式，生长铟镓砷层作为所述第二缓冲层，所述第二缓冲层可以打压内部应变使其改变生长过程中产生的翘曲，有利于提供平整的表面供后续的外延结构生长。
步骤S307的目的主要是在高温的情况下，最大限度地降低本底杂质，以为步骤S308中生长出高质量的外延结构提供基础。步骤S303-S307中生长的第一缓冲层、第二缓冲层和所述砷化镓层，共同构成了所述应变缓冲层。
在本申请的其他实施例中，所述应变缓冲层还可以为砷化镓层或铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层。
另外，通过应变缓冲层改善了高温对砷化镓衬底翘曲的影响，使得砷化镓衬底的翘曲趋近于零。
具体地，所述交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作包括：
重复通入砷化氢气体3分钟后，停止通入砷化氢气体并烘烤5分钟的步骤三次。
在本申请的一些实施例中，通入砷化氢气体3分钟后，停止通入砷化氢气体并烘烤5分钟的步骤的重复次数还可以为其他次数，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。
可选的，本申请的一个具体实施例提供了一种外延结构的具体生成步骤，包括：
在所述应变缓冲层上生长N型余弦DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜)生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为4um；
在N型余玄层上生长限制层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为60nm；
在限制层上生长波导层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为50nm；
在波导层上生长MQW(多量子阱)，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为45nm；
在MQW上生长波导层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为50nm；
在波导层上生长限制层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为60nm；
在限制层上生长氧化层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为100nm；
在氧化层上生长P型余玄DBR，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为3um；
在生长P型余玄DBR层上生长P-GaAs cap层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为20nm。
下面对本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器进行描述，下文描述的垂直腔面激光器可与上文描述的垂直腔面发射激光器的制备方法相互对应参照。
相应的，本申请实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，如图5所示，所述垂直腔面发射激光器包括：
砷化镓衬底，所述砷化镓衬底表面具有多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
位于所述砷化镓衬底具有纳米图形一侧表面的应变缓冲层；
在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧的外延结构。
其中，可选的，所述凸起结构的形状为椭圆锥形或三角形或方型或圆形或炮弹型。
可选的，所述凸起结构的高度的取值范围为30-50nm；
所述凸起结构的直径的取值范围为50-100nm；
相邻所述凸起结构的间距为10-50nm。
可选的，所述应变缓冲层为砷化镓层或铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层。
综上所述，本申请实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中，所述垂直腔面发射激光器的制备方法在砷化镓衬底的表面形成了多个构成预设的纳米图形的凸起结构，并在具有该凸起结构的一侧表面形成了应变缓冲层，以为外延结构的生长提供良好的基础；其中，多个凸起结构提供了砷化镓衬底中缺陷密度生长方向上的弯曲基础，所述应变缓冲层提供了平整的外延结构生长面，使得生长在应变缓冲层表面的外延结构可以最大程度上的避免受到砷化镓衬底中缺陷的不良影响，使得生长于应变缓冲层上的外延结构可以具有良好的晶体质量，提升了垂直腔面发射激光器的功率均匀性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供砷化镓衬底；
对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓衬底表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；
在所述砷化镓衬底表面形成应变缓冲层；
在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧形成外延结构；
所述凸起结构的高度的取值范围为30-50nm；
所述凸起结构的直径的取值范围为50-100nm；
相邻所述凸起结构的间距为10-50nm；
所述提供砷化镓衬底包括：
提供晶向为晶向[100]偏晶向[111]2度的砷化镓衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓衬底表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形包括：
利用纳米压印技术，对所述砷化镓衬底进行处理，以在所述砷化镓表面形成多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述凸起结构的形状为椭圆锥形或三角形或方型或圆形或炮弹型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变缓冲层为砷化镓层或铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述砷化镓衬底表面形成应变缓冲层包括：
将所述砷化镓衬底放入MOCVD设备中；
在750-800℃的环境下，交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作；
在交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作之后，再次通入砷化氢气体反应预设时间后，通入三甲基镓生长第一缓冲层；
在所述第一缓冲层生长完成后，通入三甲基铟生长第二缓冲层；
在所述第二缓冲层生长完成后，停止通入三甲基铟，并生长10-100nm厚度的砷化镓层，生长压力为50毫巴。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述交替多次进行通入砷化氢气体和在无砷化氢气体通入时烘烤的操作包括：
重复通入砷化氢气体3分钟后，停止通入砷化氢气体并烘烤5分钟的步骤三次。
7.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
砷化镓衬底，所述砷化镓衬底表面具有多个凸起结构，所述多个凸起结构构成预设的纳米图形；所述砷化镓衬底为晶向[100]偏晶向[111]2度的砷化镓衬底；
位于所述砷化镓衬底具有纳米图形一侧表面的应变缓冲层；
在所述应变缓冲层背离所述砷化镓衬底一侧的外延结构；
所述凸起结构的高度的取值范围为30-50nm；
所述凸起结构的直径的取值范围为50-100nm；
相邻所述凸起结构的间距的取值范围为10-50nm。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述凸起结构的形状为椭圆锥形或三角形或方型或圆形或炮弹型。
9.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述应变缓冲层为砷化镓层或铝镓砷层或镓砷磷层或铟镓磷层或铝镓铟磷层或铝铟磷层。
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