CN110190513A - 制备分布布拉格反射镜的方法及垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体公开一种分布布拉格反射镜的制备方法及垂直腔面发射激光器，其中，方法包括：GaAs衬底；依次在所述衬底上交替生长第一折射率层以及第二折射率层；其中，所述第一折射率层的晶格常数大于或小于所述衬底的晶格常数，且所述第二折射率层的晶格常数小于或大于所述衬底的晶格常数。本发明通过调整折射率层的材质使得位于衬底的晶格常数位于两层折射率层的晶格常数之间，使得生长在衬底上的第一折射率层以及第二折射率层所受的应变类型不同，因此可以采用应变补偿的方式消除因晶格失配产生的应力，实现无应变分布布拉格反射镜的生长，避免大尺寸外延片翘曲的问题。

Description

制备分布布拉格反射镜的方法及垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种制备分布布拉格反射镜的方法及垂直腔面发射激光器。
背景技术
相较于传统的边发射激光器，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laster，简称为VCSEL)具有成本低，阈值电流高，调制频率高远场发散角较小，发射光束为圆形，易于和光纤进行耦合，且在很宽的温度范围和电流范围内均以单纵模工作，易于实现大规模阵列及光电集成等诸多优点。在激光显示、激光测距、激光雷达、高密度存储、海底光通讯以及生物分析等方面具有广泛的应用。
由于VCSEL的谐振腔较短，因此需要较强的光能反馈，使有源区对激射模式提供较大的光增益效率。一般采用由两种不同折射率的材料以1/4波长的厚度交替排列组成的分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，简称为DBR)构成VCSEL的谐振腔。目前GaAs基VCSEL的DBR一般采用AlGaAs制备，由于AlGaAs晶格常数大于GaAs，因此将现有的DBR制备方法应用于大尺寸VSCEL中时，容易产生较大的内应力，从而造成晶片翘曲。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中大尺寸VCSEL的晶片翘曲的缺陷，从而提供制备分布布拉格反射镜的方法及垂直腔面发射激光器。
为此，本发明采用了如下技术方案。
本发明提供一种制备分布布拉格反射镜的方法，其特征在于，包括：
提供GaAs衬底；
依次在所述衬底上交替生长第一折射率层以及第二折射率层；其中，所述第一折射率层的晶格常数小于所述衬底的晶格常数，且所述第二折射率层的晶格常数大于所述衬底的晶格常数。
优选地，所述第一折射率层的材料为AlxGa1-xAsyP1-y。
优选地，所述对应的x范围为x＝0或x＝1,所述对应的的y的范围为0.95<＝y<1。
优选地，所述第二折射率层的材料为AlzGa1-zAs。
优选地，所述z的范围为：0.7<＝z<1或0<z<＝0.65。
优选地，所述依次在所述衬底上交替生长第一折射率层以及第二折射率层的步骤之前，还包括：
在所述衬底上生长缓冲层的步骤；其中，所述缓冲层的材料为GaAs。
本发明还提供一种垂直腔面发射激光器，包括：
GaAs衬底；
形成在所述衬底上的分布布拉格反射镜；其中，所述分布布拉格反射镜是根据上述制备方法制备的。
本发明技术方案，具有如下优点：
(1)本发明通过调整折射率层的材质使得衬底的晶格常数位于两层折射率层的晶格常数之间，使得生长在衬底上的第一折射率层以及第二折射率层所受的应变类型不同，因此可以采用应变补偿的方式消除因晶格失配产生的应力，实现无应变DBR的生长，避免大尺寸外延片翘曲的问题；
(2)本发明采用(Al/Ga)AsP其晶格常数低于衬底GaAs，而AlGaAs晶格常数高于衬底GaAs，GaAs的晶格常数介于(Al/Ga)AsP与AlGaAs之间，通过调整(Al/Ga)AsP的As/P的组分使得DBR的第一折射率层和第二折射率层应变相互补偿，从而消除因晶格失配产生的应力。
(3)本发明采用(Al/Ga)AsP作为第一折射率层，(Al/Ga)AsP为三元合金，且只有一种三族元素，因此其生长速率仅受Ga流量的影响；其所受应变量的大小由五族元素As/P的组分控制，且应变量的调整不会影响材料的生长速率。因此在进行DBR生长时可依据原位监测到的翘曲程度及时微调As/P的组分的组分而不影响外延层厚度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1-4中分布布拉格反射镜的结构图；
附图标记：
1-衬底；2-缓冲层；3-交替生长的第一折射率层和第二折射率层。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
需要说明的是，本发明实施例中的分布布拉格反射镜的制备方法中所述的第一折射率层、第二折射率层的厚度，是根据该分布布拉格反射镜的工作波长进行实际调整的，不同的工作波长对应于不同的厚度。即，根据公式d＝λ/4n，其中缓冲层材料均为GaAs，厚度500nm。同时，关于缓冲层的材料以及厚度也可以根据实际情况进行调整，在本实施例中并不限于此。
本发明实施例中分布布拉格反射镜的制备方法如下，
S1.提供GaAs衬底；
S2.交替生长N对折射率层，AlxGa1-x AsyP1-y为材料的第一折射率层，AlyGa1-yAs为材料的第二折射率层。
本发明通过调整折射率层的材质使得位于衬底的晶格常数位于两层折射率层的晶格常数之间，使得生长在衬底上的第一折射率层以及第二折射率层所受的应变类型不同，因此可以采用应变补偿的方式消除因晶格失配产生的应力，实现无应变DBR的生长，避免大尺寸外延片翘曲的问题。
作为本发明的一种实施方式，在衬底和第一、第二折射率层之间从衬底外延生长GaAs缓冲层。
实施例1
本实施例提供一种分布布拉格反射镜的制备方法，取x＝0，y＝0.97，z＝0.7，N＝30，具体如下：
(1)确定各层厚度：
采用椭偏仪测试材料在850nm波长下的折射率，GaAs0.97P0.03的折射率为3.631，Al0.7Ga0.3As的折射率为3.164，利用公式d＝λ/4n，得到GaAs0.97P0.03的厚度为58.53nm，Al0.7Ga0.3As的厚度为67.16nm；
(2)生长GaAs衬底的分布布拉格反射镜:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、30对交替生长58.53nmGaAs0.97P0.03和67.16nm Al0.7Ga0.3As的DBR层，如图1所示，得到如下表1结构的分布布拉格反射镜。
表1
实施例2
本实施例提供一种分布布拉格反射镜的制备方法，取x＝1，y＝0.95，z＝0.3，N＝25，具体如下：
(1)确定各层厚度：
采用椭偏仪测试材料在850nm波长下的折射率，AlAsyP1-y的折射率为2.972，AlzGa1-zAs的折射率为3.413，利用公式d＝λ/4n，得到AlAsyP1-y的厚度为71.51nm，AlzGa1-zAs的厚度为62.27nm；
(2)生长GaAs衬底的分布布拉格反射镜:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、25对交替生长71.51nmAlAsyP1-y和62.27nm AlzGa1-zAs的DBR层，如图1所示，得到如下表2结构的分布布拉格反射镜。
表2
实施例3
本实施例提供一种分布布拉格反射镜的制备方法，取x＝0，y＝0.95，z＝0.95,N＝40，具体如下：
(1)确定各层厚度：
采用椭偏仪测试材料在850nm波长下的折射率，GaAsyP1-y的折射率为3.623，AlzGa1-zAs的折射率为3.009，利用公式d＝λ/4n，得到GaAsyP1-y的厚度为58.66nm，AlzGa1-zAs的厚度为70.63nm；
(2)生长GaAs衬底的分布布拉格反射镜:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、N对交替生长58.66nmGaAsyP1-y和70.63nm AlzGa1-zAs的DBR层，如图1所示，得到如下表3结构的分布布拉格反射镜。
表3
实施例4
本实施例提供一种分布布拉格反射镜的制备方法，取x＝1，y＝0.96，z＝0.08,N＝45，具体如下：
(1)确定各层厚度：
采用椭偏仪测试材料在850nm波长下的折射率，AlAsyP1-y的折射率为2.974，AlzGa1-zAs的折射率为3.550，利用公式d＝λ/4n，得到AlAsyP1-y的厚度为71.45nm，AlzGa1-zAs的厚度为59.87nm；
(2)生长GaAs衬底的分布布拉格反射镜:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、N对交替生长71.45nmAlAsyP1-y和59.87nm AlzGa1-zAs的DBR层，如图1所示，得到如下表4结构的分布布拉格反射镜。
表4
试验例
将实施例1-4制得的分布布拉格反射镜进行应力测试，测试得到的产品的曲率,测试结果如表5所示：
表5
曲率
实施例1 34.3km<sup>-1</sup>
实施例2 41.2km<sup>-1</sup>
实施例3 26.7km<sup>-1</sup>
实施例4 32.4km<sup>-1</sup>
现有技术的垂直腔面发射激光器的曲率为190km-1左右，由上表可知，本申请方案制备的分布布拉格反射镜/垂直腔面发射激光器和现有技术相比曲率明显降低，大大降低晶片翘曲程度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种制备分布布拉格反射镜的方法，其特征在于，包括：
提供GaAs衬底；
依次在所述衬底上交替生长第一折射率层以及第二折射率层；其中，所述第一折射率层的晶格常数小于所述衬底的晶格常数，且所述第二折射率层的晶格常数大于所述衬底的晶格常数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一折射率层的材料为AlxGa1- xAsyP1-y。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对应的x范围为x＝0或x＝1,所述对应的的y的范围为0.95<＝y<1。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二折射率层的材料为AlzGa1-zAs。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述z的范围为：0.7<＝z<1或0<z<＝0.65。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依次在所述衬底上交替生长第一折射率层以及第二折射率层的步骤之前，还包括：
在所述衬底上生长缓冲层的步骤；其中，所述缓冲层的材料为GaAs。
7.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
GaAs衬底；
形成在所述衬底上的分布布拉格反射镜；其中，所述分布布拉格反射镜是根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法制备的。
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