CN110212408A - 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

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，具体方法包括:提供衬底；依次在所述衬底上生长的至少两组分布布拉格反射镜；其中，至少一组所述分布布拉格反射镜相对于所述衬底的应变类型为张应变，且至少一组所述分布布拉格反射镜相对于所述衬底的应变类型为压应变。本发明通过生长所受应变类型为张应变的分布布拉格反射镜和所受应变类型为压应变的分布布拉格反射镜，通过调整分布布拉格反射镜周期数及应变量实现其应力的相互补偿，消除因晶格失配产生的应力，实现无应变VCSEL的生长，避免VCSEL出现翘曲的问题。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
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 Laster，简称为VCSEL)一般采用砷化镓(GaAs)衬底制备，其光学谐振腔与VCSEL生长方向平行，能够实现激光自表面出射，因此称之为垂直腔面发射激光器。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，因此从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，为互联网的需求和光学存储密度的不断提高提供了一条新途径。一般VSCEL常用分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，简称为DBR)构成谐振腔。DBR实际就是不同折射率的周期性介质，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。
目前GaAs基VCSEL的DBR一般由不同Al组分的AlGaAs构成，上下DBR约50-60对。发明人在对VCSEL的研究过程中发现，由于AlGaAs材料与GaAs衬底的晶格常数不匹配，因此产生内应力，且这种应力在一定厚度时会随着DBR数量的增加而不断积累，从而导致晶片的翘曲。
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的分布布拉格反射镜数量的增加引起的应变量累加，从而导致晶片翘曲的缺陷，提供垂直腔面发射激光器及其制备方法。
为此，本发明采用了如下技术方案。
本发明提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
提供衬底；
依次在所述衬底上生长的至少两组分布布拉格反射镜；其中，至少一组所述分布布拉格反射镜相对于所述衬底的应变类型为张应变，且至少一组所述分布布拉格反射镜相对于所述衬底的应变类型为压应变。
优选地，所有所述分布布拉格反射镜中总的所述张应变的应变量与总的所述压应变的应变量相同。
优选地，所述衬底的材料为GaAs。
优选地，所述相对于所述衬底的应变类型为张应变的所述分布布拉格反射镜包括交替生长的第一折射率层和第二折射率层；其中，所述第一折射率层的材料为AlxGa1- xAsyP1-y，所述第二折射率层的材料为AlaGa1-aAsbP1-b，其中，x，y，a及b分别为对应原子在化合物中的组分。
优选地，所述x的范围为：0<＝x<＝0.65；所述y的范围为:0.95<＝y<1；所述a的范围为：0.7<＝a<＝1；所述b的范围为0.95<＝b<1。
优选地，所述相对于所述衬底的应变类型为压应变的所述分布布拉格反射镜包括交替生长的第三折射率层和第四折射率层；其中，所述第三折射层率的材料为AlcGa1-cAs，所述第四折射层的材料为AldGa1-dAs，其中，c及d分别为对应原子在化合物中的组分。
优选地，所述c的范围为：0<c<＝0.65；所述d的范围为：0.7<＝d<＝1。
优选地，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。
本发明还提供一种根据上述垂直腔面发射激光器的制备方法制备的垂直腔面发射激光器。
本发明技术方案，具有如下优点：
(1)本发明通过生长所受应变类型为张应变的分布布拉格反射镜，和所受应变类型为压应变的分布布拉格反射镜，通过调整周期及应变量实现分布布拉格反射镜的应变补偿，消除因晶格失配产生的应力，实现应变补偿的VCSEL的生长，避免VCSEL衬底减薄后晶片翘曲的问题。
(2)通过生长应变类型不同的分布布拉格反射镜，非常有利于材料的外延生长及材料质量的控制，避免外延材料的质量差、组分及生长速率偏移大等问题。
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中垂直腔面发射激光器的结构图；
图2为本发明实施例2中垂直腔面发射激光器的结构图；
图3为本发明实施例3中垂直腔面发射激光器的结构图。
附图标记：
1-衬底；2-缓冲层；3-第一分布布拉格反射镜；4-第二分布布拉格反射镜；5-有源区。
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，本发明实施例中的垂直腔面发射激光器的制备方法中所述的第一折射率层、第二折射率层的厚度，是根据该垂直腔面发射激光器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，在下文实施例1-3的描述中，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。
本发明实施例中垂直腔面发射激光器的生长方法如下，
S1.提供GaAs衬底；
S2.依次在所述衬底上生长由N对材料为AlxGa1-xAsyP1-y的第一折射率层和材料为AlaGa1-aAsbP1-b的第二折射率层交替生长形成交替生长组成的第一分布布拉格反射镜，以及生长N’对材料为AlcGa1-cAs的第三折射率层和材料为AldGa1-dAs的第四折射率层交替生长组成的第二分布布拉格反射镜。
本发明第一折射率层、第二折射率层、第三折射率层和第四折射率层的材料并不限于此，也可以为其他材料；第一分布布拉格反射镜和第二分布布拉格反射镜的数量并不固定；第一折射率层和第二折射率层的生长顺序、第三折射率层和第四折射率的生长顺序，以及第一分布布拉格反射镜和第二分布布拉格反射镜的生长顺序也并不固定，只需保证至少一个分布布拉格反射镜相对于衬底为张应变，且至少一个分布布拉格反射镜为压应变。本发明以下实施例1-3用第一分布布拉格反射镜表述相对于所述衬底的应变类型为张应变的布拉格反射镜，用第二分布布拉格反射镜表述相对于所述衬底的应变类型为张应变的布拉格反射镜
本发明通过生长所受应变类型为张应变的第一分布布拉格反射镜和所受应变类型为压应变的第二分布布拉格反射镜，通过调整周期及应变量实现分布布拉格反射镜的应变补偿，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，避免外延片出现翘曲的问题。
作为本发明的一种实施方式，在衬底和分布布拉格反射镜之间从衬底外延生长GaAs缓冲层；还设置有一个量子阱有源区及空间层，位于相邻的2个分布布拉格反射镜之间。需要说明的是，若采用N型GaAs衬底，则下分布布拉格反射镜(量子阱有源区下面)为N型，上分布布拉格反射镜(量子阱有源区上面)为P型，最后再生长一层高掺杂的P型GaAs接触层。
实施例1
本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的生长方法，有两个分布布拉格反射镜，由衬底向上先生长第二分布布拉格反射镜，然后生长第一分布布拉格反射镜，量子阱有源区在两个分布布拉格反射镜之间，材料为AlGaAs空间层及AlGaAs/InGaAs量子阱，总厚度为一个光学腔长(265nm)，取x＝0，y＝0.95，a＝0.7，b＝0.95，c＝0.65，d＝1，N＝35，N’＝36，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，AlxGa1-xAsyP1-y的折射率为3.623，AlaGa1-aAsbP1-b的折射率为3.166，AlcGa1-cAs的折射率为3.195,AldGa1-dAs的折射率为2.980，利用公式d＝λ/4n，得到AlxGa1-xAsyP1-y的厚度为58.65nm，AlaGa1-aAsbP1-b的厚度为67.12nm,AlcGa1-cAs的厚度为66.51nm,AldGa1-dAs的厚度为71.31nm。
(2)生长GaAs衬底的垂直腔面发射激光器:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、36对66.51nm AlcGa1-cAs和71.31nm AldGa1-dAs的第二分布布拉格反射镜、材料为AlGaAs空间层及AlGaAs/InGaAs量子阱，总厚度为一个光学腔长(265nm)的有源区、35对交替生长58.65nm AlxGa1-xAsyP1-y和67.12nm AlaGa1-aAsbP1-b的第一分布布拉格反射镜，如图1所示，得到如下表1结构的垂直腔面发射激光器。
表1
实施例2
本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的生长方法，有三个分布布拉格反射镜，由衬底向上先生长两个第二分布布拉格反射镜，然后生长第一分布布拉格反射镜，有源区在两个第二分布布拉格反射镜之间，材料为AlGaAs空间层及AlGaAs/InGaAs量子阱，总厚度为一个光学腔长(265nm)，取x＝0.65，y＝0.95，a＝1，b＝0.95，c＝0.15，d＝0.9，N＝21，N’＝15，N”＝5，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，AlxGa1-xAsyP1-y的折射率为3.200，AlaGa1-aAsbP1-b的折射率为2.971，AlcGa1-cAs的折射率为3.506,AldGa1-dAs的折射率为3.040利用公式d＝λ/4n，得到AlxGa1-xAsyP1-y的厚度为66.43nm，AlaGa1-aAsbP1-b的厚度为71.52nm,AlcGa1-cAs的厚度为60.61nm,AldGa1-dAs的厚度为69.91nm。
(2)生长GaAs衬底的垂直腔面发射激光器:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、15对60.61nm AlcGa1-cAs和69.91nm AldGa1-dAs的第二分布布拉格反射镜、材料为···，厚度为···的有源区、5对60.61nm AlcGa1-cAs和69.91nm AldGa1-dAs的第二分布布拉格反射镜、21对交替生长66.43nmAlxGa1-xAsyP1-y和71.52nm AlaGa1-aAsbP1-b的第一分布布拉格反射镜，如图2所示，得到如下表2结构的垂直腔面发射激光器。
表2
实施例3
本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的生长方法，有两个分布布拉格反射镜，由衬底向上先生长第一分布布拉格反射镜，然后生长第二分布布拉格反射镜，有源区在两个分布布拉格反射镜之间，材料为AlGaAs空间层及AlGaAs/InGaAs量子阱，总厚度为一个光学腔长(265nm)，取x＝0.1，y＝0.97，a＝0.7，b＝0.96，c＝0.08，d＝0.7，N＝25，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，AlxGa1-xAsyP1-y的折射率为3.565，AlaGa1-aAsbP1-b的折射率为3.169，AlcGa1-cAs的折射率为3.550,AldGa1-dAs的折射率为3.164.利用公式d＝λ/4n，得到AlxGa1-xAsyP1-y的厚度为59.60nm，AlaGa1-aAsbP1-b的厚度为67.05nm,AlcGa1-cAs的厚度为59.87nm,AldGa1-dAs的厚度为67.16nm。
(2)生长GaAs衬底的垂直腔面发射激光器:
由GaAs衬底依次外延生长500nm的GaAs缓冲层、25对交替生长59.60nmAlxGa1- xAsyP1-y和67.05nm AlaGa1-aAsbP1-b的第一分布布拉格反射镜材料为AlGaAs空间层及AlGaAs/InGaAs量子阱，总厚度为一个光学腔长(265nm)的有源区、30对59.87nm AlcGa1-cAs和67.16nm AldGa1-dAs的第二分布布拉格反射镜，如图3所示，得到如下表3结构的垂直腔面发射激光器。
表3
试验例
将实施例1-3制得的垂直腔面发射激光器进行应力测试，测试得到的产品的曲率，测试结果如表4所示：
表4
曲率
实施例1 35.1km<sup>-1</sup>
实施例2 43.5km<sup>-1</sup>
实施例3 27.1km<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 (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：
提供衬底；
依次在所述衬底上生长的至少两组分布布拉格反射镜；其中，至少一组所述分布布拉格反射镜相对于所述衬底的应变类型为张应变，且至少一组所述分布布拉格反射镜相对于所述衬底的应变类型为压应变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所有所述分布布拉格反射镜中总的所述张应变的应变量与总的所述压应变的应变量相同。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底的材料为GaAs。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相对于所述衬底的应变类型为张应变的所述分布布拉格反射镜包括交替生长的第一折射率层和第二折射率层；其中，所述第一折射率层的材料为AlxGa1-xAsyP1-y，所述第二折射率层的材料为AlaGa1-aAsbP1-b，其中，x，y，a及b分别为对应原子在化合物中的组分。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述x的范围为：0<＝x<＝0.65；所述y的范围为:0.95<＝y<1；所述a的范围为：0.7<＝a<＝1；所述b的范围为0.95<＝b<1。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相对于所述衬底的应变类型为压应变的所述分布布拉格反射镜包括交替生长的第三折射率层和第四折射率层；其中，所述第三折射层率的材料为AlcGa1-cAs，所述第四折射层的材料为AldGa1-dAs，其中，c及d分别为对应原子在化合物中的组分。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述c的范围为：0<c<＝0.65；所述d的范围为：0.7<＝d<＝1。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，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。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的垂直腔面发射激光器的制备方法制备的垂直腔面发射激光器。
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