CN110224299A - GaAs衬底的分布布拉格反射镜的制备方法 - Google Patents

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杨国文
张艳春
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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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：提供GaAs衬底；依次在所述衬底上交替生长第一折射率层、第一应变补偿层、第二折射率层以及所述第一应变补偿层；其中，所述第一应变补偿层的应变类型与所述第一折射率层以及所述第二折射率层的应变类型相反。本发明采用应力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，避免出现晶片翘曲的问题。

Description

GaAs衬底的分布布拉格反射镜的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及GaAs衬底的分布布拉格反射镜的制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laster，简称为VCSEL)具有高调制速率，圆形光斑易于和光纤耦合，在光纤传输中损耗较低，同时在高温度下稳定性高，还有具有低功耗、易于二维集成、工艺成熟可靠、易于与其他的光电器件集成等优势。随着如今社会对建立高带宽、低功耗的数据通信的需求日益提高，使得VCSEL的运用越来越广泛。
VSCEL的谐振腔由两个分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，简称为DBR)组成。DBR是由高低不同折射率的材料交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。常见的GaAs基VCSEL的DBR一般采用大于GaAs晶格常数的AlGaAs制备，因此在生长大尺寸VSCEL晶片时，会不同程度的发生晶片翘曲的现象。
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由于AlGaAs晶格常数比GaAs略大所导致的大尺寸外延片容易产生晶片翘曲的缺陷，从而提供分布布拉格反射镜的制备方法及垂直腔面发射激光器。
本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种分布布拉格反射镜的制备方法，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、第一应变补偿层、第二折射率层以及所述第一应变补偿层；其中，所述第一应变补偿层的应变类型与所述第一折射率层以及所述第二折射率层的应变类型相反。
优选地，所述第一应变补偿层的材料为AlxGa1-xAsyP1-y。
优选地，所述x的取值范围为0<x<1，y的取值范围为0.7<y<1；从所述第一折射率层向所述第二折射率层的方向上，所述x线性变大，所述y线性变小。
优选地，所述第一应变补偿层的厚度范围为5nm至80nm。
优选地，还包括：
在最外侧所述第一应变补偿层远离所述衬底的表面上生长第二应变补偿层；其中，所述第二应变补偿层用于抵消所述所有所述第一折射率层、所述第二折射率层和所述第一应变补偿层的残余应力。
优选地，所述第二应力补偿层的材料为AlmGanIn1-m-nAspP1-p。
优选地，所述m的范围为：0<m<1；所述n的范围为：0<n<1；所述p的范围为：0.95<p<1。
优选地，所述第一折射率层的材料为AlaGa1-aAs，所述第二折射率层的材料为AlbGa1-bAs，其中，所述a的范围为：0<a<1；所述b的范围为：0<b<1；且a不等于b。
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)本发明采用在各折射率层之间设置应变类型与所述第一折射率层以及所述第二折射率层应变类型相反的第一应变补偿层，补偿第一折射率层和第二折射率层所受应力；
(2)通过设置组分渐变的应变补偿层同时实现第一折射率层与第二折射率层的带隙过渡，大大降低了分布布拉格反射镜的串联电阻；
(3)本发明还设置了第二应变补偿层，用于消除分布布拉格反射镜的残余应力。
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1-2中垂直腔面发射激光器的结构图；
图2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-交替生长的第一折射率层、第一应变补偿层、第二折射率层和第一应变补偿层；4-第二应变补偿层。
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，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,得到各折射率层厚度。
本发明实施例中垂直腔面发射激光器的制备方法如下，
S1.提供GaAs衬底；
S2.依次在所述衬底上交替生长第一折射率层AlaGa1-aAs、第一应变补偿层AlxGa1- xAsyP1-y、第二折射率层AlbGa1-bAs以及所述第一应变补偿层AlxGa1-xAsyP1-y。
本发明采用在各折射率层之间设置应变类型与所述第一折射率层以及所述第二折射率层应变类型相反的第一应变补偿层，补偿第一折射率层和第二折射率层所受应力。
作为本发明的另一种实施方式，在最外侧所述第一应变补偿层远离所述衬底的表面上生长第二应变补偿层AlmGanIn1-m-nAspP1-p。
实施例1
本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，取a＝0.9，b＝0.15，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，第一折射率层Al0.15Ga0.85As的折射率为3.506，第二折射率层Al0.9Ga0.1As为3.040，利用公式d＝λ/4n，得到Al0.15Ga0.85As的厚度为60.61nm，Al0.9Ga0.1As的厚度为69.91nm。第一应变补偿层AlxGa1-xAsyP1-y厚度为21.2nm，x及y的线性变化范围分别为：0.13<＝x<＝0.6，0.95>＝y>＝0.91。
(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、40对交替生长60.61nm的Al0.15Ga0.85As、21.2nm Al0.13Ga0.87As0.95P0.05—Al0.6Ga0.4As0.91P0.09的应变补偿层、69.91nm的Al0.9Ga0.1As和21.2nmAl0.6Ga0.4As0.91P0.09—Al0.13Ga0.87As0.95P0.05的应变补偿层组成的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
本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，取a＝0.9，b＝0.1，N＝50，具体如下：
(1)确定各层厚度：
采用椭偏仪测试材料在1550nm波长下的折射率，第一折射率层Al0.15Ga0.85As的折射率为3.353，第二折射率层Al0.9Ga0.1As为2.964，利用公式d＝λ/4n，得到Al0.15Ga0.85As的厚度为115.57nm，Al0.9Ga0.1As的厚度为130.74nm。第一应变补偿层AlxGa1-xAsyP1-y的厚度为39.6nm，x及y的线性变化范围分别为：0.13<＝x<＝0.6，0.95>＝y>＝0.91。
(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、50对交替生长115.57nm的Al0.15Ga0.85As、39.6nm Al0.13Ga0.87As0.95P0.05—Al0.6Ga0.4As0.91P0.09的应变补偿层、130.74nm的Al0.9Ga0.1As和39.6nm Al0.6Ga0.4As0.91P0.09—Al0.13Ga0.87As0.95P0.05的应变补偿层组成的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
本实施例提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，跟实施例唯一的不同在于有第二应变补偿层，取a＝0.9，b＝0.15，N＝50，m＝0.13，n＝0.87，p＝0.95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，第一折射率层Al0.15Ga0.85As的折射率为3.506，第二折射率层Al0.9Ga0.1As为3.040，利用公式d＝λ/4n，得到Al0.15Ga0.85As的厚度为60.61nm，Al0.9Ga0.1As的厚度为69.91nm。第一应变补偿层AlxGa1-xAsyP1-y厚度为21.2nm，x及y的线性变化范围分别为：0.13<＝x<＝0.6，0.95>＝y>＝0.91。
(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、40对交替生长60.61nm的Al0.15Ga0.85As、21.2nm Al0.13Ga0.87As0.95P0.05—Al0.6Ga0.4As0.91P0.09的应变补偿层、69.91nm的Al0.9Ga0.1As和21.2nmAl0.6Ga0.4As0.91P0.09—Al0.13Ga0.87As0.95P0.05的应变补偿层组成的DBR层，再生长33nm的组分固定的Al0.13Ga0.87As0.95P0.05第二应变补偿层，如图2所示，得到如表3所示的。
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 41.5km<sup>-1</sup>
实施例2 38.2km<sup>-1</sup>
实施例3 26.1km<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，尤其是有第二应变补偿曾的实施例3更加明显，因此本发明的晶片翘曲程度大大降低。
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 (10)

1.一种分布布拉格反射镜的制备方法，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、第一应变补偿层、第二折射率层以及所述第一应变补偿层；其中，所述第一应变补偿层的应变类型与所述第一折射率层以及所述第二折射率层的应变类型相反。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一应变补偿层的材料为AlxGa1- xAsyP1-y。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述x的取值范围为0<x<1，y的取值范围为0.7<y<1；从所述第一折射率层向所述第二折射率层的方向上，所述x线性变大，所述y线性变小。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一应变补偿层的厚度范围为5nm至80nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
在最外侧所述第一应变补偿层远离所述衬底的表面上生长第二应变补偿层；其中，所述第二应变补偿层用于抵消所述所有所述第一折射率层、所述第二折射率层和所述第一应变补偿层的残余应力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二应力补偿层的材料为AlmGanIn1-m- nAspP1-p。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述m的范围为：0<m<1；所述n的范围为：0<n<1；所述p的范围为：0.95<p<1。
8.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AlaGa1-aAs，所述第二折射率层的材料为AlbGa1-bAs，其中，所述a的范围为：0<a<1；所述b的范围为：0<b<1；且a不等于b。
9.根据权利要求1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。
10.一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1-9中任一项所述的制备方法制备的。
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