CN110854675A - 具有改进的光提取性的高效率氧化型vcsel及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其制造方法，更详细地，涉及一种发射峰值波长为860nm的激光的高效率氧化型垂直腔面发射激光器及其制造方法。

Description

具有改进的光提取性的高效率氧化型VCSEL及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其制造方法，更详细地，涉及一种由于改进光提取性而发射大量的峰值波长为860nm的激光的高效率氧化型垂直腔面发射激光器及其制造方法。
背景技术
虽然普通的垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)的效率低于现有的侧面发射激光器，但是由于沿垂直方向发射激光，因此还可用于现有的发光二极管领域，从而具有较高的市场性。
如图1所示，所述VCSEL10具有由层叠下部电极1、基板2、下部分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)3、活性层4、用于发射共振激光的电流窗(currentwindow)5、包围所述电流窗周围形成的氧化层6、在所述电流窗5与氧化层6的上表面形成的上部分布式布拉格反射器7以及上部电极8层叠的结构。在所述VCSEL的周围形成有沟槽9，并且激光向上部发射。
通常情况下，沟槽9为圆形沟槽，是通过干式蚀刻(dry etching)技术形成。氧化层6是由电流窗5的周边部被通过沟槽9注入的氧化剂氧化而形成，并且，通过调整氧化时间，调节没有被氧化的残余的电流窗5的直径。另外，上、下部分布式布拉格反射镜(DBR)通过外延(epitaxial)工艺适用于活性层的上、下部。发射800-1000nm光的VCSEL一般使用由AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs构成的层叠结构的DBR，其中，0.8<x<1，0<y<0.2。
因此，在制造过程中，为了共振激光的特性，电流窗(氧化孔径(oxide aperture))和上部和下部DBR是必要的，但是问题在于，用于这两个地方的物质为同一种物质，在形成电流窗的氧化过程中，上部p-DBR的最上部与电流窗一起被氧化(oxdiation)，导致发生不良的概率较高。氧化工艺是一种注入H2O蒸汽，将用作电流窗的Al0.98Ga0.02As层的Al用高温水蒸气进行反应，由此制造AlxOy层的工艺，但是由AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs形成的上部和下部DBR含有Al，因此，会有一部分一起被氧化。
图2a是表示进行氧化时发生的DBR破损形态的扫描电子显微镜(SEM)图像，在DBR破损的样品适用p-metal时，事后会发生电极脱落(peeling)或电流注入不均(效率减小)等情况。图2b是表示电流窗的形状，黑色带形态是沟槽(凹陷)区域，中间区域是发射光的柱形区域，更加明亮的部分是被氧化的部分。正中央的暗淡的圆形部分是直接发射光的光发射区域，在VCSEL也会标记为孔径(aperture diameter)。
现有的VCSEL由于其共振特性，在接通高电流时，在元件中产生大量的热量，从而导致经常发生因接通高电流而引起的元件损坏，因此，现有的VCSEL会注入低电流，这使得无法期待在电极中注入的电流的电流放大效果。因此，位于上部DBR的边缘的上部电极所放出的电流无法均匀地通过中心部的电流窗，存在效率降低的问题。
在韩国公开专利KR10-2018-0015630(WO 2016/198282号)中公开了一种具有850nm的峰值波长的氧化型VCSEL，并且为了改善该VCSEL，还公开了在上部DBR的内部形成多个氧化层的各种方法。这在制造过程中，首先导致上部DBR反射度的不均匀性，另外，还会引起需要再处理用于生成多个电流窗的氧化材料等工艺上的复杂问题。
另外，作为一种可以使上部电极放出的电流均匀地通过中心部的电流窗的方案，整体上在上部DBR形成透明的ITO层，使从环状的电极放出的电流通过ITO向中心部均匀供应，但是，在这种情况下，需要使用高价的透明电极，并且在ITO的形成过程中，很难避免收率的急剧下降。
此外，氧化型VCSEL存在所产生的共振波长具有一些局部发光区域的缺点，并且，由于位于最上部的上部DBR，导致光提取效率也会降低。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明想要解决的技术问题是，提供一种在氧化型VCSEL的制造过程中可以防止上部DBR的损伤的方法。
本发明想要解决的另一技术问题是，提供一种稳定引导从VCSEL的上部电极到光发射区域的电流流动和扩散以制造氧化型VCSEL的方法。
本发明想要解决的另一技术问题是，在氧化型VCSEL的氧化过程中防止上部DBR的损伤，并且稳定引导从上部电极到光发射区域的电流流动和扩散，同时对从氧化型VCSEL发射的光提供透明的高传导性势垒层。
本发明想要解决的另一技术问题是，在氧化型VCSEL中覆盖上部DBR，从而在氧化过程中防止上部DBR的损伤，并且稳定引导从上部电极到光发射区域的电流流动和扩散，同时，在对从氧化型VCSEL发射的光提供透明的高传导性势垒层，并提供显著提升氧化型VCSEL的效率的厚度。
本发明想要解决的另一技术问题是，提供一种最大限度地激活局部发光区域，并且更加有效地将从发光区域发射的光提取到外部以增大VCSEL的效率的技术。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，在上部电极与上部分布布拉格反射器之间透射峰值波长为860±10nm(以下称为‘峰值波长为860nm’)的激光，具有传导性电流扩散层，该扩散层具有比所述上部分布布拉格反射器低的折射率，并且其上部表面形成有粗糙面。
虽然没有理论上被限定，但是未粗糙化的电流扩散层是改善从上部电极提供到电流窗的电流的流动性，厚度越厚被提供的电流的流动性改善越明显，但是，如果厚度达到足以提供充分的电流流动，便不会产生更好的改善效果，但是粗糙化的电流扩散层防止基于充分的电流流动产生的激光从表面全反射到内部而导致无法被提取的现象，因此可以克服非粗糙面电流扩散层的改善极限。
在本发明中，激光可以理解为半高宽度(FHWM)半振幅小于5nm的波长。
在本发明中，所述电流扩散层优选为非氧化型阻挡(barrier)层，以便在VCSEL的氧化过程中覆盖上部DBR(分布式布拉格反射器)层，从而能够防止氧化过程中的损伤。
在实施本发明时，不包括Al成分的无Al(Al free)层，以防止水蒸气所导致的氧化，更优选地，所述电流扩散层可以是传导性GaP层，所述GaP层对峰值波长为860nm的激光具有相对高的透明度，且在上部形成有粗糙面，以能够层叠时提高氧化型VCSEL的效率。
在本发明中，所述GaP层上部面的粗糙面可以通过将GaP层的上部面蚀刻而制成。所述蚀刻可以利用湿式蚀刻或干式蚀刻，且被蚀刻的表面的粗糙度(roughness)可以是>±1μm。
在实施本发明时，为了GaP粗糙面进行湿式蚀刻时，可以通过盐酸、硫酸等酸系列的混合实现，进行干式蚀刻时，可以通过利用BCl系列气体和Ar气体等混合气体以及施加RF功率的等离子的蚀刻设备进行处理。
在本发明中，所述具有上部粗糙面的GaP层为了改善传导性，可以包括金属或者非金属掺杂物。所述金属掺杂物例如：锰(Mg)、锌(Zn)，所述非金属掺杂物可以是碳(c)。
在本发明中，所述粗糙化的GaP层的厚度优选为1μm以上，以使电流可以充分扩散。如果所述厚度小，电流的扩散会不充分，根据电流扩散层的导入的氧化型VCSEL的效率提高甚微。
在本发明中，优选地，所述电流扩散层的厚度增加至由于饱和而根据厚度的增加不产生效率提高效果的厚度(饱和厚度)。在实施本发明时，具有直径为10μm的电流窗(current window)时，饱和厚度可以是3μm。
在本发明中，所述氧化型垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以包括下部电极、基板、下部分布布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)、活性层、上部分布布拉格反射器、上部电极以及氧化层。
在本发明中，所述VCSEL的活性层是可以发射峰值波长为850±10nm(以下称为‘峰值波长为850nm’)的光的活性层。在发明的一个实施例中，所述活性层可以包括GaAs量子阱层和AlGaAs量子势垒层。
在本发明中，所述上部分布布拉格反射器和下部分布布拉格反射器是为了使从活性层发射的光共振，使其各自向上下方向反射。
在本发明中，上部及下部DBR可以是反复层叠一对由高折射层和低折射层组成的反射层的DBR，以能够反射从活性层发射的光和从相对侧反射器反射的光。
在实施本发明时，为了可以实际上完全反射在活性层和上部DBR反射的光，下部DBR使用30对以上的n-DBR，优选地，使用40对n-DBR，为了提高光的发射可能性，上部DBR可以具有相比下部DBR少5～10对，优选地，可以是由20～25对组成的p-DBR。
在本发明的实施例中，所述上部分布布拉格反射器和下部分布布拉格反射器可以是具有由具有高折射率的AlxGa1-xAs层和具有低折射率的AlyGa1-yAs层交替反复层叠结构的布拉格反射器，其中，0.8<x<1，0<y<0.2。
在本发明中，所述氧化层由氧化性物质组成，并且可以是指为了共振而氧化的区域和非氧化的区域共存的层。为了可以通过高温的水蒸气容易氧化，所述氧化层可以是AlzGa1-zAs，其中0.95<z≤1。所述氧化层随着从外围到中心部形成氧化，可以由环状的氧化层和内部中心圆形态的电流窗组成。
在本发明中，在氧化层形成电流窗的中心圆的直径需要狭窄到可以发射激光的程度，优选地，其直径可以是10μm以下。
在本发明中，所述氧化层可以位于活性层的上部，优选地，为了不影响活性层，可以位于上部p-DBR内部，优选地，位于形成p-DBR的层间。更优选地，位于上部p-DBR的下端，例如，在上部DBR中，可以位于下端第一对与第二对之间，并且可以具有30～100nm的厚度。
在实施本发明时，所述氧化型VCSEL可以在10～40mA的电流下运行，优选地，其运行范围为25～35mA,最优选地，可以在30～35mA的电流下运行。电流在10mA以下时,将不会产生激光,电流超过40mA时,会因为发热的影响，导致不会产生峰值波长为860nm的激光。
在本发明中，为了不遮蔽所发射的光，所述上部电极可以形成为环状，优选地，可以是由Au/Pt/Ti形成的多层电极。在一个实施例中，所述电极可以是约为2μm左右。
在本发明中，所述氧化型VSCEL还可以包括反射防止层，以能够防止所发射的光的反射。所述反射防止层可以覆盖电流扩散层，并且位于电流扩散层与上部电极之间。另外，所述反射防止层可以覆盖上部电极和电流扩散层的上部，并且位于氧化型VCSEL的最上部。
在实施本发明时，所述反射防止层可以由SiN或者SiO形成，并且以约为100～500nm的厚度生长。优选地，其厚度为150～400nm,更优选地，其厚度为200～300nm。
在本发明的一方面，提供一种氧化型VCSEL的制造方法，其特征在于，在峰值波长为860nm的氧化型VCSEL的上部电极与上部DBR之间形成具有1μm以上的厚度的GaP层。
(三)有益效果
根据本发明，提供了一种新的兼具阻挡作用的电流扩散层，其可以在氧化过程中保护上部DBR，改善电流流动，并且透射860nm的VCSEL的光。
根据本发明的具有磷化镓(GaP)势垒层的氧化型VSCEL通过改善具有氧化孔径的860nmVCSEL的电极保护与电流流动，改善最大40％的光效率，并且可以确认所适用的高传导性物质与VCSEL的氧化孔径之间的效率最优化范围。
根据本发明，提供了一种可以提高由于狭窄的发射区域和上部DBR而导致发射效率降低的氧化型VCSEL的发光性和光提取性的方法。
附图说明
图1是表示现有的氧化型VCSEL的剖开图。
图2的(a)是表示进行氧化时发生的DBR破损形态的扫描电子显微镜(SEM)图像的图，图2的(b)表示电流窗的形状，黑色带形态是沟槽(trench(凹陷))区域，中间区域是发射光的柱形区域，更加明亮的部分是被氧化的部分。
图3是根据本发明的实施例的氧化型VCSEL的剖面图。
图4是与本发明进行对比的比较实施例1的没有GaP层的氧化型VCSEL的剖面图。
图5是与本发明进行对比的比较实施例2的具有非粗糙面型GaP层的氧化型VCSEL的剖面图。
图6是将作为本发明的实施例的粗糙面型GaP层、比较实施例1的没有GaP层的状态以及比较实施例2的非粗糙面型GaP层的结构和上部表面进行对比的图。
图7是将作为本发明的实施例的粗糙面型GaP层、比较实施例1的没有GaP层的状态以及比较实施例2的非粗糙面型GaP层在20mA的电流下对光强度进行比较的图。
图8是将作为本发明的实施例的粗糙面型GaP层、比较实施例1的没有GaP层的状态以及比较实施例2的非粗糙面型GaP层在电流范围为0～50mA下进行对比的图。
图9是说明在VCSEL中产生的有关光强度的因素的图。
图10是作为本发明的实施例的粗糙面型GaP层、比较实施例1的没有GaP层的状态以及比较实施例2的非粗糙面型GaP层的光反射的说明图。
附图标记说明
100：氧化型VCSEL
110：下部电极
120：基板
130：下部DBR
140：活性层
150：上部DBR
160：GaP层
170：上部电极
180：氧化层
具体实施方式
下面，通过实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅为示例，本发明并不限定与此。
实施例1
图3表示通过MOCVD系统制作的采用高传导性磷化镓势垒层(GaP barrier)并发射峰值波长为860nm的激光的VCSEL层结构。如图3所示，根据本发明的采用高传导性GaP势垒层且具有860nm的峰值波长的氧化型VSCEL100是向基板120的上部方向发射激光的氧化型VCSEL100。基板120是n-型砷化镓(GaAs)基板。在基板120的下部侧上设置下部电极110。
在基板120的上部侧上设置由高折射率的砷化铝镓(AlGaAs)层和低折射率的砷化铝镓(AlGaAs)层成双地反复层叠的下部n型分布式布拉格反射镜(n-DBR)130。Al0.85Ga0.15As层与Al0.15Ga0.85As层反复层叠40次。
在所述下部DBR130的上方设置活性层140。活性层140包括用于生成光的量子阱层结构体。活性层140是发射850nm的中心波长的GaAs/AlGaAs活性层QW。
在所述活性层140的上方设置包括氧化层180的上部p型分布式布拉格反射镜(p-DBR)150。氧化层180为了避免在氧化过程中损坏活性层，插入于构成p-DBR150的一对DBR层之间，由此可以避免与活性层140的直接接触。氧化层140层叠在20对上部DBR中的一对或者两对上部DBR上方，所述氧化层180的上方层叠剩余的上部DBR。
由此，上部DBR150由位于氧化层180下部的第一上部DBR151和位于氧化层180上部的第二上部DBR152构成。
上部p-DBR150与下部DBR相同地，由一对高折射率的AlGaAs层和低折射率的AlGaAs层反复层叠，并且，由20对Al0.85Ga0.15As层和Al0.15Ga0.85As层构成。
氧化层180由中心部的圆形电流窗(氧化孔径)182和周边部的氧化环181构成，其中，所述电流窗由厚度约为30nm的Al0.98Ga0.02As组成，所述氧化环是所述电流窗通过水蒸气氧化的。DBR的反射率在几乎达到98％以上时，表现出阻带(stop-band)形态的优秀特性。
在所述上部p-DBR150的上方，使GaP160层以MOCVD方式生长3μm。所述上部GaP160的上方形成环状的上部电极170。
上部电极170的中心部通过干式蚀刻形成粗糙面。如图6c所示，通过拍摄表面确认是否形成粗糙面。活性层140的峰值波长约为850nm，且从DBR反射后的共振峰约为860nm。
比较例1
如图4所示，在所述实施例1中，所述上部p-DBR150的上方形成环状的上部电极170，而没有设置磷化镓(GaP)160层。如图6a所示，拍摄表面进行比较。
比较例2
如图5所示，在所述实施例1中，所述上部p-DBR150的上方具有GaP160层，并在其上方形成环状的上部电极170。如图6b所示，拍摄表面进行比较。
如比较例1，确认到没有GaP层的现有的VCSEL表面具有相当光滑的形态；如比较例2，采用GaP层的VCSEL的表面也几乎和现有的VCSEL类似。如实施例1，采用粗糙化的GaP层时，确认到具有相当高的粗糙度。这些表面粗糙度仅在实际发射光的局部部分处理适用。
性能试验1
在没有GaP层的VCSEL(比较例1)、采用厚度为3nm的非粗糙面GaP势垒层的VCSEL(比较例2)以及具有粗糙化的GaP层的VCSEL接通20mA的电流，并测量光发射强度(emissionintensity)。并且将结果示出在图7。没有采用GaP层的比较例1的情况，表现出约0.45的发射强度；采用GaP层的比较例2的情况，发射强度约为0.86，增加了约80％的发射强度。与此相反，如实施例1，采用粗糙GaP势垒层时，可以确认强度约为0.99，增加了约110％。
这些结果表示，首先采用GaP势垒层时，因电流扩散效果而VCSEL的光效率增加，但是采用GaP势垒层的表面粗糙度时，通过提高由电流扩散效果产生的光的光提取效率，从而使效率以更大的幅度增大。
性能试验2
图8表示在本发明中，接通0mA～50mA的电流，确认比较例1、比较例2以及实施例1的VCSEL的I-V曲线(a)与I-L曲线(b)。
确认I-V特性(a)时，与是否采用GaP势垒层或者粗糙面型GaP势垒层无关地，所有样品的I-V特性全部相同。这是因为与VCSEL的物质相比，GaP的传导性相对较高。
确认I-L特性(b)时，根据是否采用GaP势垒层及粗糙面型GaP势垒层，可以确认到光效率特性有相当大的改善。确认到一般的VCSEL的光效率约在33mA约为17mW，且这些光效率在采用GaP势垒层时，约为24.5mW，增加了大约44％；采用粗糙面型GaP势垒层时，约为30mW，增加了大约76％。
结果考察
图9表示采用GaP势垒层的VCSEL的电流扩散效果的计算模型(a)和在作为GaP势垒层和VCSEL的代表物质的AlGaAs上，各自接触两个探头的电流流动曲线(b)。另外，还表示根据计算模型得到的最终数学关系式。通过图8(a)，确认到活性层的实际发射区域(realemission area)受到电流窗的限制，另外，可以发现通过电极注入的电流的电流扩散区域LS，朝向内侧，r(非电流扩散区域)的值为0时，即电流扩散区域与实际发射区域相同时，该扩散领域为最大(Ls＝R)。用数学关系式表示这些值时，如最下端所示，并且在数学关系式中，最重要的变量是t(GaP势垒层的厚度)与ρ(GaP势垒层的电阻率：1/传导性)。因此，如数学关系式所示，随着t增加或者ρ减少，Ls(电流扩散区域)会急剧增加。其中，根据具有内部局部发光区域的VCSEL的特性，即使t或ρ持续增加，也可以发现在Ls＝R时，其为最大值。在确认接触两个插头的电流流动曲线(b)时，使用的GaP物质表现出比作为VCSEL代表物质的AlGaAs高出4倍以上的传导性，并且，可以发现这些高传导性物质GaP层能适用于图8(a)的数学关系式。
图10表示一般的VCSEL(比较例1)、使用非粗糙面GaP势垒层的VCSEL(比较例2)以及使用粗糙面GaP势垒层的VCSEL(实施例1)的光发射路径结果。这些光发射路径结果表示，对已经通过使用GaP势垒层的电流扩散层实现增大光效率的VCSEL，仅仅通过GaP势垒层的表面处理，就可以获得额外的光效率的增大。通过湿式蚀刻或干式蚀刻工艺，对存在于VCSEL的局部发光区域的GaP势垒层的表面进行粗糙化处理，可以获得更加改善的VCSEL的光提取效率，并且可以将这些光提取效率看作是跟随根据表面粗糙度的全反射(totalinternal reflection，TIR)的减少。另外，在粗糙面型GaP上部使用SiN、SiO等抗反射物质(anti-reflection)时，可以获得更高的光效率。
即使在本发明的附图及上述说明进行了详细地图示及说明，这些图示及说明也应该考虑为仅是图示性或示例性，并且本发明不限定于此。通过本发明，普通技术人员应该可以清楚了解其他修改。这些修改可以伴随替换已经在本领域公开且在本说明书中说明的特征或者在此基础上添加可使用的其他特征。对已公开的实施例的变形，可以通过对附图、本发明及权利要求书的学习，使本领域的技术人员理解并受到影响。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他元件或步骤；不定冠词的记载不排除复数的元件或者步骤。特定措施可以引用在互不相同的从属权利要求，这并不表示为了有利于这些措施的组合而无法使用。权利要求中的任意参照符号不能被解释为限制其范围。

Claims (14)

1.一种氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
在上部电极与上部分布式布拉格反射器之间透射峰值波长为860±10nm的激光，
并且，具有比所述上部分布式布拉格反射器低的折射率且上部表面被粗糙化的传导性电流扩散层。
2.根据权利要求1所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电流扩散层是GaP层。
3.根据权利要求1或2所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述GaP层包含金属和/或非金属掺杂物。
4.根据权利要求3所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述掺杂物是在由Mg、Zn、碳组成的组中选择一个以上的物质。
5.根据权利要求1或2所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述电流扩散层的厚度为1μm以上。
6.根据权利要求1或2所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述粗糙面层是通过湿式蚀刻或者干式蚀刻形成的粗糙面层。
7.根据权利要求1或2所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述粗糙面层的粗糙度为>±1μm。
8.根据权利要求1或2所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
包括下部电极、基板、下部分布布拉格反射器、活性层、上部分布布拉格反射器、上部电极以及氧化层。
9.根据权利要求1或2所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述活性层由GaAs量子阱层和AlGaAs量子势垒层组成，
所述上部和下部DBR是具有AlxGa1-xAs层与AlyGa1-yAs层交替反复层叠的结构的分布式布拉格反射器，其中，0.8<x<1，0<y<0.2，
所述氧化层是由环状的外围氧化层与中心圆形态的内部电流窗组成，
并且，上部电极为环状的电极。
10.根据权利要求8所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述氧化层位于上部p-DBR的层间。
11.根据权利要求9所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述氧化型VCSEL在10～40mA的电流下运行。
12.根据权利要求9所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述上部电极是包括Pt层的环状多层电极。
13.根据权利要求9所述的氧化型垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述氧化型VCSEL在电流扩散层的上方还包括反射防止层。
14.一种氧化型VCSEL的制造方法，其特征在于，
在峰值波长为860±10nm的氧化型VCSEL的上部电极与上部DBR之间，形成厚度为1μm以上且在上表面形成粗糙面的GaP层。
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