CN111478179A - 一种垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次层叠的第一电极、衬底、第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层、浮雕层、第二电极，所述过渡层和所述掺杂层中分布有质子植入区，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内。通过引入非共轴的浮雕层的偏移量来实现VCSEL阵列单元不同模式激射，实现长波长VCSEL的波长可调，制作工艺简单，同时解决了目前的表面浮雕技术在设计和制备过程中都需要表面浮雕中心和VCSEL台面中心严格对准的问题。本申请还提供一种具有上述优点的垂直腔面发射激光器制作方法。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制作方法

技术领域

本申请涉及半导体激光技术领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL)具有阈值低、耦合效率高、调制速率高、稳定性好等优点，1550nm的长波长VCSEL在远距离高速率的光互连系统、光并行处理、高速数据通讯等方面广泛应用。随着人们对信息量需求和信息传输速度的增长，以及在气体检测方面的需求，要求VCSEL具备波长可调功能。

目前为了实现长波长VCSEL的波长可调功能，采用的方法有外腔调谐、电热调谐、静电力调谐等，其主要的原理都是改变构成长波长激光器谐振空气隙腔的厚度来实现激射波长的可调谐，构成空气隙谐振腔需要制备悬空的可动高反镜MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)结构，这个结构大大增加了可调谐长波长垂直腔面发射激光器制备难度。由于长波长VCSEL由于材料系形成的折射率差小、热导率小、不能形成氧化限制层对光场和电流进行有效的限制，也有研究人员提出基于量子阱结构的晶圆键合长波长VCSEL方案和和掩埋隧道结长波长VCSEL方案。晶圆键合技术是把VCSEL的上/下布拉格反射器、量子阱有源区等激光器结构单元通过键合的方式组成一个完整的VCSEL激光器。该技术难度大，对设备要求较高，操作难度高；通过掩埋隧道结实现光场和电流限制需要难度系数极大的二次外延技术。

因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。

发明内容

本申请的目的是提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，使垂直腔面发射激光器具有波长调谐功能，同时降低制作难度。

为解决上述技术问题，本申请提供一种垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次层叠的第一电极、衬底、第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层、浮雕层、第二电极，所述过渡层和所述掺杂层中分布有质子植入区，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内。

可选的，所述浮雕层为接触层。

可选的，所述浮雕层包括由下至上层叠的接触层和光学介质层，且所述光学介质层包括所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

可选的，所述光学介质层为二氧化硅层、二氧化钛层、氮化硅层、氧化铝层中的任一种。

可选的，所述刻蚀区深度为所述未刻蚀区深度的四分之一的奇数倍。

可选的，所述掺杂层包括由下至上层叠的重型p掺杂层和重型n掺杂层。

本申请还提供一种垂直腔面发射激光器制作方法，包括：

在衬底的上表面依次外延叠加生长第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层；

在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内；

在所述第一反射镜层未与所述量子点层接触的区域、所述浮雕层的上表面生长植入阻挡层，并使用高能质子轰击所述第二反射镜层未覆盖所述植入阻挡层的区域，以在所述过渡层和所述掺杂层中形成质子植入区；

去除所述植入阻挡层；

在所述浮雕层的上表面制作第二电极；

研磨和抛光所述衬底，并在抛光后衬底的下表面制作第一电极。

可选的，所述在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区包括：

所述在所述第二反射镜层的上表面生长接触层；

在所述接触层的上表面生长第一掩膜层，并利用光刻技术使所述接触层形成所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

可选的，所述在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区包括：

所述在所述第二反射镜层的上表面生长接触层；

所述在所述接触层的上表面生长光学介质层；

在所述光学介质层的上表面生长第二掩膜层，并利用光刻技术使所述光学介质层形成所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

可选的，所述在抛光后衬底的下表面制作第一电极包括：

利用磁控溅射法在所述抛光后衬底的下表面制作所述第一电极。

本申请所提供的一种垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次层叠的第一电极、衬底、第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层、浮雕层、第二电极，所述过渡层和所述掺杂层中分布有质子植入区，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内。

可见，本申请中的垂直腔面发射激光器采用量子点层作为增益媒介，利用质子植入区实现垂直腔面发射激光器的注入电流限制和量子点层内部光场限制，包括刻蚀区和未刻蚀区的浮雕层由非共轴浮雕技术制得，制作工艺简单，并且垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于刻蚀区内或未刻蚀区内，即浮雕层在垂直腔面发射激光器的表面形成一个与由量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层形成的组合台面处于非共轴的高损耗和低损耗区域，实现高、低损耗区域下对应着的由量子点层构成的有源区模式阈值增益的巨大差异，进而实现长波长垂直腔面发射激光器模式选择作用，而激光器每个模式自身伴随着特定输出的波长，所以只需要在垂直腔面发射激光器表面引进不同偏移量，即非共轴浮雕层中心与中心线的偏差，就可以实现输出不同波长，使垂直腔面发射激光器实现可调谐功能。

此外，本申请还提供一种具有上述优点的垂直腔面发射激光器制作方法。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的俯视示意图；

图3为第二电极和浮雕层一种俯视结构示意图；

图4为第二电极和浮雕层另一种俯视结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的另一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器制作方法的流程图；

图7为制备质子植入区时的工艺图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

正如背景技术部分所述，目前为了实现VCSEL的波长可调功能，采用外腔调谐、电热调谐、静电力调谐、晶圆键合技术、掩埋隧道技术等，但是由于VCSEL的形成材料以及技术的限制，使得具有波长调谐功能的长波长VCSEL的制备难度大。

有鉴于此，本申请提供了一种垂直腔面发射激光器，请参考图1和图2，图1为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图，图2为本申请实施例所提供的一种垂直腔面发射激光器的俯视示意图，该垂直腔面发射激光器为1550nm的长波长垂直腔面发射激光器，包括：

由下至上依次层叠的第一电极1、衬底2、第一反射镜层3、量子点层4、第一限制层5、过渡层6、掺杂层7、第二限制层8、第二反射镜层9、浮雕层、第二电极13，所述过渡层6和所述掺杂层7中分布有质子植入区14，所述浮雕层包括刻蚀区12和未刻蚀区11，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区12内或所述未刻蚀区11内。

其中，量子点层4、第一限制层5、过渡层6、掺杂层7、第二限制层8、第二反射镜层9、浮雕层、第二电极13的叠加层在第一反射镜层3的上表面形成柱状台面。第二电极13为环形电极。

具体的，所述掺杂层7包括由下至上层叠的重型p掺杂层71和重型n掺杂层72。

垂直腔面发射激光器的中心线为经过第一电极1、衬底2、第一反射镜层3、量子点层4、第一限制层5、过渡层6、掺杂层7、第二限制层8、第二反射镜层9中心的垂线。

需要说明的是，刻蚀区12和未刻蚀区11两个区域当其中一个区域为圆形时，另一个区域的形状为包围该圆形区域的环形。请参考图3，当垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于刻蚀区12内时，浮雕层为反相结构；请参考图4，当垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于未刻蚀区11内时，浮雕层为正相结构。通过调整非共轴浮雕中心(刻蚀区12中心)与中心线的偏差，就可以实现垂直腔面发射激光器输出不同波长。

可选的，衬底2为n掺杂的InP衬底2，第一反射镜层3为n掺杂的AlGaInAs/InP布拉格反射镜层，量子点层4为多AlGaInAs量子点层4，第一限制层5为p掺杂的InP限制层5，过渡层6为n掺杂的InGaAs过渡层6，重型p掺杂层71为重型p掺杂InGaAs层，重型n掺杂层72为重型n掺杂InGaAs层，第二限制层8为n型掺杂InP限制层8，第二反射镜层9为n掺杂AlGaInAs/InP上布拉格反射镜层。

在一种可实施的方式中，所述浮雕层为接触层，即在接触层上分布有刻蚀区12和未刻蚀区11，接触层可以为n型掺杂的InGaAs接触层。

在另一种可实施的方式中，请参考图5，所述浮雕层包括由下至上层叠的接触层10和光学介质层，且所述光学介质层包括所述刻蚀区12和所述未刻蚀区11。

需要说明的是，本申请中对光学介质层不做具体限定，视情况而定。可选的，所述光学介质层为二氧化硅层、二氧化钛层、氮化硅层、氧化铝层等中的任一种。

刻蚀区12的刻蚀深度由刻蚀区12材料(即接触层或者光学介质层)，及垂直腔面发射激光器出射激光的波长决定。

优选地，所述刻蚀区12深度为所述未刻蚀区11深度的四分之一的奇数倍。光经过刻蚀区12就可以形成一个反相反射，也就是在刻蚀区12形成了较大的光学损耗，而未刻蚀区11还是保持原有的低损耗，因此就在刻蚀区12与未刻蚀区11形成较大的损耗差异，在刻蚀区12域与未刻蚀区11形成了π/2的相位差，使刻蚀区12与未刻蚀区11之间反射率差值达到最大。

本申请中的垂直腔面发射激光器采用量子点层4作为增益媒介，利用质子植入区14实现垂直腔面发射激光器的注入电流限制和量子点层4内部光场限制，包括刻蚀区12和未刻蚀区11的浮雕层由非共轴浮雕技术制得，制作工艺简单，并且垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于刻蚀区12内或未刻蚀区11内，即浮雕层在垂直腔面发射激光器的表面形成一个与由量子点层4、第一限制层5、过渡层6、掺杂层7、第二限制层8、第二反射镜层9形成的组合台面处于非共轴的高损耗和低损耗区域，实现高、低损耗区域下对应着的由量子点层4构成的有源区模式阈值增益的巨大差异，进而实现长波长垂直腔面发射激光器模式选择作用，而激光器每个模式自身伴随着特定输出的波长，所以只需要在垂直腔面发射激光器表面引进不同偏移量，即非共轴浮雕层中心与中心线的偏差，就可以实现输出不同波长，使垂直腔面发射激光器实现可调谐功能。

本申请还提供一种垂直腔面发射激光器制作方法，请参考图6，该方法包括：

步骤S101：在衬底的上表面依次外延叠加生长第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层。

其中，量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层、浮雕层、第二电极的叠加层在第一反射镜层的上表面形成柱状台面。掺杂层包括包括由下至上层叠的重型p掺杂层和重型n掺杂层。

具体的，采用化学气相沉积法，在n掺杂的InP衬底的上表面依次外延生长n掺杂的AlGaInAs/InP布拉格反射镜层、多AlGaInAs量子点层、p掺杂的InP限制层、n掺杂的InGaAs过渡层、重型p掺杂InGaAs层、重型n掺杂InGaAs层、n型掺杂InP限制层、n掺杂AlGaInAs/InP上布拉格反射镜层。

步骤S102：在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内。

当垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于刻蚀区内时，浮雕层为反相结构；当垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于未刻蚀区内时，浮雕层为正相结构。通过调整非共轴浮雕中心(刻蚀区中心)与中心线的偏差，就可以实现垂直腔面发射激光器输出不同波长。

对于反相结构的长波长垂直腔面发射激光器，刻蚀区经过光刻工艺步骤之后无掩膜覆盖的，而未刻蚀区经过光刻工艺后有掩膜覆盖；对于正相结构的长波长垂直腔面发射激光器，未刻蚀区经过光刻工艺步骤之后是需要有掩膜覆盖的，而刻蚀区经过光刻工艺后没有掩膜覆盖。

具有正相结构的垂直腔面发射激光器在未刻蚀区周围形成一个不对称的环形凹槽，而具有反相结构的垂直腔面发射激光器在刻蚀区形成一个与VCSEL台面非共轴的凹孔。

可选的，在本申请的一个实施例中，所述在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区包括：

所述在所述第二反射镜层的上表面生长接触层；

在所述接触层的上表面生长第一掩膜层，并利用光刻技术使所述接触层形成所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

具体的，生长的接触层为n型掺杂的InGaAs接触层。

可选的，在本申请的一个实施例中，所述在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区包括：

所述在所述第二反射镜层的上表面生长接触层；

所述在所述接触层的上表面生长光学介质层；

在所述光学介质层的上表面生长第二掩膜层，并利用光刻技术使所述光学介质层形成所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

需要说明的是，本申请中对生长的光学介质层不做具体限定，视情况而定。可选的，所述光学介质层为二氧化硅层、二氧化钛层、氮化硅层、氧化铝层等中的任一种。

刻蚀区的刻蚀深度由刻蚀区材料(即接触层或者光学介质层)，及垂直腔面发射激光器出射激光的波长决定。

优选地，所述刻蚀区深度为所述未刻蚀区深度的四分之一的奇数倍。光经过刻蚀区就可以形成一个反相反射，也就是在刻蚀区形成了较大的光学损耗，而未刻蚀区还是保持原有的低损耗，因此就在刻蚀区与未刻蚀区形成较大的损耗差异，在刻蚀区域与未刻蚀区形成了π/2的相位差，使刻蚀区与未刻蚀区之间反射率差值达到最大。

步骤S103：在所述第一反射镜层未与所述量子点层接触的区域、所述浮雕层的上表面生长植入阻挡层，并使用高能质子轰击所述第二反射镜层未覆盖所述植入阻挡层的区域，以在所述过渡层和所述掺杂层中形成质子植入区。

请参考图7，在第一反射镜层未与量子点层接触的区域、浮雕层的上表面生长植入阻挡层14，并使用高能质子轰击未覆盖所述植入阻挡层的区域16，使得其对应着的长波长VCSEL外延结构部分产生损伤，破坏对应的外延结构的电学性质，进一步导致材料折射率发生变化，实现光学和电学限制功能。柱状台面的轮廓15与位于外侧植入阻挡层14的边缘共轴，位于内侧植入阻挡层14的内边缘尺寸可以略小于柱状台面的轮廓15。

步骤S104：去除所述植入阻挡层。

步骤S105：在所述浮雕层的上表面制作第二电极。

具体的，采用面金属膜沉积工艺和lift-off表面剥离工艺制作第二电极，具体的制作过程已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。第二电极为环形电极。

步骤S106：研磨和抛光所述衬底，并在抛光后衬底的下表面制作第一电极。

可选的，所述在抛光后衬底的下表面制作第一电极包括：

利用磁控溅射法在所述抛光后衬底的下表面制作所述第一电极。

本实施例所提供的垂直腔面发射激光器制作方法采用量子点层作为增益媒介，利用质子植入区实现垂直腔面发射激光器的注入电流限制和量子点层内部光场限制，包括刻蚀区和未刻蚀区的浮雕层由非共轴浮雕技术制得，制作工艺简单，并且垂直腔面发射激光器的中心线与浮雕层的交点位于刻蚀区内或未刻蚀区内，即浮雕层在垂直腔面发射激光器的表面形成一个与由量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层形成的组合台面处于非共轴的高损耗和低损耗区域，实现高、低损耗区域下对应着的由量子点层构成的有源区模式阈值增益的巨大差异，进而实现长波长垂直腔面发射激光器模式选择作用，而激光器每个模式自身伴随着特定输出的波长，所以只需要在垂直腔面发射激光器表面引进不同偏移量，即非共轴浮雕层中心与中心线的偏差，就可以实现输出不同波长，使垂直腔面发射激光器实现可调谐功能。克服了现有的晶圆键合技术、二次外延掩埋隧道结技术，避免了键合技术难度、对设备的要求，避免了技术要求极高的二次外延和掩埋隧道结。通过引入非共轴浮雕的偏移量来实现VCSEL阵列单元不同模式激射，进一步实现长波长VCSEL的波长可调；引入非共轴偏移量的方法，解决了目前的表面浮雕技术在设计、器件制备过程中都需要表面浮雕中心和VCSEL台面中心严格对准的问题。

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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上对本申请所提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括由下至上依次层叠的第一电极、衬底、第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层、浮雕层、第二电极，所述过渡层和所述掺杂层中分布有质子植入区，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内。

2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述浮雕层为接触层。

3.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述浮雕层包括由下至上层叠的接触层和光学介质层，且所述光学介质层包括所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

4.如权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光学介质层为二氧化硅层、二氧化钛层、氮化硅层、氧化铝层中的任一种。

5.如权利要求1至4任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述刻蚀区深度为所述未刻蚀区深度的四分之一的奇数倍。

6.如权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述掺杂层包括由下至上层叠的重型p掺杂层和重型n掺杂层。

7.一种垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，包括：

在衬底的上表面依次外延叠加生长第一反射镜层、量子点层、第一限制层、过渡层、掺杂层、第二限制层、第二反射镜层；

在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区，且垂直腔面发射激光器的中心线与所述浮雕层的交点位于所述刻蚀区内或所述未刻蚀区内；

在所述第一反射镜层未与所述量子点层接触的区域、所述浮雕层的上表面生长植入阻挡层，并使用高能质子轰击所述第二反射镜层未覆盖所述植入阻挡层的区域，以在所述过渡层和所述掺杂层中形成质子植入区；

去除所述植入阻挡层；

在所述浮雕层的上表面制作第二电极；

研磨和抛光所述衬底，并在抛光后衬底的下表面制作第一电极。

8.如权利要求7所述的垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，所述在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区包括：

所述在所述第二反射镜层的上表面生长接触层；

在所述接触层的上表面生长第一掩膜层，并利用光刻技术使所述接触层形成所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

9.如权利要求7所述的垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，所述在所述第二反射镜层的上表面形成浮雕层，所述浮雕层包括刻蚀区和未刻蚀区包括：

所述在所述第二反射镜层的上表面生长接触层；

所述在所述接触层的上表面生长光学介质层；

在所述光学介质层的上表面生长第二掩膜层，并利用光刻技术使所述光学介质层形成所述刻蚀区和所述未刻蚀区。

10.如权利要求7至9任一项所述的垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，所述在抛光后衬底的下表面制作第一电极包括：

利用磁控溅射法在所述抛光后衬底的下表面制作所述第一电极。

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