CN112186503A - 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，包括电流限制层、p面电极、n面电极、由下至上依次层叠的衬底、第一掺杂层、第一反射层、有源层、第二掺杂层、第二反射层，所述电流限制层中的电流孔与所述n面电极的距离小于所述电流孔与所述p面电极的距离。本申请的垂直腔面发射激光器中，电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离，即电流孔偏向n面电极，电流由p面电极流入，增大了横向电流路径，有效减小垂直腔面发射激光器的电流拥堵效应，使电流更加均匀的进入有源区层。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。

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)，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。VCSEL可分为腔内接触式结构和腔外接触式结构。

相较于腔外接触式垂直腔面发射激光器，腔内接触式垂直腔面发射激光器中电流不经过上层布拉格反射镜层，避免上层布拉格反射镜层所带来的电阻，所以电阻更小。但是，腔内接触式垂直腔面发射激光器中由于与p面电极到有源层距离较近，垂直方向距离短，当电流通过p面电极与有源层之间的层时，没有足够的空间将均匀的载流子重新分配到有源层，导致电流孔径的边缘有很大的电流拥挤。

因此，如何解决腔内接触式垂直腔面发射激光器中的电流拥堵效应是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

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，以解决腔内接触式垂直腔面发射激光器中的电流拥堵效应，使电流均匀的进入有源区。

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：

电流限制层、p面电极、n面电极、由下至上依次层叠的衬底、第一掺杂层、第一反射层、有源层、第二掺杂层、第二反射层，所述电流限制层中的电流孔与所述n面电极的距离小于所述电流孔与所述p面电极的距离。

可选的，所述电流限制层位于所述有源层与所述第二掺杂层之间和/或所述第一反射层与所述有源层之间。

可选的，当所述p面电极和所述n面电极的形状均为圆环状时，所述p面电极的边缘各个位置与所述电流孔的距离相等，所述n面电极的边缘各个位置与所述电流孔的距离相等。

可选的，所述有源层为量子点有源层或者量子阱有源层。

可选的，所述电流孔为氧化限制型电流孔、离子注入型电流孔、掩埋隧道结型电流孔中的任一种。

可选的，所述第二反射层为层叠的二氧化硅和二氧化钛，或者层叠的p型掺杂Al_xGa_1-xAs，0.12≤x≤0.9。

本申请还提供一种垂直腔面发射激光器制作方法，包括：

获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体；所述预处理结构体包括待处理电流限制层、由下至上依次层叠的衬底、待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理有源层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层；

在所述预处理结构体的上表面旋涂光刻胶，并对所述待处理第二反射层、待处理第二掺杂层、待处理有源层、待处理电流限制层刻蚀，得到第二反射层、第二掺杂层、有源层、处理后电流限制层；

氧化所述处理后电流限制层，在所述处理后电流限制层中间形成电流孔；

清洗位于所述处理后电流限制层的上表面的光刻胶，再次旋涂光刻胶，使台面靠近n面电极的侧面和上表面有光刻胶，且靠近p面电极的侧面和上表面没有光刻胶，然后再次进行氧化形成电流限制层或者刻蚀所述处理后电流限制层中位于所述电流孔以外的区域形成电流限制层，使电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离；；其中，所述台面包括所述第二反射层、所述第二掺杂层、所述有源层、所述处理后电流限制层；

在刻蚀后的所述预处理结构体的上表面生长第一保护层，并对待处理第一掺杂层、待处理第一反射层进行刻蚀，形成第一掺杂层、第一反射层；

去除所述第一保护层，并依次生长p面电极、n面电极，得到垂直腔面发射激光器。

可选的，当所述电流限制层位于所述有源层与所述第二掺杂层之间时，所述获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体包括：

采用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉积技术，在所述衬底的上表面依次生长待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理有源层、待处理电流限制层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层，得到所述预处理结构体。

可选的，所述去除所述第一保护层包括：

采用反应离子刻蚀技术去除所述第一保护层。

可选的，所述依次生长p面电极、n面电极包括：

在去除所述第一保护层的预处理结构体的表面生长第二保护层；

在所述第二保护层的上表面旋涂光刻胶，并对所述第二保护层和光刻胶处理，形成第一通孔；

在所述第一通孔中生长p面电极；

在生长有p面电极的预处理结构体的表面旋涂光刻胶，并对所述第二保护层和光刻胶处理，形成第二通孔；

在所述第二通孔中生长n面电极。

本申请所提供的一种垂直腔面发射激光器，包括电流限制层、p面电极、n面电极、由下至上依次层叠的衬底、第一掺杂层、第一反射层、有源层、第二掺杂层、第二反射层，所述电流限制层中的电流孔与所述n面电极的距离小于所述电流孔与所述p面电极的距离。本申请的垂直腔面发射激光器中，电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离，即电流孔偏向n面电极，电流由p面电极流入，增大了横向电流路径，有效减小垂直腔面发射激光器的电流拥堵效应，使电流更加均匀的进入有源区层。

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图；

图3为本申请实施例所提供的另一种垂直腔面发射激光器的俯视图；

图4为本申请实施例所提供的另一种垂直腔面发射激光器的俯视图；

图5为本申请实施例所提供的垂直腔面发射激光器制作方法的流程图。

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，腔内接触式垂直腔面发射激光器中由于与p面电极接触的层较薄，电流沿水平方向流动，当电流通过p面电极与有源层之间的层时，没有足够的空间将均匀的载流子重新分配到有源层，导致电流孔径的边缘有很大的电流拥挤。

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，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，该垂直腔面发射激光器包括：

电流限制层5、p面电极9、n面电极10、由下至上依次层叠的衬底1、第一掺杂层2、第一反射层3、有源层4、第二掺杂层6、第二反射层7，所述电流限制层5中的电流孔8与所述n面电极10的距离小于所述电流孔8与所述p面电极9的距离。

需要指出的是，第二反射层7需要设置在电流孔8的上方。

本申请中对电流限制层5的位置不做具体限定，可自行设置。例如，所述电流限制层5位于所述有源层4与所述第二掺杂层6之间和/或所述第一反射层3与所述有源层4之间。

电流孔8的形状既可以为规则的图形，例如圆形、矩形、椭圆形、三角形等，也可以为任何不规则图形。电流孔8的孔径在2μm-20μm之间。

本申请中电流孔8的类型不做具体限定，视情况而定。例如，所述电流孔8为氧化限制型电流孔8、离子注入型电流孔8、掩埋隧道结型电流孔8中的任一种。

第一掺杂层2为高掺杂的GaAs层，第一掺杂层2的层数可以为一层或者多层，同理，第二掺杂层6为高掺杂的GaAs层，第二掺杂层6的层数也可以为一层或者多层。所述第二反射层7为层叠的二氧化硅和二氧化钛，或者层叠的p型掺杂Al_xGa_1-xAs，0.12≤x≤0.9，其中，当第二反射层7为层叠的二氧化硅和二氧化钛时，二氧化硅和二氧化钛的层叠数量为5至6对，当第二反射层7为p型掺杂Al_xGa_1-xAs时，p型掺杂Al_xGa_1-xAs的数量为16至25对。

可选的，所述有源层4为量子点有源层4或者量子阱有源层4。衬底1为n型衬底1。第一反射层3和第二反射层7可以均为布拉格反射镜层。p面电极9和n面电极10的材料可以均为金。

本申请的垂直腔面发射激光器中，电流孔8与n面电极10的距离小于电流孔8与p面电极9的距离，即电流孔8偏向n面电极10，电流由p面电极9流入，增大了横向电流路径，有效减小垂直腔面发射激光器的电流拥堵效应，使电流更加均匀的进入有源区层。

在本申请的一个实施例中，所述p面电极9和所述n面电极10的形状可以均为规则的形状，例如圆环，请参考图2所示，所述p面电极9的边缘各个位置与所述电流孔8的距离相等，所述n面电极10的边缘各个位置与所述电流孔8的距离相等，此时，可以最大程度的减小电流注入的不均匀性，减小垂直腔面发射激光器的光损耗，提升调制带宽。

在本申的其他实施例中，p面电极9和n面电极10的形状还可以为不规则的形状，如图3和图4所示，p面电极9靠近电流孔8的边缘为不规则的曲线，n面电极10靠近电流孔8的边缘也为不规则的曲线，此时，保证电流孔8与不规则边缘的距离大于预设距离阈值的数量与所有距离的数量的比值超过预设比例阈值。本申请对距离阈值不做具体限定，视情况而定，同理，本申请对预设比例阈值也不做具体限定，越大越好，以保证尽可能多的边缘上的点到电流孔8的距离几乎相等，以最大程度的减小电流注入的不均匀性，减小垂直腔面发射激光器的光损耗，提升调制带宽。

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5，图5为本申请实施例所提供的垂直腔面发射激光器制作方法的流程图，该方法包括：

步骤S101：获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体；所述预处理结构体包括待处理电流限制层、由下至上依次层叠的衬底、待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理有源层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层。

步骤S102：在所述预处理结构体的上表面旋涂光刻胶，并对所述待处理第二反射层、待处理第二掺杂层、待处理有源层、待处理电流限制层刻蚀，得到第二反射层、第二掺杂层、有源层、处理后电流限制层。

具体的，旋涂光刻胶后通过光学掩模版，利用紫外曝光和刻蚀技术刻蚀待处理第二反射层，得到台面结构的第二反射层。为了简化工艺流程，

步骤S103：氧化所述处理后电流限制层，在所述处理后电流限制层中间形成电流孔。

电流限制层为高铝层，氧化的区域变成三氧化二铝，电流孔所在的区域是未被氧化的区域。具体的，对处理后电流限制层进行匀胶光刻显影，使处理后电流限制层侧壁部分露出，利用氧化炉氧化，形成的电流孔关于待处理电流限制层的中心对称。本步骤与现有技术中氧化过程相同，不再展开详细赘述。

步骤S104：清洗位于所述处理后电流限制层的上表面的光刻胶，再次旋涂光刻胶，使台面靠近n面电极的侧面和上表面有光刻胶，且靠近p面电极的侧面和上表面没有光刻胶，然后再次进行氧化形成电流限制层或者刻蚀所述处理后电流限制层中位于所述待处理电流孔以外的区域形成电流限制层，使电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离；其中，所述台面包括所述第二反射层、所述第二掺杂层、所述有源层、所述处理后电流限制层。

下面对本步骤中的两种方式分别进行介绍。

第一种是再次进行氧化，处理后电流限制层的上表面涂覆有光刻胶，清洗该光刻胶，再次旋涂光刻胶，使台面靠近n面电极的侧面和上表面有光刻胶，且靠近p面电极的侧面和上表面没有光刻胶。再次进行氧化时，靠近p面电极一侧被氧化的区域大于靠近n面电极被氧化的区域，导致电流孔偏向了n面电极。

第二种是进行刻蚀。步骤S103中电流孔位于处理后电流限制层的中间，电流孔以外的区域(也即被氧化的区域)是一个等宽度的圆环，对电流孔以外的区域进行刻蚀，即将靠近p面电极一侧的被氧化的区域少刻蚀一些，将靠近n面电极一侧的被氧化的区域多刻蚀一些，从而使电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离，得到电流限制层。

步骤S105：在刻蚀后的所述预处理结构体的上表面生长第一保护层，并对待处理第一掺杂层、待处理第一反射层进行刻蚀，形成第一掺杂层、第一反射层。

可选的，第一保护层为二氧化氮层或者二氧化硅层。

步骤S106：去除所述第一保护层，并依次生长p面电极、n面电极，得到垂直腔面发射激光器。

可选的，采用反应离子刻蚀技术去除所述第一保护层。

具体的，所述依次生长p面电极、n面电极包括：

步骤S1061：在去除所述第一保护层的预处理结构体的表面生长第二保护层。

可选的，利用等离子体增强化学气相沉积生长第二保护层，第二保护层可以为二氧化氮层。

步骤S1062：在所述第二保护层的上表面旋涂光刻胶，并对所述第二保护层和光刻胶处理，形成第一通孔。

具体的，旋涂光刻胶后，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和刻蚀技术在光刻胶层刻蚀出一通孔，然后通过反应离子刻蚀技术去除与光刻胶通孔对应的第一保护层，形成第一通孔。

步骤S1063：在所述第一通孔中生长p面电极。

步骤S1064：在生长有p面电极的预处理结构体的表面旋涂光刻胶，并对所述第二保护层和光刻胶处理，形成第二通孔。

具体的，旋涂光刻胶后，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和刻蚀技术在光刻胶层刻蚀出一通孔，然后通过反应离子刻蚀技术去除与光刻胶通孔对应的第二保护层，形成第二通孔。

步骤S1065：在所述第二通孔中生长n面电极。

需要指出的是，在生长n面电极之后，一般还包括：

在生长p面电极、n面电极后的垂直腔面发射激光器表面涂苯并环丁烯(benzocyclobutene，简称BCB)增附剂与光敏胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出p面电极、n面电极所在位置，然后对BCB进行固化；在垂直腔面发射激光器表面进行匀涂光刻胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出共面电极，然后再进行共面电极生长。与相关技术中的制作过程相同，所以此处不再展开详细赘述。

下面根据电流限制层的不同位置，对获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体的过程进行阐述。

当所述电流限制层位于所述有源层与所述第二掺杂层之间时，所述获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体包括：

采用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉积技术，在所述衬底的上表面依次生长待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理有源层、待处理电流限制层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层，得到所述预处理结构体。

当所述电流限制层位于所述第一反射层与所述有源层之间时，所述获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体包括：

采用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉积技术，在所述衬底的上表面依次生长待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理电流限制层、待处理有源层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层，得到所述预处理结构体。

当所述电流限制层位于所述第一反射层与所述有源层之间、所述有源层与所述第二掺杂层之间时，所述获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体包括：

采用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉积技术，在所述衬底的上表面依次生长待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理电流限制层、待处理有源层、待处理有源层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层，得到所述预处理结构体。

本申请的垂直腔面发射激光器制作方法制得的垂直腔面发射激光器，电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离，即电流孔偏向n面电极，电流由p面电极流入，增大了横向电流路径，有效减小垂直腔面发射激光器的电流拥堵效应，使电流更加均匀的进入有源区层。

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：

电流限制层、p面电极、n面电极、由下至上依次层叠的衬底、第一掺杂层、第一反射层、有源层、第二掺杂层、第二反射层，所述电流限制层中的电流孔与所述n面电极的距离小于所述电流孔与所述p面电极的距离。

2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电流限制层位于所述有源层与所述第二掺杂层之间和/或所述第一反射层与所述有源层之间。

3.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，当所述p面电极和所述n面电极的形状均为圆环状时，所述p面电极的边缘各个位置与所述电流孔的距离相等，所述n面电极的边缘各个位置与所述电流孔的距离相等。

4.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层为量子点有源层或者量子阱有源层。

5.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电流孔为氧化限制型电流孔、离子注入型电流孔、掩埋隧道结型电流孔中的任一种。

6.如权利要求1至5任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二反射层为层叠的二氧化硅和二氧化钛，或者层叠的p型掺杂Al_xGa_1-xAs，0.12≤x≤0.9。

7.一种垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，包括：

获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体；所述预处理结构体包括待处理电流限制层、由下至上依次层叠的衬底、待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理有源层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层；

在所述预处理结构体的上表面旋涂光刻胶，并对所述待处理第二反射层、待处理第二掺杂层、待处理有源层、待处理电流限制层刻蚀，得到第二反射层、第二掺杂层、有源层、处理后电流限制层；

氧化所述处理后电流限制层，在所述处理后电流限制层中间形成电流孔；

清洗位于所述处理后电流限制层的上表面的光刻胶，再次旋涂光刻胶，使台面靠近n面电极的侧面和上表面有光刻胶，且靠近p面电极的侧面和上表面没有光刻胶，然后再次进行氧化形成电流限制层或者刻蚀所述处理后电流限制层中位于所述电流孔以外的区域形成电流限制层，使电流孔与n面电极的距离小于电流孔与p面电极的距离；其中，所述台面包括所述第二反射层、所述第二掺杂层、所述有源层、所述处理后电流限制层；

在刻蚀后的所述预处理结构体的上表面生长第一保护层，并对待处理第一掺杂层、待处理第一反射层进行刻蚀，形成第一掺杂层、第一反射层；

去除所述第一保护层，并依次生长p面电极、n面电极，得到垂直腔面发射激光器。

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，当所述电流限制层位于所述有源层与所述第二掺杂层之间时，所述获得垂直腔面发射激光器的预处理结构体包括：

采用分子束外延技术或金属有机化合物化学气相沉积技术，在所述衬底的上表面依次生长待处理第一掺杂层、待处理第一反射层、待处理有源层、待处理电流限制层、待处理第二掺杂层、待处理第二反射层，得到所述预处理结构体。

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，所述去除所述第一保护层包括：

采用反应离子刻蚀技术去除所述第一保护层。

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，所述依次生长p面电极、n面电极包括：

在去除所述第一保护层的预处理结构体的表面生长第二保护层；

在所述第二保护层的上表面旋涂光刻胶，并对所述第二保护层和光刻胶处理，形成第一通孔；

在所述第一通孔中生长p面电极；

在生长有p面电极的预处理结构体的表面旋涂光刻胶，并对所述第二保护层和光刻胶处理，形成第二通孔；

在所述第二通孔中生长n面电极。

Images