CN112366519A - 高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法 - Google Patents

高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法 Download PDF

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张穗
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沈志强
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Abstract

本申请公开了一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法，高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层和光栅层；所述光栅层具有光栅槽，所述光栅槽自所述光栅层背离所述有源层一侧，至少延伸至所述光栅层的内部。光栅槽至少延伸至光栅层的内部，也即光栅槽的深度可以在光栅层至第二反射器层内部之间均可，因此提高了制作的容忍度。在光栅槽刻蚀深度较浅时，其所用的刻蚀时间较短，可以提高生产效率，不同深度光栅槽对应的VCSEL参数不同，由于光栅槽刻蚀深度的多样性，相应地扩大了光栅以及VCSEL设计参数的调节范围，也提高制作的容忍度和良率，提供了制成方式的多样性。

Description

高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法
技术领域
本发明一般涉及激光器技术领域，具体涉及一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法。
背景技术
垂直腔面发射激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser； VCSEL)器，其基本结构是由上下两个DBR(Distributed Bragg Reflector；布拉格反射器)和有源层这三部分组成。上下两个DBR 与有源层构成谐振腔。有源层由量子阱组成，作为VCSEL的核心部分，决定着VCSEL的阈值增益、激射波长等重要参数。
VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着智能化信息世界的不断发展，VCSEL也逐步的应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。随着VCSEL的广泛应用，如何提高加工的容忍度，及VCSEL参数调节范围是本领域技术人员所要解决的技术问题。
发明内容
本申请期望提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器及制造方法，用于至少提高制作的容忍度及VCSEL参数调节范围。
第一方面，本发明提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括：
层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层和光栅层；
所述光栅层具有光栅槽，所述光栅槽自所述光栅层背离所述有源层一侧，至少延伸至所述光栅层的内部。
作为可实现方式，所述第二反射器层与所述光栅层之间设置有间隔层，所述间隔层具有氧化区域，所述光栅槽对应于所述氧化区域的位置设置
作为可实现方式，所述光栅槽延伸至所述间隔层的顶面。
作为可实现方式，所述光栅槽延伸至所述间隔层的内部。
作为可实现方式，所述光栅槽延伸至所述第二反射器层的顶面。
作为可实现方式，所述光栅槽延伸至所述第二反射器层的内部。
作为可实现方式，所述光栅层为导电层，所述光栅层上设置有P 型电极，所述P型电极位于所述光栅层异于设置所述光栅槽的位置。
作为可实现方式，所述光栅层为绝缘层，所述第二反射器层具有第一区域和第二区域，所述第一区域上设置有P型电极，所述间隔层和所述光栅层设置于所述第二区域。
作为可实现方式，所述第一反射器层背离所述有源层的一侧设置有N型电极。
第二方面，本发明提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：
依次形成层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层和光栅层；
在所述光栅层上刻蚀光栅槽，所述光栅槽自所述光栅层背离所述有源层一侧，至少延伸至所述光栅层的内部。
作为可实现方式，通过控制所述光栅槽的刻蚀时间，来决定所述光栅槽的深度，所述光栅槽的深度与所述刻蚀时间正相关。
上述方案，光栅槽至少延伸至光栅层的内部，根据刻蚀时间的不同，可以允许其刻蚀到第二反射器层，也即光栅槽的深度可以在光栅层至第二反射器层内部之间均可，因此提高了制作的容忍度。在光栅槽刻蚀深度较浅时，其所用的刻蚀时间较短，可以提高生产效率，不同深度光栅槽对应的VCSEL参数不同，由于光栅槽刻蚀深度的多样性，相应地扩大了光栅以及VCSEL设计参数的调节范围，也提高制作的容忍度和良率，提供了制成方式的多样性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图2为本发明第二实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图3为本发明第三实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图4为本发明第四实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图5为本发明第五实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图6为本发明第六实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图7为本发明第七实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图8为本发明第八实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图9为本发明第九实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图10为本发明第十实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；
图11为本发明第十一实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请(图示仅为示意图，图中大小和比例关系并不代表实际的大小和比例关系)。
本发明提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括：
层叠设置的第一反射器层3、有源层4、第二反射器层6和光栅层 10；
所述光栅层10设置有光栅槽13，所述光栅槽13自所述光栅层10 背离所述有源层4一侧，至少延伸至所述光栅层10的内部。
具体地，如图1所示，该示例中，高对比度光栅垂直腔面发射激光器包括层叠设置的N型电极1、N型电极接触层2、第一反射器层3 (此示例中第一反射器层3为N型反射器层)、有源层4、第二反射器层6(此示例中第二反射器层6为P型反射器层)和光栅层10。间隔层9具有氧化区域(间隔区域)12和非氧化区域(非间隔区域)，光栅层10对应于氧化区域12的位置设置有光栅槽13，光栅槽13自光栅层10背离间隔层9一侧，延伸至光栅层10的内部，但不贯通光栅层10。为了对电流进行局限，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的出光效率，在有源层4的至少一侧或中部形成有氧化层5，在该示例中，氧化层5设置在有源层4的顶面，氧化层5包括第二氧化区域7和第二未氧化区域8，第二氧化区域7环绕第二未氧化区域8，第二未氧化区域8用于界定激光出射窗。该高对比度光栅垂直腔面发射激光器设置多个发光区域的情况下，通过设置氧化层5使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。在该示例中，第二反射器层6和光栅层10之间不设置间隔层9，当然也可以如以下示例中所示，可以在第二反射器层6 和光栅层10之间设置间隔层9。以下示例中在第二反射器层6和光栅层10之间均设置了间隔层9，当然也可以不设置间隔层9。
具体地，如图2所示，该示例中，高对比度光栅垂直腔面发射激光器包括层叠设置的N型电极1、N型电极接触层2、第一反射器层3 (此示例中第一反射器层3为N型反射器层)、有源层4、第二反射器层6(此示例中第二反射器层6为P型反射器层)、间隔层9和光栅层10。间隔层9具有氧化区域12和非氧化区域12，光栅层10对应于氧化区域12的位置设置有光栅槽13，光栅槽13自光栅层10背离间隔层9一侧，延伸至光栅层10的内部，但不贯通光栅层10。
为了对电流进行局限，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的出光效率，在有源层4的至少一侧或中部形成有氧化层5，在该示例中，氧化层5设置在有源层4的顶面，氧化层5包括第二氧化区域7和第二未氧化区域8，第二氧化区域7环绕第二未氧化区域8，第二未氧化区域8用于界定激光出射窗。该高对比度光栅垂直腔面发射激光器设置多个发光区域的情况下，通过设置氧化层5使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。
当然，还可以在第二反射器层6与有源层4之间设置电流扩展层，以提高电流的均匀性，电流扩展层的材料例如但不限于为GaAs等。
在该示例中光栅层10采用可导电的结构，也即对光栅层10进行重掺杂使光栅层10导电，在此种情况下，在光栅层10上设置P型电极11，P型电极11位于光栅层10异于设置光栅槽13的位置。
该高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以但不限于采用如下工艺制作：
提供一基底；该基底可为GaAs基底。
在基底上形成N型电极接触层2。
在N型电极接触层2上形成第一反射器层3；第一反射器层3可以为DBR。第一反射器层3可包括由AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs两种不同折射率的材料层叠构成(其中Al组分0≤x≤1,0≤y≤1但x和y不相同)；该示例中基底及第一反射器层3可均为N型。
在第一反射器层3上形成有源层4。
有源层4至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由GaAs、 AlGaAs、GaAsP及InGaAs材料层叠排列构成，有源层4用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。
在有源层4上形成第二反射器层6；第二反射器层6可以为DBR。第二反射器层6可包括由AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs两种不同折射率的材料层叠构成(其中Al组分0≤x≤1,0≤y≤1但x和y不相同)；该示例中第二反射器层6可均为P型。
在第二反射器层6上形成间隔层9。间隔层9的材料可以为 AlxGa1-xAs(x>0.7)。
在间隔层9上形成光栅层10。光栅层10的材料可以为AlyGa1-yAs (y<0.4)。
自光栅层10向下刻蚀形成至少延伸至有源层4的氧化沟槽14，在氧化沟槽14内通过湿法氧化工艺，形成氧化层5，且氧化层5自氧化沟槽14向内形成环绕第二未氧化区域8的第二氧化区域7。通过湿法氧化工艺，例如在温度430℃下，2L/min的氮气携带一定温度的水蒸气进行选择性湿法氧化，氧化深度即图中左右方向的延伸深度由时间控制，以在氧化层5形成第二氧化区域7，第二氧化区域7围绕氧化层5中的第二未氧化区域8。
在光栅层10的部分区域刻蚀形成光栅槽13，光栅槽13延伸至光栅槽13的内部但不贯通光栅层10。通过控制刻蚀时间来控制形成光栅槽13的深度，刻蚀时间越长，光栅槽13的深度越深。
透过光栅槽13对间隔层9进行湿法氧化工艺，形成与光栅槽13 位置对应的氧化区域12。
去除基底。
在光栅层10上异于设置光栅槽13的位置形成P型电极11，在N 型电极接触层2上形成N型电极1。P型电极11、N型电极1均可通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式形成。N型电极1可以是面状电极，以提供足够大的电极面积，降低电阻。
上述方案，光栅槽至少延伸至光栅层的内部，根据刻蚀时间的不同，可以允许其刻蚀到第二反射器层，也即光栅槽的深度可以在光栅层至第二反射器层内部之间均可，因此提高了制作的容忍度。在光栅槽刻蚀深度较浅时，其所用的刻蚀时间较短，可以提高生产效率，不同深度光栅槽对应的VCSEL参数不同，由于光栅槽刻蚀深度的多样性，相应地扩大了光栅以及VCSEL设计参数的调节范围，也提高制作的容忍度和良率，提供了制成方式的多样性。
如图3所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第二实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至间隔层9的顶面，也即光栅槽13贯通间隔层9，且光栅槽13的深度与间隔层9的厚度相等。
如图4所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第二实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至间隔层9的内部，也即光栅槽13贯通光栅层10但是不贯通间隔层9。
如图5所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第二实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至第二反射器层6的顶面，也即光栅槽13贯通光栅层10 及间隔层9，且光栅槽13的深度为光栅层10与间隔层9的厚度之和。
如图6所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第二实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至第二反射器层6的内部，也即光栅槽13贯通光栅层10 及间隔层9，但不贯通第二反射器层6。
如图7所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第二实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅层10为绝缘层，第二反射器层6具有第一区域和第二区域，第一区域上设置有P型电极11，间隔层9和光栅层10设置于第二区域。该示例的高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以但不限于采用如下工艺制作：
提供一基底；该基底可为GaAs基底。
在基底上形成N型电极接触层2。
在N型电极接触层2上形成第一反射器层3；第一反射器层3可以为DBR。第一反射器层3可包括由AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs两种不同折射率的材料层叠构成(其中Al组分0≤x≤1,0≤y≤1但x和y不相同)；该示例中基底及第一反射器层3可均为N型。
在第一反射器层3上形成有源层4。
有源层4至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由GaAs、 AlGaAs、GaAsP及InGaAs材料层叠排列构成，有源层4用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。
在有源层4上形成第二反射器层6；第二反射器层6可以为DBR。第二反射器层6可包括由AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs两种不同折射率的材料层叠构成(其中Al组分0≤x≤1,0≤y≤1但x和y不相同)；该示例中第二反射器层6可均为P型。
在第二反射器层6上形成间隔层9。间隔层9的材料可以为 AlxGa1-xAs(x>0.7)。
在间隔层9上形成光栅层10。光栅层10的材料可以为AlyGa1-yAs (y<0.4)。
自光栅层10向下刻蚀形成至少延伸至有源层4的氧化沟槽14，在氧化沟槽14内通过湿法氧化工艺，形成氧化层5，且氧化层5自氧化沟槽14向内形成环绕第二未氧化区域8的第二氧化区域7。
在光栅层10的部分区域--对应于第二反射器层6的第二区域刻蚀形成光栅槽13，光栅槽13延伸至光栅槽13的内部但不贯通光栅层10。
透过光栅槽13对间隔层9进行湿法氧化工艺，形成与光栅槽13 位置对应的氧化区域12。
自光栅层10对应于第二反射器层6的第一区域的位置直至刻蚀暴露出第二反射器层6。
去除基底。
在第二反射器层6的第一区域形成P型电极11，也即在第一反射器层3背离有源层4的一侧形成P型电极11，在N型电极接触层2上背离有源层4的一侧形成N型电极1。P型电极11、N型电极1均可通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式形成。
如图8所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第七实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至间隔层9的顶面，也即光栅槽13贯通间隔层9，且光栅槽13的深度与间隔层9的厚度相等。
如图9所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第七实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至间隔层9的内部，也即光栅槽13贯通光栅层10但是不贯通间隔层9。
如图10所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第七实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至第二反射器层6的顶面，也即光栅槽13贯通光栅层10 及间隔层9，且光栅槽13的深度为光栅层10与间隔层9的厚度之和。
如图11所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第七实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅槽13延伸至第二反射器层6的内部，也即光栅槽13贯通光栅层10 及间隔层9，但不贯通第二反射器层6。
第二方面，本发明实施例提供的一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：
依次形成层叠设置的第一反射器层3、有源层4、第二反射器层6 和光栅层10；
在所述光栅层10上刻蚀光栅槽13，所述光栅槽13自所述光栅层 10背离所述有源层4一侧，至少延伸至所述光栅层10的内部。具体参见上述工艺，这里不再赘述。
通过控制所述光栅槽13的刻蚀时间，来决定所述光栅槽13的深度，所述光栅槽13的深度与所述刻蚀时间正相关。
需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (11)

1.一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层和光栅层；
所述光栅层具有光栅槽，所述光栅槽自所述光栅层背离所述有源层一侧，至少延伸至所述光栅层的内部。
2.根据权利要求1所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二反射器层与所述光栅层之间设置有间隔层，所述间隔层具有氧化区域，所述光栅槽对应于所述氧化区域的位置设置。
3.根据权利要求2所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅槽延伸至所述间隔层的顶面。
4.根据权利要求2所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅槽延伸至所述间隔层的内部。
5.根据权利要求2所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅槽延伸至所述第二反射器层的顶面。
6.根据权利要求2所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅槽延伸至所述第二反射器层的内部。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅层为导电层，所述光栅层上设置有P型电极，所述P型电极位于所述光栅层异于设置所述光栅槽的位置。
8.根据权利要求1-6任一项所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光栅层为绝缘层，所述第二反射器层具有第一区域和第二区域，所述第一区域上设置有P型电极，所述间隔层和所述光栅层设置于所述第二区域。
9.根据权利要求1-6任一项所述的高对比度光栅垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一反射器层背离所述有源层的一侧设置有N型电极。
10.一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：
依次形成层叠设置的第一反射器层、有源层、第二反射器层、间隔层和光栅层；
所述间隔层具有氧化区域，在所述光栅层对应于所述氧化区域的位置刻蚀光栅槽，所述光栅槽自所述光栅层背离所述间隔层一侧，至少延伸至所述光栅层的内部。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，通过控制所述光栅槽的刻蚀时间，来决定所述光栅槽的深度，所述光栅槽的深度与所述刻蚀时间正相关。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113948966A (zh) * 2021-10-15 2022-01-18 中国科学院半导体研究所 一种面发射激光器及其制作方法

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