CN112563884A - 垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，其中，该垂直腔面发射激光器，按照预设方向，依次包括：衬底、缓冲层、N电极接触层、第一分布布拉格反射镜、第一包层、第一异质结限制层、有源区、第二异质结限制层、第二包层、氧化限制层、第二分布布拉格反射镜、P电极以及N电极，其中，有源区包括多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱；N电极接触层的掺杂浓度高于衬底和第一分布布拉格反射镜的掺杂浓度；N电极设置于N电极接触层上，形成N电极接触层的外延结构。通过该垂直腔面发射激光器的设计，可以实现器件的宽温域工作，且具有制备工艺简单、重复性好、成本低。

Description

垂直腔面发射激光器及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种宽温域工作高速垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)，因其独有的调制速度高、易与光纤耦合的圆形光斑、单纵模、低阈值工作电流、低功耗、易二维阵列大尺度集成等优点，在短距离以及超短距离光互连数据传输、光通讯、超级计算机、5G前传等方面有着广泛的应用。典型的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构通常包括P电极、上分布式布拉格反射镜(上DBR)、氧化限制层、量子阱有源区、下DBR和N电极。载流子从正电极注入，通过氧化孔径注入到有源区，在一定的驱动电流条件下，有源区量子阱内载流子粒子数反转，使得量子阱产生的光增益大于光腔损失和DBR镜子损失，产生的光子经上、下DBR反射，在光腔内形成稳定的驻波，使受激辐射不断增强，激射光从反射率较小的DBR出射，激光器输出稳定光波。
VCSEL器件工作时，电能转换为输出光能的效率通常低于50％，其余的能量则转换为热能，导致器件内的温度高于工作环境温度。特别是，当激光器工作在较高环境温度时，如数据中心应用(≥85℃)，热效应成为影响器件性能的关键因素。较高的温度会引起更大的非辐射复合损失、有源区内载流子的泄露、量子阱材料增益的减少。因此，为使高速VCSEL激光器能够在较高温度下稳定工作，通常会采用室温下增益-FP腔模偏调12-15nm的方法，以增加较高温度下腔模位置的材料增益值。
然而，这种结构在较低工作温度下(～-45℃)，由于量子阱材料增益峰值温漂速度远远大于腔模温度变化速度，导致增益峰值-FP腔模之间差距增大，腔模位置的增益较小，从而使激光器的静态、动态工作特性降低，难以满足器件的宽温域工作需求。
因此，如何找到一种具有较高温度稳定特性，能够实现宽温域(～-45-120℃)的高速VCSEL，同时技术方案简单易于实现，已成为领域内诸多技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，为了能够实现一种具有较高温度稳定特性且满足器件宽温域工作需求的高速垂直腔面发射激光器，本公开提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，一方面，本公开提供了一种垂直腔面发射激光器，按照预设方向，依次包括：衬底、缓冲层、N电极接触层、第一分布布拉格反射镜、第一包层、第一异质结限制层、有源区、第二异质结限制层、第二包层、氧化限制层、第二分布布拉格反射镜、P电极以及N电极，其中，有源区包括多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱；N电极接触层的掺杂浓度高于衬底和第一分布布拉格反射镜的掺杂浓度；N电极设置于N电极接触层上，形成N电极接触层的外延结构。
根据本公开的实施例，其中，衬底为非掺杂或具有N型掺杂的GaAs衬底，厚度为300～650μm；缓冲层为具有N型掺杂的GaAs层，厚度为300～700nm；衬底和缓冲层的掺杂浓度均为1×1018cm-3～3×1018cm-3；N电极接触层为具有N型掺杂的GaAs材料，掺杂浓度为3×1018cm-3～10×1018cm-3，厚度为10～80nm；氧化限制层具有P型掺杂，氧化限制层厚度为10～30nm。
根据本公开的实施例，其中，第一分布布拉格反射镜包括不同折射率的相互交替的半导体对叠层，半导体对为N型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3；第二分布布拉格反射镜包括不同折射率的相互交替的半导体对叠层和电接触层，半导体对叠层和电接触层均为P型掺杂，半导体对叠层的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，电接触层的掺杂浓度大于1×1019cm-3；第一分布布拉格反射镜的半导体对叠层数大于第二分布布拉格反射镜的半导体对叠层数。
根据本公开的实施例，其中，第一包层为为N型掺杂，第二包层为P型掺杂；第一包层和第二包层均为铝组分渐变的AlxGaAs材料，其中，铝组分渐变值x为0.3～0.9。
根据本公开的实施例，其中，有源区包括多个层叠设置的不同宽度的压缩应变量子阱，每个量子阱的材料相同，均为InGaAs或InGaAsP，每个量子阱宽度为2～10nm；每个量子阱之间具有厚度相同的势垒层，每个势垒层的材料相同，包括以下至少之一：AlGaAs、GaAsP、GaInP，每个势垒层的厚度为3～10nm。
根据本公开的实施例，其中，第一异质结限制层和第二异质结限制层的结构相同，所用材料为非掺杂材料，均与势垒层相同，或均采用能带带隙大于势垒层的材料；第一异质结限制层和第二异质结限制层均用于限制载流子从量子阱中逃逸。
根据本公开的实施例，上述垂直腔面发射激光器还包括：钝化层，该钝化层沉积于垂直腔面发射激光器的器件表面。
另一方面，本公开还提供了一种如上述任一项的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括：在衬底上依次生长缓冲层、N电极接触层以及第一分布布拉格反射镜；在第一分布布拉格反射镜上依次生长第一包层、第一异质结限制层和设置有多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱的有源区；在有源层上依次生长第二异质结限制层、第二包层、氧化限制层以及第二分布布拉格反射镜；对第二分布布拉格反射镜、氧化限制层、第二包层、第二异质结限制层、有源层进行刻蚀，并过刻蚀到第一包层，形成圆柱形台体并露出第一包层部分表面；对氧化限制层进行湿法氧化，制作出光电氧化限制层；在第二分布布拉格反射镜的顶部的电接触层上制作P电极；对第二分布布拉格反射镜组、氧化限制层、第二包层、第二异质结限制层、有源区、第一异质结限制层、第一包层、第一分布布拉格反射镜、N电极接触层进行刻蚀，并露出N电极接触层的部分表面，在露出的N电极接触层的部分表面制作N电极；在所制备的垂直腔面发射激光器的器件表面沉积钝化层，并对钝化层进行反刻蚀，露出P电极和N电极的电极键合区域；对衬底进行减薄，完成垂直腔面发射激光器的制备。
根据本公开的实施例，其中，每个量子阱的宽度选择包括：每个量子阱内的第一能级的电子空穴跃迁能量对应的波长与垂直腔面发射激光器的腔模波长的差值满足预设数值。
根据本公开的实施例，其中，第一包层为N型掺杂，第二包层为P型掺杂；第一包层和第二包层的材料均为铝组分渐变的AlxGaAs材料，其中，铝组分渐变值x为0.3～0.9；第一包层材料的铝组分的选择使第一包层在第一能带带隙端接近第一异质结限制层带隙，第二能带带隙端接近第一分布布拉格反射镜带隙；第二包层材料的铝组分的选择使第二包层在第三能带带隙端接近第二异质结限制层带隙，第四能带带隙端接近氧化限制层的带隙。
从上述技术方案可以看出，本公开的垂直腔面发射激光器及其制作方法可达到以下技术效果：
(1)本公开提供的垂直腔面发射激光器具有较高温度稳定特性，在其有源区采用宽度不等的非均匀压缩应变量子阱，利用量子阱的宽度调控量子阱增益峰值位置，通过不同宽度的量子阱结构，展宽有源区增益光谱，从而解决因量子阱增益峰值与腔模温漂速率相差较大而导致的温度变化引起的增益峰值-腔模位置之差增加，引起模式增益减少和器件静态、动态性能下降的难题，能够满足器件宽温域工作需求。
(2)本公开采用能带带隙渐变的包层以及重掺杂N电极接触层外延结构，能够改善载流子在器件内的纵向输运特性，以及器件热传导性能，有效减少能量损耗和自热效应，从而实现VCSEL在较大温度范围内稳定、高速工作。
(3)本公开提供的垂直腔面发射激光器的制作方法与常规激光器制作工艺兼容，技术方案简单易于实现。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器剖面结构示意图；
图2示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器有源区的结构示意图；
图3示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器制作方法的流程示意图；
图4示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器有源区不同宽度的量子阱增益峰值与温度关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，本公开说明书附图中所绘出的结构、尺寸以及比例等均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或尺寸的调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，应仍在本公开所揭示的技术内容所涵盖的范围之内。
图1示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器剖面结构示意图。
如图1所示，本公开提供的一种垂直腔面发射激光器，按照附图1自下往上的预设方向，依次包括衬底01、缓冲层02、N电极接触层03、第一分布布拉格反射镜04、第一包层05、第一异质结限制层06、有源区07、第二异质结限制层08、第二包层09、氧化限制层10、第二分布布拉格反射镜11、P电极13以及N电极14，其中，N电极14设置于N电极接触层03上，形成N电极接触层的外延结构，有源区07包括多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱；N电极接触层03的掺杂浓度高于衬底01和第一分布布拉格反射镜04的掺杂浓度。
本公开提供的一种垂直腔面发射激光器，还包括钝化层12，其沉积于垂直腔面发射激光器的器件表面。
根据本公开的实施例，衬底01为非掺杂或具有N型掺杂的GaAs衬底，可选地，衬底01掺杂为硅掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，优选为1×1018cm-3～2×1018cm-3，衬底厚度为300～650μm。
根据本公开的实施例，在衬底01上生长缓冲层02，缓冲层02为具有N型掺杂的GaAs层，可选地，缓冲层02掺杂为硅掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，优选为1×1018cm-3～2×1018cm-3，缓冲层厚度为300～700nm。
根据本公开的实施例，在缓冲层02上生长N电极接触层03，N电极接触层03为具有N型掺杂的GaAs材料，可选地，N电极接触层03掺杂为硅掺杂，掺杂浓度为3×1018cm-3～10×1018cm-3，优选为5×1018cm-3～8×1018cm-3，厚度为10～80nm。N电极接触层03的掺杂浓度高于衬底01和第一分布布拉格反射镜04的掺杂浓度。
根据本公开的实施例，在N电极接触层03上生长第一分布布拉格反射镜04，第一分布布拉格反射镜04包括不同折射率的相互交替的半导体对叠层，且相互交替的半导体对折射率相差较大。
可选地，第一分布布拉格反射镜04包括至少28对AlxHGaAs/AlxLGaAs对层叠排列，以使第一分布布拉格反射镜04的反射率大于99.9％，其中，铝组分xH为80％～90％，铝组分xL为10％～15％；第一分布布拉格反射镜04包括的半导体对具有N型掺杂，可选地，半导体对为硅掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，优选为2×1018cm-3～3×1018cm-3。
根据本公开的实施例，在第一分布布拉格反射镜04上生长第一包层05，第一包层05为具有N型掺杂的铝组分渐变的AlxGaAs材料，铝组分渐变值x为0.3～0.9，厚度为30～100nm。
可选地，第一包层05为硅掺杂，掺杂浓度为5×1017cm-3～20×1017cm-3，优选为5×1017cm-3～10×1017cm-3。
根据本公开的实施例，在第一包层05上生长第一异质结限制层06，所用材料与有源区07内每个量子阱之间的势垒层材料相同，或采用能带带隙大于势垒层的材料，且没有掺杂。优选地，第一异质结限制层06材料为非掺杂AlGaAs，Al组分为0.3～0.5，厚度为20～50nm。
根据本公开的实施例，在第一异质结限制层06上生长有源区07，有源区07包括多个层叠设置的不同宽度的压缩应变量子阱，设置于激光腔内驻波的中心波腹上，可选地，多个层叠设置不同宽度的压缩应变量子阱包括3～9个层叠设置的非均匀压缩应变量子阱，具有2～4种不同的量子阱宽度，每种量子阱阱宽介于2～10nm之间。
例如，图2示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器有源区的结构示意图。
如图2所示，有源区07内包含了6个层叠设置的量子阱，具有3种不同的量子阱宽度，其中，072、073、074分别为不同宽度的量子阱。每个量子阱之间间隔有厚度相同的势垒层071，势垒层071由相同的材料构成，可选为AlGaAs、GaAsP、GaInP等能带带隙大于量子阱带隙的材料，每个势垒层的厚度为3～10nm；每个量子阱的材料相同，均为非掺杂InGaAs或InGaAsP。
根据本公开的实施例，通过在有源区采用不同宽度的非均匀压缩应变量子阱结构，利用量子阱的宽度调控量子阱增益峰值位置，展宽有源区增益光谱，解决因量子阱增益峰值与腔模温漂速率相差较大而导致的温度变化引起的增益峰值-腔模位置之差增加，引起模式增益减少和器件静态、动态性能下降的难题。
根据本公开的实施例，在有源区07上生长第二异质结限制层08，用于限制载流子从量子阱中逃逸。第二异质结限制层08结构和材料与第一异质结限制层06相同，为与有源区07内每个量子阱之间的势垒层材料相同，或采用能带带隙大于势垒层的材料，且没有掺杂。优选地，第二异质结限制层08材料为非掺杂AlGaAs，Al组分为0.3～0.5，厚度为20～50nm。
根据本公开的实施例，在第二异质结限制层08上生长第二包层09，第二包层09结构与第一包层结构相同，第二包层09为P型掺杂的铝组分渐变的AlxGaAs材料，铝组分渐变值x为0.3～0.9，厚度为30～100nm。
但，可选地，第二包层09为碳掺杂，掺杂浓度为5×1017cm-3～20×1017cm-3，优选为5×1017cm-3～10×1017cm-3。
根据本公开的实施例，在第二包层09上生长氧化限制层10，氧化限制层为具有P型掺杂的高铝组分的AlGaAs，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，厚度为10～30nm。
根据本公开的实施例，在氧化限制层10上生长第二分布式布拉格反射镜11，第二分布布拉格反射镜11包括不同折射率的相互交替的半导体对叠层和电接触层，且相互交替的半导体对折射率相差较大，半导体对叠层和电接触层均为P型掺杂。
可选地，第二分布式布拉格反射镜11包括至少20对AlxHGaAs/AlxLGaAs对层叠排列，以使第二分布布拉格反射镜11的反射率大于99.5％，其中，铝组分xH为80％～90％，铝组分xL为10％～15％；半导体对为碳掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，电接触层的掺杂浓度大于1×1019cm-3。
本公开实施例中，第一分布布拉格反射镜04的半导体对叠层数大于第二分布布拉格反射镜11的半导体对叠层数，第一分布布拉格反射镜04的反射率大于第二分布布拉格反射镜11的反射率，第二分布布拉格反射镜11的厚度与第一分布布拉格反射镜04的厚度相同，均为5～20nm。
根据本公开的实施例，在第二分布布拉格反射镜11的电接触层上制备环形P电极13，电极材料包括Ti-Pt-Au、Au或其它金属材料，电极厚度为300～2000nm。
根据本公开的实施例，在N电极接触层03上设置有N电极14，作为N电极接触层03的外延结构，N电极的电极材料包括Ge、Au、Ni-Ge-Au或其他金属材料，电极厚度为300～2000nm。
本公开实施例中，钝化层12沉积于制备的垂直腔面发射激光器的器件表面，利用刻蚀技术反刻蚀钝化层12，露出P电极13和N电极14的电极键合区域。
根据本公开的实施例，通过采用能带带隙渐变的包层以及重掺杂N电极接触层外延结构，能够改善载流子在器件内的纵向输运特性，以及器件热传导性能，有效减少能量损耗和自热效应，从而实现VCSEL在较大温度范围内稳定、高速工作。
图3示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器制作方法的流程示意图。
如图3所示，该方法包括操作S301～S309。
在操作S301，在衬底上依次生长缓冲层、N电极接触层以及第一分布布拉格反射镜。
根据本发明的实施例，在具有7-15度偏向角的非掺杂或具有N型掺杂的衬底上，依次生长Si掺杂的N型GaAs缓冲层，Si掺杂N电极接触层以及Si掺杂N型第一分布布拉格反射镜，缓冲层掺杂浓度优选为1×1018cm-3～2×1018cm-3，厚度优选为300～500nm；N电极接触层掺杂浓度优选为5×1018cm-3～8×1018cm-3，远高于衬底和第一分布布拉格反射镜的掺杂浓度，厚度优选为10～80nm。第一分布布拉格反射镜为至少28对AlxHGaAs/AlxLGaAs对层叠排列，优选的，其中，铝组分xH为80％～90％，铝组分xL为10％～15％，第一反射镜的反射率大于99.9％。
在操作S302，在第一分布布拉格反射镜上依次生长第一包层、第一异质结限制层和设置有多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱的有源区。
根据本发明的实施例，在第一分布布拉格反射镜上，生长Si掺杂N型铝组分渐变AlxGaAs第一包层、非掺杂第一异质结限制层和非掺杂层叠设置的多量子阱有源区。其中，Si掺杂N型铝组分渐变AlxGaAs第一包层的铝组分渐变值x为0.3～0.9。
本公开的实施例中，第一包层材料的铝组分的选择使第一包层在第一能带带隙端接近第一异质结限制层带隙，第二能带带隙端接近第一分布布拉格反射镜带隙。
根据本公开的实施例，第一能带带隙端为第一包层的铝组分渐变值较小的低能带带隙端；第二能带带隙端为第一包层的铝组分渐变值较大的高能带带隙端。
根据本公开的实施例，非掺杂有源区设有3至9个层叠设置的非均匀压缩应变量子阱，，量子阱具有2～4种不同的宽度。图2已做了详细说明，在此不再赘述。
根据本公开的实施例，每种量子阱的宽度选择包括：每个量子阱内的第一能级的电子空穴跃迁能量对应的波长与垂直腔面发射激光器的腔模波长的差值满足预设数值。
再次参照图2，量子阱072的宽度，优选为7～10nm，使其在室温时的材料增益峰值小于腔模波长15～20nm；量子阱073的宽度，优选为5～8nm使其在室温时的材料增益峰值小于腔模波长10～15nm；量子阱074的宽度，优选为3～6nm，使其在室温时的材料增益峰值小于腔模波长3～10nm。
结合图4，图4示意性示出了本公开实施例的垂直腔面发射激光器有源区不同宽度的量子阱增益峰值与温度关系。
如图4所示，d1、d2、d3、d4分别表示量子阱的阱宽从小到大的阱宽值，e1、e2、e3、e4分别表示有源区量子阱内电子第一能级的位置。量子阱的阱宽越大，发光峰值能量越低，则量子阱增益峰值波长越长；量子阱的阱宽越小，发光峰值能量越高，则量子阱增益峰值波长越短。图4中，d4为宽度最大的量子阱，d1为阱宽最小的量子阱，c为F-P腔膜随温度的变化，当腔模与增益峰值交汇时，激光器内光的模式增益最大，当腔模与增益峰值相差越大，光的模式增益越小。
从图4中可以看出，随着温度的升高，量子阱增益峰值和腔模的位置都在减小，但腔模减小的速率远远小于量子阱增益峰值的温度变化率。
本公开的实施例中，采用这种特殊的量子阱结构设计可以在较大的温度范围内保证增益峰值与腔模差值较小，具有较大的光模式增益。
在操作S303，在有源层上依次生长第二异质结限制层、第二包层、氧化限制层以及第二分布布拉格反射镜。
根据本公开的实施例，在有源区上依次生长非掺杂第二异质结限制层、P型掺杂第二包层、P型掺杂氧化限制层以及P型掺杂第二分布布拉格反射镜。
根据本公开的实施例，第二包层材料为碳掺杂P型铝组分渐变的AlxGaAs材料，其中，铝组分渐变值x为0.3～0.9；第二分布式布拉格反射镜包括至少20对AlxHGaAs/AlxLGaAs对，以使第二反射镜的反射率大于99.5％；铝组分xH为80％～90％，铝组分xL为10％～15％，AlxHGaAs/AlxLGaAs对为碳掺杂，掺杂浓度为1～3×1018cm-3，电接触层的掺杂浓度大于1×1019cm-3，优选的，厚度为5～20nm。
本公开的实施例中，第二包层材料的铝组分的选择使第二包层在第三能带带隙端接近第二异质结限制层带隙，第四能带带隙端接近氧化限制层的带隙。
根据本公开的实施例，第三能带带隙端为第二包层的铝组分渐变值较小的低能带带隙端；第四能带带隙端为第二包层的铝组分渐变值较大的高能带带隙端。
在操作S304，对第二分布布拉格反射镜、氧化限制层、第二包层、第二异质结限制层、有源层进行刻蚀，并过刻蚀到第一包层，形成圆柱形台体并露出第一包层部分表面。
在操作S305，对氧化限制层进行湿法氧化，制作出光电氧化限制层。
在操作S306，在第一分布布拉格反射镜的顶部的电接触层上制作P电极。
根据本公开的实施例，在第一分布布拉格反射镜的顶部的电接触层上制作P电极的制作方法包括：电子束蒸发、磁控溅射或电镀；P电极的材料为Ti-Pt-Au、Au或其它金属材料，电极厚度为300～2000nm。
在操作S307，对第二分布布拉格反射镜组、氧化限制层、第二包层、第二异质结限制层、有源区、第一异质结限制层、第一包层、第一分布布拉格反射镜、N电极接触层进行刻蚀，并露出N电极接触层的部分表面，在露出的N电极接触层的部分表面制作N电极。
根据本公开的实施例，在露出的N电极接触层上制备N电极的制作方法包括：电子束蒸发、磁控溅射或电镀；N电极的材料为Ge、Au、Ni-Ge-Au或其他金属材料，电极厚度优选为300～1000nm。
在操作S308，在所制备的垂直腔面发射激光器的器件表面沉积钝化层，并对钝化层进行反刻蚀，露出P电极和N电极的电极键合区域。
根据本公开的实施例，钝化层包括以下至少之一：氮化硅、氧化铝、氧化硅，钝化层的厚度为300～500nm；利用电感耦合等离子体刻蚀、反应等离子体刻蚀等刻蚀技术反刻蚀钝化层，露出P型和N型电极的电极键合区域。
在操作S309，对衬底进行减薄，完成垂直腔面发射激光器的制备。
根据本公开的实施例，减薄后的衬底厚度优选为100～300μm。
根据本公开的实施例，还提供了具体实施例，应当注意，这些具体实施例的描述只是示例性的，而并非要限制本公开的保护范围。
例如，作为本公开的具体实施例，垂直腔面发射激光器制作方法包括操作S1～S9。
S1，在具有15度偏向角，非掺杂半绝缘的GaAs衬底上，采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术生长厚度为500nm的Si掺杂缓冲层；在600～800℃的环境下，在缓冲层上依次生长Si掺杂N电极接触层、Si掺杂30对层叠设置的Al0.9GaAs/Al0.12GaAs对第一分布式布拉格反射镜，以使得第一分布式布拉格反射镜的反射率大于99.9％。
S2，在第一分布布拉格反射镜上依次生长厚度为80nm的Si掺杂组分渐变AlGaAs第一包层，非掺杂厚度为40nm Al0.4GaAs第一异质结限制层和有源区。
在本公开具体实施例中，其中，铝组分渐变值为0.3-0.9，第一包层高能带带隙接近接近第一分布布拉格反射镜带隙，低能带带隙端接近第一异质结限制层带隙，因此，第一包层铝组分渐变从0.9较少到0.3。
在本公开具体实施例中，其中，有源区包括6个层叠设置的In0.1Ga0.9As/Al0.3GaAs量子阱结构，每两个相邻量子阱具有相同的宽度，量子阱的宽度分别为10、6.5、4.5nm；势垒层的厚度为8nm。
S3，在有源区上依次生长40nm的Al0.4GaAs非掺杂第二异质结限制层、具有C掺杂组分渐变AlGaAs第二包层、具有C掺杂30nm的Al0.98GaAs氧化限制层以及具有C掺杂的第二分布式布拉格反射镜。
在本公开具体实施例中，其中，铝组分渐变值为0.3～0.9，低能带带隙端接近第二异质结限制层带隙，高能带带隙接近接近氧化限制层带隙，因此，第二包层铝组分渐变从0.3较少到0.9。
在本公开具体实施例中，其中，第二分布式布拉格反射镜包括21对Al0.9GaAs/Al0.12GaAs对和电接触GaAs层，以使得第二分布式布拉格反射镜的反射率大于99.5％。电接触层的掺杂浓度为2×1019cm-3，第二反射镜的其余部分掺杂浓度为2×1018cm-3。
S4，采用ICP刻蚀技术，对第二分布式布拉格反射镜、氧化限制层、第二包层、第二异质结限制层以及有源层进行刻蚀，过刻蚀到第一包层，形成圆柱形台体，并露出第一包层的部分表面，表面与圆柱形台体根部侧壁相接触。
S5，采用湿法氧化技术对氧化限制层进行氧化，制作出氧化光电限制层。
S6，采用电子束蒸发技术，在圆柱形台体的顶部制作环形P电极，P电极的材料为Ti-Pt-Au，厚度为300nm。
S7，采用ICP刻蚀技术，对制备器件刻蚀，依次刻蚀第二分布式布拉格反射镜、氧化限制层、第二包层、第二异质结限制层、有源层、第一异质结限制层、第一包层，第一分布式布拉格反射镜，直至N电极接触层，并露出N电极接触层的部分表面。
S8，在露出的N电极表面采用电子束蒸发技术沉积厚度为300nm Ni-Ge-Au，在经过350℃快速热退货处理后，形成N电极。
S9，在所制备垂直腔面发射激光器的器件表面利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积厚度为300nm的SiN钝化层，采用ICP刻蚀技术反刻蚀SiN层，刻蚀掉N型和P型电极键合区域的SiN。对GaAs衬底进行减薄，减薄后的衬底厚度为200μm。
根据本公开提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法，该垂直腔面发射激光器具有较高温度稳定特性，且在其有源区采用宽度不等的非均匀压缩应变量子阱，利用量子阱的宽度调控量子阱增益峰值位置，通过不同宽度的量子阱结构，展宽有源区增益光谱，从而解决因量子阱增益峰值与腔模温漂速率相差较大而导致的温度变化引起的增益峰值-腔模位置之差增加，引起模式增益减少和器件静态、动态性能下降的难题，能够满足器件宽温域工作需求；采用能带带隙渐变的包层以及重掺杂N电极接触层外延结构，能够改善载流子在器件内的纵向输运特性，以及器件热传导性能，有效减少能量损耗和自热效应，从而实现VCSEL在较大温度范围内稳定、高速工作；且其制作方法与常规激光器制作工艺兼容，技术方案简单易于实现。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，按照预设方向，依次包括：衬底、缓冲层、N电极接触层、第一分布布拉格反射镜、第一包层、第一异质结限制层、有源区、第二异质结限制层、第二包层、氧化限制层、第二分布布拉格反射镜、P电极以及N电极，其中，
所述有源区包括多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱；
所述N电极接触层的掺杂浓度高于所述衬底和所述第一分布布拉格反射镜的掺杂浓度；
所述N电极设置于所述N电极接触层上，形成所述N电极接触层的外延结构。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中：
所述衬底为非掺杂或具有N型掺杂的GaAs衬底，厚度为300～650μm；所述缓冲层为具有N型掺杂的GaAs层，厚度为300～700nm；所述衬底和所述缓冲层的掺杂浓度均为1×1018cm-3～3×1018cm-3；
所述N电极接触层为具有N型掺杂的GaAs材料，掺杂浓度为3×1018cm-3～10×1018cm-3，厚度为10-80nm；
所述氧化限制层具有P型掺杂，所述氧化限制层厚度为10～30nm。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中：
所述第一分布布拉格反射镜包括不同折射率的相互交替的半导体对叠层，所述半导体对为N型掺杂，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3；
所述第二分布布拉格反射镜包括不同折射率的相互交替的半导体对叠层和电接触层，所述半导体对叠层和所述电接触层均为P型掺杂，所述半导体对叠层的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，所述电接触层的掺杂浓度大于1×1019cm-3；
所述第一分布布拉格反射镜的半导体对叠层数大于所述第二分布布拉格反射镜的半导体对叠层数。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一包层为为N型掺杂，所述第二包层为P型掺杂；所述第一包层和所述第二包层均为铝组分渐变的AlxGaAs材料，其中，铝组分渐变值x为0.3～0.9。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述有源区包括多个层叠设置的不同宽度的压缩应变量子阱，每个所述量子阱的材料相同，均为InGaAs或InGaAsP，所述每个所述量子阱宽度为2～10nm；
所述每个所述量子阱之间具有厚度相同的势垒层，每个所述势垒层的材料相同，包括以下至少之一：AlGaAs、GaAsP、GaInP，所述每个所述势垒层的厚度为3～10nm。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一异质结限制层和所述第二异质结限制层的结构相同，所用材料为非掺杂材料，均与所述势垒层相同，或均采用能带带隙大于所述势垒层的材料；
所述第一异质结限制层和所述第二异质结限制层均用于限制载流子从所述量子阱中逃逸。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，还包括：钝化层，所述钝化层沉积于垂直腔面发射激光器的器件表面。
8.一种如权利要求1～7任一项所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括：
在衬底上依次生长缓冲层、N电极接触层以及第一分布布拉格反射镜；
在所述第一分布布拉格反射镜上依次生长第一包层、第一异质结限制层和设置有多个宽度不同的非均匀压缩应变量子阱的有源区；
在所述有源层上依次生长第二异质结限制层、第二包层、氧化限制层以及第二分布布拉格反射镜；
对所述第二分布布拉格反射镜、所述氧化限制层、所述第二包层、所述第二异质结限制层、所述有源层进行刻蚀，并过刻蚀到第一包层，形成圆柱形台体并露出所述第一包层部分表面；
对所述氧化限制层进行湿法氧化，制作出光电氧化限制层；
在所述第二分布布拉格反射镜的顶部的电接触层上制作P电极；
对所述第二分布布拉格反射镜组、所述氧化限制层、所述第二包层、所述第二异质结限制层、所述有源区、所述第一异质结限制层、所述第一包层、所述第一分布布拉格反射镜、所述N电极接触层进行刻蚀，并露出所述N电极接触层的部分表面，在所述露出的N电极接触层的部分表面制作N电极；
在所制备的垂直腔面发射激光器的器件表面沉积钝化层，并对所述钝化层进行反刻蚀，露出所述P电极和N电极的电极键合区域；
对所述衬底进行减薄，完成垂直腔面发射激光器的制备。
9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其中，每个所述量子阱的宽度选择包括：每个所述量子阱内的第一能级的电子空穴跃迁能量对应的波长与所述垂直腔面发射激光器的腔模波长的差值满足预设数值。
10.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其中，所述第一包层为N型掺杂，所述第二包层为P型掺杂；所述第一包层和第二包层的材料均为铝组分渐变的AlxGaAs材料，其中，铝组分渐变值x为0.3～0.9；
所述第一包层材料的铝组分的选择使所述第一包层在第一能带带隙端接近所述第一异质结限制层带隙，第二能带带隙端接近所述第一分布布拉格反射镜带隙；
所述第二包层材料的铝组分的选择使所述第二包层在第三能带带隙端接近所述第二异质结限制层带隙，第四能带带隙端接近所述氧化限制层的带隙。
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