CN113258442B - 垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了垂直腔面发射激光器及其制备方法。该垂直腔面发射激光器包括：衬底、P型过渡层、第一布拉格反射镜、多重量子阱层、第二布拉格反射镜和负电极。该垂直腔面发射激光器的可靠性强、寿命长、发光效率高，且制备成本较低。

Description

垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体功率器件领域，具体而言，本发明涉及垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

随着VCSEL应用领域越来越广，垂直腔面发射激光器（VCSEL）对可靠性提出了更高的要求。当前提高VCSEL可靠性的主要方法是通过外延生长多层高铝材料，通过设计在VCSEL芯片用PECVD刻蚀出截面，通过湿法氧化工艺制备出Al₂O₃作为电流阻挡层。Al₂O₃为非晶结构，应力、热膨胀系数与周边材料不同，导致周边缺陷的引入，使得芯片可靠性下降，是该类VCSEL失效源之一。另外，该氧化工艺有诸多问题，例如需做首件氧化获取氧化速率，工艺重复性，氧化速率的工艺控制，氧化孔径的精准度等，工艺重复性差、成本较高。

由于氧化工艺的这些缺点，各种非氧化工艺也被逐渐应用到VCSEL中。目前，在VCSEL中，典型的非氧化工艺主要有3种。第一种是采用刻蚀的手段，通过直接在P型DBR中深度刻蚀，形成一个柱状结构，这种结构的刻蚀精度通常难以保证，另外刻蚀的柱状侧面晶体质量较差，粗糙度较高，会在侧面引入大量的缺陷，横向光散射和表面复合损耗严重，从而降低VCSEL性能；第二种是采用掩埋异质结结构，这种结构首先需要在P型DBR一侧较深位置刻蚀出一个台面，然后再通过二次外延生长一层低禁带宽度和低折射率的材料，来限制电流和光场的横向分布，其主要缺点是会引入额外的电压，影响VCSEL的光效，另外二次外延工艺也较为复杂；第三种是采用将质子注入到P型DBR中的手段，即通过高速离子将原子击离其晶格部位并产生半绝缘材料，形成导电通道，这种结构的缺点是，在横向上没有光学的折射率导引，会导致横向光损耗增加，降低器件连续工作的可靠性，另外，这种工艺也比较复杂，不易于量产。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出垂直腔面发射激光器及其制备方法。该垂直腔面发射激光器的可靠性强、寿命长、发光效率高，且制备成本较低。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种垂直腔面发射激光器。根据本发明的实施例，该垂直腔面发射激光器包括：衬底；P型过渡层，所述P型过渡层形成在所述衬底的至少部分表面；第一布拉格反射镜，所述第一布拉格反射镜形成在所述P型过渡层远离所述衬底的至少部分表面，所述第一布拉格反射镜为P型掺杂；多重量子阱层，所述多重量子阱层形成在所述第一布拉格反射镜远离所述P型过渡层的至少部分表面；第二布拉格反射镜，所述第二布拉格反射镜形成在所述多重量子阱层远离所述第一布拉格反射镜的至少部分表面；所述第二布拉格反射镜包括下层区、中心区和外围区，其中，所述下层区和所述中心区为N型掺杂，所述外围区为P型掺杂；负电极，所述负电极设在所述第二布拉格反射镜的上表面，且位于所述中心区和所述外围区的连接处。

根据本发明上述实施例的垂直腔面发射激光器中，第二布拉格反射镜的外围区为P型掺杂，而下层区和中心区为N型掺杂，N型区域下方形成反向P-N结，从而起到阻挡电流的作用，对电流进行导向。该反向P-N结为晶体结构，从而避免了传统垂直腔面发射激光器中电流限制层的使用，解决了传统垂直腔面发射激光器因使用氧化物电流限制层带来的缺陷问题，以及制备氧化物电流限制层的湿法氧化工艺所带来的诸多问题。由此，该垂直腔面发射激光器的可靠性强、寿命长、发光效率高，且制备成本较低。

另外，根据本发明上述实施例的垂直腔面发射激光器还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述衬底为导电衬底，所述衬底由掺杂的GaAs形成。

在本发明的一些实施例中，所述衬底为半绝缘衬底，不导电。

在本发明的一些实施例中，所述衬底为导电衬底，所述垂直腔面发射激光器进一步包括：正电极，所述正电极设在所述衬底上。

在本发明的一些实施例中，所述衬底为半绝缘衬底，所述垂直腔面发射激光器进一步包括：正电极，所述正电极设在所述P型过渡层上。

在本发明的一些实施例中，所述P型过渡层由GaAs材料形成。

在本发明的一些实施例中，所述下层区、所述中心区和所述外围区的光程厚度为λ/2的正整数倍，λ为所述垂直腔面发射激光器的波长。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述实施例的垂直腔面发射激光器的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供衬底，在所述衬底上依次形成P型过渡层、第一布拉格反射镜、多重量子阱层和N型掺杂的第二布拉格反射镜；在所述第二布拉格反射镜的上表面设置掩膜版；由上至下对所述第二布拉格反射镜进行P型杂质扩散，以便将所述第二布拉格反射镜的外围区转化为P型掺杂；或者，由上至下对所述第二布拉格反射镜进行刻蚀，然后在刻蚀区域形成P型布拉格反射镜；移除所述掩膜版，并在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极。

根据本发明上述实施例的制备垂直腔面发射激光器的方法，在衬底上依次形成P型过渡层、第一布拉格反射镜、多重量子阱层和N型掺杂的第二布拉格反射镜之后，通过对N型布拉格反射镜的部分进行传统的诸如Be、Mg、Zn扩散工艺来形成一个P型区，或者将N型布拉格反射镜的部分刻蚀后二次外延生长P型布拉格反射镜，可以将第二布拉格反射镜划分为N型掺杂的下层区和中心区，以及P型掺杂的外围区。其中，P型布拉格反射镜可通过二次生长形成，或者利用其他物性相近的P型半导体材料形成。由此，N型区域下方形成反向P-N结，从而起到阻挡电流的作用，对电流进行导向。该反向P-N结为晶体结构，从而避免了传统垂直腔面发射激光器中电流限制层的使用，解决了传统垂直腔面发射激光器因使用氧化物电流限制层带来的缺陷问题，以及制备氧化物电流限制层的湿法氧化工艺所带来的诸多问题。由此，该方法制备得到的垂直腔面发射激光器的可靠性强、发光效率高，且制备成本较低。

另外，根据本发明上述实施例的制备垂直腔面发射激光器的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述衬底为半绝缘衬底，所述方法进一步包括：通过刻蚀工艺刻蚀至P型过渡层，然后通过芯片工艺形成正电极。

在本发明的一些实施例中，所述衬底为导电衬底，所述方法进一步包括：通过刻蚀工艺刻蚀至衬底层，然后通过芯片工艺形成正电极。

在本发明的再一方面，本发明提出了一种制备上述实施例的垂直腔面发射激光器的另一种方法。根据本发明的实施例，该方法包括：提供衬底，在所述衬底上依次形成N型掺杂的第二布拉格反射镜、多重量子阱层、第一布拉格反射镜和P型过渡层，得到样品；移除所述衬底并将所述样品倒置，在所述P型过渡层的下表面形成正电极；在所述第二布拉格反射镜的上表面放置掩膜版；由上至下对所述第二布拉格反射镜进行P型杂质扩散，以便将所述第二布拉格反射镜的外围区从N型转化为P型；或者，由上至下对所述第二布拉格反射镜进行直接刻蚀，然后在刻蚀区域，形成P型布拉格反射镜；移除所述掩膜版，在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极。

根据本发明上述实施例的制备垂直腔面发射激光器的方法，在衬底上依次形成N型掺杂的第二布拉格反射镜、多重量子阱层、第一布拉格反射镜和P型过渡层后，通过金属剥离工艺（metallift-off technology）移除衬底并将样品倒置，使用banding技术在P型过渡层的一侧形成正电极，正电极可视作衬底。后续，通过对N型布拉格反射镜的部分进行传统的诸如Be、Mg、Zn扩散工艺来形成一个P型区，或者将N型布拉格反射镜的部分刻蚀后二次外延生长P型布拉格反射镜，可以将第二布拉格反射镜划分为N型掺杂的下层区和中心区，以及P型掺杂的外围区。其中，P型布拉格反射镜可通过二次生长形成，或者利用其他物性相近的P型半导体材料形成。由此，N型区域下方形成反向P-N结，从而起到阻挡电流的作用，对电流进行导向。该反向P-N结为晶体结构，从而避免了传统垂直腔面发射激光器中电流限制层的使用，解决了传统垂直腔面发射激光器因使用氧化物电流限制层带来的缺陷问题，以及制备氧化物电流限制层的湿法氧化工艺所带来的诸多问题。由此，该方法制备得到的垂直腔面发射激光器的可靠性强、发光效率高，且制备成本较低。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2是根据本发明再一个实施例的垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的制备垂直腔面发射激光器的方法流程图；

图4是根据本发明实施例的制备垂直腔面发射激光器的方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种垂直腔面发射激光器。参考图1，根据本发明的实施例，该垂直腔面发射激光器包括：衬底100、P型过渡层200、第一布拉格反射镜300、多重量子阱层400、第二布拉格反射镜500和负电极600。其中，P型过渡层200形成在衬底100的至少部分表面；第一布拉格反射镜300形成在P型过渡层200远离衬底100的至少部分表面，第一布拉格反射镜300为P型掺杂；多重量子阱层400形成在第一布拉格反射镜300远离P型过渡层200的至少部分表面；第二布拉格反射镜500形成在多重量子阱层400远离第一布拉格反射镜300的至少部分表面；第二布拉格反射镜500包括下层区510、中心区520和外围区530，其中，下层区510和中心区520为N型掺杂，外围区530为P型掺杂；负电极600设在第二布拉格反射镜500的上表面，且位于中心区520和外围区530的连接处。

根据本发明的一些实施例，衬底100可以为导电衬底，由掺杂的GaAs形成。例如，掺杂的GaAs可以由本征的GaAs添加III/V金属有机掺杂剂、Si等得到。

参考图1，当衬底100采用导电衬底时，正电极700是通过刻蚀工艺刻蚀至衬底层，然后通过芯片工艺形成正电极。

根据本发明的一些实施例，衬底100可以为半绝缘衬底，例如可以采用半绝缘GaAs材料，不导电。

参考图2，当衬底100采用半绝缘衬底时，正电极700是通过刻蚀工艺刻蚀至P型过渡层，然后通过芯片工艺形成正电极。

根据本发明的一些实施例，上述芯片工艺例如可以采用合金工艺，来实现电极的制作。

根据本发明的一些实施例，P型过渡层200由GaAs材料形成。

根据本发明的一些实施例，下层区510、中心区520和外围区530的光程厚度为λ/2的正整数倍，λ为垂直腔面发射激光器的波长，λ的取值范围可以为600~1000 nm，例如600nm、700 nm、800 nm、850 nm、900 nm、1000 nm等。当其光程厚度不满足λ/2整数倍时，难以形成干涉层，只有相位一致时，才能激射。另外，需要说明的是，在本发明的垂直腔面发射激光器中，多重量子阱层、负电极和正电极的具体材料并不受特别限制，可以采用本领域常用的用于多重量子阱层、负电极和正电极的材料。在本发明的制备垂直腔面发射激光器的方法中，器件的生长、外延、掺杂扩散、刻蚀等方法，可以采用本领域的常规方法。

综上所述，本发明提出的垂直腔面发射激光器制备方法，先生长其P型DBR，最后生长N型DBR，然后在N型DBR中采用传统的诸如Be、Mg、Zn扩散工艺来形成一个P型区，最终形成一个反向P-N结，从而起到阻挡电流的作用，对电流进行导向。这样一方面避免了传统垂直腔面发射激光器中氧化电流限制层的使用，解决了传统垂直腔面发射激光器因使用氧化物电流限制层带来的缺陷问题；另一方面避免了制备传统的非氧化物电流限制层引入的诸如二次外延等复杂工艺所带来的诸多问题。由此，本发明所提出的垂直腔面发射激光器的可靠性强、寿命长、发光效率高，且工艺简单，制备成本较低。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

垂直腔面发射激光器的制备流程如下：

（1）在导电衬底100上依次生长P型过渡层200、P型第一布拉格反射镜300、多重量子阱层400和N型第二布拉格反射镜500，如图3a所示；

（2）在N型第二布拉格反射镜的上表面放置一块掩膜版800，如图3b所示；

（3）由上至下对第二布拉格反射镜500进行传统的诸如Be、Mg、Zn扩散工艺来形成一个P型区，以便将第二布拉格反射镜500的外围区转化为P型掺杂，如图3c所示；

（4）移除掩膜版800，并在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极，通过刻蚀工艺刻蚀至衬底层100，然后通过芯片工艺形成正电极700，从而得到垂直腔面发射激光器，如图1所示。图1中，A为出光孔。

实施例2

垂直腔面发射激光器的制备流程如下：

（1）在半绝缘衬底100上依次生长P型过渡层200、P型第一布拉格反射镜300、多重量子阱层400和N型第二布拉格反射镜500，如图3a所示；

（2）在N型第二布拉格反射镜的上表面放置一块掩膜版800，如图3b所示；

（3）由上至下对第二布拉格反射镜500进行传统的诸如Be、Mg、Zn扩散工艺来形成一个P型区，以便将第二布拉格反射镜500的外围区转化为P型掺杂，如图3c所示；

（4）移除掩膜版800，并在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极600，通过刻蚀工艺刻蚀至P型过渡层200，然后通过芯片工艺形成正电极700，得到垂直腔面发射激光器，如图2所示。图2中，A为出光孔。

实施例3

垂直腔面发射激光器的制备流程如下：

（1）在衬底100上依次生长N型掺杂的第二布拉格反射镜500、多重量子阱层400、第一布拉格反射镜300和P型过渡层200，如图4a所示，

（2）通过金属剥离工艺移除衬底并将样品倒置，使用banding技术在P型过渡层200的一侧形成正电极700，如图4b所示；

（3）在N型第二布拉格反射镜的上表面放置一块掩膜版；

（4）由上至下对第二布拉格反射镜进行传统的诸如Be、Mg、Zn扩散工艺来形成一个P型区，以便将第二布拉格反射镜的外围区转化为P型掺杂；

（5）移除掩膜版，并在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极。

上述步骤（3）~（5）可参照实施例1和2中的相应的步骤，区别在于，不需要在形成负电极后再形成正电极。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种制备垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，

所述垂直腔面发射激光器包括：

衬底；

P型过渡层，所述P型过渡层形成在所述衬底的至少部分表面；

第一布拉格反射镜，所述第一布拉格反射镜形成在所述P型过渡层远离所述衬底的至少部分表面，所述第一布拉格反射镜为P型掺杂；

多重量子阱层，所述多重量子阱层形成在所述第一布拉格反射镜远离所述P型过渡层的至少部分表面；

第二布拉格反射镜，所述第二布拉格反射镜形成在所述多重量子阱层远离所述第一布拉格反射镜的至少部分表面；所述第二布拉格反射镜包括下层区、中心区和外围区，其中，所述下层区和所述中心区为N型掺杂，所述外围区为P型掺杂；

负电极，所述负电极设在所述第二布拉格反射镜的上表面，且位于所述中心区和所述外围区的连接处；

所述方法包括：

提供衬底，在所述衬底上依次形成P型过渡层、第一布拉格反射镜、多重量子阱层和N型掺杂的第二布拉格反射镜；

在所述第二布拉格反射镜的上表面放置掩膜版；

由上至下对所述第二布拉格反射镜进行P型杂质扩散，以便将所述第二布拉格反射镜的外围区从N型转化为P型；或者，由上至下对所述第二布拉格反射镜进行直接刻蚀，然后在刻蚀区域，形成P型布拉格反射镜；

移除所述掩膜版，在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为导电衬底，所述衬底为掺杂的GaAs。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器进一步包括：正电极，所述正电极设在所述衬底上。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为半绝缘衬底。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器进一步包括：正电极，所述正电极设在所述P型过渡层上。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述P型过渡层由GaAs材料形成。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的下层区、中心区和外围区的光程厚度为λ/2的正整数倍，λ为所述垂直腔面发射激光器的波长。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述衬底为导电衬底，所述方法进一步包括：通过刻蚀工艺刻蚀至衬底层，然后通过芯片工艺形成正电极。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述衬底为半绝缘衬底，所述方法进一步包括：通过刻蚀工艺刻蚀至P型过渡层，然后通过芯片工艺形成正电极。

10.一种制备垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，

所述垂直腔面发射激光器包括：

衬底；

P型过渡层，所述P型过渡层形成在所述衬底的至少部分表面；

第一布拉格反射镜，所述第一布拉格反射镜形成在所述P型过渡层远离所述衬底的至少部分表面，所述第一布拉格反射镜为P型掺杂；

多重量子阱层，所述多重量子阱层形成在所述第一布拉格反射镜远离所述P型过渡层的至少部分表面；

第二布拉格反射镜，所述第二布拉格反射镜形成在所述多重量子阱层远离所述第一布拉格反射镜的至少部分表面；所述第二布拉格反射镜包括下层区、中心区和外围区，其中，所述下层区和所述中心区为N型掺杂，所述外围区为P型掺杂；

负电极，所述负电极设在所述第二布拉格反射镜的上表面，且位于所述中心区和所述外围区的连接处；

所述方法包括：

提供衬底，在所述衬底上依次形成N型掺杂的第二布拉格反射镜、多重量子阱层、第一布拉格反射镜和P型过渡层，得到样品；

移除所述衬底并将所述样品倒置，在所述P型过渡层的下表面形成正电极；

在所述第二布拉格反射镜的上表面放置掩膜版；

由上至下对所述第二布拉格反射镜进行P型杂质扩散，以便将所述第二布拉格反射镜的外围区从N型转化为P型；或者，由上至下对所述第二布拉格反射镜进行直接刻蚀，然后在刻蚀区域，形成P型布拉格反射镜；

移除所述掩膜版，在所述第二布拉格反射镜上表面的中心区和外围区的连接处通过芯片工艺形成负电极。

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