CN113410756A - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，涉及半导体器件技术领域，包括：在P型分布式布拉格反射镜远离量子阱的一侧设置有环形凹槽，在N型分布式布拉格反射镜靠近量子阱的一侧设置有氧化图案层，氧化图案层定义出射光束的窗口区域，通过环形凹槽限制P型分布式布拉格反射镜的反射光范围，结合环形凹槽在衬底上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底上的正投影区域，达到缩小窗口区域出射光束的范围，改善出射光束在目标区域的光斑模态，使其更接近理想的高斯模态。在改善光斑模态的同时，还可以利用在环形凹槽内填充的导电层的导电特性避免增加电流密度，增加散热量，便于实现器件的良好散热性能。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器被用于许多需要高功率照明的成像应用中，垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其在低功率、高频等方面的优越性和制造上的优势，在众多半导体激光器中得到了广泛的应用。
现有VCSEL结构通常设置有氧化层，在氧化层上形成氧化孔以达到电流局限的效果，但是由于氧化孔内的电流密度不均匀，造成光斑模态不佳,因此，为了改善光斑模态，通常选择缩小氧化孔进行改善，导致电流密度上升，发热增加。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过破坏部分DBR反射镜来改善光斑模态,同时不造成发热量的增加。
为实现上述目的，本发明实施用的技术方案如下：
本发明实施例的一方面，提供一种垂直腔面发射激光器，衬底，在衬底上依次设置P型分布式布拉格反射镜、量子阱、N型分布式布拉格反射镜和接触层，在P型分布式布拉格反射镜远离量子阱的一侧形成有环形凹槽，在环形凹槽内填充有导电层，在N型分布式布拉格反射镜靠近量子阱的一侧设置有氧化图案层，氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域，环形凹槽在衬底上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底上的正投影区域内。
可选的，环形凹槽在衬底上的正投影区域覆盖氧化图案层在衬底上的正投影区域。
可选的，在接触层上设置有第一电极层，在衬底背面设置有第二电极层。
可选的，在衬底和导电层之间还设置有相互键合的第一金属层和第二金属层。
可选的，导电层为金层。
本发明实施例的另一方面，提供一种垂直腔面发射激光器制备方法，方法包括：在支撑结构上依次形成接触层、N型分布式布拉格反射镜、量子阱和P型分布式布拉格反射镜；在N型分布式布拉格反射镜靠近量子阱的一侧通过氧化形成氧化图案层，其中，氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域；通过光刻在P型分布式布拉格反射镜上形成环形凹槽，其中，环形凹槽在支撑结构上的正投影区域至少部分位于窗口区域在支撑结构上的正投影区域；在环形凹槽内填充导电层；在导电层上通过金属键合设置衬底；去除支撑结构。
可选的，环形凹槽在衬底上的正投影区域覆盖氧化图案层在衬底上的正投影区域。
可选的，在导电层上通过金属键合设置衬底包括：在导电层上形成第一金属层；在衬底上形成第二金属层；第一金属层和第二金属层相互键合。
可选的，在去除支撑结构之后，方法还包括：在接触层远离衬底的一侧形成有第一电极层；在衬底远离接触层的一侧形成有第二电极层。
可选的，导电层为金层。
本发明的有益效果包括：
本发明提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，包括：衬底，在衬底上依次设置P型分布式布拉格反射镜、量子阱、N型分布式布拉格反射镜和接触层，在N型分布式布拉格反射镜靠近量子阱的一侧设置有氧化图案层，氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域，在P型分布式布拉格反射镜远离量子阱的一侧设置有环形凹槽，在环形凹槽内填充有导电层，如此，便可以利用在P型分布式布拉格反射镜上形成环形凹槽来破坏P型分布式布拉格反射镜在环形凹槽位置处反射光束的能力，由此，可以通过环形凹槽的设置来限制P型分布式布拉格反射镜的反射光范围，结合环形凹槽在衬底上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底上的正投影区域，从而达到进一步缩小窗口区域出射光束的范围，改善出射光束在目标区域的光斑模态，使其更接近理想的高斯模态。在改善光斑模态的同时，还可以利用在环形凹槽内填充的导电层的导电特性避免增加电流密度，降低发热量，便于实现器件的良好散热性能。同时，由于导电层与衬底直接接触或间接接触，还可以进一步的增加器件的散热效果，以便于使得器件能够长时间的持续工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之一；
图3为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之二；
图4为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之三；
图5为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之四；
图6为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之五；
图7为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之六；
图8为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之七；
图9为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图之八。
图标：100-支撑结构；200-衬底；211-第一金属层；212-第二金属层；220-导电层；230-P型分布式布拉格反射镜；240-量子阱；250-N型分布式布拉格反射镜；251-氧化图案层；260-接触层；270-第一电极层；280-第二电极层；300-光刻胶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的各个特征可以相互结合，结合后的实施例依然在本发明的保护范围内。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例的一方面，提供一种垂直腔面发射激光器，包括：衬底200，在衬底200上依次设置P型分布式布拉格反射镜230、量子阱240、N型分布式布拉格反射镜250和接触层260，在P型分布式布拉格反射镜230远离量子阱240的一侧形成有环形凹槽，在环形凹槽内填充有导电层220，在N型分布式布拉格反射镜250靠近量子阱240的一侧设置有氧化图案层251，氧化图案层251用于定义出射光束的窗口区域，环形凹槽在衬底200上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底200上的正投影区域。
示例的，如图7所示，在衬底200上依次设置有P型分布式布拉格反射镜230、量子阱240和N型分布式布拉格反射镜250，其中，导电层220可以位于P型分布式布拉格反射镜230上靠近衬底200一侧的环形凹槽内，即在P型分布式布拉格反射镜230远离量子阱240的一侧开设环形凹槽，环形凹槽的底壁位于P型分布式布拉格反射镜230的层级内，环形凹槽的底壁不与量子阱240接触，然后将导电层220沉积于该环形凹槽内。形成的工艺顺序可以是正装：在衬底200上沉积导电层220并图案化，使得导电层220中间具有隔断区域，然后沉积P型分布式布拉格反射镜230，使得P型分布式布拉格反射镜230形成T形结构，然后在此基础上继续沉积量子阱240和N型分布式布拉格反射镜250；还可以是后续实施例中的转移衬底：即利用衬底转移的方式，形成上述结构。在本实施例中对其不做限制。
在P型分布式布拉格反射镜230上还可以设置量子阱240，可以用于受激辐射产生光束，进而通过分布式布拉格反射镜的高反射率作用形成高亮度的光束向外出射，进而在目标区域形成光斑。量子阱240可以是单量子阱240，也可以是多量子阱240，其能够使得器件具有更低的阀值、更高的量子效率、极好的温度特性和极窄的线宽。
在量子阱240上继续设置N型分布式布拉格反射镜250，N型分布式布拉格反射镜250可以是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。同理，P型分布式布拉格反射镜230也可以参照N型分布式布拉格反射镜250进行合理设置。如此能够有效的提高出光光束的亮度。
为了提高器件出射光束的质量，还可以使得N型分布式布拉格反射镜250靠近量子阱240的一侧设置氧化图案层251，氧化图案层251的形成可以是通过在N型分布式布拉格反射镜250靠近量子阱240的一侧设置过渡层，然后对其进行侧面氧化；也可以是利用N型分布式布拉格反射镜250自身结构通过侧面氧化进而在N型分布式布拉格反射镜250靠近量子阱240的一侧形成含有氧化物的高阻值限制区—氧化图案层251。为了使得N型分布式布拉格反射镜250能够通过氧化在靠近量子阱240的一侧形成氧化图案层251，可以使得N型分布式布拉格反射镜250包括多层，其中最为靠近量子阱240的一层的铝含量较高，以便于在氧化过程中该层更容易形成对应的氧化图案层251。通过氧化图案层251来对电流的分布区域进行限制，进而使得电流能够较为集中的由窗口区域进行导通，便于光束从窗口区域进行出射，如此，可以有效的减小器件的阈值电流和提高器件的电光转换效率。
导电层220的位置(也即环形凹槽的位置)和氧化图案层251所定义出的窗口区域的位置的上下对应关系，可以满足以下要求：环形凹槽在衬底200的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底200的正投影区域内，即沿垂直衬底200的方向，两个正投影区域至少部分相交，需要注意的是，为了保证器件的正常出光，应当使得器件具有一定的出光范围。如此，便可以利用在P型分布式布拉格反射镜上形成环形凹槽来破坏P型分布式布拉格反射镜在环形凹槽位置处反射光束的能力，由此，可以通过环形凹槽的设置来限制P型分布式布拉格反射镜的反射光范围，结合环形凹槽在衬底上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底上的正投影区域，便可以达到进一步缩小窗口区域出射光束的范围，改善出射光束在目标区域的光斑模态，使其更接近理想的高斯模态。在改善光斑模态的同时，在环形凹槽内设置有导电层220，还可以利用导电层220的导电特性避免增加电流密度，增加散热量，便于实现器件的良好散热性能。同时，由于导电层220与衬底200直接接触或间接接触，还可以进一步的增加器件的散热效果，以便于使得器件能够长时间的持续工作。
如图8所示，环形凹槽也可以是一个，即环形凹槽在衬底200上的正投影区域覆盖氧化图案层251在衬底200上的正投影区域，即环形凹槽包括两部分，第一部分在衬底200上的正投影则位于窗口区域在衬底200上的正投影内，如此使得在环形凹槽能够进一步的缩小窗口区域，提高器件的出光质量，同时，第二部分在衬底200上的正投影则完全覆盖氧化图案层251在衬底200上的正投影，如此，使得第二部分完全覆盖窗口区域以外的所有区域，进而使得器件具有较好的出光质量。当然在另一种实施例中，如图9所示，环形凹槽还可以是多个，多个环形凹槽采用大环套小环来间隔设置。
衬底200可以是硅衬底200；导电层220可以是金属层，例如金层、铜层等等。P型分布式布拉格反射镜230的材料可以是铝镓砷，例如AlxGa(1-x)As。量子阱240的材料可以是铝镓砷和铟镓砷形成的异质结结构，例如InxGa(1-x)As/AlxGa(1-x)As。N型分布式布拉格反射镜250的材料可以是铝镓砷，其元素组分配比可以是AlxGa(1-x)As。氧化图案层251的材料为氧化铝，例如：Al2O3。
氧化图案层251定义出的窗口区域可以是圆形区域、方形区域、三角形区域等等。通过设置环形凹槽并结合在环形凹槽在垂直衬底方向上遮盖部分窗口区域，可以使得器件的实际出光区域由原本的窗口区域进一步减小至缩小区域，缩小区域的面积等于窗口区域面积减去环形凹槽所覆盖的窗口区域的面积。同时，由于环形凹槽内的导电层220能够导通电流也可以避免电流密度上升导致发热增加的问题。
环形凹槽在衬底200形成的正投影部分位于窗口区域，位于窗口区域内的形状可以是环形，且环形的中心可以与窗口区域的中心重合，以便于实现均匀缩小出光范围，从而能够获得更好的光斑模态。
可选的，如图7所示，为便于进一步的完善器件的基本层级结构，还可以在N型分布式布拉格反射镜250上设置有接触层260，接触层260可以是N型接触层260。
如图8所示，在接触层260上设置有第一电极层270，在衬底200背面设置有第二电极层280，其中，由于器件的出光方向为垂直衬底200沿远离衬底200的方向，因此，在第一电极层270进行设置时，应当在上下对应与窗口区域或实际出光区域设置缺口，例如，第一电极层270为中空的环形。还可以在衬底200的背面设置第二电极层280，由第一电极层270和第二电极层280形成器件的正负电极，例如，将第一电极层270作为N型金属层，并将N型金属层作为负极，将第二电极层280作为P型金属层，并将P型金属层作为负极。同时，由于导电层220位于衬底200上，且衬底200背面设置第二电极层280，因此利用热传导性，可以有效的将内部热量向外传输，从而提高器件的散热能力。
可选的，为便于提高导电层220和衬底200连接的可靠性，还可以在衬底200和导电层220之间设置有第一金属层211和第二金属层212，即利用键合工艺将第一金属层211和第二金属层212键合，使得衬底200与导电层220固定，从而提高器件的稳定性。
本发明实施例的另一方面，如图1所示，提供一种垂直腔面发射激光器制备方法，方法包括：
S010：在支撑结构上依次形成接触层、N型分布式布拉格反射镜、量子阱和P型分布式布拉格反射镜。
如图2所示，以支撑结构100作为临时衬底200，在支撑结构100上通过外延生长依次形成接触层260、N型分布式布拉格反射镜250、量子阱240和P型分布式布拉格反射镜230，构成器件的基础结构。
S020：在N型分布式布拉格反射镜靠近量子阱的一侧通过氧化形成氧化图案层，其中，氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域。
如图2所示，为了提高器件的出光质量，还可以在N型分布式布拉格反射镜250靠近量子阱240的一侧通过氧化形成氧化图案层251，由于氧化图案层251的高阻特性，电流在沿垂直衬底200方向流动时，会由于电阻的特性优先从没被氧化图案层251覆盖的区域流过，从而在器件的出光方向上定义出出射光束的窗口区域。在氧化时，可以是先对器件的桌边区域进行光刻，使得需要氧化的部分露出，通过侧面氧化的方式，使得N型分布式布拉格反射镜250靠近量子阱240一侧的高含量铝层被氧化形成氧化图案层251。
S030：通过光刻在P型分布式布拉格反射镜上形成环形凹槽，其中，环形凹槽在支撑结构上的正投影区域至少部分位于窗口区域在支撑结构上的正投影区域。
在S010之后，通过光刻的方式，例如黄光刻蚀，如图2所示，即先在P型分布式布拉格反射镜230远离量子阱240的表面涂覆光刻胶300，通过曝光、显影在光刻胶300上打开环形开口，如图3所示，经过光刻在P型分布式布拉格反射镜230未被光刻胶300图案覆盖的区域形成环形凹槽，便可以利用在P型分布式布拉格反射镜上形成环形凹槽来破坏P型分布式布拉格反射镜在环形凹槽位置处反射光束的能力，由此，可以通过环形凹槽的设置来限制P型分布式布拉格反射镜的出光范围，结合环形凹槽在衬底上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底上的正投影区域，从而达到进一步缩小窗口区域出射光束的范围，使得器件最终出射光束的范围更加集中，改善出射光束在目标区域的光斑模态。S020和S030可以按照实际需求合理设置工艺顺序，本申请对其不做限定。
S040：在环形凹槽内填充导电层。
如图3所示，然后在S030得到的结构得基础上通过电镀或蒸镀的形式在环形凹槽内形成导电层220，如图4所示，然后去除光刻胶300图案。
S050：在导电层上通过金属键合设置衬底。
如图5所示，通过金属键合的方式在导电层220上键合设置衬底200，形成图6所示的器件结构，如此，能够便于在P型分布式布拉格反射镜230远离量子阱240的一侧形成环形凹槽。
S060：去除支撑结构。
如图7所示，可以采用剥离的方式去掉支撑结构100。
如图8所示，环形凹槽也可以是一个，即环形凹槽在衬底200上的正投影区域覆盖氧化图案层251在衬底200上的正投影区域，即环形凹槽包括两部分，第一部分在衬底200上的正投影则位于窗口区域在衬底200上的正投影内，如此使得在环形凹槽能够进一步的缩小窗口区域，提高器件的出光质量，同时，第二部分在衬底200上的正投影则完全覆盖氧化图案层251在衬底200上的正投影，如此，使得第二部分完全覆盖窗口区域以外的所有区域，进而改善光斑模态。当然在另一种实施例中，如图9所示，环形凹槽还可以是多个，多个环形凹槽采用大环套小环来间隔设置。
可选的，如图5和图6所示，在导电层220上形成第一金属层211，在衬底200上也形成第二金属层212，将第一金属层211和第二金属层212键合在一起，如此，可以使得衬底200通过键合后的第一金属层211和第二金属层212与导电层220进行连接，有效的提高衬底200与导电层220连接的稳定性和可靠性。键合的方式可以是低温键合，利用金属的特性，即易键合，且键合后的键合性较好，故第一金属层211和第二金属层212可以是金属层，例如金等。
可选的，如图8所示，在去除支撑结构100之后，方法还包括：在接触层260远离衬底200的一侧形成有第一电极层270；在衬底200远离接触层260的一侧形成有第二电极层280。其中，由于器件的出光方向为垂直衬底200沿远离衬底200的方向，因此，在第一电极层270进行设置时，应当在上下对应与窗口区域或实际出光区域设置缺口，例如，第一电极层270为中空的环形。还可以在衬底200的背面设置第二电极层280，由第一电极层270和第二电极层280形成器件的正负电极，例如，将第一电极层270作为N型金属层，并将N型金属层作为负极，将第二电极层280作为P型金属层，并将P型金属层作为负极。同时，由于导电层220位于衬底200上，且衬底200背面设置第二电极层280，因此利用热传导性，可以有效的将内部热量向外传输，从而提高器件的散热能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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，其特征在于，包括：衬底，在所述衬底上依次设置的P型分布式布拉格反射镜、量子阱、N型分布式布拉格反射镜、接触层，在所述P型分布式布拉格反射镜远离所述量子阱的一侧形成有环形凹槽，在所述环形凹槽内填充导电层，在所述N型分布式布拉格反射镜靠近所述量子阱的一侧设置有氧化图案层，所述氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域，所述环形凹槽在所述衬底上的正投影区域至少部分位于所述窗口区域在所述衬底上的正投影区域内。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述环形凹槽在所述衬底上的正投影区域覆盖所述氧化图案层在所述衬底上的正投影区域。
3.如权利要求1或2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在所述接触层上设置有第一电极层，在所述衬底背面设置有第二电极层。
4.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在所述衬底和所述导电层之间还设置有相互键合的第一金属层和第二金属层。
5.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述导电层为金层。
6.一种垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在支撑结构上依次形成接触层、N型分布式布拉格反射镜、量子阱和P型分布式布拉格反射镜；
在所述N型分布式布拉格反射镜靠近所述量子阱的一侧通过氧化形成氧化图案层，其中，所述氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域；
通过光刻在所述P型分布式布拉格反射镜上形成环形凹槽，其中，所述环形凹槽在所述支撑结构上的正投影区域至少部分位于所述窗口区域在所述支撑结构上的正投影区域；
在所述环形凹槽内填充导电层；
在所述导电层上通过金属键合设置衬底；
去除所述支撑结构。
7.如权利要求6所述的垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，所述环形凹槽在所述衬底上的正投影区域覆盖所述氧化图案层在所述衬底上的正投影区域。
8.如权利要求6或7所述的垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，所述在所述导电层上通过金属键合设置衬底包括：
在所述导电层上形成第一金属层；
在所述衬底上形成第二金属层；
所述第一金属层和所述第二金属层相互键合。
9.如权利要求6或7所述的垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，在所述去除所述支撑结构之后，所述方法还包括：
在所述接触层远离所述衬底的一侧形成有第一电极层；
在所述衬底远离所述接触层的一侧形成有第二电极层。
10.如权利要求6或7所述的垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，所述导电层为金层。
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