CN113410757B - 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：衬底，在衬底上依次设置N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P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靠近量子阱的一侧设置氧化图案层，氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域，在接触层上形成环形凹槽，环形凹槽自接触层延伸至P型分布式布拉格反射镜内，且环形凹槽在氧化图案层上的正投影至少部分位于窗口区域内，并且在环形凹槽内填充导电材料，可以通过导电材料的设置限制P型分布式布拉格反射镜的反射光范围，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。
Description
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，为了改善光斑模态，通常缩小氧化孔进行改善，这导致电流密度上升，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，能够通过破坏部分DBR反射镜来改善光斑模态，同时避免增加发热量。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例的一方面，提供一种垂直腔面发射激光器，包括：衬底，在衬底上依次设置N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P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靠近量子阱的一侧设置氧化图案层，氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域，在接触层远离量子阱的一侧形成环形凹槽，环形凹槽自接触层延伸至P型分布式布拉格反射镜内，在环形凹槽内填充有导电材料，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，在接触层上设置第一电极层。
可选的，导电材料为金属材料。
可选的，在衬底的背面设置有第二电极层。
可选的，环形凹槽的厚度为0.1μm至4μm。
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：在衬底上依次形成N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P型分布式布拉格反射镜和接触层；依次刻蚀接触层和P型分布式布拉格反射镜以形成环形凹槽，其中，环形凹槽自接触层延伸至P型分布式布拉格反射镜内；在环形凹槽内填充导电材料；在P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，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。
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，在环形凹槽内填充导电材料之后，方法还包括：在接触层上形成第一电极层。
可选的，方法还包括：在衬底背面形成第二电极层。
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N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P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靠近量子阱的一侧设置氧化图案层，氧化图案层包括用于定义出射光束的窗口区域，在接触层远离量子阱的一侧形成环形凹槽，环形凹槽自接触层延伸至P型分布式布拉格反射镜内，且环形凹槽不与氧化图案层接触，且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，在环形凹槽内填充有导电材料，如此，可以通过导电材料的设置限制P型分布式布拉格反射镜的反射光范围，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，使其更接近理想的高斯模态。由于在环形凹槽内的填充材料为导电材料，因此，在改善光斑模态的同时，利用导电材料的导电特性，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。
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。
图标：100-衬底；110-N型分布式布拉格反射镜；120-量子阱；130-P型分布式布拉格反射镜；131-环形凹槽；140-接触层；150-金属材料；160-第一电极层；170-第二电极层；180-氧化图案层；200-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，如图7所示，包括：衬底100，在衬底100上依次设置N型分布式布拉格反射镜110、量子阱120和P型分布式布拉格反射镜130和接触层140，在P型分布式布拉格反射镜130靠近量子阱120的一侧设置氧化图案层180，氧化图案层180在P型分布式布拉格反射镜130上定义出射光束的窗口区域，在接触层140远离量子阱120的一侧形成环形凹槽131，环形凹槽131自接触层140延伸至P型分布式布拉格反射镜130内，在环形凹槽131内填充有导电材料，环形凹槽131在衬底100上的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底100上的正投影区域。
示例的，如图7所示，在衬底100上依次设置有N型分布式布拉格反射镜110、量子阱120、P型分布式布拉格反射镜130和接触层，其中，N型分布式布拉格反射镜110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130也可以参照N型分布式布拉格反射镜110进行合理设置。如此能够有效的提高出光光束的亮度。
在N型分布式布拉格反射镜110和P型分布式布拉格反射镜130之间设置的量子阱120，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120可以是单量子阱120，也可以是多量子阱120，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。
为了提高器件出射光束的质量，还可以使得P型分布式布拉格反射镜130靠近量子阱120的一侧设置氧化图案层180，氧化图案层180的形成可以是通过在P型分布式布拉格反射镜130靠近量子阱120的一侧设置过渡层，然后对其进行侧面氧化；也可以是利用P型分布式布拉格反射镜130自身结构通过侧面氧化进而在P型分布式布拉格反射镜130靠近量子阱120的一侧形成含有氧化物的高阻值限制区—氧化图案层180。为了使得P型分布式布拉格反射镜130能够通过氧化在靠近量子阱120的一侧形成氧化图案层180，可以使得P型分布式布拉格反射镜130包括多层，其中最为靠近量子阱120的一层的铝含量较高，以便于在氧化过程中形成对应的氧化图案层180。通过氧化图案层180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。
在接触层140远离量子阱120的一侧形成环形凹槽131，环形凹槽131的数量不做限制，例如可以是图3中的内环和外环两个环形凹槽131。可以通过刻蚀使得环形凹槽131自接触层140延伸至P型分布式布拉格反射镜130内，即环形凹槽131的底壁位于P型分布式布拉格反射镜130层内，且环形凹槽131的底壁不与氧化图案层180接触(导电材料或环形凹槽131与氧化图案层180之间还被P型分布式布拉格反射镜130层隔离)，且环形凹槽131在衬底100的正投影区域至少部分位于窗口区域在衬底100的正投影区域内，然后在环形凹槽131内填充导电材料，在环形凹槽131内形成环形导电层，如此，可以通过导电材料的设置限制P型分布式布拉格反射镜130的反射光范围，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，使其更接近理想的高斯模态。由于在环形凹槽131内的填充材料为导电材料，因此，在改善光斑模态的同时，利用导电材料的导电特性，避免增加电流密度，因此，可以避免增加发热量，便于实现器件的良好散热性能。
衬底100可以是砷化镓衬底100；N型分布式布拉格反射镜110的材料可以是铝镓砷，其元素组分配比可以是AlxGa(1-x)As；量子阱120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；P型分布式布拉格反射镜130的材料可以是铝镓砷，例如AlxGa(1-x)As。在直接对P型分布式布拉格反射镜130靠近量子阱120的一侧形成氧化图案层180时，可以通过侧面氧化工艺使得P型分布式布拉格反射镜130中的部分含铝组分被氧化形成氧化铝层，即氧化图案层180的材料为氧化铝，例如：Al2O3。
氧化图案层180形成的窗口区域可以是环形区域、圆形区域、方形区域等等多种形式。通过设置环形凹槽131以及在配合在环形凹槽131内填充导电材料，且环形凹槽131在衬底100的正投影部分位于窗口区域，可以配合导电材料的遮光性质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131所占据窗口区域内的投影面积。同时，由于环形凹槽131内的导电材料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131在衬底100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。
如图7所示，环形凹槽131可以是多个，多个环形凹槽131内径不同，形成大环套小环的布局方式，且相邻两个采用间隔设置的方式分布。当然在另一实施例中，如图8所示，环形凹槽131也可以是一个，即环形凹槽131在衬底100上的正投影区域覆盖氧化图案层180在衬底100上的正投影区域，即环形凹槽131包括两部分，第一部分在衬底100上的正投影则位于窗口区域在衬底100上的正投影内，如此使得在环形凹槽131的第一部分内填充的导电材料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100上的正投影则完全覆盖氧化图案层180在衬底100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。
可选的，如图7所示，还可以在接触层140上设置第一电极层160，为了使得器件能够有效出射光束，在第一电极层160上对应窗口区域的位置形成缺口，第一电极层160的缺口的边缘位置可以是与环形凹槽131的内缘上下对应，以便于形成缩小范围的出光通道。此外，第一电极层160还可以与环形凹槽131内的导电材料接触连接，如此，可以利用第一电极层160形成更好的散热效果，从而提升器件的性能。还可以在衬底100的背面设置第二电极层170，由第一电极层160和第二电极层170作为器件的正负电极，例如，将第一电极层160作为P型金属层，并将P型金属层作为正极，将第二电极层170作为N型金属层，并将N型金属层作为负极。
可选的，导电材料可以是金属材料150，例如铜、铝、金等。导电材料的填充工艺可以是通过蒸镀或电镀的方式形成。
可选的，环形凹槽的厚度为0.1μm至4μm，如此能够进一步的提高器件出光质量。
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：在衬底上依次形成N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P型分布式布拉格反射镜和接触层。
如图2所示，在衬底100上依次通过外延生长的方式形成N型分布式布拉格反射镜110、量子阱120、P型分布式布拉格反射镜130和接触层140，从而形成器件的基本结构。
S020：依次刻蚀接触层和P型分布式布拉格反射镜以形成环形凹槽，其中，环形凹槽自接触层延伸至P型分布式布拉格反射镜内。
在S010之后，如图3所示，通过光刻的方式，例如黄光刻蚀，即先在接触层140远离量子阱120的表面涂覆光刻胶200，通过曝光、显影在光刻胶200上打开环形开口，经过光刻在开口内先刻蚀接触层140，从而露出接触层140下方的P型分布式布拉格反射镜130，然后继续在开口内刻蚀P型分布式布拉格反射镜130并通过控制刻蚀深度使得P型分布式布拉格反射镜130未被刻通，从而在开口内形成穿透接触层140并延伸至P型分布式布拉格反射镜130内的环形凹槽131，形成第一预制器件结构。
S030：在环形凹槽内填充导电材料。
如图4所示，然后在上述第一预制器件结构基础上通过电镀或蒸镀的形式在环形凹槽131内填充导电材料，形成环形导电层，然后去除光刻胶200形成如图5所示的器件结构。
S040：在P型分布式布拉格反射镜图案层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，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。
如图7所示，通过氧化工艺使得在P型分布式布拉格反射镜130图案层靠近量子阱120的一侧形成氧化图案层180，例如：先对器件的周边区域进行光刻，例如黄光刻蚀，使得待氧化部分露出，然后通过侧面氧化，使得P型分布式布拉格反射镜130靠近量子阱120一侧的高含量铝层被氧化形成氧化图案层180。
通过氧化图案层180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。
如图7或图8所示，在P型分布式布拉格反射镜130相对的两侧表面分别形成环形凹槽131和氧化图案层180，且环形凹槽131和氧化图案层180不直接接触，即在环形凹槽131和氧化图案层180之间还具有一定厚度的P型分布式布拉格反射镜130，还需使得环形凹槽131的正投影区域至少部分位于窗口区域的正投影区域内，并且在环形凹槽131内填充导电材料，如此，可以通过导电材料的设置限制P型分布式布拉格反射镜130的反射光范围，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，使其更接近理想的高斯模态。由于在环形凹槽131内的填充材料为导电材料，因此，在改善光斑模态的同时，利用导电材料的导电特性，避免增加电流密度，因此，可以避免增加发热量，便于实现器件的良好散热性能。
如图7所示，环形凹槽131可以是多个，即多个环形凹槽131内径不同，以窗口区域为中心相互嵌套，且相邻两个采用间隔设置的方式分布。当然在另一实施例中，如图8所示，环形凹槽131也可以是一个，即环形凹槽131在衬底100上的正投影区域覆盖氧化图案层180在衬底100上的正投影区域，即环形凹槽131包括两部分，第一部分在衬底100上的正投影则位于窗口区域衬底100上的正投影内，如此使得在环形凹槽131的第一部分内填充的导电材料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100上的正投影则完全覆盖氧化图案层180在衬底100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。
可选的，如图5所示，在环形凹槽131内填充导电材料之后，方法还包括：如图6所示，在接触层140上形成第一电极层160，以使第一电极层160与环形凹槽131内的金属材料150连接，如此，可以利用第一电极层160形成更好的散热效果，从而提升器件的性能。还可以在衬底100的背面设置第二电极层170，由第一电极层160和第二电极层170作为器件的正负电极，例如，将第一电极层160作为P型金属层，并将P型金属层作为正极，将第二电极层170作为n型金属层，并将n型金属层作为负极。
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 (9)
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N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P型分布式布拉格反射镜和接触层，在所述P型分布式布拉格反射镜靠近所述量子阱的一侧设置氧化图案层，所述氧化图案层用于定义出射光束的窗口区域，在所述接触层远离所述量子阱的一侧形成环形凹槽，所述环形凹槽自所述接触层延伸至所述P型分布式布拉格反射镜内，在所述环形凹槽内填充有导电材料，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；所述导电材料为金属材料。
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第一电极层。
4.如权利要求1至3任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在所述衬底的背面设置有第二电极层。
5.如权利要求1至3任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述环形凹槽的厚度为0.1μm至4μm。
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：
在衬底上依次形成N型分布式布拉格反射镜、量子阱、P型分布式布拉格反射镜和接触层；
依次刻蚀所述接触层和所述P型分布式布拉格反射镜以形成环形凹槽，其中，所述环形凹槽自所述接触层延伸至所述P型分布式布拉格反射镜内；
在所述环形凹槽内填充导电材料，所述导电材料为金属材料；
在所述P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，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。
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所述的垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，在所述环形凹槽内填充导电材料之后，所述方法还包括：
在所述接触层上形成第一电极层。
9.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，所述方法还包括：在所述衬底背面形成第二电极层。
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