CN113422292B - 一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，包括：衬底；第一反射层，设置在所述衬底上；有源层，设置在所述第一反射层上；第二反射层，设置在所述有源层上，所述第二反射层内包括出光区和非出光区；第一凹槽阵列，设置在所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；绝缘层，设置在所述第二反射层上，且填充所述第一凹槽阵列；第一电极，设置在所述绝缘层上，位于所述出光区上，连接所述第二反射层；第二电极，设置在所述衬底的底部。本发明提出的垂直腔面发射激光器可以提高调制带宽。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)通常由一对反射镜来表征，该反射镜通常指分布布拉格反射镜(DBR)，光谐振腔位于该一对反射镜之间。整个结构可以通过被称为有机金属气相外延法的工艺在衬底晶片上形成。光谐振腔通常还包括间隔层和有源区。有源区通常包括一个或多个量子阱。量子阱通常包括夹在一对相邻的阻挡层之间的量子阱层。量子阱是载流子(也就是电子和空穴)注入到其中的层。电子和空穴在量子阱中复合，并以量子阱中的材料层所确定的波长发射光。量子阱层通常包含低能带隙半导体材料，而阻挡层通常具有比量子阱层的能带隙高的能带隙。以此方式，当器件被正向偏压时，电子和空穴被注入并被俘获在量子阱层中，然后复合而发射特定波长的相干光。由于载流子-光子振荡频率的限制，导致该激光器的调制带宽较低，例如调制带宽小于30GHz，无法将该激光器应用于速率更高的光通信中。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种垂直腔面发射激光器，通过在出光区的一侧设置耦合光栅，从而在出光区内形成光子-光子耦合共振，从而提高该激光器的调制带宽。

为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种垂直腔面发射激光器，包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上，所述第二反射层内包括出光区和非出光区；

第一凹槽阵列，设置在所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；

绝缘层，设置在所述第二反射层上，且填充所述第一凹槽阵列；

第一电极，设置在所述绝缘层上，位于所述出光区上，连接所述第二反射层；

第二电极，设置在所述衬底的底部。

进一步地，所述第一凹槽阵列包括多个第一凹槽，所述第一凹槽竖直设置在所述第二反射层内。

进一步地，多个所述第一凹槽的深度相同或不同，且多个所述第一凹槽与所述有源层之间具有预设距离。

进一步地，多个所述第一凹槽的宽度相同或不同。

进一步地，所述出光区内的部分激光束水平耦合至所述非出光区内，以在所述非出光区内形成水平反馈。

进一步地，所述出光区内包括竖直反馈。

进一步地，所述水平反馈进入所述出光区内，所述水平反馈与所述竖直反馈形成光子-光子耦合共振。

进一步地，还包括第二凹槽阵列，所述第一凹槽阵列与所述第二凹槽阵列相对设置或相邻设置。

进一步地，本发明还提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

提供一衬底；

形成第一反射层于所述衬底上；

形成有源层于所述第一反射层上；

形成第二反射层于所述有源层上，所述第二反射层包括出光区和非出光区；

形成第一凹槽阵列于所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；

形成绝缘层于所述第二反射层上，所述绝缘层填充所述第一凹槽阵列；

形成第一电极于所述绝缘层上，所述第一电极位于所述出光区上，且连接所述第二反射层；

形成第二电极于所述衬底的底部。

进一步地，本发明还提出一种激光设备，包括：

基板；

至少一垂直腔面发射激光器，设置在所述基板上，所述垂直腔面发射激光器包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上，所述第二反射层内包括出光区和非出光区；

第一凹槽阵列，设置在所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；

绝缘层，设置在所述第二反射层上，且填充所述第一凹槽阵列；

第一电极，设置在所述绝缘层上，位于所述出光区上，连接所述第二反射层；

第二电极，设置在所述衬底的底部。

综上所述，本发明提出一种层垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，本发明首先在衬底上依次形成第一反射层，有源层和第二反射层，然后通过刻蚀工艺在第二反射层上形成第一凹槽阵列，由此可以将该第二反射层分成出光区和非出光区，第一凹槽阵列位于非出光区内；然后第二反射层上形成绝缘层，同时绝缘层还填充该第一凹槽阵列。当绝缘层填充在第一凹槽阵列内时，从而形成了耦合光栅或水平光栅。在形成耦合光栅之后，还在绝缘层上形成第一电极，第一电极同时连接第二反射层；同时还在衬底的底部形成第二电极。当对第一电极和第二电极施加电流时，出光区内会形成竖直反馈，同时出光区内的部分激光束会水平耦合至非出光区内，同时由于耦合光栅和水平光栅的作用，会在非出光区内形成水平反馈，当水平反馈耦合至出光区内时，水平反馈会与竖直反馈形成光子-光子耦合共振，从而可以提高该激光器的调制带宽，因此该激光器可以应用于高速光通信中。

综上所述，本发明中第一凹槽阵列位于非出光区内，也就是位于出光区的至少一侧。第一凹槽阵列可以包括多个第一凹槽，这些第一凹槽的深度可以相同或不同，当然，这些第一凹槽的深度与有源层之间还具有预设距离。当然，在本发明还可以在出光区内的一侧设置第二凹槽阵列，第二凹槽阵列可以与第一凹槽阵列相对设置或相邻设置，从而再次在出光区的一侧形成耦合光栅，从而可以提高该激光器的调制带宽。

附图说明

图1：本发明中垂直腔面发射激光器的制造方法流程图。

图2：本发明中步骤S1-S4对应的结构图。

图3A：本发明中步骤S5对应的结构图。

图3B：本发明中电流限制层的示意图。

图4：本发明中步骤S6对应的结构图。

图5：本发明中步骤S7对应的结构图。

图6：本发明中图5的俯视图。

图7：本发明中图6的另一俯视图。

图8：本发明中图6的另一俯视图。

图9：本发明中第一耦合光栅的另一示意图。

图10：本发明中第一耦合光栅的另一示意图。

图11：本发明中第一耦合光栅的另一示意图。

图12：本发明中激光设备的结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，该制造方法可以提高垂直腔面发射激光器的调制带宽，从而可以将激光器应用于高速光通信中。

如图1所示，本实施例提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：

S1：提供一衬底；

S2：形成第一反射层于所述衬底上；

S3：形成有源层于所述第一反射层上；

S4：形成第二反射层于所述有源层上；

S5：形成第一凹槽阵列于所述第二反射层内；

S6：形成绝缘层于所述第二反射层和第一凹槽阵列内；

S7：形成第一电极于所述绝缘层上，以及形成第二电极于所述衬底的底部。

如图2所示，在步骤S1-S4中，首先提供一衬底101，然后在衬底101形成第一反射层102，在第一反射层102上形成有源层103，在有源层103上形成第二反射层104，在本实施例中，将第一反射层102，有源层103及第二反射层104定义为外延结构。在本实施例中，该衬底101可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)。衬底101可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，掺杂可以降低后续形成的电极与半导体衬底之间欧姆接触的接触电阻，在本实施例中，该衬底101例如为N型掺杂半导体衬底。

如图2所示，在本实施例中，第一反射层102可由例如包括AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，该第一反射层102可以为N型反射镜，该第一反射层102可以为N型的布拉格反射镜。有源层103包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs，或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层103用以将电能转换为光能。第二反射层104可包括由AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，第二反射层104可以为P型反射镜，第二反射层104可以为P型的布拉格反射镜。第一反射层102和第二反射层104用于对有源层103产生的光线进行反射增强，然后从第二反射层104的表面射出。

如图2所示，可通过例如化学气相沉积的方法形成第一反射层102，有源层103及第二反射层104。在一些实施例中，在衬底101和第一反射层102中间还形成有缓冲层，以有效释放衬底101和第一反射层102之间的应力及位错过滤。在一些实施例中，第一反射层102，有源层103和第二反射层104的厚度总和在8-10微米。

如图2所示，在一些实施例中，衬底101可以是蓝宝石衬底或其他材料衬底，或者至少衬底101的顶面由硅，砷化镓，硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物中的一种组成。第一反射层102或第二反射层104包括一系列不同折射率材料的交替层，其中每一交替层的有效光厚度(该层厚度乘以该层折射率)是四分之一垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍，即每一交替层的有效光厚度为垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍的四分之一。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适介电材料包括钽氧化物，钛氧化物，铝氧化物，钛氮化物，氮硅化物等。用于形成第一反射层102或第二反射层104交替层的合适半导材料包括镓氮化物，铝氮化物和铝镓氮化物。然不限于此，在一些实施例中，第一反射层102和第二反射层104也可由其他的材料所形成。该有源层103可以包括一个或多个氮化物半导体层，该半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。

如图3A-图3B所示，图3A可以为图3B在A-A方向的剖面图。在步骤S5中，在形成第二反射层104之后，然后对第二反射层104，有源层103和第一反射层103进行刻蚀，直至暴露出衬底101，从而在该外延结构的一侧形成凹部105。在形成凹部105之后，然后通过对第二反射层104的局部进行离子注入，从而在第二反射层104内形成电流限制层1051(图3B中的阴影区域)。从图3A-图3B中可以看出，电流限制层1051位于第二反射层104的左侧区域内，形成一个环状结构，因此还可以将该环状区域定义为出光区，或者说出光区可以位于环状区域内。在形成电流限制层1051之后，还包括仅对第二反射层104进行刻蚀，从而在第二反射层104内形成多个第一凹槽106，也就是在第二反射层104内形成第一凹槽阵列。从图3A中可以看出，这些第一凹槽106未暴露出有源层103，也就是说第一凹槽106与有源层103之间还具有预设距离。这些第一凹槽106的深度是相同的，当然也可以设置不同深度的第一凹槽106。第一凹槽106的深度例如为200纳米；这些第一凹槽106的宽度是相同的，当然也可以设置不同的宽度。第一凹槽106的宽度例如为2微米。从图3A中可以看出，第一凹槽106竖直设置在第二反射层104内。同时由于第一凹槽阵列的存在，本实施例将该第二反射层104分成出光区和非出光区。在本实施例中，电流限制层1051位于第一凹槽106的左侧，也就是非出光区位于电流限制层1051的右侧，非出光区的内的水平反馈可以通过电流限制层1051进入出光区内，从而与出光区内的竖直反馈耦合，提高激光器的调制带宽。

如图4所示，在步骤S6中，在形成第一凹槽阵列之后，然后在第二反射层104上形绝缘层108。绝缘层108还沿着凹部105的侧壁延伸至衬底101上。当在第二反射层104上形成绝缘层108之后，然后在通过刻蚀工艺移除部分绝缘层108，也就是暴露出部分第二反射层104，从而在第二反射层104上形成开口108，开口108可以使得第一电极连接第二反射层104。需要说明的是，开口108可以位于出光区内。在本实施例中，绝缘层108同时还填充在第一凹槽106内，当绝缘层108位于第一凹槽106内时，也就是在第二反射层104内形成耦合光栅或者水平光栅，该水平光栅或者耦合光栅也就是位于非出光区内，当出光区内的激光束水平耦合至非出光区内时，水平光栅会对该激光束进行作用，从而形成水平反馈。该绝缘层108的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘材料，该绝缘层108的厚度可在100-300nm，

如图5所示，在步骤S7中，在形成绝缘层107之后，然后在第二反射层104上形成第一电极109，第一电极109可以位于出光区内，第一电极109同时还通过开口与第二反射层104连接。第一电极109位于绝缘层108上，即第一电极109与第二反射层104之间还存在绝缘层107。在本实施例中，在衬底101的底部还形成有第二电极110，第一电极109和第二电极110。在本实施例中，第一电极109例如为P型电极，第一电极109例如为阳极，第二电极110例如为N型电极，第二电极110例如为阴极。第一电极109的材料可以包括Au金属、Ag金属、Pt金属、Ge金属、Ti金属及Ni金属中的一种或组合，第二电极110的材料可以包括Au金属、Ag金属、Pt金属、Ge金属、Ti金属及Ni金属中的一种或组合。

如图5-图6所示，图6显示为图5的俯视图。由于在第二反射层104内形成了耦合光栅或者水平光栅，同时在第二反射层104上形成了第一电极109，因此将第二反射层104分成出光区和非出光区。第一电极109可以位于出光区内，出光区的一侧可以定义为非出光区。当通过第一电极109和第二电极110为该激光器通入电流时，出光区内的光子会形成竖直反馈(Y方向)，然后形成的激光束从第一电极109内的区域垂直出射；当然还有另一部分的激光束(光子)会水平耦合至非出光区内，由于非出光区内具有耦合光栅，耦合光栅会对这些激光束进行作用，从而在非出光区内形成水平反馈(X方向)。当非出光区内的水平反馈耦合至出光区内的竖直反馈时，会形成光子-光子耦合共振，从而提高了该激光器的调制带宽，例如将该激光器的调制带宽提升至50-200GHz，从而可以将该激光器应用于高速光通信中。

如图6-图8所示，图6显示为在出光区的一侧形成多个第一凹槽106，然后在第一凹槽106填充绝缘层107，从而形成第一耦合光栅。第一耦合光栅位于非出光区内，第一耦合光栅可以对该激光器起到单边反馈的作用。图7显示为在出光区的两侧均形成多个第一凹槽106，然后在第二凹槽106内填充绝缘层107，从而在出光区的两侧形成第一耦合光栅，从而对该激光器起到双边反馈的作用。图8显示为在出光区的四个方向上均形成不同的耦合光栅，例如在X1方向上形成多个第一凹槽106，从而在X1方向上形成第一耦合光栅；例如在X2方向上形成多个第二凹槽1061，从而在X2方向上形成第二耦合光栅；例如在Y1方向上形成多个第三凹槽1062，从而在Y1方向上形成第三耦合光栅；例如在Y2方向上形成多个第四凹槽1063，从而在Y2方向上形成第四耦合光栅。第一耦合光栅，第二耦合光栅，第三耦合光栅和第四耦合光栅可以为相同或不同的耦合光栅。同时由于第一耦合光栅，第二耦合光栅，第三耦合光栅和第四耦合光栅，从而对该激光器起到四边反馈的作用。当然，在一些实施例中，还可以在出光区的周围形成三边耦合光栅或无边耦合光栅或六边耦合光栅。

如图3A和图9所示，图3A中第一凹槽106的深度是相同的，图9中第一凹槽106的深度是不同的，因此当在第一凹槽106内沉积绝缘层107时，从而形成第一耦合光栅。由于第一耦合光栅中光栅的深度不同，因此可以提高水平反馈的作用。

如图3A和图10所示，图3A中第一凹槽106的周期是不变的，图10中第一凹槽106的周期是变化的，例如在远离出光区的方向上，第一凹槽106的周期逐渐变小或者逐渐增大。因此挡在第一凹槽106内沉积绝缘层107时，从而形成周期变化的第一耦合光栅，由于第一耦合光栅中光栅的周期发生变化，从而可以提高水平反馈的作用。

如图3A和图11所示，图3A中第一凹槽106竖直设置在第二反射层104内，图11中第一凹槽106倾斜设置在第二反射层104内，因此当在第一凹槽106内沉积绝缘层107时，从而形成第一耦合光栅。由于第一耦合光栅中光栅的倾斜的，从而可以提高水平反馈的作用。

如图12所示，本实施例还提出一种激光设备200，该激光设备200可以包括基板201和垂直腔面发射激光器202。垂直腔面发射激光器202可以设置在基板201上，该基板201可以为PCB电路板，在该基板201上还可以设置更多个垂直腔面发射激光器202。该垂直腔面发射激光器202的结构可以参阅上述描述。该激光设备200例如为激光雷达，该激光设备200可以应用于高速光通信中。

综上所述，本发明提出一种层垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，本发明首先在衬底上依次形成第一反射层，有源层和第二反射层，然后通过刻蚀工艺在第二反射层上形成第一凹槽阵列，由此可以将该第二反射层分成出光区和非出光区，第一凹槽阵列位于非出光区内；然后第二反射层上形成绝缘层，同时绝缘层还填充该第一凹槽阵列。当绝缘层填充在第一凹槽阵列内时，从而形成了耦合光栅或水平光栅。在形成耦合光栅之后，还在绝缘层上形成第一电极，第一电极同时连接第二反射层；同时还在衬底的底部形成第二电极。当对第一电极和第二电极施加电流时，出光区内会形成竖直反馈，同时出光区内的部分激光束会水平耦合至非出光区内，同时由于耦合光栅和水平光栅的作用，会在非出光区内形成水平反馈，当水平反馈耦合至出光区内时，水平反馈会与竖直反馈形成光子-光子耦合共振，从而可以提高该激光器的调制带宽，因此该激光器可以应用于高速光通信中。

综上所述，本发明中第一凹槽阵列位于非出光区内，也就是位于出光区的至少一侧。第一凹槽阵列可以包括多个第一凹槽，这些第一凹槽的深度可以相同或不同，当然，这些第一凹槽的深度与有源层之间还具有预设距离。当然，在本发明还可以在出光区内的一侧设置第二凹槽阵列，第二凹槽阵列可以与第一凹槽阵列相对设置或相邻设置，从而再次在出光区的一侧形成耦合光栅，从而可以提高该激光器的调制带宽。

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所述发明构思的情况下，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。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上，所述第二反射层内包括出光区和非出光区；

电流限制层，位于所述第二反射层的一侧区域内，且将所述电流限制层所在区域定义为所述出光区；

第一凹槽阵列，设置在所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；

绝缘层，设置在所述第二反射层上，且填充所述第一凹槽阵列；

第一电极，设置在所述绝缘层上，位于所述出光区上，连接所述第二反射层；

第二电极，设置在所述衬底的底部。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一凹槽阵列包括多个第一凹槽，所述第一凹槽竖直设置在所述第二反射层内。

3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，多个所述第一凹槽的深度相同或不同，且多个所述第一凹槽与所述有源层之间具有预设距离。

4.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，多个所述第一凹槽的宽度相同或不同。

5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述出光区内的部分激光束水平耦合至所述非出光区内，以在所述非出光区内形成水平反馈。

6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述出光区内包括竖直反馈。

7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述水平反馈进入所述出光区内，所述水平反馈与所述竖直反馈形成光子-光子耦合共振。

8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括第二凹槽阵列，所述第一凹槽阵列与所述第二凹槽阵列相对设置或相邻设置。

9.一种垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

形成第一反射层于所述衬底上；

形成有源层于所述第一反射层上；

形成第二反射层于所述有源层上，所述第二反射层包括出光区和非出光区；

形成在电流限制层于所述第二反射层的一侧区域内，且将所述电流限制层所在区域定义为所述出光区；

形成第一凹槽阵列于所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；

形成绝缘层于所述第二反射层上，所述绝缘层填充所述第一凹槽阵列；

形成第一电极于所述绝缘层上，所述第一电极位于所述出光区上，且连接所述第二反射层；

形成第二电极于所述衬底的底部。

10.一种激光设备，其特征在于，包括：

基板；

至少一垂直腔面发射激光器，设置在所述基板上，所述垂直腔面发射激光器包括：

衬底；

第一反射层，设置在所述衬底上；

有源层，设置在所述第一反射层上；

第二反射层，设置在所述有源层上，所述第二反射层内包括出光区和非出光区；

电流限制层，位于所述第二反射层的一侧区域内，且将所述电流限制层所在区域定义为所述出光区；

第一凹槽阵列，设置在所述第二反射层内，所述第一凹槽阵列位于所述非出光区内，所述第一凹槽阵列位于所述出光区的至少一侧；

绝缘层，设置在所述第二反射层上，且填充所述第一凹槽阵列；

第一电极，设置在所述绝缘层上，位于所述出光区上，连接所述第二反射层；

第二电极，设置在所述衬底的底部。

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