CN113644540B - 一种InP基垂直腔面发射激光器 - Google Patents

一种InP基垂直腔面发射激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种InP基垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中的一种InP基垂直腔面发射激光器包括以下结构：InP衬底；依次位于所述InP衬底上的缓冲层、第一DBR反射层、长波激光发射单元、第二DBR反射层和电极接触层；所述第一DBR反射层和第二DBR反射层均包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠的多层结构，所述第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底。本发明采用应变类型相反的两种材料交替生长制作DBR层，可以通过应变补偿的方式降低因晶格失配产生的应力，减少外延片翘曲的风险。

Description

一种InP基垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种InP基垂直腔面发射激光器。
背景技术
激射波长在1300～1600nm范围内的长波长垂直腔面激光器(VCSEL)可以应用于长距离光纤通信、车载雷达等领域，有着广阔的发展前景。目前，研制半导体长波长VCSEL大多是采用InP衬底，有源区可以采用GaInAsP或AlGaInAs材料，分布布拉格反射镜(DBR)多可以采用GaInAsP/InP或AlGaInAs/InP组合，但由于这些四元系材料的热导率低且折射率差值较小，DBR层的总厚度较大，会导致器件的电阻和热阻增大，影响工作性能。而由于GaAs、AlGaAs材料的折射率差值较大，GaAs/AlGaAs一直是最为成熟的半导体DBR材料体系之一，但由于与InP衬底的晶格失配较大，在采用GaAs/AlGaAs作为DBR制备InP基长波长VCSEL时会产生较大应力，引起外延材料片的翘曲，影响材料质量并增加工艺难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出一种InP基垂直腔面发射激光器，采用应变类型相反的两种材料交替生长制作DBR层，可以通过应变补偿的方式降低因晶格失配产生的应力。相比于传统的InP基长波长VCSEL，该技术一方面可以避免采用热导率低、折射率差值较小的GaInAsP等四元材料系DBR，另一方面可以消除采用GaAs/AlGaAs系DBR而引起的外延片翘曲，减少外延材料层受到的应力。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
提供一种InP基垂直腔面发射激光器，包括以下结构：
InP衬底；
依次位于所述InP衬底上的缓冲层、第一DBR反射层、长波激光发射单元、第二DBR反射层和电极接触层；
其中，
所述第一DBR反射层和第二DBR反射层均包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠的多层结构，所述第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底。
进一步的，所述InP衬底为n型InP单晶衬底；
所述缓冲层为n型InP缓冲层；
所述第一DBR反射层为n型DBR反射层，所述第二DBR反射层为p型DBR反射层，n型DBR反射层和p型DBR反射层的材料可以相同也可以不同，但掺杂类型相反，并且n型DBR反射层和p型DBR反射层交替重叠生长对数不同；
所述电极接触层为p型InP电极接触层。
进一步的，所述n型InP缓冲层的厚度为200～800nm；所述p型InP电极接触层厚度为100～400nm，掺杂浓度大于3×1018cm-3。
进一步的，所述n型DBR层交替重叠的生长对数为30～50对，所述p型DBR层交替重叠生长对数为20～40对。
进一步的，第一折射率材料层和第二折射率材料层的材料为二元或三元的III/V族化合物。
进一步的，所述第一折射率材料层为AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlGaAs、AlGaP中的一种；所述第二折射率材料层为AlSb、GaSb、AlGaSb中的一种。
进一步的，所述长波激光发射单元由多量子阱材料组成，所述多量子阱材料包括有势垒材料和势阱材料，所述势垒材料为InP，所述势阱材料为低带隙材料的GaInAsP或AlGaInAs中的一种，量子阱数目为2～5个。
本发明还涉及一种InP基垂直腔面发射激光器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：在InP衬底上生长缓冲层；
步骤S2：在所述缓冲层上形成第一DBR反射层，所述第一DBR反射层包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠多层结构，第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底；
步骤S3：在所述第一DBR反射层上形成长波激光发射单元；
步骤S4：在所述长波激光发射单元上形成第二DBR反射层，所述第二DBR反射层包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠多层结构；所述第一DBR反射层的材料和第二DBR反射层的材料相同；
步骤S5：在所述第二DBR反射层上形成电极接触层。
进一步的，所述InP衬底为n型InP单晶衬底；
所述缓冲层为n型InP缓冲层；
所述第一DBR反射层为n型DBR反射层，所述第二DBR反射层为p型DBR反射层；
所述电极接触层为p型InP电极接触层。
进一步的，第一折射率材料层和第二折射率材料层的材料为二元或三元的III/V族化合物，其中所述第一折射率材料层为AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlGaAs、AlGaP中的一种；所述第二折射率材料层为AlSb、GaSb、AlGaSb中的一种。
本发明的技术方案中，该InP基垂直腔面发射激光器，在InP单晶衬底上形成InP缓冲层，能够缓冲一部分应力，并且利用应变类型相反、折射率差值较大的两种材料组合而成DBR反射层，通过应变补偿的方式减少DBR层因晶格失配而产生的应力，从而减小外延片翘曲度，改善材料质量，提升InP基长波VCSEL的工作性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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InP基垂直腔面发射激光器结构示意图；
图2为本发明InP基垂直腔面发射激光器制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请提供了一种InP基垂直腔面发射激光器，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种InP基垂直腔面发射激光器的结构示意图，包括：
从下至上依次层叠为n型InP衬底1、n型InP缓冲层2、n型DBR反射层3、长波激光发射单元4、p型DBR反射层5和p型InP电极接触层6。其中n型InP衬底1为n型单晶InP衬底。
所述n型DBR反射层(第一DBR反射层)和p型DBR反射层(第二DBR反射层)均包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠的多层结构，所述第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底。这样就可以利用应变类型相反、折射率差值较大的两种材料组合而成DBR反射层，通过应变补偿的方式减少DBR层因晶格失配而产生的应力。
在InP基垂直腔面发射激光器中，所述n型InP缓冲层的厚度为200～800nm；所述p型InP电极接触层厚度为100～400nm，掺杂浓度大于3×1018cm-3。
所述n型DBR层中第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠的生长对数为30～50对，所述p型DBR层中第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠生长对数为20～40对。
并且，所述第一折射率材料层和所述第二折射率材料层的材料为二元或三元的III/V族化合物；所述第一折射率材料层为AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlGaAs、AlGaP中的一种；所述第二折射率材料层为AlSb、GaSb、AlGaSb中的一种。
所述长波激光发射单元由多量子阱材料组成，所述多量子阱材料包括有势垒材料和势阱材料，所述势垒材料为InP，所述势阱材料为低带隙材料的GaInAsP或AlGaInAs中的一种，量子阱数目为2～5个。
本发明还涉及一种InP基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在InP衬底上生长缓冲层；
步骤S2：在所述缓冲层上形成第一DBR反射层，所述第一DBR反射层包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠多层结构，第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底；
步骤S3：在所述第一DBR反射层上形成长波激光发射单元；
步骤S4：在所述长波激光发射单元上形成第二DBR反射层，所述第二DBR反射层包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠多层结构；所述第一DBR反射层的材料和第二DBR反射层的材料相同，掺杂类型不同，n型DBR反射层和p型DBR反射层交替重叠生长对数不同；或者第一DBR反射层的材料和第二DBR反射层的材料也可以不相同，只要能实现DBR反射的效果即可。
步骤S5：在所述第二DBR反射层上形成电极接触层。
其中，所述InP衬底为n型InP单晶衬底；
所述缓冲层为n型InP缓冲层；
所述第一DBR反射层为n型DBR反射层，所述第二DBR反射层为p型DBR反射层；
所述电极接触层为p型InP电极接触层。
并且，第一折射率材料层和第二折射率材料层的材料为二元或三元的III/V族化合物，其中所述第一折射率材料层为AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlGaAs、AlGaP中的一种；所述第二折射率材料层为AlSb、GaSb、AlGaSb中的一种。
下面以下面的具体实施例来说明InP基垂直腔面发射激光器的具体制备过程，包括下述步骤：
步骤S1：在InP衬底上生长缓冲层:；
选择一4英寸n型InP单晶片为衬底，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在InP衬底的上表面生长n型InP缓冲层，在该实施例中，n型缓冲层的厚度为300nm；
步骤S2：在缓冲层上形成第一DBR反射层，第一DBR反射层为第一折射率材料和第二折射率材料交替重叠多层结构，第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底；
其中第一DBR反射层为n型DBR反射层。采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在n型InP缓冲层上生长n型DBR反射层，在该实施例中，由n型掺杂的AlAs/AlSb组成n型DBR反射层，其中具有第一折射率的AlAs的晶格常数小于InP的晶格常数，具有第二折射率的AlSb的晶格常数大于InP的晶格常数，这样由于晶格常数的差异，可以利用应变类型相反、折射率差值较大的两种材料组合而成DBR反射层，通过应变补偿的方式减少DBR层因晶格失配而产生的应力。在该实施例中，AlAs/AlSb对数为40对；
步骤S3：在第一DBR反射层上形成长波激光发射单元；
采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在n型DBR反射层(第一DBR反射层)上生长多量子阱结构的长波激光发射单元，所述多量子阱结构包括有势垒材料和势阱材料，所述势垒材料为InP，所述势阱材料为低带隙材料GaInAsP，GaInAsP光学带隙为0.8～1.0eV，量子阱数目为3个；
步骤S4：在长波激光发射单元上形成第二DBR反射层，第二DBR反射层为第一折射率材料和第二折射率材料交替重叠多层结构；
其中，第二DBR反射层为p型DBR反射层，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在长波激光发射单元上生长p型DBR反射层，由p型掺杂的AlAs/AlSb组成所述p型DBR反射层，其中具有第一折射率的AlAs的晶格常数小于InP的晶格常数，具有第二折射率的AlSb的晶格常数大于InP的晶格常数，这样由于晶格常数的差异，可以利用应变类型相反、折射率差值较大的两种材料组合而成DBR反射层，通过应变补偿的方式减少DBR层因晶格失配而产生的应力。AlAs/AlSb对数为30对。
步骤S5：在第二DBR反射层上形成电极接触层。
采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在p型DBR反射层(第二DBR反射层)上生长p型InP电极接触层，厚度为300nm，掺杂浓度为5×1018cm-3。
在该InP基垂直腔面发射激光器中，衬底、缓冲层、势垒层和电极接触层都采用InP材料，使用相同的材料可以减少层结构之间的不匹配而产生的应力，并且DBR材料层均采用双层晶格常数不同的二元或者三元的III/V族材料层重复堆叠结构，双层晶格常数不同的材料层的折射率差异较大，并且能够缓冲与InP衬底晶格失配而产生的应力，从而减小外延片翘曲度，改善材料质量，提升InP基长波VCSEL的工作性能。
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。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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括以下结构：
InP衬底；
依次位于所述InP衬底上的缓冲层、第一DBR反射层、长波激光发射单元、第二DBR反射层和电极接触层；所述InP衬底为InP单晶衬底；所述缓冲层为n型InP缓冲层；所述电极接触层为p型InP电极接触层；所述长波激光发射单元由多量子阱材料组成，所述多量子阱材料包括有势垒材料和势阱材料，所述势垒材料为InP，所述势阱材料为低带隙材料的GaInAsP或AlGaInAs中的一种，量子阱数目为2～5个；
其中，
所述第一DBR反射层和第二DBR反射层均包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠的多层结构，所述第一折射率材料层晶格常数小于所述InP单晶衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP单晶衬底；
所述第一折射率材料层和所述第二折射率材料层的材料为二元或三元的III/V族化合物；
所述第一折射率材料层为AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlGaAs、AlGaP中的一种；所述第二折射率材料层为AlSb、GaSb、AlGaSb中的一种；
其中，
所述第一DBR反射层为n型掺杂的AlAs/AlSb交替重叠的多层结构，AlAs/AlSb交替重叠的对数为40对；
所述第二DBR反射层为p型掺杂的AlAs/AlSb交替重叠的多层结构，AlAs/AlSb交替重叠的对数为30对。
2.根据权利要求1所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于：
所述第一DBR反射层为n型DBR反射层，所述第二DBR反射层为p型DBR反射层，所述n型DBR反射层和所述p型DBR反射层交替重叠生长对数不同。
3.根据权利要求2所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n型InP缓冲层的厚度为200～800nm；所述p型InP电极接触层厚度为100～400nm，掺杂浓度大于3×1018cm-3。
4.根据权利要求2所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述n型DBR层交替重叠的生长对数为30～50对，所述p型DBR层交替重叠生长对数为20～40对。
5.一种InP基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在InP衬底上生长缓冲层；
步骤S2：在所述缓冲层上形成第一DBR反射层，所述第一DBR反射层包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠多层结构，第一折射率材料层晶格常数小于所述InP衬底，所述第二折射率材料层晶格常数大于所述InP衬底；
步骤S3：在所述第一DBR反射层上形成长波激光发射单元；
步骤S4：在所述长波激光发射单元上形成第二DBR反射层，所述第二DBR反射层包括第一折射率材料层和第二折射率材料层交替重叠多层结构；所述第一DBR反射层的材料和第二DBR反射层的材料相同；
步骤S5：在所述第二DBR反射层上形成电极接触层；
其中，所述第一折射率材料层和所述第二折射率材料层的材料为二元或三元的III/V族化合物；所述第一折射率材料层为AlP、GaP、AlAs、GaAs、AlGaAs、AlGaP中的一种；所述第二折射率材料层为AlSb、GaSb、AlGaSb中的一种；
所述InP衬底为n型InP单晶衬底；
所述缓冲层为n型InP缓冲层；
所述第一DBR反射层为n型DBR反射层，所述第二DBR反射层为p型DBR反射层；
所述电极接触层为p型InP电极接触层；
所述长波激光发射单元由多量子阱材料组成，所述多量子阱材料包括有势垒材料和势阱材料，所述势垒材料为InP，所述势阱材料为低带隙材料的GaInAsP或AlGaInAs中的一种，量子阱数目为2～5个；
所述第一DBR反射层为n型掺杂的AlAs/AlSb交替重叠的多层结构，AlAs/AlSb交替重叠的对数为40对；
所述第二DBR反射层为p型掺杂的AlAs/AlSb交替重叠的多层结构，AlAs/AlSb交替重叠的对数为30对。
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