CN113725731A - 双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法。本申请提供的双波长垂直腔面发射激光器包括：层叠设置的衬底、长波激光发射模组、隧道结、短波激光发射模组和电极接触层。本申请中提供的所述双波长垂直腔面发射激光器可以制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，上述硅基双波长垂直腔面发射激光器可直接基于硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。
Description
技术领域
本申请涉及半导体激光器的技术领域，具体而言，涉及一种双波长垂直腔面发射激光器，其外延工艺可一次完成，且器件集成工艺简单，通过调节激射条件可以切换不同的激射波长，方便应用于各种光探测领域，推广价值较大。
背景技术
随着半导体激光器技术发展迅速，受到光通信、3D传感、AR/VR、自动驾驶等领域的开发驱动，半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)引起了广泛关注。激射波长为1500～1600nm范围内的长波长VCSEL可应用于长距离光纤通信、车载雷达、工业智能控制等长距通讯和探测领域。而激射波长为620～650nm范围内的短波长VCSEL可广泛应用于短距离数据通信、材料检测和工业加工与探测等领域。随着5G通信、智能家居、智能制造等系统技术的日益成熟，市场对于长波及短波VCSEL的需求均愈发迫切，VCSEL的市场应用规模也越来越大。然而将长波VCSEL及短波VCSEL集成在同一衬底的半导体激光器仍然需要克服很多技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法，本申请的双波长垂直腔面发射激光器可以基于晶硅材料制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，本申请的双波长垂直腔面发射激光器可直接基于单晶硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。
本申请提供的技术方案如下：
本申请提供一种双波长垂直腔面发射激光器，包括：
衬底，所述衬底为硅片；
长波激光发射模组，设置于所述衬底的表面；
隧道结，设置于所述长波激光发射模组远离所述衬底的表面；
短波激光发射模组，设置于所述隧道结远离所述长波激光发射模组的表面；以及
电极接触层，设置于所述短波激光发射模组远离所述隧道结的表面。
进一步地，所述衬底为p型单晶硅衬底；
所述长波激光发射模组包括：
p型缓冲层，设置于所述p型单晶硅衬底的表面；
第一p型反射层，设置于所述p型缓冲层远离所述p型单晶硅衬底的表面；
多量子阱长波激光发射单元，设置于所述第一p型反射层远离所述p型缓冲层的表面，所述多量子阱长波激光发射单元的激射波长为1500nm～1600nm；
第一n型反射层，设置于所述多量子阱长波激光发射单元远离所述第一p型反射层的表面；
n型缓冲层，设置于所述第一n型反射层远离所述多量子阱长波激光发射单元的表面；
所述隧道结为GaNAs隧道结，设置于所述n型缓冲层远离所述第一n型反射层的表面；
所述短波激光发射模组包括：
第二p型反射层，设置于所述GaNAs隧道结远离所述n型缓冲层的表面；
多量子阱短波激光发射单元，设置于所述第二p型反射层远离所述GaNAs隧道结的表面，所述多量子阱短波激光发射单元的激射波长为620nm～650nm；
第二n型反射层，设置于所述多量子阱短波激光发射单元远离所述第二p型反射层的表面；
所述电极接触层为n型GaNP电极接触层，设置于所述第二n型反射层远离所述多量子阱短波激光发射单元的表面。
进一步地，所述衬底为n型掺杂硅衬底；
所述长波激光发射模组包括：
n型缓冲层，设置于所述n型掺杂硅衬底的表面；
第一n型反射层，设置于所述n型缓冲层远离所述n型掺杂硅衬底的表面；
多量子阱长波激光发射单元，设置于所述第一n型反射层远离所述n型缓冲层的表面，所述多量子阱长波激光发射单元的激射波长为1500nm ～1600nm；
第一p型反射层，设置于所述多量子阱长波激光发射单元远离所述第一n型反射层的表面；
p型缓冲层，设置于所述第一p型反射层远离所述多量子阱长波激光发射单元的表面；
所述隧道结为GaNAs隧道结，设置于所述p型缓冲层远离所述第一p型反射层的表面；
所述短波激光发射模组包括：
第二n型反射层，设置于所述GaNAs隧道结远离所述p型缓冲层的表面；
多量子阱短波激光发射单元，设置于所述第二n型反射层远离所述GaNAs隧道结的表面，所述多量子阱短波激光发射单元的激射波长为620nm～650nm；
第二p型反射层，设置于所述多量子阱短波激光发射单元远离所述第二n型反射层的表面；
所述电极接触层为p型GaNP电极接触层，设置于所述第二p型反射层远离所述多量子阱短波激光发射单元的表面。
进一步地，所述多量子阱长波激光发射单元的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为GaNP/GaNAs/GaNP，其中有源区材料GaNAs的光学带隙为0.75eV～0.85eV。
进一步地，所述GaNAs隧道结包括n型GaNAs和p型GaNAs，其中，所述n型GaNAs的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，所述n型GaNAs的厚度为5nm～10nm；所述p型GaNAs掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1020cm-3，所述p型GaNAs的厚度为5nm～10nm。
进一步地，所述多量子阱短波激光发射单元的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为AlNP/GaNP/AlNP，其中有源区材料GaNP的光学带隙为1.9eV～2.0eV。
进一步地，所述p型缓冲层的晶格常数、所述第一p型反射层的晶格常数、所述多量子阱长波激光发射单元的晶格常数、所述第一n型反射层的晶格常数、所述n型缓冲层的晶格常数、所述隧道结的晶格常数、所述第二p型反射层的晶格常数、所述多量子阱短波激光发射单元的晶格常数、所述第二n型反射层的晶格常数以及所述n型电极接触层的晶格常数均与所述p型硅衬底的晶格常数相同。
进一步地，所述p型缓冲层的材料为GaNP，所述p型缓冲层的厚度为300nm～1000nm；
所述第一p型反射层为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述第一n型反射层为分布式布拉格反射层，包括20对～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述n型缓冲层为GaNP缓冲层，所述n型缓冲层的厚度为200nm～500nm。
进一步地，所述第二p型反射层为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNP/AlNP；
所述第二n型反射层为分布式布拉格反射层，包括20对～40对n型掺杂的GaNP/AlNP；
所述n型电极接触层的材料为n型GaNP，所述n型电极接触层的掺杂浓度大于5×1018cm-3。
一种双波长垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：提供p型单晶硅衬底，所述p型单晶硅衬底为单晶硅片，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述p型单晶硅衬底的上表面生长p型缓冲层；
步骤2：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述p型缓冲层远离所述p型单晶硅衬底的表面上生长第一p型反射层；
步骤3：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第一p型反射层远离所述p型缓冲层的表面生长多量子阱长波激光发射单元，所述多量子阱长波激光发射单元的激射波长为1500nm～1600nm；
步骤4：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述多量子阱长波激光发射单元远离所述第一p型反射层的表面生长第一n型反射层；
步骤5：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第一n型反射层远离所述多量子阱长波激光发射单元的表面生长n型缓冲层；
步骤6：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述n型缓冲层远离所述第一n型反射层的表面生长隧道结；
步骤7：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述GaNAs隧道结远离所述n型缓冲层的表面生长第二p型反射层；
步骤8：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第二p型反射层远离所述GaNAs隧道结的表面生长多量子阱短波激光发射单元，所述多量子阱短波激光发射单元的激射波长为620nm～650nm；
步骤9：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述多量子阱短波激光发射单元远离所述第二p型反射层的表面生长第二n型反射层；
步骤10：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第二n型反射层远离所述多量子阱短波激光发射单元的表面生长n型电极接触层；
步骤11：对采用上述步骤1至步骤10制作而成的外延材料，采用光刻、湿法氧化工艺形成第一氧化限制层和第二氧化限制层，所述第一氧化限制层位于所述第一n型反射层的最下方，与所述多量子阱长波激光发射单元接触，所述第二氧化限制层位于所述第二n型反射层的最下方，与所述多量子阱短波激光发射单元接触；
步骤12：对上述步骤11形成的材料片，采用光刻、蒸镀工艺，在所述n型电极接触层远离所述第二n型反射层的表面制作第一电极，在所述p型单晶硅衬底远离所述p型缓冲层的表面制作第二电极。
本申请提供的双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法中，基于单晶硅衬底制备得到两种激射波长的垂直腔面发射激光器，从而实现在智能家居、半导体检测及工业探测等领域的推广应用。同时本申请提出的双波长垂直腔面发射激光器还可以采用硅衬底来代替InP、GaAs等成本较高的化合物衬底，降低制造成本。
为使本申请的上述目的、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申请实施例的技术方案，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申请的某些实施例，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为本申请的实施例的双波长垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2为本申请的实施例的双波长垂直腔面发射激光器外延结构示意图；
图3为本申请的实施例的双波长垂直腔面发射激光器芯片单元结构示意图；
图4为本申请的实施例的双波长垂直腔面发射激光器外延结构示意图；
图5为本申请的实施例的双波长垂直腔面发射激光器芯片单元结构示意图。
附图标记：
衬底101；长波激光发射模组102；隧道结103；短波激光发射模组104；电极接触层105。
p型单晶硅衬底1；p型缓冲层2；第一p型反射层3；多量子阱长波激光发射单元4；第一n型反射层5；第一氧化限制层5-1；n型缓冲层6；隧道结7；第二p型反射层8；多量子阱短波激光发射单元9；第二n型反射层10；第二氧化限制层10-1；n型GaNP电极接触层11；第一电极12；第二电极13。
n型掺杂硅衬底21；n型缓冲层22；第一n型反射层23；第一p型反射层25；第一氧化限制层25-1；p型缓冲层26；第二n型反射层28；第二p型反射层30；第二氧化限制层30-1；p型GaNP电极接触层31；第一电极32；第二电极33
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
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，在本申请的描述中，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。
传统的InP基长波长VCSEL的激射波长为1500～1600nm，传统的GaAs基短波长VCSEL的激射波长为620～650nm。上述两种VCSEL材料制备的衬底并不一样，基于InP衬底制作的长波长VCSEL和基于GaAs衬底制作的短波长VCSEL，这两种衬底均为半导体化合物衬底，生产成本较高。同时，由于在智能家居、半导体检测、工业探测等多种领域中均需要同时应用两种或更多波长的VCSEL器件，因此在很多探测系统上需要集成不同材料类型的VCSEL，工艺较为复杂，增加制造成本。此外，电子系统集成技术大多是以晶硅电路为基础的，发明人研究发现，如果能开发出基于晶硅衬底的VCSEL材料，并同时产生长波范围和短波范围的发射波长，不仅能大大降低VCSEL及其探测系统的制造成本，还可以快速推动VCSEL技术在晶硅集成电路中得到应用。
因此，针对上述现有的单波长垂直腔面发射激光器存在的缺陷，提出了本申请的技术方案。下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。
本申请提供了一种双波长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双波长垂直腔面发射激光器的结构示意图。所述双波长垂直腔面发射激光器包括层叠设置的衬底101、长波激光发射模组102、隧道结103、短波激光发射模组104和电极接触层105。
本申请中提供的所述双波长垂直腔面发射激光器可以制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，上述硅基双波长垂直腔面发射激光器可直接基于硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。
在一个实施例中，所述长波激光发射模组102包括：层叠设置的p型缓冲层2、第一p型反射层3、多量子阱长波激光发射单元4、第一n型反射层5和n型缓冲层6。所述短波激光发射模组104包括层叠设置的第二p型反射层8、多量子阱短波激光发射单元9、第二n型反射层10。
具体的，请参考图2，图2为本申请实施例所提供的一种双波长垂直腔面发射激光器的外延结构示意图，该双波长垂直腔面发射激光器的外延结构包括：层叠设置的p型单晶硅衬底1、p型缓冲层2、第一p型反射层3、多量子阱长波激光发射单元4、第一n型反射层5、n型缓冲层6、隧道结7、第二p型反射层8、多量子阱短波激光发射单元9、第二n型反射层10和n型GaNP电极接触层11。
所述p型单晶硅衬底1为p型硅单晶片。所述p型缓冲层2设置于所述p型单晶硅衬底1的表面。所述p型缓冲层2可以为p型GaNP缓冲层。所述第一p型反射层3设置于所述p型缓冲层2远离所述p型单晶硅衬底1的表面。所述第一p型反射层3可以设置为p型掺杂的GaNAs/AlNAs。所述多量子阱长波激光发射单元4设置于所述第一p型反射层3远离所述p型缓冲层2的表面，所述多量子阱长波激光发射单元4的激射波长为1500nm～1600nm。所述多量子阱长波激光发射单元4中量子阱结构可以设置为GaNP/GaNAs/GaNP结构。所述第一n型反射层5设置于所述多量子阱长波激光发射单元4远离所述第一p型反射层3的表面。所述第一n型反射层5可以设置为n型掺杂的GaNAs/AlNAs。所述n型缓冲层6设置于所述第一n型反射层5远离所述多量子阱长波激光发射单元4的表面。所述n型缓冲层6可以设置为GaNP缓冲层。所述GaNAs隧道结7设置于所述n型缓冲层6远离所述第一n型反射层5的表面。所述GaNAs隧道结7可以包括n型GaNAs和p型GaNAs。所述第二p型反射层8设置于所述GaNAs隧道结7远离所述n型缓冲层6的表面。所述第二p型反射层8可以设置为p型掺杂的GaNP/AlNP。所述多量子阱短波激光发射单元9设置于所述第二p型反射层8远离所述GaNAs隧道结7的表面，所述多量子阱短波激光发射单元9的激射波长为620nm～650nm。所述多量子阱短波激光发射单元9的量子阱结构可以设置为AlNP/GaNP/AlNP。所述第二n型反射层10设置于所述多量子阱短波激光发射单元9远离所述第二p型反射层8的表面。所述第二n型反射层10可以设置为n型掺杂的GaNP/AlNP。所述n型GaNP电极接触层11设置于所述第二n型反射层10远离所述多量子阱短波激光发射单元9的表面。所述n型GaNP电极接触层11可以设置为n型GaNP。
本实施例中提供了一种双波长垂直腔面发射激光器中的外延结构。双波长垂直腔面发射激光器可以设置为硅基氮化物的激光器。硅基双波长垂直腔面发射激光器，采用与晶硅衬底相匹配的氮化物材料。上述硅基双波长垂直腔面发射激光器可以基于晶硅材料制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，上述硅基双波长垂直腔面发射激光器可直接基于单晶硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。
在一个实施例中，所述p型缓冲层2的晶格常数、所述第一p型反射层3的晶格常数、所述多量子阱长波激光发射单元4的晶格常数、所述第一n型反射层5的晶格常数、所述n型缓冲层6的晶格常数、所述GaNAs隧道结7的晶格常数、所述第二p型反射层8的晶格常数、所述多量子阱短波激光发射单元9的晶格常数、所述第二n型反射层10的晶格常数以及所述n型GaNP电极接触层11的晶格常数均与所述p型单晶硅衬底1的晶格常数相同。本实施例中，各个膜层的晶格常数与所述p型硅衬底的晶格常数相同，保证了双波长垂直腔面发射激光器有很好的外延性，有利于两种激射波长的形成。
在一个实施例中，所述p型缓冲层2的材料为GaNP，所述p型缓冲层2的厚度为300nm～1000nm。
在一个实施例中，所述第一p型反射层3为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs。
在一个实施例中，所述多量子阱长波激光发射单元4的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为GaNP/GaNAs/GaNP，其中有源区材料GaNAs的光学带隙为0.75eV～0.85eV。
在一个实施例中，所述第一n型反射层5为分布式布拉格反射层，包括20对～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs。
在一个实施例中，所述n型缓冲层6为GaNP缓冲层，所述n型缓冲层6的厚度为200nm～500nm。
在一个实施例中，所述GaNAs隧道结7包括n型GaNAs和p型GaNAs，其中，所述n型GaNAs的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，所述n型GaNAs的厚度为5nm～10nm；所述p型GaNAs掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1020cm-3，所述p型GaNAs的厚度为5nm～10nm。
在一个实施例中，所述第二p型反射层8为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNP/AlNP。
在一个实施例中，所述多量子阱短波激光发射单元9的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为AlNP/GaNP/AlNP，其中有源区材料GaNP的光学带隙为1.9eV～2.0eV。
在一个实施例中，所述第二n型反射层10为分布式布拉格反射层，包括20对～40对n型掺杂的GaNP/AlNP。
在一个实施例中，所述n型GaNP电极接触层11的材料为n型GaNP，所述n型GaNP电极接触层11的掺杂浓度大于5×1018cm-3。
上述实施例中的提供了p型单晶硅的硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器。该硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器，采用与晶硅衬底相匹配的GaNAs和GaNP材料作为有源层，可以基于晶硅材料制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，本申请中的硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器可直接基于单晶硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域。并且硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。
在一个实施例中，所述双波长垂直腔面发射激光器还包括：第一电极12和第二电极13。
所述第一电极12设置于所述n型GaNP电极接触层11远离所述第二n型反射层10的表面。所述第二电极13设置于所述p型单晶硅衬底1远离所述p型缓冲层2的表面。
本实施例中，所述第一电极12和所述第二电极13的材质、结构和形状并不做具体的限定，只要能够实现导电即可。
在一个具体的实施例中，提供一种硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器的外延材料。所述硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器的外延材料，从下至上依次层叠设置为p型Si衬底、p型GaNP缓冲层、第一p型DBR反射层、GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元、第一n型DBR反射层、n型GaNP缓冲层、隧道结、第二p型DBR反射层、AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元、第二n型DBR反射层和n型GaNP电极接触层。
在上述具体的实施例中，对所述硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器的外延材料进行光刻、氧化、蒸镀等流片工艺处理形成两层氧化限制层、第一电极和第二电极。具体可参考图3，第一氧化限制层5-1位于第一n型反射层5的最下方，第二氧化限制层10-1位于第二n型反射层10的最下方。第一电极12位于n型GaNP电极接触层11的正上方，第二电极13位于p型单晶硅衬底1的正下方。
下面为上述实施例中提供的晶格匹配的硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器的具体制备过程，包括下述步骤：
步骤1：提供p型单晶硅衬底1，所述p型单晶硅衬底1为单晶硅片，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述p型单晶硅衬底1的上表面生长p型缓冲层2。具体的，所述p型单晶硅衬底1可以选择4英寸p型单晶Si片。所述p型缓冲层2可以选择p型GaNP缓冲层，厚度为500nm。
步骤2：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述p型缓冲层2远离所述p型单晶硅衬底1的表面上生长第一p型反射层3。具体的，所述第一p型反射层3可以设置为第一p型DBR反射层。第一p型DBR反射层由p型掺杂的GaNAs/AlNAs组成，GaNAs/AlNAs对数为40对。
步骤3：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第一p型反射层3远离所述p型缓冲层2的表面生长多量子阱长波激光发射单元4。所述多量子阱长波激光发射单元4的激射波长为1500nm～1600nm。具体的，所述多量子阱长波激光发射单元4可以设置为GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元。GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元中的有源区材料为GaNAs。有源区材料GaNAs的光学带隙为0.8eV。GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元的量子阱数目为3个。
步骤4：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述多量子阱长波激光发射单元4远离所述第一p型反射层3的表面生长第一n型反射层5。具体的，所述第一n型反射层5设置为第一n型分布式布拉格反射层第一n型DBR反射层。在一个实施例中，第一n型分布式布拉格反射层由n型掺杂的GaNAs/AlNAs组成，GaNAs/AlNAs对数为30对。
步骤5：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第一n型反射层5远离所述多量子阱长波激光发射单元4的表面生长n型缓冲层6。具体的，所述n型缓冲层6设置为n型GaNP缓冲层，所述n型缓冲层6的厚度为300nm。
步骤6：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述n型缓冲层6远离所述第一n型反射层5的表面生长隧道结7。具体的，所述GaNAs隧道结7由n型GaNAs和p型GaNAs组成，其中n型GaNAs掺杂浓度为1×1020cm-3，n型GaNAs的厚度为10nm。p型GaNAs掺杂浓度为5×1020cm-3，p型GaNAs的厚度为10nm。
步骤7：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述GaNAs隧道结7远离所述n型缓冲层6的表面生长第二p型反射层8。具体的，所述第二p型反射层8可以设置为第二p型DBR反射层。所述第二p型DBR反射层由p型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为40对。
步骤8：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第二p型反射层8远离所述GaNAs隧道结7的表面生长多量子阱短波激光发射单元9。所述多量子阱短波激光发射单元9的激射波长为620nm～650nm。具体的，所述多量子阱短波激光发射单元9可以设置为AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元。所述AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元的有源区材料为GaNP。有源区材料GaNP的光学带隙为1.9eV。所述AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元中量子阱数目为3个。
步骤9：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述多量子阱短波激光发射单元9远离所述第二p型反射层8的表面生长第二n型反射层10。具体的，所述第二n型反射层10由n型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为30对。
步骤10：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第二n型反射层10远离所述多量子阱短波激光发射单元9的表面生长n型GaNP电极接触层11。具体的，所述n型GaNP电极接触层11可以设置为n型GaNP电极接触层，n型GaNP电极接触层的掺杂浓度为1×1019cm-3。
步骤11：对采用上述步骤1至步骤10制作而成的外延材料，采用光刻、湿法氧化工艺形成第一氧化限制层5-1和第二氧化限制层10-1。所述第一氧化限制层5-1位于所述第一n型反射层5的最下方，并与所述多量子阱长波激光发射单元4接触。所述第二氧化限制层10-1位于所述第二n型反射层10的最下方，并与所述多量子阱短波激光发射单元9接触。
步骤12：对上述步骤11形成的材料片，采用光刻、蒸镀工艺，在所述n型GaNP电极接触层11远离所述第二n型反射层10的表面制作第一电极12。在所述p型单晶硅衬底1远离所述p型缓冲层2的表面制作第二电极13。在一个实施例中，所述第一电极12位于所述n型GaNP电极接触层11(所述n型GaNP电极接触层11的材料可以为GaNP)的正上方。所述第二电极13位于所述p型单晶硅衬底1的正下方。
综上所述，本申请利用所述p型单晶硅衬底1(单晶Si衬底)，结合GaNAs、GaNP等氮化物材料的自身特点，在单晶Si衬底上表面设置p型GaNP缓冲层、第一p型DBR反射层、GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元、第一n型DBR反射层、n型GaNP缓冲层、隧道结、第二p型DBR反射层、AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元、第二n型DBR反射层和n型GaNP电极接触层，在n型GaNP电极接触层上面制备有第一电极，在Si衬底下表面制备有第二电极，最终可得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长垂直腔面发射激光器。该硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器，可利用激射条件切换不同的发光波长，方便应用于多波长激射需求的智能家居、半导体检测及工业探测等领域；同时还能与硅基电路系统快速集成，促进垂直腔面发射激光器的推广与应用。总之，本申请可以基于广泛应用于集成电路的晶硅衬底制作集成了两种波长范围的垂直腔面发射激光器，具有较强的应用价值，值得推广。
请参阅图4和图5，图4和图5中分别示出了利用n型掺杂硅衬底制作的双波长垂直腔面发射激光器的外延结构及其发射激光器。利用n型掺杂硅衬底制作的双波长垂直腔面发射激光器包括依次层叠设置的第二电极33、n型掺杂硅衬底21、n型缓冲层22、第一n型反射层23、多量子阱长波激光发射单元4、第一p型反射层25、p型缓冲层26、GaNAs隧道结7、第二n型反射层28、多量子阱短波激光发射单元9、第二p型反射层30、p型GaNP电极接触层31和第一电极32。
本申请利用n型掺杂硅衬底21，结合GaNAs、GaNP等氮化物材料的自身特点，在n型掺杂硅衬底的上表面设置n型GaNP缓冲层、第一n型DBR反射层、GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元、第一p型DBR反射层、p型GaNP缓冲层、隧道结、第二n型DBR反射层、AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元、第二p型DBR反射层和p型GaNP电极接触层，在p型GaNP电极接触层上面制备有第一电极32，在Si衬底下表面制备有第二电极33，最终可得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长垂直腔面发射激光器。该硅基氮化物双波长垂直腔面发射激光器，可利用激射条件切换不同的发光波长，方便应用于多波长激射需求的智能家居、半导体检测及工业探测等领域；同时还能与硅基电路系统快速集成，促进垂直腔面发射激光器的推广与应用。总之，本申请可以基于广泛应用于集成电路的晶硅衬底制作集成了两种波长范围的垂直腔面发射激光器，具有较强的应用价值，值得推广。
在一个具体的实施例中，图5中的n型缓冲层22的厚度可以设置为200～500nm。第一n型反射层23可以设置为n型掺杂的GaNAs/AlNAs，GaNAs/AlNAs对数为20～40对。多量子阱长波激光发射单元4可以设置为GaNP/GaNAs/GaNP多量子阱长波激光发射单元，其中有源区材料GaNAs的光学带隙为0.75～0.85eV，量子阱数目为2～5个。第一p型反射层25可以设置为p型掺杂的GaNAs/AlNAs，GaNAs/AlNAs对数为30～50对，第一p型反射层25的最下方为第一氧化限制层25-1。p型缓冲层26可以设置为p型GaNP缓冲层，其厚度为300～1000nm。GaNAs隧道结7可以设置为包括n型GaNAs和p型GaNAs，n型GaNAs掺杂浓度为1×1019～1×1020cm-3，厚度为5～10nm，p型GaNAs掺杂浓度为1×1019～5×1020cm-3，厚度为5～10nm。第二n型反射层28可以设置为n型掺杂的GaNP/AlNP，最下方为第二氧化限制层，GaNP/AlNP对数为20～40对。多量子阱短波激光发射单元9可以设置为AlNP/GaNP/AlNP多量子阱短波激光发射单元，其中有源区材料GaNP的光学带隙为1.9～2.0eV，量子阱数目为2～5个。第二p型反射层30可以设置为p型掺杂的GaNP/AlNP，GaNP/AlNP对数为30～50对。第二p型反射层30的最下方为第二氧化限制层30-1。p型GaNP电极接触层31的掺杂浓度可以设置为大于5×1018cm-3。
本申请图5中形成的双波长垂直腔面发射激光器的制备方法与图3中双波长垂直腔面发射激光器的制备方法相似，仅仅是某些膜层中的材料不同，具体哪些膜层的材料不同可以参考上述对于图5的描述，在此不在赘述。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。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，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底(101)，所述衬底(101)为硅片；
长波激光发射模组(102)，设置于所述衬底(101)的表面；
隧道结(103)，设置于所述长波激光发射模组(102)远离所述衬底(101)的表面；
短波激光发射模组(104)，设置于所述隧道结(103)远离所述长波激光发射模组(102)的表面；以及
电极接触层(105)，设置于所述短波激光发射模组(104)远离所述隧道结(103)的表面。
2.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述衬底(101)为p型单晶硅衬底(1)；
所述长波激光发射模组(102)包括：
p型缓冲层(2)，设置于所述p型单晶硅衬底(1)的表面；
第一p型反射层(3)，设置于所述p型缓冲层(2)远离所述p型单晶硅衬底(1)的表面；
多量子阱长波激光发射单元(4)，设置于所述第一p型反射层(3)远离所述p型缓冲层(2)的表面，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的激射波长为1500nm～1600nm；
第一n型反射层(5)，设置于所述多量子阱长波激光发射单元(4)远离所述第一p型反射层(3)的表面；
n型缓冲层(6)，设置于所述第一n型反射层(5)远离所述多量子阱长波激光发射单元(4)的表面；
所述隧道结(103)为GaNAs隧道结(7)，设置于所述n型缓冲层(6)远离所述第一n型反射层(5)的表面；
所述短波激光发射模组(104)包括：
第二p型反射层(8)，设置于所述GaNAs隧道结(7)远离所述n型缓冲层(6)的表面；
多量子阱短波激光发射单元(9)，设置于所述第二p型反射层(8)远离所述GaNAs隧道结(7)的表面，所述多量子阱短波激光发射单元(9)的激射波长为620nm～650nm；
第二n型反射层(10)，设置于所述多量子阱短波激光发射单元(9)远离所述第二p型反射层(8)的表面；
所述电极接触层(105)为n型GaNP电极接触层(11)，设置于所述第二n型反射层(10)远离所述多量子阱短波激光发射单元(9)的表面。
3.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述衬底(101)为n型掺杂硅衬底(21)；
所述长波激光发射模组(102)包括：
n型缓冲层(22)，设置于所述n型掺杂硅衬底(21)的表面；
第一n型反射层(23)，设置于所述n型缓冲层(22)远离所述n型掺杂硅衬底(21)的表面；
多量子阱长波激光发射单元(4)，设置于所述第一n型反射层(23)远离所述n型缓冲层(22)的表面，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的激射波长为1500nm～1600nm；
第一p型反射层(25)，设置于所述多量子阱长波激光发射单元(4)远离所述第一n型反射层(23)的表面；
p型缓冲层(26)，设置于所述第一p型反射层(25)远离所述多量子阱长波激光发射单元(4)的表面；
所述隧道结(103)为GaNAs隧道结(7)，设置于所述p型缓冲层(26)远离所述第一p型反射层(25)的表面；
所述短波激光发射模组(104)包括：
第二n型反射层(28)，设置于所述GaNAs隧道结(7)远离所述p型缓冲层(26)的表面；
多量子阱短波激光发射单元(9)，设置于所述第二n型反射层(28)远离所述GaNAs隧道结(7)的表面，所述多量子阱短波激光发射单元(9)的激射波长为620nm～650nm；
第二p型反射层(30)，设置于所述多量子阱短波激光发射单元(9)远离所述第二n型反射层(28)的表面；
所述电极接触层(105)为p型GaNP电极接触层(31)，设置于所述第二p型反射层(30)远离所述多量子阱短波激光发射单元(9)的表面。
4.根据权利要求2或3所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为GaNP/GaNAs/GaNP，其中有源区材料GaNAs的光学带隙为0.75eV～0.85eV。
5.根据权利要求2或3所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述GaNAs隧道结(7)包括n型GaNAs和p型GaNAs，其中，所述n型GaNAs的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，所述n型GaNAs的厚度为5nm～10nm；所述p型GaNAs掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1020cm-3，所述p型GaNAs的厚度为5nm～10nm。
6.根据权利要求2或3所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多量子阱短波激光发射单元(9)的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为AlNP/GaNP/AlNP，其中有源区材料GaNP的光学带隙为1.9eV～2.0eV。
7.根据权利要求2所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述p型缓冲层(2)的晶格常数、所述第一p型反射层(3)的晶格常数、所述多量子阱长波激光发射单元(4)的晶格常数、所述第一n型反射层(5)的晶格常数、所述n型缓冲层(6)的晶格常数、所述隧道结(7)的晶格常数、所述第二p型反射层(8)的晶格常数、所述多量子阱短波激光发射单元(9)的晶格常数、所述第二n型反射层(10)的晶格常数以及所述n型电极接触层(11)的晶格常数均与所述p型硅衬底(1)的晶格常数相同。
8.根据权利要求2所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述p型缓冲层(2)的材料为GaNP，所述p型缓冲层(2)的厚度为300nm～1000nm；
所述第一p型反射层(3)为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述第一n型反射层(5)为分布式布拉格反射层，包括20对～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述n型缓冲层(6)为GaNP缓冲层，所述n型缓冲层(6)的厚度为200nm～500nm。
9.根据权利要求2所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二p型反射层(8)为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNP/AlNP；
所述第二n型反射层(10)为分布式布拉格反射层，包括20对～40对n型掺杂的GaNP/AlNP；
所述n型电极接触层(11)的材料为n型GaNP，所述n型电极接触层(11)的掺杂浓度大于5×1018cm-3。
10.一种双波长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1：提供p型单晶硅衬底(1)，所述p型单晶硅衬底(1)为单晶硅片，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述p型单晶硅衬底(1)的上表面生长p型缓冲层(2)；
步骤2：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述p型缓冲层(2)远离所述p型单晶硅衬底(1)的表面上生长第一p型反射层(3)；
步骤3：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第一p型反射层(3)远离所述p型缓冲层(2)的表面生长多量子阱长波激光发射单元(4)，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的激射波长为1500nm～1600nm；
步骤4：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述多量子阱长波激光发射单元(4)远离所述第一p型反射层(3)的表面生长第一n型反射层(5)；
步骤5：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第一n型反射层(5)远离所述多量子阱长波激光发射单元(4)的表面生长n型缓冲层(6)；
步骤6：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述n型缓冲层(6)远离所述第一n型反射层(5)的表面生长隧道结(7)；
步骤7：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述GaNAs隧道结(7)远离所述n型缓冲层(6)的表面生长第二p型反射层(8)；
步骤8：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第二p型反射层(8)远离所述GaNAs隧道结(7)的表面生长多量子阱短波激光发射单元(9)，所述多量子阱短波激光发射单元(9)的激射波长为620nm～650nm；
步骤9：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述多量子阱短波激光发射单元(9)远离所述第二p型反射层(8)的表面生长第二n型反射层(10)；
步骤10：采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在所述第二n型反射层(10)远离所述多量子阱短波激光发射单元(9)的表面生长n型电极接触层(11)；
步骤11：对采用上述步骤1至步骤10制作而成的外延材料，采用光刻、湿法氧化工艺形成第一氧化限制层(5-1)和第二氧化限制层(10-1)，所述第一氧化限制层(5-1)位于所述第一n型反射层(5)的最下方，与所述多量子阱长波激光发射单元(4)接触，所述第二氧化限制层(10-1)位于所述第二n型反射层(10)的最下方，与所述多量子阱短波激光发射单元(9)接触；
步骤12：对上述步骤11形成的材料片，采用光刻、蒸镀工艺，在所述n型电极接触层(11)远离所述第二n型反射层(10)的表面制作第一电极(12)，在所述p型单晶硅衬底(1)远离所述p型缓冲层(2)的表面制作第二电极(13)。
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