CN115021079B - 垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，所述制作方法包括：提供一衬底，衬底的正面上依次形成有N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，第一高阻层的材料包含AlxGa1‑xAsOySizCh；在第二镓砷层与第一高阻层内形成光栅孔与出光孔，在第二镓砷层与第一高阻层两侧形成上电极；形成ITO层以及背电极。本发明通过所述第一高阻层以及所述第一高阻层内形成的光栅孔与出光孔限制载流子的移动方向，从而无需生长氧化层，以此消除由于氧化层的生长以及存在造成的各种缺陷，从而提高了器件的性能。

Description

垂直腔面发射激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或震荡发射的器件。垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)是一种半导体激光器，其激光出射方向垂直于外延平面射出，相比于一般激光由边缘射出(出射方向平行于外延方向)的边发射型激光而言，具有远场发散角小、易于光纤耦合、阈值电流小、带宽高以及测试效率高等优点。
在垂直腔面发射激光器的制作工艺中，为了将经过有源区的注入电流限制在和通光孔径大小一样的范围内，一般采用氧化部分含铝层使之变成不导电的氧化铝来限制电流的工艺。该工艺先通过材料生长的方式将一薄层高铝成分的铝镓砷(AlxGaAs，x＝0.98)内嵌在垂直腔面发射激光器谐振腔结构中，然后通过刻蚀将铝镓砷的侧面暴露出来，通过氧化炉进行氧化，使铝镓砷(AlxGaAs，x＝0.98)水平地由侧表面向内部氧化，氧化的部分从铝镓砷转变为氧化铝。未氧化的铝镓砷可以通过电流，而氧化后形成的氧化铝则不能通过电流，从而将注入电流限制在通光孔径相应的有源区。
然而，氧化铝的形成会导致以下缺点，例如：生长氧化铝的材料组分难以控制，每批次(run to run)很难保证材料的一致性；由于材料的差异，导致氧化不均匀；DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式拉布拉格反射镜)层数的叠加，导致串联电阻偏大；P-DBR边缘被氧化，导致外延片翘曲增大；氧化层和有源层之间产生较大应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，无需生长氧化层，消除了由于氧化层的存在造成的各种缺陷，从而提高了器件的性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底的正面上依次形成有N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，其中，所述第一高阻层的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层的折射率，N2为所述第一高阻层的折射率，N3为所述第二镓砷层的折射率，Thk1为所述第一镓砷层的厚度，Thk2为所述第一高阻层的厚度，Thk3为所述第二镓砷层的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成暴露出所述第一镓砷层的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极；
形成ITO层，所述ITO层覆盖所述上电极与所述第二镓砷层，并填充所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部；以及
在所述衬底的背面形成背电极。
可选的，在所述衬底的正面与所述N型DBR层之间还形成有第二高阻层，所述第二高阻层的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1。
可选的，在所述衬底的背面形成背电极的步骤包括：
对所述衬底的背面进行减薄；
从所述衬底的背面刻蚀所述衬底与所述第二高阻层，形成暴露出所述N型DBR层的凹槽；以及
形成背电极，所述背电极覆盖所述衬底并填满所述凹槽
可选的，在形成所述ITO层之后，在形成所述背电极之前，所述制作方法还包括：形成保护层，所述保护层覆盖所述ITO层。
可选的，所述保护层的材质包含氮化硅，且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3+N4*Thk4+N5*Thk5＝λ/4*M，其中，N4为所述ITO层的折射率，N5为所述保护层的折射率，Thk4为所述ITO层的厚度，Thk5为所述保护层的厚度。
可选的，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成暴露出所述第一镓砷层的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极的步骤包括：
形成第一掩膜层，所述第一掩膜层覆盖所述第二镓砷层且暴露出所述第二镓砷层的两侧；
以所述第一掩膜层为掩膜依次刻蚀所述第二镓砷层与所述第一高阻层，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层的两侧形成暴露所述第一镓砷层的所述电极台阶；
形成电极材料层，所述电极材料层填满所述电极台阶并覆盖所述第一掩膜层；
形成第二掩膜层，所述第二掩膜层覆盖所述电极材料层；以及
依次图形化所述第二掩膜层与所述第一掩膜层，分别以图形化的所述第二掩膜层与图形化的所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层或所述第二镓砷层与所述第一高阻层，形成暴露出所述第一镓砷层的所述光栅孔与所述出光孔，且保留所述电极台阶区域的所述电极材料层形成上电极。
可选的，依次图形化所述第二掩膜层与所述第一掩膜层，分别以图形化的所述第二掩膜层与图形化的所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层或所述第二镓砷层与所述第一高阻层，形成暴露出所述第一镓砷层的所述光栅孔与所述出光孔，且保留所述电极台阶区域的所述电极材料层形成上电极的步骤包括：
图形化所述第二掩膜层，以图形化的所述第二掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层至暴露出所述第一掩膜层，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成上电极；
图形化所述第一掩膜层，以图形化的所述第一掩膜层为掩膜，依次刻蚀所述第二镓砷层与所述第一高阻层至暴露出所述第一镓砷层，形成所述光栅孔与所述出光孔；以及
去除图形化的所述第二掩膜层和图形化的所述第一掩膜层。
可选的，采用金属有机物化学气相沉积法形成所述第一镓砷层，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃；所述第一镓砷层为P型掺杂，掺杂浓度为1E18atom/cm3-5E19 atom/cm3；所述第一镓砷层的厚度为5nm-500nm；
采用金属有机物化学气相沉积法形成所述第一高阻层与所述第二高阻层，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃；所述第一高阻层与所述第二高阻层的厚度均为5nm-500nm；
采用金属有机物化学气相沉积法形成所述第二镓砷层，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃；所述第二镓砷层为P型掺杂，掺杂浓度为1E18 atom/cm3-5E19atom/cm3；所述第二镓砷层的厚度为1nm-500nm。
可选的，采用原子层沉积法形成所述ITO层与所述保护层，且沉积时的垂直度为60°～90°。
相应的，本发明还提供一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底，依次位于所述衬底正面上的N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，其中，所述第一高阻层的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层的折射率，N2为所述第一高阻层的折射率，N3为所述第二镓砷层的折射率，Thk1为所述第一镓砷层的厚度，Thk2为所述第一高阻层的厚度，Thk3为所述第二镓砷层的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
光栅孔与出光孔，位于所述第二镓砷层与所述第一高阻层内且暴露出所述第一镓砷层；
上电极，位于所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧且与所述第一镓砷层相连接；
ITO层，覆盖所述第二镓砷层，并填充所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部；以及
背电极，位于所述衬底的背面。
本发明提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法中，在衬底上依次形成有N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，通过所述第一高阻层以及所述第一高阻层内形成的光栅孔与出光孔限制载流子的移动方向，从而无需生长氧化层，以此消除由于氧化层的生长以及存在造成的各种缺陷，从而提高了器件的性能。同时，所述P型DBR层与所述上电极之间形成的第一镓砷层，能够实现欧姆接触，降低所述P型DBR层与所述上电极的接触电阻。
并且，通过光栅孔的设置，能够改变折射率差，从而改善发光角度。另外，在所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部形成的ITO层，能够改善电流的流经路径，改善出光孔的灾变效应。
进一步的，在衬底的正面与N型DBR层之间还形成有第二高阻层，所述第一高阻层与所述第二高阻层双层高阻层的设置，可以更好地将电子和孔穴限制在有效区域，降低了由于电子不受限制形成深能级导致的增加内能耗、降低整体的出光效率以及波长的红移等缺陷的发生率。
进一步的，在衬底的背面形成有暴露出所述N型DBR层的凹槽，背电极覆盖所述衬底并填充所述凹槽的侧壁及底部，从而进一步的限制电子的导通位置，更好的限制电子和孔穴的复合位置。
附图说明
本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。
图1是本发明一实施例提供的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
图2至图9是本发明实施例一提供的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤结构示意图。
图10至图17是本发明实施例二提供的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤结构示意图。
附图标记：
图2至图9中，10-衬底；11-缓冲层；12-N型DBR层；13-有源层；14-P型DBR层；15-第一镓砷层；16-第一高阻层；17-第二镓砷层；18-第一掩膜层；191-电极台阶；192-光栅孔；193-出光孔；20-电极材料层；21-第二掩膜层；22-电极；23-ITO层；24-保护层；25-背电极。
图10至图17中，100-衬底；110-第二高阻层；120-缓冲层；130-N型DBR层；140-有源层；150-P型DBR层；160-第一镓砷层；170-第二高阻层；180-第二镓砷层；192-光栅孔；193-出光孔；200-电极；210-ITO层；220-连接层；230-平整层；240-凹槽；251-钯电极；252-金电极；250-背电极；260-保护层。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。
图1是本发明一实施例提供的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图。
如图1所示，所述垂直腔面发射激光器的制作方法包括以下步骤：
S1：提供一衬底，所述衬底的正面上依次形成有N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，其中，所述第一高阻层的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层的折射率，N2为所述第一高阻层的折射率，N3为所述第二镓砷层的折射率，Thk1为所述第一镓砷层的厚度，Thk2为所述第一高阻层的厚度，Thk3为所述第二镓砷层的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
S2：在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成暴露出所述第一镓砷层的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极；
S3：形成ITO层，所述ITO层覆盖所述上电极与所述第二镓砷层，并填充所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部；
S4：在所述衬底的背面形成背电极。
以下通过两个实施例对本发明所提供的垂直腔面发射激光器的制作方法进行详细说明。
【实施例一】
图2至图9是本发明一实施例提供的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤结构示意图。接下来，将结合图1与图2至图9对本发明所提供的垂直腔面发射激光器的制作方法进行详细说明。
在步骤S1中，请参照图2所示，提供一衬底10，所述衬底10的正面上依次形成有N型DBR层12、有源层13、P型DBR层14、第一镓砷层15、第一高阻层16以及第二镓砷层17，其中，所述第一高阻层16的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层15的折射率，N2为所述第一高阻层16的折射率，N3为所述第二镓砷层17的折射率，Thk1为所述第一镓砷层15的厚度，Thk2为所述第一高阻层16的厚度，Thk3为所述第二镓砷层17的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数。
本实施例中，所述衬底10的材料优选为镓砷(GaAs)，在所述衬底10与所述N型DBR层12之间还形成有缓冲层11，所述缓冲层11的材质优选为镓砷。所述N型DBR层12可以包括层叠设置的N型铝镓砷层(AlGaAs)与N型镓砷层，所述P型DBR层14可以包括层叠设置的P型铝镓砷层(AlGaAs)与P型镓砷层，但不限于此。所述第一镓砷层15为P型镓砷层。
所述第一高阻层16的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1。所述第一镓砷层15的厚度乘以所述第一镓砷层15的折射率、所述第一高阻层16的厚度乘以所述第一高阻层16的折射率与所述第二镓砷层17的厚度乘以所述第二镓砷层17的折射率之和等于λ/4*M，其中λ为激光光束的波长，M为自然数。此处的激光光束是指最后形成的垂直腔面发射激光器内形成的激光光束。
示例性的，可以采用金属有机物化学气相沉积法(metalorganic chemical vaporphase deposition)依次形成所述第一镓砷层15、所述第一高阻层16与所述第二镓砷层17。形成所述第一镓砷层15时，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃，所述第一镓砷层15的厚度为5nm-500nm。所述第一镓砷层15为P型掺杂，其掺杂浓度为1E18 atom/cm3-5E19atom/cm3。形成所述第一高阻层16时，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃，所述第一高阻层16的厚度为5nm-500nm。形成所述第二镓砷层17时，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃，所述第二镓砷层17的厚度为1nm-500nm。所述第二镓砷层17也为P型掺杂，其掺杂浓度为1E18atom/cm3-5E19atom/cm3。
在步骤S2中，请参照图6所示，在所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16内形成暴露出所述第一镓砷层15的光栅孔192与出光孔193，在所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16两侧形成暴露出所述第一镓砷层15的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极22。
具体的，首先，请参考图3所示，形成第一掩膜层18，所述第一掩膜层18覆盖所述第二镓砷层17且暴露出所述第二镓砷层17的两侧。所述第一掩膜层18的材质优选为光刻胶。示例性的，在所述第二镓砷层17上形成第一光刻胶材料层，对所述第一光刻胶材料层进行曝光与显影，暴露出所述第二镓砷层17的两侧，即暴露出预定形成电极台阶以及上电极的区域，最终形成第一光刻胶层，即形成第一掩膜层18。接着，请继续参考图3所示，以所述第一掩膜层18为掩膜，依次刻蚀所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16，在所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16的两侧形成暴露所述第一镓砷层15的电极台阶191。所述电极台阶191实际为只具有一侧侧壁及底部的凹槽，即所述电极台阶191为L型凹槽。
接着，请参考图4所示，形成电极材料层20，所述电极材料层20填满所述电极台阶191并覆盖所述第一掩膜层18。所述电极材料层20的材质优选为金属。之后，请参考图5所示，形成第二掩膜层21，所述第二掩膜层21覆盖所述电极材料层20。本实施例中，所述第二掩膜层21的材质优选为光刻胶。接着，请参考图5与图6所示，依次图形化所述第二掩膜层21与所述第一掩膜层18，分别以图形化的所述第二掩膜层21与图形化的所述第一掩膜层18为掩膜，刻蚀所述电极材料层20或所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16，形成暴露出所述第一镓砷层15的所述光栅孔192与所述出光孔193，且保留所述电极台阶191区域的所述电极材料层形成上电极22。
示例性的，依次图形化所述第二掩膜层21与所述第一掩膜层18，并最终形成所述上电极22、所述光栅孔192及所述出光孔193的具体步骤包括：首先，图形化所述第二掩膜层21，所述第二掩膜层21的材质优选为光刻胶，也就是可以通过曝光与显影的方法图形化所述第二掩膜层21，形成图形化的所述第二掩膜层(未图示)，图形化的所述第二掩膜层暴露出所述第一掩膜层18上的所述电极材料层20。接着，以图形化的所述第二掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层20至暴露出所述第一掩膜层18，在所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16两侧形成上电极22。接着，图形化所述第一掩膜层18，形成图形化的所述第一掩膜层(未图示)，图形化的所述第一掩膜层暴露出预定形成所述光栅孔与所述出光孔的区域。之后，以图形化的所述第一掩膜层为掩膜，依次刻蚀所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16至暴露出所述第一镓砷层15，形成所述光栅孔192与所述出光孔193。最后，去除图形化的第二掩膜层与图形化的第一掩膜层，形成如图6所示的结构。
在步骤S3中，请参考图7所示，形成ITO层23，所述ITO层23覆盖所述上电极22与所述第二镓砷层17，并填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部。
在形成所述ITO层23之后，所述制作方法还包括：参考图8，在所述ITO层23上形成保护层24。本实施例中，所述保护层24的材质优选为氮化硅。
所述第一镓砷层15、所述第一高阻层16、所述第二镓砷层17、所述ITO层23以及所述保护层24需要满足条件：N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3+N4*Thk4+N5*Thk5＝λ/4*M，其中，N4为所述ITO层23的折射率，N5为所述保护层24的折射率，Thk4为所述ITO层23的厚度，Thk5为所述保护层24的厚度。
本实施例中，采用原子层沉积法形成所述ITO层23与所述保护层24，且沉积时的垂直度均优选为60°～90°，从而使得所述光栅孔192与所述出光孔193底部的所述ITO层23的厚度远大于侧壁的所述ITO层23的厚度，以及使得所述光栅孔192与所述出光孔193底部的所述保护层24的厚度远大于侧壁的所述保护层24的厚度，避免所述光栅孔192与所述出光孔193被完全填充。
接着，需要对所述保护层24与所述ITO层23进行刻蚀，暴露出所述上电极22。示例性的，在所述保护层24上形成光刻胶层(未图示)，对所述光刻胶层进行曝光与显影，形成图形化的光刻胶层，图形化的所述光刻胶层暴露出所述上电极22所在的区域。接着，以图形化的光刻胶层为掩膜，刻蚀所述保护层24与所述ITO层23，至暴露出所述上电极22，最后去除图形化的所述光刻胶层，形成如图9所示的结构。
在步骤S4中，请继续参考图9所示，在所述衬底10的背面形成背电极25。
具体的，首先，对所述衬底10的背面进行减薄，然后在减薄之后的所述衬底10的背面形成背电极25。
最终形成的如图9所示的垂直腔面发射激光器中，N型DBR层12作为下反射层，P型DBR层14作为上反射层，所述N型DBR层12和所述P型DBR层14为垂直腔面发射激光器的两个腔面，两个腔面及其之间的有源区13构成谐振腔。在上电极22和背电极25上施加电信号后可激发有源区13发出一定波长的光，该光束在谐振腔内来回反射发生谐振放大，最终形成目标波长的激光光束并从出光孔193出射。
本实施例中，在衬底10上依次形成有N型DBR层12、有源层13、P型DBR层14、第一镓砷层15、第一高阻层16以及第二镓砷层17，在所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16内形成暴露出所述第一镓砷层15的光栅孔192与出光孔193，通过所述第一高阻层16以及所述第一高阻层16内形成的光栅孔192与出光孔193限制载流子的移动方向，从而无需生长氧化层，以此消除由于氧化层的生长以及存在造成的各种缺陷，从而提高了器件的性能。例如可以消除氧化层在氧化过程中产生的应力，消除P型DBR层14由于氧化造成边缘应力变大，影响外延片的翘曲度的问题。同时，在所述P型DBR层14与所述上电极22之间形成有第一镓砷层15，能够实现欧姆接触，降低所述P型DBR层14与所述上电极22的接触电阻。
并且，由于光栅孔192的设置，能够改变折射率差，从而改善发光角度。另外，在所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部形成的ITO层23，能够改善电流的流经路径，改善出光孔的灾变效应。
相应的，本实施例还提供一种垂直腔面发射激光器，采用如上所述的垂直腔面发射激光器的制作方法制作而成。请参考图9所示，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底10，依次位于所述衬底10正面上的N型DBR层12、有源层13、P型DBR层14、第一镓砷层15、第一高阻层16以及第二镓砷层17，其中，所述第一高阻层16的材料包含AlxGa1- xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层15的折射率，N2为所述第一高阻层16的折射率，N3为所述第二镓砷层17的折射率，Thk1为所述第一镓砷层15的厚度，Thk2为所述第一高阻层16的厚度，Thk3为所述第二镓砷层17的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
光栅孔192与出光孔193，位于所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16内且暴露出所述第一镓砷层15；
上电极22，位于所述第二镓砷层17与所述第一高阻层16两侧且与所述第一镓砷层15相连接；
ITO层23，覆盖所述第二镓砷层17，并填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部；以及
背电极25，位于所述衬底10的背面。
优选的，所述垂直腔面发射激光器还包括保护层24，所述保护层24覆盖所述ITO层23，且所述保护层24填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部。
所述第一镓砷层15、所述第一高阻层16、所述第二镓砷层17、所述ITO层23以及所述保护层24需要满足条件：N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3+N4*Thk4+N5*Thk5＝λ/4*M，其中，N4为所述ITO层23的折射率，N5为所述保护层24的折射率，Thk4为所述ITO层23的厚度，Thk5为所述保护层24的厚度。
【实施例二】
与实施例一相比，本实施例中，在所述衬底的正面与所述N型DBR层之间还形成有第二高阻层。
图10至图17是本发明实施例二提供的垂直腔面发射激光器的制作方法的各步骤结构示意图。接下来，将结合图1与图10至图17对本发明所提供的垂直腔面发射激光器的制作方法进行详细说明。
在步骤S1中，请参照图10所示，提供一衬底10，所述衬底100的正面上依次形成有第二高阻层110、N型DBR层130、有源层140、P型DBR层150、第一镓砷层160、第一高阻层170以及第二镓砷层180，其中，所述第二高阻层110与所述第一高阻层170的材料均包含AlxGa1- xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层160的折射率，N2为所述第一高阻层170的折射率，N3为所述第二镓砷层180的折射率，Thk1为所述第一镓砷层160的厚度，Thk2为所述第一高阻层170的厚度，Thk3为所述第二镓砷层180的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数。
本实施例中，所述衬底10的材料优选为镓砷(GaAs)，在所述第二高阻层110与所述N型DBR层130之间还形成有缓冲层120，所述缓冲层120的材质优选为镓砷。所述N型DBR层130可以包括层叠设置的N型铝镓砷层(AlGaAs)与N型镓砷层，所述P型DBR层150可以包括层叠设置的P型铝镓砷层(AlGaAs)与P型镓砷层，但不限于此。所述第一镓砷层160为P型镓砷层。
所述第二高阻层110与所述第一高阻层170的材料均包含AlxGa1-xAsOySizCh，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1。所述第一镓砷层160的厚度乘以所述第一镓砷层160的折射率、所述第一高阻层170的厚度乘以所述第一高阻层170的折射率与所述第二镓砷层180的厚度乘以所述第二镓砷层180的折射率之和等于λ/4*M，其中λ为激光光束的波长，M为自然数。此处的激光光束是指最后形成的垂直腔面发射激光器内最终形成的激光光束。
示例性的，可以采用金属有机物化学气相沉积法(metalorganic chemical vaporphase deposition)依次形成所述第二高阻层110、所述第一镓砷层160、所述第一高阻层170与所述第二镓砷层180。形成所述第一镓砷层160时，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃，所述第一镓砷层160的厚度为5nm-500nm。所述第一镓砷层160为P型掺杂，其掺杂浓度为1E18atom/cm3-5E19atom/cm3。形成所述第二高阻层110与所述第一高阻层170时，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃，所述第二高阻层110与所述第一高阻层170的厚度均为5nm-500nm。形成所述第二镓砷层180时，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃，所述第二镓砷层180的厚度为1nm-500nm。所述第二镓砷层180也为P型掺杂，其掺杂浓度为1E18atom/cm3-5E19atom/cm3。
在步骤S2中，请参照图11所示，在所述第二镓砷层180与所述第一高阻层170内形成暴露出所述第一镓砷层160的光栅孔192与出光孔193，在所述第二镓砷层180与所述第一高阻层170两侧形成暴露出所述第一镓砷层160的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极200。
本实施例中，可以采用与实施例一相同的方法形成所述光栅孔192、所述出光孔193与所述上电极200，在此不再进行详细描述。当然，也可以采用其他的本领域技术人员已知的方法形成所述光栅孔192、所述出光孔193与所述上电极200，本发明对此不作限定。
在步骤S3中，请参考图12所示，形成ITO层210，所述ITO层210覆盖所述上电极200与所述第二镓砷层180，并填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部。
本实施例中，采用原子层沉积法形成所述ITO层210，且沉积时的垂直度均优选为60°～90°，从而使得所述光栅孔192与所述出光孔193底部的所述ITO层210的厚度远大于侧壁的所述ITO层210的厚度，避免所述光栅孔192与所述出光孔193被完全填充。
在形成所述ITO层210之后，所述制作方法还包括：请参考图13，在所述ITO层210上形成连接层220以及平整层230。所述连接层220覆盖所述ITO层210，并填满所述光栅孔与所述出光孔。所述平整层230覆盖所述连接层220。所述平整层230用于保持所述衬底100正面的平整度，以便于后续在所述衬底100的背面形成背电极，且可以保护所述ITO层210。所述平整层230包含蓝宝石衬底、硅衬底、砷化镓衬底或氮化镓衬底等，但不限于此。本实施例中，所述平整层230优选为蓝宝石衬底。所述连接层220用于连接绑定所述ITO层210与所述平整层230，并且所述连接层220的材质要易于去除而不会对所述ITO层210造成影响。本实施例中，所述连接层220的材质优选为蜡，通过加热能够绑定所述ITO层210与所述平整层230，并且能够水洗去除。
在步骤S4中，请参考图15所示，在所述衬底100的背面形成背电极250。
具体的，首先，对所述衬底100的背面进行减薄。然后，请参考图14所示，从所述衬底100的背面刻蚀所述衬底100与所述第二高阻层110，形成暴露出所述N型DBR层130的凹槽240。本实施例中，由于所述第二高阻层110与所述N型DBR层130之间形成有缓冲层120，因此，所述凹槽240暴露出所述缓冲层120。示例性的，在所述衬底100的背面形成光刻胶层(未图示)，对所述光刻胶层进行曝光与显影形成图形化的光刻胶层，图形化的所述光刻胶层暴露出所述衬底100，以图形化的所述光刻胶层为掩膜，依次刻蚀所述衬底100与所述第二高阻层110，至暴露出所述缓冲层120形成所述凹槽240，最后去除图形化的光刻胶层。
之后，请参考图15所示，形成背电极250，所述背电极250覆盖所述衬底100并填满所述凹槽240。本实施例中，所述背电极250可以包括钯(Pb)电极251与金(Au)电极252，具体的，首先通过化镀的方式形成所述钯电极251，所述钯电极251覆盖所述衬底100并填充所述凹槽240的侧壁及底部。接着，通过电镀的方式形成所述金电极252，所述金电极252覆盖所述钯电极251并填满所述凹槽240。当然，其他实施例中，也可以采用其他已知的方法形成所述背电极250。
形成所述背电极250之后，所述制作方法还包括：去除所述平整层230与所述连接层220，形成如图16所示的结构。之后，请参考图17所示，在所述ITO层210上形成保护层260，所述保护层260覆盖所述ITO层210并填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部。本实施例中，所述保护层260的材质优选为氮化硅。
所述第一镓砷层160、所述第一高阻层170、所述第二镓砷层180、所述ITO层210以及所述保护层260需要满足条件：N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3+N4*Thk4+N5*Thk5＝λ/4*M，其中，N4为所述ITO层210的折射率，N5为所述保护层260的折射率，Thk4为所述ITO层210的厚度，Thk5为所述保护层260的厚度。
本实施例中，采用原子层沉积法形成所述保护层260，且沉积时的垂直度均优选为60°～90°，从而使得所述光栅孔192与所述出光孔193底部的所述保护层260的厚度远大于侧壁的所述保护层260的厚度，避免所述光栅孔192与所述出光孔193被完全填充。
最终形成的如图17所示的垂直腔面发射激光器中，N型DBR层130作为下反射层，P型DBR层150作为上反射层，所述N型DBR层130和所述P型DBR层150为垂直腔面发射激光器的两个腔面，两个腔面及其之间的有源区140构成谐振腔。在上电极200和背电极250上施加电信号后可激发有源区140发出一定波长的光，该光束在谐振腔内来回反射发生谐振放大，最终形成目标波长的激光光束并从出光孔193出射。
本实施例中，在衬底100上依次形成有第二高阻层110、N型DBR层130、有源层140、P型DBR层150、第一镓砷层160、第一高阻层170以及第二镓砷层180，在所述第二镓砷层180与所述第一高阻层170内形成暴露出所述第一镓砷层160的光栅孔192与出光孔193，通过所述第一高阻层170以及所述第一高阻层170内形成的光栅孔192与出光孔193限制载流子的移动方向，从而无需生长氧化层，以此消除由于氧化层的生长以及存在造成的各种缺陷，从而提高了器件的性能。例如可以消除氧化层在氧化过程中产生的应力，消除P型DBR层15由于氧化造成边缘应力变大，影响外延片的翘曲度的问题。并且，所述第二高阻层110与所述第一高阻层170双层高阻层的设置，可以更好地将电子和孔穴限制在有效区域，降低了由于电子不受限制形成深能级导致的增加内能耗、降低整体的出光效率以及波长的红移等缺陷的发生率。同时，在所述P型DBR层150与所述上电极200之间形成有第一镓砷层160，能够实现欧姆接触，降低所述P型DBR层150与所述上电极200的接触电阻。
并且，由于光栅孔192的设置，能够改变折射率差，从而改善发光角度。另外，在所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部形成的ITO层210，能够改善电流的流经路径，改善出光孔的灾变效应。
另外，在衬底100的背面形成有暴露出所述N型DBR层130的凹槽240，背电极250覆盖所述衬底100并填充所述凹槽240的侧壁及底部，从而进一步的限制电子的导通位置，更好的限制电子和孔穴的复合位置。
相应的，本实施例还提供一种垂直腔面发射激光器，采用如上所述的垂直腔面发射激光器的制作方法制作而成。请参考图17所示，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底100，依次位于所述衬底100正面上的第二高阻层110、N型DBR层130、有源层140、P型DBR层150、第一镓砷层160、第一高阻层170以及第二镓砷层180，其中，所述第二高阻层110与所述第一高阻层170的材料均包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层160的折射率，N2为所述第一高阻层170的折射率，N3为所述第二镓砷层180的折射率，Thk1为所述第一镓砷层160的厚度，Thk2为所述第一高阻层170的厚度，Thk3为所述第二镓砷层180的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
光栅孔192与出光孔193，位于所述第二镓砷层180与所述第一高阻层170内且暴露出所述第一镓砷层160；
上电极200，位于所述第二镓砷层180与所述第一高阻层170两侧且与所述第一镓砷层160相连接；
ITO层210，覆盖所述第二镓砷层180，并填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部；以及
背电极250，位于所述衬底100的背面。
优选的，所述垂直腔面发射激光器还包括保护层260，所述保护层260覆盖所述ITO层210，且所述保护层260填充所述光栅孔192与所述出光孔193的侧壁及底部。
所述第一镓砷层160、所述第一高阻层170、所述第二镓砷层180、所述ITO层210以及所述保护层260需要满足条件：N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3+N4*Thk4+N5*Thk5＝λ/4*M，其中，N4为所述ITO层210的折射率，N5为所述保护层260的折射率，Thk4为所述ITO层210的厚度，Thk5为所述保护层260的厚度。
优选的，所述衬底100的背面形成有暴露出所述N型DBR层130的凹槽240，所述背电极250包含钯电极251与金电极252，所述钯电极251覆盖所述衬底100的背面并填充所述凹槽240的侧壁及底部，所述金电极252覆盖所述钯电极251并填满所述凹槽240。
综上所述，本发明提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法中，在衬底上依次形成有N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，通过所述第一高阻层以及所述第一高阻层内形成的光栅孔与出光孔限制载流子的移动方向，从而无需生长氧化层，以此消除由于氧化层的生长以及存在造成的各种缺陷，从而提高了器件的性能。同时，所述P型DBR层与所述上电极之间形成的第一镓砷层，能够实现欧姆接触，降低所述P型DBR层与所述上电极的接触电阻。
并且，通过光栅孔的设置，能够改变折射率差，从而改善发光角度。另外，在所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部形成的ITO层，能够改善电流的流经路径，改善出光孔的灾变效应。
进一步的，在衬底的正面与N型DBR层之间还形成有第二高阻层，所述第一高阻层与所述第二高阻层双层高阻层的设置，可以更好地将电子和孔穴限制在有效区域，降低了由于电子不受限制形成深能级导致的增加内能耗、降低整体的出光效率以及波长的红移等缺陷的发生率。
进一步的，在衬底的背面形成有暴露出所述N型DBR层的凹槽，背电极覆盖所述衬底并填充所述凹槽的侧壁及底部，从而进一步的限制电子的导通位置，更好的限制电子和孔穴的复合位置。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底的正面上依次形成有N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，其中，所述第一高阻层的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层的折射率，N2为所述第一高阻层的折射率，N3为所述第二镓砷层的折射率，Thk1为所述第一镓砷层的厚度，Thk2为所述第一高阻层的厚度，Thk3为所述第二镓砷层的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成暴露出所述第一镓砷层的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极；
形成ITO层，所述ITO层覆盖所述上电极与所述第二镓砷层，并填充所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部；以及
在所述衬底的背面形成背电极。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，在所述衬底的正面与所述N型DBR层之间还形成有第二高阻层，所述第二高阻层的材料包含AlxGa1- xAsOySizCh，其中0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1。
3.如权利要求2所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，在所述衬底的背面形成背电极的步骤包括：
对所述衬底的背面进行减薄；
从所述衬底的背面刻蚀所述衬底与所述第二高阻层，形成暴露出所述N型DBR层的凹槽；以及
形成背电极，所述背电极覆盖所述衬底并填满所述凹槽。
4.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，在形成所述ITO层之后，在形成所述背电极之前，所述制作方法还包括：形成保护层，所述保护层覆盖所述ITO层。
5.如权利要求4所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述保护层的材质包含氮化硅，且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3+N4*Thk4+N5*Thk5＝λ/4*M，其中，N4为所述ITO层的折射率，N5为所述保护层的折射率，Thk4为所述ITO层的厚度，Thk5为所述保护层的厚度。
6.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层内形成暴露出所述第一镓砷层的光栅孔与出光孔，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成暴露出所述第一镓砷层的电极台阶，且所述电极台阶上形成上电极的步骤包括：
形成第一掩膜层，所述第一掩膜层覆盖所述第二镓砷层且暴露出所述第二镓砷层的两侧；
以所述第一掩膜层为掩膜依次刻蚀所述第二镓砷层与所述第一高阻层，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层的两侧形成暴露所述第一镓砷层的所述电极台阶；
形成电极材料层，所述电极材料层填满所述电极台阶并覆盖所述第一掩膜层；
形成第二掩膜层，所述第二掩膜层覆盖所述电极材料层；以及
依次图形化所述第二掩膜层与所述第一掩膜层，分别以图形化的所述第二掩膜层与图形化的所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层或所述第二镓砷层与所述第一高阻层，形成暴露出所述第一镓砷层的所述光栅孔与所述出光孔，且保留所述电极台阶区域的所述电极材料层形成上电极。
7.如权利要求6所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，依次图形化所述第二掩膜层与所述第一掩膜层，分别以图形化的所述第二掩膜层与图形化的所述第一掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层或所述第二镓砷层与所述第一高阻层，形成暴露出所述第一镓砷层的所述光栅孔与所述出光孔，且保留所述电极台阶区域的所述电极材料层形成上电极的步骤包括：
图形化所述第二掩膜层，以图形化的所述第二掩膜层为掩膜，刻蚀所述电极材料层至暴露出所述第一掩膜层，在所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧形成上电极；
图形化所述第一掩膜层，以图形化的所述第一掩膜层为掩膜，依次刻蚀所述第二镓砷层与所述第一高阻层至暴露出所述第一镓砷层，形成所述光栅孔与所述出光孔；以及
去除图形化的所述第二掩膜层和图形化的所述第一掩膜层。
8.如权利要求2所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积法形成所述第一镓砷层，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃；所述第一镓砷层为P型掺杂，掺杂浓度为1E18 atom/cm3-5E19atom/cm3；所述第一镓砷层的厚度为5nm-500nm；
采用金属有机物化学气相沉积法形成所述第一高阻层与所述第二高阻层，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃；所述第一高阻层与所述第二高阻层的厚度均为5nm-500nm；
采用金属有机物化学气相沉积法形成所述第二镓砷层，腔室压力为50mbar-1000mbar，腔室温度为400℃-800℃；所述第二镓砷层为P型掺杂，掺杂浓度为1E18 atom/cm3-5E19atom/cm3；所述第二镓砷层的厚度为1nm-500nm。
9.如权利要求4所述的垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，采用原子层沉积法形成所述ITO层与所述保护层，且沉积时的垂直度为60°～90°。
10.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底，依次位于所述衬底正面上的N型DBR层、有源层、P型DBR层、第一镓砷层、第一高阻层以及第二镓砷层，其中，所述第一高阻层的材料包含AlxGa1-xAsOySizCh，0<x<1，0<y<1，0<z<1，0<h<1，z+h＝1，并且N1*Thk1+N2*Thk2+N3*Thk3＝λ/4*M，N1为所述第一镓砷层的折射率，N2为所述第一高阻层的折射率，N3为所述第二镓砷层的折射率，Thk1为所述第一镓砷层的厚度，Thk2为所述第一高阻层的厚度，Thk3为所述第二镓砷层的厚度，λ为激光光束的波长，M为自然数；
光栅孔与出光孔，位于所述第二镓砷层与所述第一高阻层内且暴露出所述第一镓砷层；
上电极，位于所述第二镓砷层与所述第一高阻层两侧且与所述第一镓砷层相连接；
ITO层，覆盖所述第二镓砷层，并填充所述光栅孔与所述出光孔的侧壁及底部；以及
背电极，位于所述衬底的背面。
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