CN115173228A - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，涉及半导体激光器领域，具体为一种垂直腔面发射激光器，解决了现有激光器电流阈值高、斜效率低的问题，激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极，通过在激光器内设置量子阱插层隧道结，并引入含高Al组分的AlGaAs材料形成多层空穴阻挡层，降低了器件串联电阻，增加了载流子隧穿概率和斜线效率，减少隧道结的光吸收。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，具体为一种垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有体积小、发散角小、光束质量高、成本低、易于二维集成等独特优势，近年来在半导体激光器领域引起了广泛的研究兴趣，并且也在应用端市场上迅速扩展，其中包括：3D面部识别、激光医美、气体探测、智能家居、激光雷达等应用。

目前主流的垂直腔面发射激光器(VCSEL)芯片，主要采用单有源区结构，单孔出光功率一般仅为5-10mW,为了使VCSEL芯片达到更大的出光功率，通常考虑增大器件孔径。这种做法增加了光学设计难度，同时降低了出光功率密度，因此难以满足高集成度、高功率密度的需求。通过高掺杂的隧道结连接多个有源区是目前提高功率密度、量子效率和斜效率的一种行之有效的途径。通过优化控制隧道结掺杂，可以有效降低该隧道结电阻。然而，高掺杂同时也不可避免地增加了自由载流子吸收损耗，不利于低阈值激射。同时，由于有源区的载流子泄漏效应会导致电子和空穴脱离量子阱势垒的束缚直接进入空穴和电子传输层，极大地降低了激光器的内量子效率。

本发明针对上述问题，设计了一种基于量子阱插层隧道结和空穴阻挡层的高性能三结垂直腔面发射激光器。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有垂直腔面发射激光器电流阈值高、斜效率低的问题，本发明提供一种基于量子阱插层隧道结和空穴阻挡层的高性能多结垂直腔面发射激光器及其制备方法，同时引入空穴阻挡层，在确保较低的激光器阈值和串联电阻的同时，减小了隧道结处的价带间吸收，实现了905nm的高性能多结垂直腔面发射激光器。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

优选的，所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、第二量子阱插层隧道结、第三氧化层、第三有源区、第三空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

可选的，所述量子阱插层隧道结自上而下包括：p型重掺杂Al_xGa_1-xAs、n型重掺杂GaAs量子阱、n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs，Al_xGa_1-xAs组分变化范围为：x＝0-0.1。

可选的，p型重掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为3×10¹⁹cm^-3—1×10²⁰cm^-3，厚度为5—10nm；n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为5×10¹⁷cm^-3—2×10¹⁸cm^-3。

可选的，所述第一空穴阻挡层、第二空穴阻挡层及第三空穴阻挡层为n型轻掺杂的Al_xGa_1-xAs空穴阻挡层，Al_xGa_1-xAs组分变化范围为：x＝0.45-0.9。

可选的，Al_xGa_1-xAs掺杂浓度范围为5×10¹⁷cm^-3—2×10¹⁸cm^-3，厚度为10—30nm。

本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上依次外延N型布拉格反射镜组、第三空穴阻挡层、第三有源区、第三氧化层、第二量子阱插层隧道结、第二空穴阻挡层、第二有源区、第二氧化层、第一量子阱插层隧道结、第一空穴阻挡层、第一有源区、第一氧化层、P型布拉格反射镜组；

S2、在衬底靠近所述P型布拉格反射镜组的一侧制作P电极，在所述衬底靠近所述N型布拉格反射镜组的一侧制作N电极，完成激光器的制作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过设计量子阱插层隧道结，将窄带隙的GaAs嵌入宽带隙的AlGaAs中可以有效地减少隧穿距离，增加隧穿概率。此外，对于GaAs材料体系而言，自由电子的吸收损耗比自由空穴小2-3倍，将GaAs量子阱置于n侧有利于减小吸收损耗。

2.本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，引入含高Al组分的AlGaAs材料形成空穴阻挡层，很好地限制载流子的逃逸，抑制空穴泄漏电流，降低器件串联电阻，增加了载流子隧穿概率，减少隧道结的光吸收。

3.本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，多重空穴阻挡层的设置使得有效抑制空穴泄漏电流，使器件内量子效率大大提升、斜线效率大幅增加。

附图说明

图1为一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。

图2为一种垂直腔面发射激光器的结构示意图。

图3为试验1中光学与电学性能测试示意图。

附图标注：P-DBRs-P型布拉格反射镜组，氧化层1-第一氧化层，有源区1-第一有源区，空穴阻挡层1-第一空穴阻挡层，隧穿结1-第一量子阱插层隧道结，氧化层2-第二氧化层，有源区2-第二有源区，空穴阻挡层2-第二空穴阻挡层，隧穿结2-第二量子阱插层隧道结，氧化层3-第三氧化层，有源区3-第三有源区，空穴阻挡层3-第三空穴阻挡层，N-DBRs-N型布拉格反射镜组。

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。

因此，以下对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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

具体实施方式

参见图1所示，一种垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

优选的，一种功率更大的激光器，所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、第二量子阱插层隧道结、第三氧化层、第三有源区、第三空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

可以理解的，根据实际应用中功率的大小，可以选择叠加不同数量的氧化层、有源区、空穴阻挡层、量子阱插层隧道结等，根据实际的需求可改变不同数量的层数。

可以理解的，本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器，在有源区形成驻波，使得光子能量放大最后形成激射，实现了激光器的发光。通过设置量子阱插层隧道结，并引入含高Al组分的AlGaAs材料形成空穴阻挡层，在确保较低的激光器阈值和串联电阻的同时，减小了隧道结处的价带间吸收，实现了905nm的高性能垂直腔面发射激光器，降低器件串联电阻，增加了载流子隧穿概率，减少隧道结的光吸收，解决了现有技术中阈值高、斜效率低等问题。

进一步的，本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器，多重空穴阻挡层的设置使得有效抑制空穴泄漏电流，使器件内量子效率大大提升、斜线效率大幅增加。

进一步的，本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器，每个有源区的p区一侧都设置了氧化层，氧化层的作用除了限制发光区孔径之外，还可以有效抑制电子的泄漏，进一步提升器件内量子效率。

本发明中优选GaAs衬底。

本发明的所述量子阱插层隧道结自上而下包括：p型重掺杂Al_xGa_1-xAs、n型重掺杂GaAs量子阱、n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs，Al_xGa_1-xAs组分变化范围为：x＝0-0.1。

本发明的p型重掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为3×10¹⁹cm^-3—1×10²⁰cm^-3，厚度为5—10nm；n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为5×10¹⁷cm^-3—2×10¹⁸cm^-3。

具体的，p型重掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为8×10¹⁹cm^-38，厚度为8nm；n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为1×10¹⁸cm^-3。

在本发明中，优选p型重掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为1×10²⁰cm^-3，优选厚度为10nm；优选n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为2×10¹⁸cm^-3。

本发明中，GaAs量子阱两侧分别为p型重掺杂和n型轻掺杂的AlxGa_1-xAs，可以理解为，这样的设置将窄带隙的GaAs嵌入宽带隙的AlGaAs中，可以有效地减少隧穿距离，增加隧穿概率。

可以理解为，在隧道结中，电子的隧穿概率主要由有效质量、禁带宽度和隧道长度共同决定。选择有效质量和禁带宽度小的材料制备隧道结有利于获得较高的隧穿几率，从而可以获得低反向偏压和低串联电阻的高质量隧道结。然而，减小隧道结材料的禁带宽度同时也会引入更大的吸收损耗(如：自由载流子吸收和本征吸收)，增加了激光器的工作阈值。传统的近红外多结VCSEL(如905、940和980nm)采用GaAs同质结。

具体的，对于传统的905nm多结VCSEL，室温下有源区材料的荧光峰在890nm附近，对应的光子能量为1.393eV，而本征GaAs材料在室温时的禁带宽度为1.424eV，两者仅相差31meV。考虑到重掺杂带尾效应和载流子屏蔽作用引起的带隙收缩以及弗朗兹一凯尔迪什效应导致的本征吸收边红移，GaAs同质结对该波段的光子存在本征吸收的可能性，从而使得激光器的吸收损耗增加。

进一步可以理解为，本发明涉及的AlGaAs/GaAs/AlGaAs量子阱插层隧道结，在不增加串联电阻的前提下，降低了激光器的阈值电流。

具体的，p型重掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度大约比n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度高出约一个数量级，这样的设置使得PN结的耗尽层主要落在n区一侧，电子的隧穿概率受n区材料的影响较大。将GaAs量子阱设置在n区一侧，从而提高了隧穿性能，且减小了自由载流子吸收，避免了增加激光器的吸收损耗。

本发明的所述第一空穴阻挡层、第二空穴阻挡层及第三空穴阻挡层为n型轻掺杂的Al_xGa_1-xAs空穴阻挡层，Al_xGa_1-xAs组分变化范围为：x＝0.45-0.9。本发明的Al_xGa_1-xAs掺杂浓度范围为5×10¹⁷cm^-3—2×10¹⁸cm^-3，厚度为10—30nm。

具体的，本实施例中所述第一空穴阻挡层、第二空穴阻挡层及第三空穴阻挡层为n型轻掺杂的Al_0.5Ga_0.5As空穴阻挡层。Al_0.5Ga_0.5As掺杂浓度范围为6×10¹⁷cm^-3，厚度为20nm。

可以理解为，通常情况下，半导体激光器的有源区载流子浓度高达10¹⁸—10¹⁹cm^-3，量子阱两侧的势垒层难以很好地限制载流子的逃逸。注入量子阱区域的部分电子和空穴无法在短时间内参与受激辐射，分别迁移到空穴传输层和电子传输层，从而产生泄漏电流，以非辐射复合的方式释放能量，影响激光器的斜线效率。

因此，在传统的多结VCSEL中，有源区n区一侧的材料组分为Al_xGa_1-xAs(x≤0.4)，注意，由于x≤0.4，使得Al低，该层材料无法有效地抑制有源区的空穴泄漏电流。

传统的多结VCSEL的每个结区都设计有高Al的氧化层，可以很好的限制电子泄漏电流。然而，隧穿结与量子阱区域之间通常为低Al的Al_xGa_1-xAs(x<0.4)，这样的Al量无法有效阻碍空穴的逃逸。因此，本发明的一定厚度的Al_xGa_1-xAs(x>0.4)空穴阻挡层可以更好得抑制空穴电流。

本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上依次外延N型布拉格反射镜组、第三空穴阻挡层、第三有源区、第三氧化层、第二量子阱插层隧道结、第二空穴阻挡层、第二有源区、第二氧化层、第一量子阱插层隧道结、第一空穴阻挡层、第一有源区、第一氧化层、P型布拉格反射镜组；

S2、在所述衬底靠近所述P型布拉格反射镜组的一侧制作P电极，在所述衬底靠近所述N型布拉格反射镜组的一侧制作N电极，完成激光器的制作.

在具体的外延过程中，在已经涉及的N型布拉格反射镜组、第三空穴阻挡层、第三有源区、第三氧化层等各层之间还存在缓冲层，根据实际的制备需求调整参数对各缓冲层进行外延，以满足实际的需求。

本发明的制备方法可选用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)对各层进行外延。

实施例1

一种垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、第二量子阱插层隧道结、第三氧化层、第三有源区、第三空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

本实施例中，所述量子阱插层隧道结自上而下包括：p型重掺杂Al_0.05Ga_0.95As、n型重掺杂GaAs量子阱、n型轻掺杂Al_0.05Ga_0.95As。p型重掺杂Al_0.05Ga_0.95As的浓度范围为3×10¹⁹cm^-3，厚度为8nm；n型轻掺杂Al_0.05Ga_0.95As的浓度范围为1×10¹⁸cm^-3。

本实施例中，所述第一空穴阻挡层、第二空穴阻挡层及第三空穴阻挡层为n型轻掺杂的Al_0.6Ga_0.4As空穴阻挡层。Al_0.6Ga_0.4As掺杂浓度范围为1×10¹⁸cm^-3，厚度为20nm。

实施例2

一种垂直腔面发射激光器，所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、第二量子阱插层隧道结、第三氧化层、第三有源区、第三空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

本实施例中，所述量子阱插层隧道结自上而下包括：p型重掺杂Al_0.06Ga_0.94As、n型重掺杂GaAs量子阱、n型轻掺杂Al_0.06Ga_0.94As。其中，p型重掺杂Al_0.06Ga_0.94As的浓度范围为8×10¹⁹cm^-3，厚度为6nm；n型轻掺杂Al_0.06Ga_0.94As的浓度范围为9×10¹⁷cm^-3。

本实施例中，所述第一空穴阻挡层、第二空穴阻挡层及第三空穴阻挡层为n型轻掺杂的Al_0.8Ga_0.2As空穴阻挡层。其中，Al_0.8Ga_0.2As掺杂浓度范围为8×10¹⁷cm^-3，厚度为28nm。

为了验证本发明所涉及的发射激光器的光学与电学性能，进行以下的试验例。

试验例检验发射激光器的光学与电学性能

1.1试验设计

试验设置两个处理组，实验组为实施例1所涉及的垂直腔面发射激光器，对比组为采用Al_0.05Ga_0.95As同质隧道结的垂直腔面发射激光器，在相同的试验条件下，对其进行光学与电学的性能测试。

测试结果见图2，点划线代表具有量子阱插层隧道结和空穴阻挡层的905nm三结VCSEL(实验组)，实线代表实施例1中Al_0.05Ga_0.95As同质隧道结的905nm三结VCSEL(对照组)。

检验后，分别得出表征光学性能的电流—功率曲线，表征电学性能的电流—电压曲线。

1.2结果分析

参见图2可知，参见电流—功率曲线，可见在光学性能方面，实验组的激射阈值为1.2mA，相较于对照组的激射阈值1mA，实验组有更高的激射阈值，即开启电流更大，可见由于实验组引入了GaAs插层量子阱隧道结，导致更大的吸收损耗。进一步的，尽管实验组增加了激射阈值，由于空穴阻挡层的存在，器件的内量子效率进一步提升，斜线效率更高，在高电流注入情况下有更大的输出功率。

参见电流—电压曲线，在电学性能方面，实验组的曲线更陡峭，即实验组的微分电阻相较于对照组更小。说明实验组的GaAs插层隧道结确实具有更短的隧穿距离，增大了电子的隧穿概率。

结合两组曲线，尽管实验组有更大的激射阈值，但在微分电阻和斜线效率上表现更好，具有更高的光电转换效率。

综上所述，本发明所涉及的一种垂直腔面发射激光器，通过设计量子阱插层隧道结，将窄带隙的GaAs嵌入宽带隙的AlGaAs中可以有效地减少隧穿距离，增加隧穿概率。此外，对于GaAs材料体系而言，自由电子的吸收损耗比自由空穴小2-3倍，将GaAs量子阱置于n侧有利于减小吸收损耗。引入含高Al组分的AlGaAs材料形成空穴阻挡层，很好地限制载流子的逃逸，抑制空穴电流，降低器件串联电阻，增加了载流子隧穿概率，减少隧道结的光吸收。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

2.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述激光器自上而下依次为P电极、P型布拉格反射镜组、第一氧化层、第一有源区、第一空穴阻挡层、第一量子阱插层隧道结、第二氧化层、第二有源区、第二空穴阻挡层、第二量子阱插层隧道结、第三氧化层、第三有源区、第三空穴阻挡层、N型布拉格反射镜组、衬底、N电极。

3.根据权利要求2所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述量子阱插层隧道结自上而下包括：p型重掺杂Al_xGa_1-xAs、n型重掺杂GaAs量子阱、n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs，Al_xGa_1-xAs组分变化范围为：x＝0-0.1。

4.根据权利要求3所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：p型重掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为3×10¹⁹cm^-3—1×10²⁰cm^-3，厚度为5—10nm；n型轻掺杂Al_xGa_1-xAs的浓度范围为5×10¹⁷cm^-3—2×10¹⁸cm^-3。

5.根据权利要求2所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第一空穴阻挡层、第二空穴阻挡层及第三空穴阻挡层为n型轻掺杂的Al_xGa_1-xAs空穴阻挡层，Al_xGa_1-xAs组分变化范围为：x＝0.45-0.9。

6.根据权利要求5所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：Al_xGa_1-xAs掺杂浓度范围为5×10¹⁷cm^-3—2×10¹⁸cm^-3，厚度为10—30nm。

7.根据权利要求1～6任一项所述一种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：

S1、在衬底上依次外延N型布拉格反射镜组、第三空穴阻挡层、第三有源区、第三氧化层、第二量子阱插层隧道结、第二空穴阻挡层、第二有源区、第二氧化层、第一量子阱插层隧道结、第一空穴阻挡层、第一有源区、第一氧化层、P型布拉格反射镜组；

S2、在衬底靠近所述P型布拉格反射镜组的一侧制作P电极，在所述衬底靠近所述N型布拉格反射镜组的一侧制作N电极，完成激光器的制作。

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