CN115548880A - 多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列 - Google Patents

多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列 Download PDF

Info

Publication number
CN115548880A
CN115548880A CN202211143176.3A CN202211143176A CN115548880A CN 115548880 A CN115548880 A CN 115548880A CN 202211143176 A CN202211143176 A CN 202211143176A CN 115548880 A CN115548880 A CN 115548880A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tunnel junction
layer
electrode
preparing
oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211143176.3A
Other languages
English (en)
Inventor
渠红伟
隋佳桐
周旭彦
张建心
郑美好
张宇
孟凡胜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weifang Advanced Photoelectric Chip Research Institute
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Weifang Advanced Photoelectric Chip Research Institute
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Weifang Advanced Photoelectric Chip Research Institute, Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Weifang Advanced Photoelectric Chip Research Institute
Priority to CN202211143176.3A priority Critical patent/CN115548880A/zh
Publication of CN115548880A publication Critical patent/CN115548880A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/024—Arrangements for thermal management
    • H01S5/02461—Structure or details of the laser chip to manipulate the heat flow, e.g. passive layers in the chip with a low heat conductivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H01S5/426—Vertically stacked cavities

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，按照自下而上的顺序包括：热沉、焊料、P面电极、P面绝缘层、P型DBR、多隧道结、N型DBR、衬底、N面绝缘层、N面电极。该垂直腔面发射激光器阵列采用多隧道结以及多氧化层结构，可提高输出功率和电光转换效率，采用倒装底部发射的结构，芯片有源区更加靠近封装基板，有效地改善散热性及提高饱和电流。外加底部浮雕刻蚀，降低发散角，便于光束整形，提高耦合效率。本发明仅需普通光刻和外加普通光刻外加干法刻蚀技术实现，不需要电子束曝光等复杂制备工艺，降低发散角，改善提高耦合效率，有利于实现低成本、高功率、高效率、低发散角高功率密度的激光输出。

Description

多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列
技术领域
本公开属于半导体激光器领域，特别涉及一种高功率密度高效率低发散角的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列。
背景技术
垂直腔面发射激光器是出光方向垂直于衬底的半导体激光器，是集合红外LED与边发射激光器众多优势于一身的激光光源。垂直腔面发射激光器结构独特，具有许多优异的特性，如体积小、温漂系数小、转换效率高、易于二维列阵集成、圆形输出光斑、阈值电流低，功耗低等优势。
近年来，垂直腔面发射激光器在器件物理、材料生长等方面取得了显著进展，迅速从数据通信领域渗透到消费电子领域、激光雷达、3D传感、激光医疗等应用领域，这些应用领域要求垂直腔面发射激光器需要具有高功率密度、高光电转换效率和高光束质量。随着激光雷达应用日益普及，对于高功率密度的垂直腔面发射激光器阵列的需求也越来越多。但目前的垂直腔面发射激光器阵列的单位面积内的发光能量较低，不能满足需求。同时垂直腔面发射激光器阵列的热串扰现象会使大量热量在芯片中积累，使其工作温度急剧升高。温度的升高会极大的影响垂直腔面发射激光器的性能，进而带来器件不可逆的损坏。
目前，增加输出功率常用的方法主要有两种，一是增大单管器件的尺寸；二是多个发光单元进行二维集成。其中，方法一使得有源区的尺寸增加，器件具有更大的发光面积，可以提高输出功率并减小串联电阻，但是器件的尺寸不能无限增大，否则会引起电流注入不均匀，从而导致功率密度的减小和光束质量的下降，具有很大的局限性。方法二将多个发光单元进行集成来实现较高的输出功率，可以保持较高的转换效率，改善光束质量，目前广泛采用。
发明内容
本发明为弥补现有技术的不足，提供一种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，提高垂直腔面发射激光器阵列的内量子效率，降低发散角，改善光束质量，有效地改善散热性及提高饱和电流，解决传统垂直腔面发射半导体激光器阵列发散角大、功率密度低、散热差的瓶颈问题，有利于提高垂直腔面发射激光器的输出功率、高效率和高可靠性，改善光束质量，提高功率密度等。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，按照自下而上的顺序主要包括：热沉、焊料、P面电极、P面绝缘层、P型DBR、多隧道结、N型DBR、衬底、N面绝缘层、N面电极；它们按照自下而上的顺序依次制作在一起。
N型DBR包括被刻蚀N型DBR和未刻蚀N型DBR两个组成部分。
出光孔正上方的N面绝缘层中部刻蚀形成表面浮雕结构，将N面绝缘层中部减薄。
热沉通过焊料焊接P面电极。
以5结的多有源区为例，按照自下而上的顺序包括：热沉、焊料、P面电极、P面绝缘层、P型DBR、氧化层一、有源区一、隧道结一、氧化层二、有源区二、隧道结二、氧化层三、有源区三、隧道结三、氧化层四、有源区四、隧道结四、氧化层五、有源区五、N型DBR、衬底、带浮雕结构的N面绝缘层、N面电极。
多隧道结 VCSEL（垂直腔面发射激光器） 利用反向偏置的隧道结隧穿原理，将多个有源区串联起来，使在上一有源区中辐射复合的载流子通过反向隧道结获得再生，并在下一有源区继续辐射复合发光，使得注入的每一对电子空穴能够在多个有源区中经多次复合产生多个光子，使内量子效率和斜率效率成比例增加，提高输出功率和光功率密度，提高电光转换效率，对驱动电路更加友好，实现高峰值功率；多隧道结的数目大于2，有2-8个有源区，氧化层数目大于1，每个有源区对应一个氧化层。
多隧道结中，有源区、氧化层、隧道结组成一组三明治结构，多组三明治结构排列组成多隧道结，用隧道结级联多个有源区。
根据氧化层的位置和数目实现低发散角，改善光束质量，提高功率密度；结合多氧化层和表面浮雕结构对高功率 VCSEL 阵列的光场和模式调控，降低发散角，调控光束质量，进一步提高功率密度。
将隧道结置于在驻波场的波节上，将量子阱有源区置于驻波场的波腹处，以获得最大的光增益和最小的光吸收，每一层有源区上层均生长高铝组分层AlGaAs作为氧化层，实现光电限制。
隧道结的材料根据发光波长可以采用GaAs或AlxGa1-xAs或GaAs+InxGa1-xAs+GaAs，或AlxGa1-xAs+InxGa1-xAs+AlxGa1-xAs等复合结构，（复合结构中3种材料依次生长），优化设计厚度和掺杂，隧道结采用高掺杂，提高隧穿几率，提高激光器斜率效率和内量子效率，提高激光器输出功率和效率。AlxGa1-xAs中x取 0.005 -0.3；InxGa1-xAs中x取0.005 -0.2。
有源区根据发射波长不同的选择对应波长的多量子阱有源区材料。有源区采用InGaAs，AlGaAs，InGaAlAs等多量子阱材料，具体发射波长对应组分和厚度。
阵列台面之间的刻蚀区深度刻蚀过有源区，刻蚀深度有源区下面2-3对N型DBR附近，以充分暴露出氧化层，有利于氧化层形成氧化孔，达到圆形光束输出。该结构的刻蚀深度刻蚀到N型DBR，具体刻蚀深度根据不同外延结构适当调节。
激光器阵列发光单元的排布方式采用正六边形密排或三角密排方式，有效降低发光单元间热串扰问题。
激光器阵列采用倒装底发射结构，使得P面电极靠近热沉，使有源区靠近热沉、封装基板，增加散热效果、提高热饱和电流和效率。热沉采用铜制热沉，热沉与P面电极之间的焊料采用金属铟。所述P型电极是采用溅射+电镀厚金或蒸发+电镀厚金方式制备Ti+Pt+Au层并电镀厚金，改善激光器阵列散热。
表面浮雕刻蚀结构通过出光孔正上方将N面绝缘层通过普通光刻外加干法刻蚀形成表面浮雕结构，绝缘层材料可以是SiO2、Si3N4、Al2O3等材料，P面绝缘层和N面绝缘层的材料相同，刻蚀深度为1/4波长的整数倍，将N面绝缘层中部减薄，避免破坏外延结构的完整性，仅需普通光刻和外加普通光刻外加干法刻蚀技术实现，不需要电子束曝光等复杂制备工艺，降低发散角，改善光束质量，便于光束整形，提高耦合效率，有利于实现低成本、高功率、高效率、低发散角高功率密度的激光输出。采用双面光刻方式，实现P面和N面图形的对准。
本发明的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1、外延材料生长：在GaAs衬底上交替生长掺杂Si的N型DBR；然后交替生长多个有源区、氧化层、隧道结；接着交替生长掺杂C的P型DBR和高掺杂的GaAs材料作为欧姆接触层。
S2、制备环形电极：在欧姆接触层上采用溅射或蒸发制环形电极。
S3、阵列台面制备：在欧姆接触层上采用光刻胶或者PECVD（等离子体增强化学气相沉积）生长氮化硅或氧化硅作为掩蔽层，干法刻蚀制备VCSEL（垂直腔面发射激光器）阵列台面。优化刻蚀工艺，提高侧壁的陡直度和减小刻蚀损伤。
S4：湿法氧化：由氮气携带水蒸气进入高温氧化反应室中。水蒸气与反应室中需要氧化的氧化层发生氧化反应，利用水蒸气从侧向氧化生成氧化铝，进行电限制和光限制，降低VCSEL阈值，提高斜率效率和输出功率。
S5：介质膜沉积：采用 PECVD在制备好的台面及侧壁上生长氧化硅或氮化硅或氧化铝，即P面绝缘层，介质膜的厚度，根据外延结构和发射波长、介质膜的折射率优化设计，提高绝缘特性和输出功率。
S6：开电极注入窗口：腐蚀或刻蚀氧化硅或氮化硅或氧化铝，得到电极注入窗口。
S7：制备P面电极：采用溅射+电镀或者蒸发+电镀方式在欧姆接触层上制备Ti+Pt+Au层并电镀厚金等金属材料作为P面电极，形成欧姆接触。
S8：衬底减薄抛光：N面GaAs衬底减薄抛光至100-150μm。
S9：制备N面电极注入窗口：在衬底上PECVD生长氧化硅或氮化硅或氧化铝，即N面绝缘层，采用双面光刻方式把一部分绝缘层刻蚀掉，制备N面电极注入窗口。
S10：N型电极制备：采用蒸发和剥离方式，制备合金AuGeNi和Au作为N面电极，剥离出光孔，对准氧化层的氧化孔上方露出一部分N面绝缘层。
S11：制备表面浮雕结构：采用双面光刻技术，刻蚀掉直径略小于出光孔、厚度1/4波长整数倍的氮化硅或氧化硅或氧化铝。
S12：封装：采用倒装工艺，P面向下烧结，使得有源区靠近热沉，实现高效散热和提高饱和电流。
本发明的有益效果是：基于多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，具有以下优势：
1.本发明提供的这种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，通过采用隧道结多有源区的外延结构，使垂直腔面发射激光器阵列的具有更高斜率效率、输出功率、电光转换效率和光功率密度，对驱动电路更加友好，实现高峰值功率。
2.本发明提供的这种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，结合多氧化层和表面浮雕结构对高功率 VCSEL 阵列的光场和模式调控，具有更低的发散角和更高的光束质量，便于光束整形，提高耦合效率。
3.本发明提供的这种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，采用倒装底发射结构，使得P面电极靠近热沉，芯片有源区更加靠近封装基板，有效地改善散热性及提高饱和电流，具有更低的温升，减少热串扰。
4.本发明提供的这种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，出光孔正上方将N面绝缘层通过普通光刻外加干法刻蚀形成表面浮雕结构，绝缘层材料可以是SiO2、Si3N4、Al2O3等材料，避免破坏外延结构的完整性，仅需普通光刻和外加普通光刻外加干法刻蚀技术实现，不需要电子束曝光等复杂制备工艺，降低发散角，改善光束质量，有利于实现低成本、高功率、高效率、低发散角高功率密度的激光输出。
5、P型DBR掺杂C能够增强导电能力，N型DBR掺杂Si也能够增强导电能力。欧姆接触层掺杂碳，也是为了增强导电能力。P型DBR和N型DBR采用渐变铝组分的AlGaAs 材料，能够减小串联电阻，减小光学损耗，使反射率接近100%，同时获得高的斜率效率。
P面或N面绝缘层采用Al2O3，热特性更好，提供更好的散热效果、降低局部温度，保护器件出光端面，防止氧化和水蒸气的侵蚀，获得更长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的垂直腔面发射激光器阵列截面示意图。
图2为常规的垂直腔面发射激光器阵列结构截面示意图。
图3为本发明的发光单元排布（图1的发光单元直径处的截面图）示意图。
图4为图1的俯视图示意图。
图5为本发明具体实施例的制作方法流程图。
图6为本发明的垂直腔面发射激光器阵列热传导效果示意图。
图7为常规的垂直腔面发射激光器阵列热传导效果示意图。
图8为本发明具体实施例与常规垂直腔面发射激光器阵列电流--功率曲线示意图。
图9为本发明具体实施例与常规垂直腔面发射激光器阵列远场发散角示意图。
图中：1-热沉；2-焊料；3--P面电极；4--P面绝缘层；5--P型DBR；6--隧道结多有源区结构；61--氧化层一；62--有源层一；63--隧道结一；64--氧化层二；65--有源层二；66--隧道结二；67--氧化层三；68--有源层三；69--隧道结三；610--氧化层四；611--有源层四；612--隧道结四；613--氧化层五；614--有源层五；7--被刻蚀的N型DBR；8--未被刻蚀的N型DBR；9--衬底；10--浮雕刻蚀；11--N面电极层；12阵列台面之间的刻蚀区；13 N面绝缘层；14氧化孔，15出光孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的阐述说明。
图1 中，本发明的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，按照自下而上的顺序包括：热沉1；焊料2；P面电极3；P面绝缘层4；P型DBR5；隧道结多有源区结构6（包括：氧化层一61；有源层一62隧道结一63；氧化层二64；有源层二65；隧道结二66；氧化层三67；有源层三68；隧道结三69；氧化层四610；有源层四611；隧道结四612；氧化层五613；有源层五614）；被刻蚀的N型DBR7；未被刻蚀的N型DBR8；衬底9；N面绝缘层13；N面电极层11。
出光孔正上方的N面绝缘层13中部刻蚀形成浮雕刻蚀结构10，将N面绝缘层中部减薄。
热沉通过焊料焊接P面电极。
图6中，多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列热传导效果，最高温升13℃。温升是最高减最低，33-20=13℃。
图7中，常规垂直腔面发射激光器阵列热传导效果，最高温升52.4℃。温升是最高减最低，72.4℃-20℃=52.4℃。
图8中，本发明具体实施例与常规垂直腔面发射激光器阵列电流-功率曲线，相同温度3A注入电流下，常规垂直腔面发射激光器阵列输出功率2.6W，斜率效率1W/A（（2.6W-0.1W）/(3A-0.5A)=1W/A）；本发明多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列输出功率11.3W，斜率效率5.1W/A（（7-1.5）/（1.7-0.62）=5.1 W/A）。
图9为本发明多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列与常规垂直腔面发射激光器阵列远场发散角示意图。从图中可以看出，相同氧化孔径对比，本发明的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列半高全宽处发散角8.6度，常规垂直腔面发射激光器阵列半高全宽处发散角18度，发散角大大减小。
隧道结多结 VCSEL 利用反向偏置的隧道结隧穿原理，将多个有源区串联起来，使在上一有源区中辐射复合的载流子通过反向隧道结获得再生，并在下一有源区继续辐射复合发光，使得注入的每一对电子空穴能够在多个有源区中经多次复合产生多个光子，使内量子效率和斜率效率成比例增加，提高输出功率和功率密度，提高效率，对驱动电路更加友好，实现高峰值功率；隧道结多有源区的数目大于2，有2-8个有源区，氧化层数目大于1，每个有源区对应一个氧化层。图1中有4个隧道结，级联5个有源区，对应5个氧化层。当有源区为8个时，对应8个氧化层，用7个隧道结级联8个有源区。当有源区为2个时，对应2个氧化层，用1个隧道结级联2个有源区。
根据氧化层的位置和数目实现低发散角，改善光束质量，提高功率密度；结合多氧化层和表面浮雕结构对高功率 VCSEL 阵列的光场和模式调控，降低发散角，调控光束质量，进一步提高功率密度。
多隧道结中，有源区、氧化层、隧道结组成一组三明治结构，多组三明治结构排列组成多隧道结结构，用隧道结级联多个有源区。
将隧道结置于驻波场的波节上，将量子阱有源区放置在驻波场的波腹处，每层有源区上方均生长高铝组分层AlGaAs作为氧化层。
隧道结的材料根据发光波长可以采用GaAs或AlxGa1-xAs或GaAs+InxGa1-xAs+GaAs复合结构，或AlxGa1-xAs+InxGa1-xAs+AlxGa1-xAs复合结构，复合结构中3种材料依次生长，优化设计厚度和掺杂，隧道结采用高掺杂，提高隧穿几率，提高激光器斜率效率和内量子效率，提高激光器输出功率和效率；AlxGa1-xAs中x取 0.005 -0.3；InxGa1-xAs中x取0.005 -0.2。隧道结掺杂Si或者C。欧姆接触层掺杂碳。例如：Al0.3Ga0.7As，Al0.2Ga0.8As，Al0.05Ga0.95As。In0.2Ga0.8As，In0.1Ga0.9As，In0.05Ga0.95As。
有源区根据发射波长不同的选择对应波长的多量子阱有源区材料。有源区采用InGaAs，或AlGaAs，或InGaAlAs等多量子阱材料，具体发射波长对应组分和厚度。
阵列台面之间的刻蚀区深度刻蚀过有源区，刻蚀深度有源区下面2-3对N型DBR附近，以充分暴露出氧化层，有利于氧化层形成氧化孔，达到圆形光束输出。该结构的刻蚀深度刻蚀到N型DBR，具体刻蚀深度根据不同外延结构适当调节。
激光器阵列发光单元的排布方式采用正六边形密排或三角密排方式，有效降低发光单元间热串扰问题。
激光器阵列采用倒装底发射结构，使P面电极靠近热沉，芯片有源区更加靠近封装基板，改善散热性及提高饱和电流和效率；热沉采用铜制热沉，热沉与P面电极之间的焊料采用金属铟；P面电极是采用溅射+电镀厚金或蒸发+电镀厚金方式制备Ti+Pt+Au层并电镀厚金，改善激光器阵列散热。
出光孔正上方将N面绝缘层通过普通光刻外加干法刻蚀形成表面浮雕结构，刻蚀深度为1/4波长的整数倍，将N面绝缘层中部减薄，绝缘层材料采用SiO2或Si3N4或Al2O3，避免破坏外延结构的完整性，该表面浮雕结构能实现模式调控和模式选择，降低发散角，改善光束质量，提供光功率密度。P面绝缘层和N面绝缘层的材料相同。采用双面光刻方式实现P面和N面图形对准。
本发明的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列的制造方法，包括以下步骤：
S1中：外延材料生长：在GaAs衬底上交替生长掺杂Si的N型DBR；然后交替生长多个有源区、氧化层、隧道结；接着交替生长掺杂C的P型DBR和 GaAs欧姆接触层；采用MOCVD生长的隧道结多有源区垂直腔面发射激光器阵列外延片，上层有36-45对P型DBR，由厚度1/4波长的高低铝组分的AlxGa1-xAs+AlyGa1-yAs, 和P型欧姆接触层GaAs等材料组成，低铝组分x取值范围0.1-0.3，高铝组分y的取值范围0.8-0.9（可以采用Al0.1Ga0.9As+Al0.8Ga0.2As，或Al0.2Ga0.8As+Al0.9Ga0.1As，或Al0.3Ga0.7As+Al0.85Ga0.15As），掺杂采用C掺杂，P型DBR的掺杂浓度范围在2*1018--6*1018cm-3，欧姆接触层的掺杂范围大于5*1019cm-3，欧姆接触层掺杂碳；下层有13-25对N型DBR，由厚度1/4波长的高低铝组分的AlxGa1-xAs+AlyGa1-yAs, 组成，低铝组分x取值范围0.1-0.3，高铝组分y的取值范围0.8-0.9（可以采用Al0.1Ga0.9As+Al0.85Ga0.15As，或Al0.2Ga0.8As+Al0.8Ga0.2As，或Al0.3Ga0.7As+ Al0.9Ga0.1As），采用Si掺杂，N型DBR掺杂浓度范围1*1018--3*1018cm-3；为了降低电阻，高低铝组分之间加入10-20nm厚度的渐变层，组分从高低组分采用组分线性渐变或抛物线性渐变（例如，采用Al0.2Ga0.8As+Al0.9Ga0.1As时，第一层低铝Al0.2Ga0.8As，第二层渐变Al0.2-0.9Ga0.8-0.1As，第三层高铝Al0.9Ga0.1As，第四层渐变Al0.9-0.2Ga0.1-0.8As）；隧道结及多个有源区夹在N型DBR和P型DBR之间，整体厚度为1/2波长的整数倍，隧道结高掺杂，隧道结掺杂Si或者C，隧道结P型掺杂浓度范围大于5*1019cm-3，N型材料掺杂浓度范围大于6*1018cm-3，厚度在10-25nm之间（隧道结厚度可以取值10nm、14nm、20nm、25nm）；DBR的对数和各层厚度与发射波长，有源区的数目相匹配，获得高的输出功率；优化掺杂浓度，降低串联电阻和材料损耗。
S2：环形电极制备：在欧姆接触层上采用溅射或蒸发制备Ti+Pt+Au环形电极，三种材料依次生长而成，环形电极连接P面电极。
S3：台面刻蚀：在欧姆接触层上采用光刻胶或PECVD生长280-320nm氧化硅或氮化硅作为掩蔽层，干法刻蚀制备VCSEL阵列台面，台面为多个圆柱形。优化刻蚀工艺，提高侧壁的陡直度和减小刻蚀损伤。
S4：湿法氧化：由氮气携带水蒸气进入高温氧化反应室中。水蒸气与反应室中需要氧化的20-30nm厚度高铝组分AlxGa1-xAs氧化层发生氧化反应，x值的取值范围0.95-1，利用水蒸气从侧向氧化生成氧化铝，进行电限制和光限制，降低VCSEL阈值，提高斜率效率和输出功率。可以采用Al0.95Ga0.05As，Al0.97Ga0.03As，Al0.99Ga0.01As。
S5：介质膜沉积：采用 PECVD在制备好的台面及侧壁上生长氧化硅或氮化硅或氧化铝，即P面绝缘层，介质膜的厚度，根据外延结构和发射波长、介质膜的折射率优化设计，提高绝缘特性和输出功率。
S6：开电极注入窗口：腐蚀或刻蚀制备氧化硅或氮化硅或氧化铝，得到电极注入窗口。
S7：P型电极制备：采用溅射和电镀或者蒸发和电镀方式等在欧姆接触层上制备Ti+Pt+Au层，三种材料依次生长而成，厚度依次为50nm、50nm、200nm，然后电镀厚金2-3µm厚度等金属材料作为P面电极，形成欧姆接触。
S8：衬底减薄抛光：N面GaAs衬底减薄抛光至130-150μm。可以采用厚度130、140或150μm。
S9：N面电极注入窗口制备：在衬底上PECVD生长氮化硅或氧化硅或氧化铝，即N面绝缘层，采用双面光刻方式把一部分绝缘层刻蚀掉，制备N面电极注入窗口。
S10：N型电极制备：采用蒸发和剥离工艺，制备合金AuGeNi和Au作为N面电极（2种材料依次生长而成），剥离出光孔，对准氧化层的氧化孔上方露出一部分N面绝缘层。
S11：浮雕刻蚀：采用双面光刻技术，刻蚀掉直径略小于出光孔、厚度1/2 或1/4波长整数倍的氧化硅或氮化硅或氧化铝，使绝缘层中部减薄。
S12：倒装烧结：采用倒装工艺，P面向下烧结，使得有源区靠近热沉，实现高效散热和提高饱和电流。
需要说明的是，虽然上述实施例以5结垂直腔面发射激光器为例进行说明，但本发明并不以此为限，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

Claims (10)

1.一种多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，按照自下而上的顺序主要包括：热沉、焊料、P面电极、P面绝缘层、P型DBR、多隧道结、N型DBR、衬底、N面绝缘层、N面电极，按照自下而上的顺序生长在一起；
N型DBR包括被刻蚀N型DBR和未刻蚀N型DBR两个组成部分；
出光孔正上方的N面绝缘层中心刻蚀形成表面浮雕结构；
热沉通过焊料焊接P面电极。
2.根据权利要求1所述的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：多隧道结 VCSEL 利用反向偏置的隧道结隧穿原理，将多个有源区串联起来；多隧道结的数目大于2，有2-8个有源区，氧化层数目大于1，每个有源区对应一个氧化层；
将隧道结置于驻波场的波节上，将量子阱有源区放置在驻波场的波腹处，每层有源区上方均生长高铝组分层AlGaAs作为氧化层，多有源区的各个氧化层置于驻波场的波节上，减少损耗，控制模式数量。
3.根据权利要求1所述多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：多隧道结中，有源区、氧化层、隧道结组成一组三明治结构，多组三明治结构排列组成多隧道结，用隧道结级联多个有源区。
4.根据权利要求1所述多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：隧道结的材料根据发光波长可以采用GaAs或AlxGa1-xAs或GaAs+ InxGa1-xAs +GaAs复合结构，或AlxGa1-xAs+InxGa1-xAs+AlxGa1-xAs复合结构，隧道结采用高掺杂，提高隧穿几率，提高激光器斜率效率和内量子效率，提高激光器输出功率和效率；AlxGa1-xAs中x取值范围 0.005 -0.3；InxGa1-xAs中x取值范围 0.005 -0.2；
有源区根据发射波长不同的选择对应波长的多量子阱有源区材料；有源区能够采用InGaAs，或AlGaAs，或InGaAlAs多量子阱材料。
5.根据权利要求1所述多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于： 阵列台面之间的刻蚀区深度刻蚀过有源区，刻蚀深度到有源区下面2-3对N型DBR附近，以充分暴露出氧化层，有利于氧化层形成氧化孔，达到圆形光束输出。
6.根据权利要求1所述多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述阵列发光单元的排布方式采用正六边形密排或三角密排方式，降低发光单元间热串扰。
7.根据权利要求1所述的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：采用倒装底发射结构，使P面电极靠近热沉，芯片有源区靠近热沉，改善散热性及提高饱和电流；热沉采用铜制热沉，热沉与P面电极之间的焊料采用金属铟；P面电极是采用溅射+电镀厚金或蒸发+电镀厚金方式制备Ti+Pt+Au层并电镀厚金，改善激光器阵列散热。
8.根据权利要求1所述的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：出光孔正上方将N面绝缘层通过普通光刻外加干法刻蚀形成表面浮雕结构，刻蚀深度为1/4波长的整数倍，将N面绝缘层中部减薄，降低发散角，改善光束质量，提高光功率密度；绝缘层材料采用SiO2或Si3N4或Al2O3，P面绝缘层和N面绝缘层的材料相同；采用双面光刻方式实现P面绝缘层和N面绝缘层浮雕图形对准。
9.一种权利要求1所述的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、外延材料生长：在GaAs衬底上交替生长掺杂Si的N型DBR；然后交替生长多个有源区、氧化层、隧道结；接着交替生长掺杂C的P型DBR和 GaAs欧姆接触层；
S2、制备环形电极：在欧姆接触层上采用溅射或蒸发制环形电极；
S3、阵列台面制备：采用光刻胶或者PECVD生长氮化硅或氧化硅作为掩蔽层，干法刻蚀制备VCSEL阵列台面；刻蚀中提高侧壁的陡直度和减小刻蚀损伤；
S4：湿法氧化：由氮气携带水蒸气进入高温氧化反应室中；水蒸气与反应室中需要氧化的氧化层发生氧化反应，利用水蒸气从侧向氧化生成氧化铝，进行电限制和光限制，降低VCSEL阈值，提高斜率效率和输出功率；
S5：介质膜沉积：采用 PECVD在制备好的台面及侧壁上生长氧化硅或氮化硅或氧化铝，即P面绝缘层，介质膜的厚度，根据外延结构和发射波长、介质膜的折射率设计，提高绝缘特性和输出功率；
S6：开电极注入窗口：腐蚀或刻蚀制备氧化硅或氮化硅或氧化铝，得到电极注入窗口；
S7：制备P面电极：采用溅射+电镀厚金或者蒸发+电镀厚金方式在欧姆接触层上制备Ti+Pt+Au层并电镀厚金作为P面电极，形成欧姆接触，改善激光器阵列散热；
S8：衬底减薄抛光：N面GaAs衬底减薄抛光至100-150μm；
S9：制备N面电极注入窗口：PECVD生长氧化硅或氮化硅或氧化铝，即N面绝缘层，采用双面光刻方式把一部分绝缘层刻蚀掉，制备N面电极注入窗口；
S10：N型电极制备：采用蒸发和剥离方式，制备合金AuGeNi和Au作为N面电极，剥离出光孔，在氧化层的氧化孔正上方露出一部分N面绝缘层；
S11：制备表面浮雕结构：采用双面光刻方式，刻蚀掉直径略小于出光孔、厚度1/4波长整数倍的氮化硅或氧化硅或氧化铝；
S12：封装：采用倒装方式，P面向下烧结，使得有源区靠近热沉，实现高效散热和提高饱和电流。
10.根据权利要求9所述的多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1中：外延材料生长：采用MOCVD生长的隧道结多有源区垂直腔面发射激光器阵列外延片，上层有36-45对P型DBR，每一对由高低铝组分的AlxGa1-xAs+AlyGa1-yAs 和P型欧姆接触层GaAs材料依次生长而成，每一对P型DBR厚度为1/4波长，低铝组分x取值范围0.1-0.3，高铝组分y的取值范围0.8-0.9，掺杂采用C掺杂，P型DBR的掺杂浓度在2*1018--6*1018cm-3，欧姆接触层的掺杂大于5*1019cm-3；欧姆接触层掺杂碳；下层有13-25对N型DBR，每一对由高低铝组分的AlxGa1-xAs+AlyGa1-yAs组成，每一对N型DBR厚度为1/4波长，低铝组分x取值范围0.1-0.3，高铝组分y的取值范围0.8-0.9，采用Si掺杂，N型DBR掺杂浓度1*1018--3*1018cm-3；为了降低电阻，高低铝组分之间加入10-20nm厚度的渐变层，组分从高低组分采用组分线性渐变或抛物线性渐变；隧道结及多个有源区夹在N型DBR和P型DBR之间，整体厚度为1/2波长的整数倍，隧道结高掺杂，掺杂Si或者C，隧道结P型掺杂浓度大于5*1019cm-3，N型材料掺杂浓度大于6*1018cm-3，厚度在10-25nm之间；DBR的对数和各层厚度与发射波长，有源区的数目相匹配，获得高的输出功率；优化掺杂浓度，降低串联电阻和材料损耗；
S2中：环形电极制备：在欧姆接触层上采用溅射或者蒸发制备Ti+Pt+Au环形电极，环形电极连接P面电极；
S3中：台面刻蚀：采用光刻胶或PECVD生长氧化硅或氮化硅作为掩蔽层，干法刻蚀制备VCSEL阵列台面，台面为多个圆台；刻蚀时，提高侧壁的陡直度和减小刻蚀损伤；
S4中：湿法氧化：由氮气携带水蒸气进入高温氧化反应室中；水蒸气与反应室中需要氧化的20-30nm厚度高铝组分AlxGa1-xAs氧化层发生氧化反应，x值的取值范围0.95-1，利用水蒸气从侧向氧化生成氧化铝，进行电限制和光限制，降低VCSEL阈值，提高斜率效率和输出功率；
S7中：P型电极制备：采用溅射+电镀或者蒸发+电镀方式在欧姆接触层上制备Ti+Pt+Au，厚度依次为50nm、50nm、200nm，电镀厚金2-3µm厚度作为P面电极，形成欧姆接触。
CN202211143176.3A 2022-09-20 2022-09-20 多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列 Pending CN115548880A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211143176.3A CN115548880A (zh) 2022-09-20 2022-09-20 多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211143176.3A CN115548880A (zh) 2022-09-20 2022-09-20 多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115548880A true CN115548880A (zh) 2022-12-30

Family

ID=84727522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211143176.3A Pending CN115548880A (zh) 2022-09-20 2022-09-20 多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115548880A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115764553A (zh) * 2023-01-09 2023-03-07 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种二维可寻址vcsel及其制备方法
CN116314536A (zh) * 2023-05-23 2023-06-23 南昌凯迅光电股份有限公司 具有氧化层结构反极性圆孔发光led芯片及其制作方法
CN116683282A (zh) * 2023-04-27 2023-09-01 武汉敏芯半导体股份有限公司 激光器芯片、制备方法及激光器
CN117096236A (zh) * 2023-10-18 2023-11-21 南昌凯捷半导体科技有限公司 一种共振腔结构红光led芯片及其制作方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115764553A (zh) * 2023-01-09 2023-03-07 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种二维可寻址vcsel及其制备方法
CN115764553B (zh) * 2023-01-09 2023-05-02 苏州长光华芯光电技术股份有限公司 一种二维可寻址vcsel及其制备方法
CN116683282A (zh) * 2023-04-27 2023-09-01 武汉敏芯半导体股份有限公司 激光器芯片、制备方法及激光器
CN116314536A (zh) * 2023-05-23 2023-06-23 南昌凯迅光电股份有限公司 具有氧化层结构反极性圆孔发光led芯片及其制作方法
CN116314536B (zh) * 2023-05-23 2023-08-15 南昌凯迅光电股份有限公司 具有氧化层结构反极性圆孔发光led芯片及其制作方法
CN117096236A (zh) * 2023-10-18 2023-11-21 南昌凯捷半导体科技有限公司 一种共振腔结构红光led芯片及其制作方法
CN117096236B (zh) * 2023-10-18 2024-01-26 南昌凯捷半导体科技有限公司 一种共振腔结构红光led芯片及其制作方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4860024B2 (ja) ＩｎＸＡｌＹＧａＺＮ発光素子及びその製造方法
CN115548880A (zh) 多隧道结倒装表面浮雕结构的垂直腔面发射激光器阵列
US20220181513A1 (en) Hybrid growth method for iii-nitride tunnel junction devices
JP4636575B2 (ja) トンネル・コンタクト・ホール・ソースを有する半導体装置及び方法
US6639927B2 (en) Surface emitting semiconductor laser, and its fabrication method
CN111682402B (zh) 一种对称dbr结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法
JPS61127192A (ja) 表面放射発光装置
US8723188B2 (en) Light emitting diode and method for preparing the same
EP2675024B1 (en) Electron beam pumped vertical cavity surface emitting laser
JP3207773B2 (ja) 化合物半導体発光素子及びその製造方法
CN213636610U (zh) 一种垂直腔面发射激光器
TWI714146B (zh) 具有光提取強化之利用內部色彩轉換之發光二極體
JP3523632B2 (ja) 発光ダイオード及びその製造方法
JPH05102595A (ja) レーザダイオードアレー及びその製造方法
US20220224080A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser device and manufacturing method thereof
CN211789982U (zh) 一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器
CN107645121B (zh) 脊形阵列半导体激光器及其制作方法
JPH118406A (ja) 面発光素子
CN210040877U (zh) 一种水平空气柱电流注入孔径结构的垂直腔面发射激光器
CN216699077U (zh) 一种红光vcsel芯片
JP2003133584A (ja) 半導体発光素子
CN115036789B (zh) 一种基于type-Ⅱ隧道结的GaAs基高速垂直腔面发射激光器
Meng et al. High Slope Efficiency Double and Triple Junction 808 nm Vertical Cavity Surface Emitting Lasers
CN218070542U (zh) 一种激光雷达多结vcsel阵列芯片
CN102222735A (zh) 一种侧向发光的红外半导体发光管管芯的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination