CN116960734A - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中垂直腔面发射激光器包括：衬底；半导体外延层，包括至少一个发光单元；每一发光单元包括位于衬底一侧的第一布拉格反射层、位于第一布拉格反射层远离衬底一侧的至少两层有源层和位于全部有源层远离第一布拉格反射层一侧的第二布拉格反射层；其中，相邻两层有源层之间设置有隧道结；每一有源层周围设置有一载流子限制层；每一载流子限制层包括一个开口区域；每一载流子限制层的开口区域在衬底上的垂直投影具有均重叠部分；多个载流子限制层中包括至少一个氧化层和至少一个离子注入层，本结构实现了功率密度大幅提高的同时，保证了较小的发散角，并且增强了器件结构稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)作为一个易于制造的激光器，可以很容易的扩展为一维或者二维阵列，可为各种应用提供小型、紧凑、高功率的激光光源。
其中在激光雷达应用中，对光源的要求通常是高的功率密度和小的发散角，传统的VCSEL无法实现在大幅提高功率密度同时不影响太多的发散角，会限制激光雷达探测距离、分辨率和信噪比。因此，将VCSEL的功率密度大幅的提高的同时保证较小的发散角，在激光雷达的实际应用中有着非常迫切的需求。
发明内容
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，以实现将VCSEL的功率密度大幅的提高的同时保证较小的发散角。
第一方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底；
半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底的一侧；所述半导体外延层包括至少一个发光单元；
每一所述发光单元包括位于所述衬底一侧的第一布拉格反射层、位于所述第一布拉格反射层远离所述衬底一侧的至少两层有源层和位于全部有源层远离所述第一布拉格反射层一侧的第二布拉格反射层；
其中，相邻两层有源层之间设置有隧道结；每一有源层周围设置有一载流子限制层；每一所述载流子限制层包括一个开口区域；每一所述载流子限制层的开口区域在所述衬底上的垂直投影具有均重叠部分；所述隧道结在所述开口区域导通相邻的两层有源层；多个载流子限制层中包括至少一个氧化层和至少一个离子注入层。
可选的，靠近每一所述有源层一侧设置的载流子限制层位于对应的有源层远离所述第一布拉格反射层的一侧。
可选的，所述氧化层的个数小于或等于所述离子注入层的个数。
可选的，所述氧化层的个数为1个，所述离子注入层的个数为多个；
所述氧化层位于最远离所述第一布拉格反射层的有源层远离所述第一布拉格反射层的一侧。
可选的，至少两层相邻的有源层周围设置的载流子限制层为离子注入层，且连通形成共用载流子限制层。
可选的，每一所述有源层远离所述第一布拉格反射层的一侧还设置有一功能层；所述功能层用于补偿所述有源层的光学厚度，以使得每一有源层与对应的功能层的光学厚度之和满足二分之一激射波长的整数倍；所述功能层还复用为所述载流子限制层。
可选的，位于相邻两层有源层之间的所述功能层和所述隧道结中，相对于所述隧道结，所述功能层较靠近于所述第一布拉格反射层。
可选的，所述发光单元的个数为多个；
每一所述发光单元周围由一个环形的沟槽围绕，所述沟槽的深度大于或等于氧化层的深度，以通过氧化所述沟槽的侧壁形成所述氧化层；所述氧化层的开口区域的形状包括圆形或椭圆形。
可选的，所述发光单元的个数为多个；
每一所述发光单元周围由多个多边形的沟槽围绕，所述沟槽的深度大于或等于氧化层的深度以便通过氧化所述多边形沟槽的侧壁形成所述氧化层；所述氧化层的开口区域的形状包括多边形，所述开口区域的边数等于所述多边形沟槽的个数。
可选的，多个所述发光单元成多排排布；多个所述发光单元成多排排布；相邻两排的所述发光单元错位设置。
可选的，还包括：
钝化层，所述钝化层位于每一所述发光单元中第二布拉格反射层远离所述第一布拉格反射层的一侧，以及沟槽的侧壁和底部；其中，位于每一所述第二布拉格反射层远离所述第一布拉格反射层一侧的钝化层设置有电极接触开口；
第一金属层，覆盖于所述钝化层的表面，并通过所述电极接触开口与所述发光单元的第二布拉格反射层接触；
第二金属层，覆盖于所述衬底远离所述半导体外延层的一侧。
第二方面，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，用于形成第一方面任一所述的垂直腔面发射激光器，包括：
提供衬底；
在所述衬底的一侧形成半导体外延层，并基于所述半导体外延层形成至少一个发光单元；每一所述发光单元包括位于所述衬底一侧的第一布拉格反射层、位于所述第一布拉格反射层远离所述衬底一侧的至少两层有源层和位于全部有源层远离所述第一布拉格反射层一侧的第二布拉格反射层；
其中，相邻两层有源层之间设置有隧道结；每一有源层周围设置有一载流子限制层；每一所述载流子限制层包括一个开口区域；每一所述载流子限制层的开口区域在所述衬底上的垂直投影具有均重叠部分；所述隧道结在所述开口区域导通相邻的两层有源层；多个载流子限制层包括至少一个氧化层和至少一个离子注入层。
可选的，在所述衬底的一侧形成半导体外延层包括：
形成第一布拉格反射层，所述第一布拉格反射层位于所述衬底的一侧；
在所述第一布拉格反射层远离所述衬底的一侧形成多层有源层，并在相邻两层有源层之间形成一层隧道结，以及在每一有源层远离所述第一布拉格反射的一侧形成一层功能层；其中每一功能层覆盖于对应有源层的表面；相邻两层有源层之间的隧道结覆盖于所述功能层的表面；
形成第二布拉格反射层，所述第二布拉格反射层位于最后形成的一层功能层远离第一布拉格反射层的一侧。
可选的，所述基于所述半导体外延层形成至少一个发光单元，包括：
在所述半导体外延层远离所述衬底的一侧形成第一钝化子层；
基于掩膜版依次刻蚀所述第一钝化子层和所述半导体外延层，形成围绕所述发光单元的沟槽；所述沟槽的形状包括环形或者多边形；
氧化所述沟槽的侧壁，以在至少一层功能层中形成所述氧化层；其中，功能层中掺杂铝的比重高于预设比重值的膜层形成所述氧化层；若所述沟槽为环形沟槽，围绕所述发光单元的沟槽的个数为1个，所述氧化层的开口区域的形状包括圆形或椭圆形；若所述沟槽为多边形沟槽，围绕所述发光单元的沟槽的个数为多个，所述氧化层的开口区域的形状包括多边形；
于所述第一钝化子层远离所述第一布拉格反射层的一侧，以及所述沟槽的侧壁以及底部形成第二钝化子层；所述第一钝化子层和所述第二钝化子层构成整层的钝化层；
在所述发光单元的非离子注入区域涂覆光刻胶，所述光刻胶覆盖所述钝化层远离所述第一布拉格反射层一侧的表面；
基于光刻胶，至少在未被氧化的功能层中注入离子形成离子注入层；
去除所述光刻胶层。
可选的，所述去除所述光刻胶层之后，还包括：
刻蚀位于发光单元非发光区域的钝化层，形成暴露第二布拉格反射层的电极接触开口；
于所述钝化层远离所述第一布拉格反射层的一侧形成第一金属层，所述第一金属层通过所述电极接触开口与所述第二布拉格反射层接触；
于所述衬底远离所述半导体外延层的一侧形成第二金属层。
本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过设置至少两层有源层，并且相邻两层有源层之间由隧道结导通实现了VCSEL的功率密度大幅的提高，基于此，将多个载流子限制层设置成至少一个氧化层和至少一个离子注入层，将现有技术中的部分氧化层替换为离子注入层，由于离子注入层的折射率较小，对光的影响较小，因此离子注入层的设置可以实现对流入有源层的电流区域限制的同时，还可以降低发光孔内外的有效折射率差值，实现了将VCSEL的功率密度大幅提高的同时，保证较小的发散角。同时，更少的氧化层有助于减少整个结构的应力，可以增强器件结构稳定性和可靠性。
附图说明
图1是现有技术中提供的一种垂直腔面发射激光器结构剖面图；
图2是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器结构剖面图；
图3是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器结构剖面图；
图4是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器结构剖面图；
图5是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器结构剖面图；
图6是图5所示结构的一种俯视图；
图7是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器结构剖面图；
图8是图5所示结构的另一种俯视图；
图9是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图；
图10是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图；
图11是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S220对应的结构剖面图；
图12是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S240对应的结构剖面图；
图13是图12所示结构的一种俯视图；
图14是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S260对应的结构剖面图；
图15是图14所示结构的一种俯视图；
图16是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S270对应的结构剖面图；
图17是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S270对应的结构剖面图；
图18是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S290对应的结构剖面图；
图19是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图；
图20是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S340对应的结构俯视图；
图21是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法中步骤S360对应的结构俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
如背景技术，传统的VCSEL的发散全角通常约为20～30度，这个发散角虽能满足一些传统的应用，但对于新的应用场景而言仍相对较大。目前，通常使用氧化工艺来形成氧化孔径，起到载流子的限制。图1是现有技术中提供的一种VCSEL激光器的结构示意图，参考图1，在衬底1的一侧设置有下布拉格反射层2、有源层3、间隔层6和上布拉格反射层4，其中间隔层6中包括有通过氧化间隔层6中含铝组分高的材料，例如AlGaAs，而形成的电流限制层5。即将AlGaAs氧化形成了氧化铝，使得电流限制层5所在层中，开口位置的AlGaAs与开口位置以外的氧化铝的折射率不同。开口位置即为激光器的发光孔，进而使得VCSEL发光孔内外的有效折射率产生差异。
有效折射率基于以下公式确定：
其中，neff为有效折射率，n(z)为在z轴方向上的折射率，E2(Z)为在z轴方向上的光场强度。
VCSEL发光孔内外的有效折射率差值基于以下公式确定：
Δneff＝n1_eff-n2_eff
＝Γox×(n1-n2)
其中，Δneff为发光孔内外的有效折射率差值，n1_eff为发光孔所在区域的有效折射率，n2_eff为发光孔外的有效折射率，n1为含铝组分高的材料(例如Al0.98Ga0.02As)的折射率，n2为氧化铝的折射率。Γox基于以下公式确定：
其中，l为在z轴方向上电流限制层5的厚度，p为z轴方向上整个光场的厚度。为了提高激光器的功率密度，通常的手段是通过增加有源层3数量的方法(例如通过隧道结连接相邻两个有源层)，但是作为电流限制层的氧化层5数量也随之增加，导致氧化层3的厚度增大，因此会导致有效折射率差异增大。
有效折射率差异增大，会产生更多高阶模式，高阶模式的光束具有更大的发散角。因此，压缩VCSEL光束发散角，需使得VCSEL发光孔内外的有效折射率差异降低，抑制高阶模式的产生，将高阶模式的光束抑制之后，剩下的低阶模式光束可以实现较小的发散角度。显然现有技术中增加有源层数量之后会影响激光器的发散角，导致不能在提高功率密度的同时不影响光束发散角。
鉴于此，本发明实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，图2是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器结构剖面图，参考图2，垂直腔面发射激光器包括：
衬底10；
半导体外延层，半导体外延层位于衬底10的一侧；半导体外延层包括至少一个发光单元；
每一发光单元包括位于衬底10一侧的第一布拉格反射层20、位于第一布拉格反射层20远离衬底10一侧的至少两层有源层30和位于全部有源层30远离第一布拉格反射层20一侧的第二布拉格反射层40；
其中，相邻两层有源层30之间设置有隧道结50；每一有源层30周围设置有一载流子限制层60；每一载流子限制层60包括一个开口区域；隧道结50在开口区域导通相邻的两层有源层30；多个载流子限制层60中包括至少一个氧化层61和至少一个离子注入层62。其中，对应氧化层61的开口区域为未被氧化的区域，对应离子注入层62的开口区域为未被离子注入的区域。
具体的，该衬底10可以是任意适于形成边发射半导体激光器的材料，例如为InP、GaAs等材料。本发明实施例中，给用于产生激光的有源层30供电的两个金属电极层位于衬底10的相对两侧，衬底10具有导电性。第一布拉格反射层20可以包括多个光学厚度为四分之一激射波长的反射镜，多个反射镜按照高低折射率交替设置；第二布拉格反射层40可以包括多个光学厚度为四分之一激射波长的反射镜，多个反射镜按照高低折射率交替设置。其中，第一布拉格反射层20和第二布拉格反射层40的材料可以为半导体材料，例如可以为GaAs和AlGaAs。
第一布拉格反射层20和第二布拉格反射层40用于对处于中间的有源层30产生的光线进行反射增强，然后从其中一布拉格反射层的表面射出，形成激光。第一布拉格反射层20可以为N型布拉格反射层，第二布拉格反射层40可以为P型布拉格反射层；或者，第一布拉格反射层20可以为P型布拉格反射层，第二布拉格反射层40可以为N型布拉格反射层。
有源层30包括至少一个量子阱层和位于量子阱层相对两侧的N型半导体层和P型半导体层。在PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在作用区内，电子和空穴复合产生光子。位于第一布拉格反射层20和第二布拉格反射层40之间的有源层30的个数为多个，并且相邻两层有源层30之间由隧道结50串联。其中每层隧道结50包括两层掺杂类型相反的材料层，可使得相邻两层有源层30的N型半导体层均位于相对各自的量子阱层的同一侧，同样使得相邻两层有源层30的P型半导体层均位于相对各自的量子阱层的同一侧，进而保证多层有源层30可以输入共用的电流信号。通过设置位于第一布拉格反射层20和第二布拉格反射层40之间的有源层30的个数为多个，实现了VCSEL的功率密度大幅的提高。
另外，在靠近每一有源层30一侧设置有一载流子限制层60，每一载流子限制层60包括一个开口区域。载流子限制层60为阻抗较高的膜层，通过在载流子限制层60中留有开口区域，当电流进入发光单元后，会通过载流子限制层60中的开口区域流向有源层30，便于将电流集中于有源层30中实现较强的增益，即隧道结50在开口区域导通相邻的两层有源层30。设置每一载流子限制层60的开口区域的形状相同，并且每一载流子限制层60的开口区域的中点可以落于同一条垂直于衬底10的直线O-O1上，可以提高每一载流子限制层60的开口区域在衬底10上垂直投影中重叠部分的面积，提高发光单元的有效发光区域。
将多个载流子限制层60设置成至少一个氧化层61和至少一个离子注入层62。由于氧化层61对发光孔内外的有效折射率差值影响较大，离子注入层62基本不影响材料的有效折射率，因此将现有技术中的部分氧化层61替换为离子注入层62。将高能量、高浓度的离子注入到半导体材料中，可以形成高阻抗区域，实现对流入有源层30的电流区域的限制的同时，降低发光孔内外的有效折射率差值，实现将VCSEL的功率密度大幅的提高的同时保证较小的发散角。其中，氧化层61通过氧化靠近有源层一侧的含铝组分较高的膜层形成，例如为高铝组分的AlGaAs或者为AlAs；离子注入层62可以通过在激光器的膜层中注入离子形成，例如可以注入到有源层30、隧道结50、布拉格反射层中等。
本发明实施例提供的技术方案通过设置至少两层有源层，并且相邻两层有源层之间由隧道结导通实现了VCSEL的功率密度大幅的提高，基于此，将多个载流子限制层设置成至少一个氧化层和至少一个离子注入层，将现有技术中的部分氧化层替换为离子注入层，由于离子注入层的折射率较小，对光的影响较小，因此离子注入层的设置可以实现对流入有源层的电流区域限制的同时，降低发光孔内外的有效折射率差值，实现将VCSEL的功率密度大幅的提高的同时保证较小的发散角。同时，更少的氧化层有助于减少整个结构的应力，可以增强器件结构稳定性和可靠性。
在本发明的一个实施例中，参考图2和图3，在靠近每一有源层30一侧设置的载流子限制层60位于对应的有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧。
可以理解为，电流从第二布拉格反射层40的一侧流入，第一布拉格反射层20为N型布拉格反射层，第二布拉格反射层40为P型布拉格反射层。隧道结50包括两层掺杂类型相反的材料层中，靠近第一布拉格反射层20一侧的为N型半导体掺杂材料，靠近第二布拉格反射层40一侧的为P型半导体掺杂材料。
在本发明的一个实施例中，参考图2和图3，氧化层61的个数小于或者等于离子注入层62的个数，可以进一步的减少氧化层61的总厚度，降低发光孔内外的有效折射率差值，实现进一步的缩小激光器的发散角。
在本发明的一个实施例中，参考图2和图3，氧化层61的个数为1个，离子注入层62的个数为多个；
氧化层61位于最靠近第一布拉格反射层20的有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧(如图2)；或者，氧化层61位于最远离第一布拉格反射层20的有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧(未画出)；或者，氧化层61位于多个有源层30中位于中间一有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧(未画出)。
可以理解为，由于氧化层61对激光器的发光区域限制的作用较明显，因此需至少包括一层氧化层61作为载流子限制层60。将其余的载流子限制层60设置成为离子注入层62，可以极大化的降低发光孔内外的有效折射率差值，实现将VCSEL的功率密度大幅的提高的同时，将对发散角的影响降低到最小。氧化层61的位置可以位于最靠近第一布拉格反射层20的有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧，也可以位于最远离第一布拉格反射层20的有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧；同样也可以位于中间一有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧，即可以位于靠近任一有源层30的一侧。
优选的，将氧化层61设置于最远离第一布拉格反射层20的有源层30的一侧，即位于最上层的有源层30的一侧。这是由于氧化层61的形成通常是利用湿/干刻蚀法刻蚀半导体外延结构，刻蚀出沟槽形成台面结构，再通过在一定的温度条件下湿法氧化高掺铝的方式(半导体外延层中含有高掺铝的膜层，可以为第二布拉格反射层40中的一层，也可以为增设的功能层70中的一层，如下文实施例中的功能层70)，对沟槽的侧壁进行氧化，以在台面结构内形成作为载流子限制层60的氧化层61。因此，将氧化层61设置于位于最上层的有源层30的一侧，可以降低刻蚀沟槽的深度，进而降低刻蚀沟槽的难度，提高了制备过程中效率。如下文的多个发光单元的实施例。而且，由于氧化层61对发光区域的限制作用较明显，因此氧化层61开口区域的孔径小于或等于离子注入层62开口区域的孔径。将氧化层61设置于最远离第一布拉格反射层20的有源层30的一侧，还可以对载流子起到较好的限制作用，进一步的防止载流子的横向扩散，降低了能量的损耗。
离子注入层62的形成过程中，通常将光刻胶形成在激光器的发光孔区域，使得离子注入层的开口区域与氧化层的开口区域在衬底上的投影完全重合。也可以根据实际需求设置离子注入层的开口区域大于氧化层的开口区域。光刻胶的厚度根据离子注入能量设计；而离子注入能量的多少根据注入的深度设计。离子注入元素可以为H、O、He等。例如光刻胶的厚度可以设置在8um以上，离子注入能量可以在几十KeV到几百KeV。离子注入过程中，未被光刻胶遮挡的半导体外延层中注入离子，而厚的光刻胶阻挡了注入离子未进入半导体层中；进而使得在半导体外延层中形成具有开口区域的离子注入层62。
在本发明的一个实施例中，参考图3，每一有源层30远离第一布拉格反射层20的一侧还设置有一功能层70；功能层70用于补偿有源层30的光学厚度，以使得每一有源层30与对应的功能层70的光学厚度之和满足二分之一激射波长的整数倍；从而可以实现对光相位的调节。
功能层70还复用为载流子限制层62。其中，至少一层功能层70可以经过氧化后形成氧化层61。形成的氧化层61内嵌于功能层70中(如图3)，或者氧化层61的厚度等于功能层70的厚度(如图2)。氧化层61的开口区域为未被氧化的功能层70。至少一层功能层70经过离子注入后形成至少部分的离子注入层62；离子注入层62的开口区域至少部分为未被离子注入的功能层70。可以通过在功能层70中注入H、O、He等元素的离子形成作为载流子限制层60的离子注入层62。
在本发明的一个实施例中，参考图4，至少两层相邻的有源层30周围设置的载流子限制层60为离子注入层62，且连通形成共用载流子限制层60。
可以理解为，在离子注入时，由于深度较难精确控制，可以将离子注入层62连成一层，形成共用载流子限制区域。因此，将氧化层61设置于最远离第一布拉格反射层20的有源层30的一侧(未画出)，或者，将氧化层61设置于最靠近第一布拉格反射层20的有源层30的一侧(如图4)，使得离子注入层62可以均连成一整层。即将位于非发光区域的有源层30和隧道结50也可以注入离子形成离子注入层62。
在本发明的一个实施例中，参考图5～图6，并结合图3，发光单元100的个数为多个；
每一发光单元100周围由一个环形沟槽101围绕，环形沟槽101的深度大于或等于氧化层61的深度，以通过氧化沟槽的侧壁形成氧化层61；氧化层61的开口区域的形状包括圆形或椭圆形；
围绕相邻两个发光单元100的环形沟槽可以至少部分重叠，或者可以不重叠。
可以理解为，图5是图6所示俯视图沿AA1的截面图，利用湿/干刻蚀法刻蚀半导体外延结构，刻蚀出多个环形沟槽101形成多个台面结构。每个台面结构对应一个发光单元100。其中沟槽的形状为环形，围绕发光单元100设置，可以将发光单元100之间隔离开。沟槽的深度大于或等于用于形成氧化层61的功能层70的深度，满足在一定的温度条件对沟槽的侧壁进行湿法氧化，以形成作为载流子限制层60的氧化层61即可。当刻蚀的环形沟槽101为圆环时，形成的台型结构的截面为圆形，由于在氧化的条件相同，因此在围绕台型结构的侧壁进行湿法氧化时氧化的长度可以几乎相等，即此时氧化层61的开口区域Q3的形状为圆形。当刻蚀的环形沟槽101为椭圆形时，形成的台型结构的截面为椭圆形，同样由于氧化的条件相同，因此在围绕台型结构的侧壁进行湿法氧化时氧化的深度可以几乎相等，即此时氧化层61的开口区域Q3的形状为椭圆形。
另外，围绕相邻两个发光单元100的环形沟槽至少部分重叠，可以减少半导体外延层中沟槽所占的面积，提高发光单元100的面积占比，进而可以提高整个激光器的有效发光面积，提高功率密度。需要说明的是，用于形成氧化层61的功能层70中具有掺杂铝比重高于预设比重值的膜层，从而可以通过设置掺杂铝的位置设定氧化层61的位置。图7为至少两层相邻的有源层30周围设置的载流子限制层60为离子注入层62，且连通形成共用载流子限制层60的情况，这里不再赘述。需要说明的是，由于在注入离子时，通常将光刻胶形成在激光器的发光孔区域，因此由于沟槽的存在，第一布拉格反射层20中也会存在部分的离子注入层62。
在本发明的另一个实施例中，参考图5和图8，并结合图3，每一发光单元100周围由多个多边形沟槽102围绕，沟槽的深度大于或等于氧化层61的深度以便通过氧化多边形沟槽102的侧壁形成氧化层61；氧化层61开口区域的形状包括多边形，开口区域的边数等于多边形沟槽的个数；
围绕相邻两个发光单元100的多边形沟槽102至少部分个数的多边形沟槽重叠。
可以理解为，图5是图8所示俯视图沿BB1的截面图，在每一发光单元100周围刻蚀出多个点状分布的多边形沟槽102，沟槽的深度大于或等于氧化层61的深度，在一定的温度条件对沟槽的侧壁进行湿法氧化。通过对发光单元100每个沟槽侧壁的氧化，形成该发光单元100的氧化层61。氧化层61开口区域的边数与围绕发光单元100周围的多边形沟槽的个数相关。围绕相邻两个发光单元100的多边形沟槽至少部分重叠，同样可以减少半导体外延层中沟槽所占的面积，提高发光单元100的面积，进而可以提高整个激光器的发光面积，提高出光量。
在本发明的一个实施例中，参考图8，并结合图5，多个发光单元100成多排排布；相邻两排的发光单元100错位设置。
可以理解为，多个发光单元100成多排设置，可以使得同排中相邻两个发光单元100公用部分的多边形沟槽102的同时，还可以使得相邻两排的发光单元100公用部分的多边形沟槽102，提高单个多边形沟槽102的利用度，既可以减少多边形沟槽的总数，进而减少多边形沟槽102所占的面积，从而提高整个激光器的发光面积，提高出光量。将相邻两排的发光单元100错位设置，可以进一步的提高单个多边形沟槽102的利用度，从而进一步的提高整个激光器的发光面积，提高出光量；还可以提高发光单元100的聚集度，提高功率密度。环形沟槽101也具有相同的有益效果，这里不再赘述。
在本发明的一个实施例中，参考图5和图7，垂直腔面发射激光器还包括：
钝化层80，钝化层80位于每一发光单元100中第二布拉格反射层40远离第一布拉格反射层20的一侧，以及沟槽的侧壁和底部；其中，位于每一第二布拉格反射层40远离第一布拉格反射层20一侧的钝化层80设置有电极接触开口801；
第一金属层90，覆盖于钝化层80的表面，并通过电极接触开口801与发光单元100的第二布拉格反射层40接触；
第二金属层(未画出)，覆盖于衬底10远离半导体外延层的一侧。
需要说明的是，钝化层80包括不同时形成的第一钝化子层和第二钝化子层。其中第一钝化子层在刻蚀沟槽前形成，用于在刻蚀形成沟槽时对半导体外延层的保护；第二钝化子层在氧化沟槽侧壁形成氧化层61后形成，第二钝化子层形成在第一钝化子层的上表面以及沟槽的侧壁和底部，用于对整个器件的保护和绝缘。第一钝化子层和第二钝化子层的材料可以相同，也可以不同，第一钝化子层和第二钝化子层的材料可以为氧化硅、氮化硅或氧化铝等。
形成第二钝化子层后，对第一钝化子层和第二钝化子层进行刻蚀形成多个电极接触开口801，电极接触开口801暴露每个发光单元100的第二布拉格反射。于钝化层80的表面形成第一金属层90，第一金属层90可以通过电极接触开口801与发光单元100的第二布拉格反射层40接触，为发光单元100供电。第一金属层90包括欧姆接触金属子层和电极金属子层，其中欧姆接触金属子层位于电极接触开口内并与第二布拉格反射层40接触。本发明实施例中欧姆接触金属子层和电极金属子层在同一金属沉积工艺中形成，可以提高激光器的制备效率。另外，由于金属层对光的透过率影响较大，因此在形成第一金属层90的过程中，需将每一发光单元100的发光区域用光刻胶遮挡，防止金属沉积在发光区域对激光的出射造成影响。d1为环形沟槽101的内边缘到第一金属层90开口的距离，d2为多边形沟槽102的内边到第一金属层90开口的距离。
参考5，电极接触开口801的形状可以为占据一个连续区域的环状，即暴露区域中存在至少一个连续区域。电极接触开口801形状设置为环状，可以使得第一金属层90与第二布拉格反射层40接触的区域为环状。当载流子限制层的开口区域均为圆形时(例如图6所示的结构)，欧姆接触金属子层91为圆环状；当载流子限制层的开口区域均为六边形时(例如图8所示的结构)，欧姆接触金属子层91为六边形环状。可以使发光单元100各个部位流入的电流较均匀流动。
环状的中间区域Q4面积可以大于离子注入层62的开口区域Q2，也可以小于或等于离子注入层62的开口区域Q2。当环状的中间区域Q4面积大于或等于离子注入层62的开口区域Q2，则电极接触开口801在衬底10上的垂直投影落入离子注入层62在衬底10上的垂直投影内；当环状的中间区域Q4面积小于离子注入层62的开口区域Q2，则电极接触开口801在衬底10上的垂直投影与离子注入层62在衬底10上的垂直投影部分重叠，或均不重叠。第一金属层90设置有开口区域Q1以使光可以射出。第一金属层90的开口区域Q1小于或等于环状的中间区域Q4。由于氧化层61对发光区域的限制作用较明显，因此第一金属层90的开口区域Q1面积需大于或等于氧化层61的开口区域Q3，避免第一金属层90落于氧化层61的开口区域Q3内对激光器的发光造成影响。图5中示例性的画出第一金属层90的开口区域Q1小于环状的中间区域Q4，等于离子注入层62的开口区域Q2和氧化层61的开口区域Q3。
本发明实施例还提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，用于形成第一方面任意所述的垂直腔面发射激光器，图9是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图，参考图9，垂直腔面发射激光器的制备方法包括：
S110、提供衬底。
S120、在半导体的一侧形成半导体外延层，并基于半导体外延层形成至少一个发光单元；每一发光单元包括位于衬底一侧的第一布拉格反射层、位于第一布拉格反射层远离所述衬底一侧的至少两层有源层和位于全部有源层远离所述第一布拉格反射层一侧的第二布拉格反射层；其中，相邻两层有源层之间设置有隧道结；每一有源层周围设置有一载流子限制层；每一载流子限制层包括一个开口区域；每一载流子限制层的开口区域在衬底上的垂直投影至少部分重叠；隧道结在开口区域导通相邻的两层有源层；多个载流子限制层包括至少一个氧化层和至少一个离子注入层。
本发明实施例提供的技术方案通过设置至少两层有源层，并且相邻两层有源层之间由隧道结导通实现了VCSEL的功率密度大幅的提高，基于此，将多个载流子限制层设置成至少一个氧化层和至少一个离子注入层，将现有技术中的部分氧化层替换为离子注入层，由于离子注入层的折射率较小，对光的影响较小，因此离子注入层的设置可以实现对流入有源层的电流区域的限制的同时，降低发光孔内外的有效折射率差值，实现将VCSEL的功率密度大幅的提高的同时保证较小的发散角。
图10是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图，参考图10，包括如下步骤：
S210、提供衬底。
S220、在衬底的一侧形成半导体外延层。
具体的，以将功能层还复用为载流子限制层为例，参考图11，形成半导体外延层包括：在衬底10的一侧形成第一布拉格反射层20；在第一布拉格反射层20远离衬底10的一侧形成多层有源层30，并在相邻两层有源层30之间形成一层隧道结50，以及在每一有源层50远离第一布拉格反射层20的一侧形成一层功能层70；其中每一功能层70覆盖于对应有源层30的表面；相邻两层有源层30之间的隧道结50覆盖于功能层70的表面。形成第二布拉格反射层40，第二布拉格反射层40位于最后形成的功能层70远离第一布拉格反射层20的一侧。
S230、在半导体外延层远离衬底的一侧形成第一钝化子层；基于掩膜版依次刻蚀第一钝化子层和半导体外延层，形成围绕发光单元的环形沟槽。
参考图12，可以基于光刻胶掩膜版依次刻蚀第一钝化子层和半导体外延层，形成围绕发光单元的环形沟槽101。
S240、氧化环形沟槽的侧壁，以在至少一层功能层中形成氧化层。
具体的，参考图12和13，可以设置形成氧化层61的功能层70中掺杂铝的比重高于预设比重值；而其余功能层70中掺杂铝的比重低于预设比重值，或者不掺杂铝，从而实现氧化层61的位置设置。
S250、于第一钝化子层远离第一布拉格反射层的一侧，以及环形沟槽的侧壁以及底部形成第二钝化子层；第一钝化子层和第二钝化子层构成整层的钝化层。
S260、在发光单元的非离子注入区域涂覆光刻胶，光刻胶覆盖钝化层远离第一布拉格反射层一侧的表面。
参考图14和图15，在发光单元的非离子注入区域涂覆光刻胶PR，光刻胶PR覆盖钝化层80远离第一布拉格反射层20一侧的表面。(需说明的是，环形沟槽101的侧壁以及底部均覆盖上钝化层80，图15中示意的画出环形沟槽101的位置和形状)
S270、基于光刻胶，至少在未被氧化的功能层中注入离子形成离子注入层。
参考图16，基于光刻胶，在部分第二布拉格反射层40中，未被氧化的功能层70中，以及在部分隧道结50中注入离子形成离子注入层。参考图17，基于光刻胶，在部分第二布拉格反射层40中，未被氧化的功能层70中以及在部分隧道结50、部分有源层30中注入离子形成一整层的离子注入层62。由于在注入离子时，通常将光刻胶形成在激光器的发光孔区域，因此由于沟槽的存在，离子注入层以下的沟槽侧壁以及第一布拉格反射层20中也会存在部分的离子注入材料。
S280、去除光刻胶。
S290、刻蚀位于发光单元非发光区域的钝化层，形成暴露第二布拉格反射层的电极接触开口。
参考图18，刻蚀位于发光单元非发光区域的钝化层80，形成暴露第二布拉格反射层40的电极接触开口801。由于氧化层61对光区域的限制影响较大，这里的非发光区域可以理解为氧化层61的开口区域之外的区域。
S2100、于钝化层远离第一布拉格反射层的一侧形成第一金属层，第一金属层通过电极接触开口与第二布拉格反射层接触。
参考图5和图6，第一金属层90通过电极接触开口801与第二布拉格反射层40接触，从而实现对发光单元的供电。
S2110、于衬底远离半导体外延层的一侧形成第二金属层。
图19是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图，参考图19，包括如下步骤：
S310、提供衬底。
S320、在衬底的一侧形成半导体外延层。
具体的，可参考步骤S220，这里不再赘述。
S330、在半导体外延层远离衬底的一侧形成第一钝化子层；基于掩膜版依次刻蚀第一钝化子层和半导体外延层，形成围绕发光单元的多个多边形沟槽。
参考图12，可以基于光刻胶掩膜版依次刻蚀第一钝化子层和半导体外延层，形成围绕发光单元的环形沟槽102。
S340、氧化多边形沟槽的侧壁，以在至少一层功能层中形成氧化层。
具体的，参考图12和图20，可以设置形成氧化层61的功能层70中掺杂铝的比重高于预设比重值；而其余功能层70中掺杂铝的比重低于预设比重值，或者不掺杂铝，从而实现氧化层61的位置设置。沟槽为多边形的沟槽，围绕一个发光单元的沟槽的个数为多个，在每一发光单元100周围刻蚀出多个点状分布的多边形沟槽102。通过对发光单元100周围每个沟槽侧壁的氧化，形成该发光单元100的氧化层61。氧化层的开口区域的形状包括多边形，氧化层61开口区域的边数与围绕发光单元100周围的多边形沟槽的个数相关。示例性的，氧化层61的开口区域Q3的形状包括六边形，多边形沟槽102的个数为6个，通过氧化沟槽侧壁a1形成开口区域Q3的边a，通过氧化沟槽侧壁b1形成开口区域Q3的边b，通过氧化沟槽侧壁c1形成开口区域Q3的边c，通过氧化沟槽侧壁d1形成开口区域Q3的边d，通过氧化沟槽侧壁e1形成开口区域Q3的边e，通过氧化沟槽侧壁f1形成开口区域Q3的边f。
S350、于第一钝化子层远离第一布拉格反射层的一侧，以及环形沟槽的侧壁以及底部形成第二钝化子层；第一钝化子层和第二钝化子层构成整层的钝化层。
S360、在发光单元的非离子注入区域涂覆光刻胶，光刻胶覆盖钝化层远离第一布拉格反射层一侧的表面。
参考图14和图21，光单元的非离子注入区域涂覆光刻胶PR，光刻胶PR覆盖钝化层80远离第一布拉格反射层20一侧的表面。(需说明的是，多边形沟槽102的侧壁以及底部均覆盖上钝化层80，图21的画出多边形沟槽102的位置和形状)
S370、基于光刻胶，至少在未被氧化的功能层中注入离子形成离子注入层。
S380、去除光刻胶。
S390、刻蚀位于发光单元非发光区域的钝化层，形成暴露第二布拉格反射层的电极接触开口。
具体的，可参考步骤S290，里不再赘述。
S3100、于钝化层远离第一布拉格反射层的一侧形成第一金属层，第一金属层通过电极接触开口与第二布拉格反射层接触。
参考图5和图8，第一金属层90通过电极接触开口801与第二布拉格反射层40接触，从而实现对发光单元的供电。
S3110、于衬底远离半导体外延层的一侧形成第二金属层。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (15)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底；
半导体外延层，所述半导体外延层位于所述衬底的一侧；所述半导体外延层包括至少一个发光单元；
每一所述发光单元包括位于所述衬底一侧的第一布拉格反射层、位于所述第一布拉格反射层远离所述衬底一侧的至少两层有源层和位于全部有源层远离所述第一布拉格反射层一侧的第二布拉格反射层；
其中，相邻两层有源层之间设置有隧道结；每一有源层周围设置有一载流子限制层；每一所述载流子限制层包括一个开口区域；每一所述载流子限制层的开口区域在所述衬底上的垂直投影具有均重叠部分；所述隧道结在所述开口区域导通相邻的两层有源层；多个载流子限制层中包括至少一个氧化层和至少一个离子注入层。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，靠近每一所述有源层一侧设置的载流子限制层位于对应的有源层远离所述第一布拉格反射层的一侧。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化层的个数小于或等于所述离子注入层的个数。
4.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化层的个数为1个，所述离子注入层的个数为多个；
所述氧化层位于最远离所述第一布拉格反射层的有源层远离所述第一布拉格反射层的一侧。
5.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，至少两层相邻的有源层周围设置的载流子限制层为离子注入层，且连通形成共用载流子限制层。
6.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，每一所述有源层远离所述第一布拉格反射层的一侧还设置有一功能层；所述功能层用于补偿所述有源层的光学厚度，以使得每一有源层与对应的功能层的光学厚度之和满足二分之一激射波长的整数倍；
所述功能层还复用为所述载流子限制层。
7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，位于相邻两层有源层之间的所述功能层和所述隧道结中，相对于所述隧道结，所述功能层较靠近于所述第一布拉格反射层。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述发光单元的个数为多个；
每一所述发光单元周围由一个环形的沟槽围绕，所述沟槽的深度大于或等于氧化层的深度，以通过氧化所述沟槽的侧壁形成所述氧化层；所述氧化层的开口区域的形状包括圆形或椭圆形。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述发光单元的个数为多个；
每一所述发光单元周围由多个多边形的沟槽围绕，所述沟槽的深度大于或等于氧化层的深度以便通过氧化多边形沟槽的侧壁形成所述氧化层；所述氧化层的开口区域的形状包括多边形，所述开口区域的边数等于所述多边形沟槽的个数。
10.根据权利要求8或9所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，多个所述发光单元成多排排布；相邻两排的所述发光单元错位设置。
11.根据权利要求8或9所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
钝化层，所述钝化层位于每一所述发光单元中第二布拉格反射层远离所述第一布拉格反射层的一侧，以及沟槽的侧壁和底部；其中，位于每一所述第二布拉格反射层远离所述第一布拉格反射层一侧的钝化层设置有电极接触开口；
第一金属层，覆盖于所述钝化层的表面，并通过所述电极接触开口与所述发光单元的第二布拉格反射层接触；
第二金属层，覆盖于所述衬底远离所述半导体外延层的一侧。
12.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，用于形成权利要求1-11任一所述的垂直腔面发射激光器，包括：
提供衬底；
在所述衬底的一侧形成半导体外延层，并基于所述半导体外延层形成至少一个发光单元；每一所述发光单元包括位于所述衬底一侧的第一布拉格反射层、位于所述第一布拉格反射层远离所述衬底一侧的至少两层有源层和位于全部有源层远离所述第一布拉格反射层一侧的第二布拉格反射层；
其中，相邻两层有源层之间设置有隧道结；每一有源层周围设置有一载流子限制层；每一所述载流子限制层包括一个开口区域；每一所述载流子限制层的开口区域在所述衬底上的垂直投影具有均重叠部分；所述隧道结在所述开口区域导通相邻的两层有源层；多个载流子限制层包括至少一个氧化层和至少一个离子注入层。
13.根据权利要求12所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，在所述衬底的一侧形成半导体外延层包括：
形成第一布拉格反射层，所述第一布拉格反射层位于所述衬底的一侧；
在所述第一布拉格反射层远离所述衬底的一侧形成多层有源层，并在相邻两层有源层之间形成一层隧道结，以及在每一有源层远离所述第一布拉格反射的一侧形成一层功能层；其中每一功能层覆盖于对应有源层的表面；相邻两层有源层之间的隧道结覆盖于所述功能层的表面；
形成第二布拉格反射层，所述第二布拉格反射层位于最后形成的一层功能层远离第一布拉格反射层的一侧。
14.根据权利要求13所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述基于所述半导体外延层形成至少一个发光单元，包括：
在所述半导体外延层远离所述衬底的一侧形成第一钝化子层；
基于掩膜版依次刻蚀所述第一钝化子层和所述半导体外延层，形成围绕所述发光单元的沟槽；所述沟槽的形状包括环形或者多边形；
氧化所述沟槽的侧壁，以在至少一层功能层中形成所述氧化层；其中，功能层中掺杂铝的比重高于预设比重值的膜层形成所述氧化层；若所述沟槽为环形沟槽，围绕所述发光单元的沟槽的个数为1个，所述氧化层的开口区域的形状包括圆形或椭圆形；若所述沟槽为多边形沟槽，围绕所述发光单元的沟槽的个数为多个，所述氧化层的开口区域的形状包括多边形；
于所述第一钝化子层远离所述第一布拉格反射层的一侧，以及所述沟槽的侧壁以及底部形成第二钝化子层；所述第一钝化子层和所述第二钝化子层构成整层的钝化层；
在所述发光单元的非离子注入区域涂覆光刻胶，所述光刻胶覆盖所述钝化层远离所述第一布拉格反射层一侧的表面；
基于光刻胶，至少在未被氧化的功能层中注入离子形成离子注入层；
去除所述光刻胶层。
15.根据权利要求14所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述去除所述光刻胶层之后，还包括：
刻蚀位于发光单元非发光区域的钝化层，形成暴露第二布拉格反射层的电极接触开口；
于所述钝化层远离所述第一布拉格反射层的一侧形成第一金属层，所述第一金属层通过所述电极接触开口与所述第二布拉格反射层接触；
于所述衬底远离所述半导体外延层的一侧形成第二金属层。
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