CN117060228A - 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，涉及半导体激光器技术领域，用于解决现有技术中垂直腔面发射激光器的光谱线宽较宽，制备工艺复杂的问题。所述垂直腔面发射激光器包括：衬底；依次形成在衬底上的第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构；形成在衬底背离第一反射镜结构一侧的背面电极结构；其中，无源延长结构包括层叠设置的无源延长腔层以及中间反射镜结构。所述垂直腔面发射激光器的制备方法用于制备上述技术方案所述的垂直腔面发射激光器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，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)具有单纵模、低阈值、圆形光斑、易于形成二维阵列等特点。在许多领域中，如低功率的原子传感系统，光谱学、激光打印、光存储、长距离光互连，都需要VCSEL具有单模输出。但是，由于VCSEL的横向尺寸较大，非常容易出现多横模工作，致使光谱线宽较大。
目前，为了实现VCSEL单基模工作，现有技术中多采用表面浮雕、反相光栅、光子晶体、反波导等技术。但这些方法需要更加精确的工艺以及二次外延，增加了工艺复杂度和制备成本，可重复性较差。另外，利用这些方法得到的VCSEL的线宽仍然较宽，一般大于100Mhz，在很多领域的应用仍会受到限制。
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备方法，用于解决现有技术中垂直腔面发射激光器的光谱线宽较宽，制备工艺复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底；
依次形成在衬底上的第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构；
形成在衬底背离第一反射镜结构一侧的背面电极结构；
其中，无源延长结构包括层叠设置的无源延长腔层以及中间反射镜结构。
与现有技术相比，本发明提供的垂直腔面发射激光器中，衬底作为基底，第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构依次形成在衬底上，背面电极结构形成在衬底背离第一反射镜结构的一侧。基于此，本发明提供的垂直腔面发射激光器通过在第一反射镜结构和有源层之间增加层叠设置的无源延长腔层以及中间反射镜结构，通过增加中间反射镜结构，能够增加光子的谐振时间以及谐振次数，进而增加光子的循环周期，减少光谱线宽。同时，通过增加无源延长腔层，可以增加垂直腔面发射激光器的厚度，从而进一步增加了光子的谐振腔长，最终减小了垂直腔面发射激光器的线宽，以实现窄光谱线宽的垂直腔面发射激光器。
此外，本发明提供的垂直腔面发射激光器仅通过增加中间反射镜结构和无源延长腔层就能够实现压窄光谱线宽的目的，不会增加额外的工艺难度，在一定程度上也简化了制备工艺。
第二方面，本发明还提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在衬底上依次形成第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构；其中，无源延长结构包括层叠设置的无源延长腔层以及中间反射镜结构；
在衬底背离第一反射镜结构一侧形成背面电极结构。
与现有技术相比，本发明提供的垂直腔面发射激光器的制备方法的有益效果与上述技术方案所述的垂直腔面发射激光器的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图；
图3～图9为本发明实施例中提供的垂直腔面发射激光器的制备过程中的剖面结构图。
附图标记：
1-衬底， 2-第一反射镜结构；
3-无源延长结构， 31-无源延长腔层；
32-中间反射镜层， 4-有源层；
5-氧化层， 51-高铝层；
52-氧化孔， 6-第二反射镜结构；
7-接触电极层， 8-钝化层；
9-正面电极结构， 10-背面电极结构。
具体实施方式
为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
如图1所示，本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底1；
依次形成在衬底1上的第一反射镜结构2、无源延长结构3、有源层4、氧化层5、第二反射镜结构6、接触电极层7以及正面电极结构9；
形成在衬底1背离第一反射镜结构2一侧的背面电极结构10；
其中，无源延长结构3包括层叠设置的无源延长腔层31以及中间反射镜结构。
通过上述垂直腔面发射激光器的具体结构可知，衬底1作为基底，第一反射镜结构2、无源延长结构3、有源层4、氧化层5、第二反射镜结构6、接触电极层7以及正面电极结构9依次形成在衬底1上，背面电极结构10形成在衬底1背离第一反射镜结构2的一侧。基于此，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器通过在第一反射镜结构2和有源层4之间增加层叠设置的无源延长腔层31以及中间反射镜结构，通过增加中间反射镜结构，能够增加光子的谐振时间以及谐振次数，进而增加光子的循环周期，减少光谱线宽。同时，通过增加无源延长腔层31，可以增加垂直腔面发射激光器的厚度，从而进一步增加了光子的谐振腔长，最终减小了垂直腔面发射激光器的线宽，以实现窄光谱线宽的垂直腔面发射激光器。
此外，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器仅通过增加中间反射镜结构和无源延长腔层31就能够实现压窄光谱线宽的目的，不会增加额外的工艺难度，在一定程度上也简化了制备工艺。
在一种可能的实现方式中，中间反射镜结构包括间隔设置的至少一层中间反射镜层32，每相邻的两层中间反射镜层32之间填充有至少一层无源延长腔层31。
示例性的，当中间反射镜结构包括一层中间反射镜层32时，一层中间反射镜层32沉积在第一反射镜结构2上，一层无源延长腔层31沉积在中间反射镜层32上，有源层4沉积在无源延长腔层31之上。
当中间反射镜结构包括两层中间反射镜层32时，第一层中间反射镜层32沉积在第一反射镜结构2上，第一层无源延长腔层31沉积在第一层中间反射镜层32之上，第二层中间反射镜层32沉积在第一层无源延长腔层31上，第二层无源延长腔层31沉积在第二层中间反射镜层32上，依次类推。
在实际中，可以设置1组中间反射镜层32与无源延长腔层31，也可以设置2组中间反射镜层32与无源延长腔层31，还可以设置5组中间反射镜层32与无源延长腔层31，但应理解，当增加的中间反射镜层32与无源延长腔层31的层数越多，会进一步增加光子的谐振腔长以及谐振次数，但也会相应的增加垂直腔面发射激光器的厚度，会导致垂直腔面发射激光器的体积增大，也容易引起多纵模的激射。因此，需要根据具体情况设置需要增加的中间反射镜层32以及无源延长腔层31的数量，本发明实施例对此不做限定。
进一步的，无源延长腔层31的厚度为h，0＜h≤20微米。示例性的，无源延长腔层31的厚度可以为0.1微米、2微米、5微米、10微米以及20微米，设置合适的无源延长腔层31的厚度有利于在实现压窄光谱线宽的同时，不会对垂直腔面发射激光器的体积和单纵模工作造成太大影响。
在一种可能的实现方式中，无源延长腔层31的材质包括AlxGa1-xAs、GaAs、InP、InxGa1-xAs以及GaxIn1-xNyAs1-y中的一种或几种。
在一个实施例中，以上述衬底1为N型GaAs(砷化镓)衬底1，无源延长腔层31的材质为Al0.12Ga0.88As为例。上述第一反射镜结构2包括多组材料层，例如，利用40组n-Al(0.12-0.9)GaAs与n-Al0.9GaAs构成第一反射镜结构2，其中n-Al(0.12-0.9)GaAs为第一材料层，n-Al0.9GaAs为第二材料层，40个第一材料层与40个第二材料层依次层叠沉积，构成反射率接近100％的第一反射镜结构2。
之后，在第一反射镜结构2上沉积材质为Al0.12Ga0.88As的无源延长腔层31。
在无源延长腔层31之上，利用5-10组n-Al(0.12-0.9)GaAs与n-Al0.9GaAs构成中间反射镜层32，中间反射镜层32的反射率接近50％。
上述第二反射镜结构6形成在氧化层5上方，利用20组p-A(0.12-0.9)GaAs与p-Al0.9GaAs构成第二反射镜结构6，其中p-A(0.12-0.9)GaAs为第三材料层，p-Al0.9GaAs为第四材料层，20个第三材料层与20个第四材料层依次层叠沉积，构成反射率大于99％的第二反射镜结构6。
需要说明的是，上述第一反射镜结构2、中间反射镜层32以及第二反射镜结构6中，材料层数均可以为2～40组，在实际中，需要根据需求的反射率的高低设置相应的反射镜的材料层数，本发明实施例对此不做具体限定。
在一种可能的实现方式中，氧化层5上开设有氧化孔52，氧化孔52的直径小于等于10微米。具体的，氧化孔52的直径可以是10微米、6.8微米、4.3微米、3微米或者2.5微米等，通过控制氧化孔52的直径小于等于10微米，从而控制垂直腔面激光发射器的横向模式，以实现单基模激射。
在一种可能的实现方式中，垂直腔面发射激光器还包括钝化层8，钝化层8覆盖在有源层4、氧化层5、接触电极层7以及第二反射镜结构6的外周；接触电极层7通过钝化层8上的至少一个通孔与正面电极结构9接触。基于此，钝化层8覆盖在有源层4、氧化层5、接触电极层7以及第二反射镜结构6的外周，可以对有源层4、氧化层5、接触电极层7以及第二反射镜结构6进行电隔离，能够进一步提高器件的可靠性和稳定性。钝化层8上开设有至少一个通孔，便于接触电极层7通过通孔与正面电极结构9接触，使得光子能够正常从接触电极层7出光至正面电极结构9。应理解，图1仅示例出了一种正面出光的垂直腔面发射激光器，在实际中，还可以根据具体需求将其设置为背面出光的垂直腔面发射激光器，本发明实施例对此不做限定。
如图2所示，本发明实施例还提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，图3～图9示例出了在垂直腔面发射激光器的制备过程中的剖面结构图。请一并参阅图2～图9，所述制备方法包括：
步骤S100：提供一衬底1。
示例性的，上述衬底1可以是N型GaAs(砷化镓)衬底。
步骤S200：在衬底1上依次形成第一反射镜结构2、无源延长结构3、有源层4、氧化层5、第二反射镜结构6、接触电极层7以及正面电极结构9；其中，无源延长结构3包括层叠设置的无源延长腔层31以及中间反射镜结构。
上述步骤S200包括以下子步骤：
子步骤S201：在衬底1上依次外延生长第一反射镜结构2、无源延长结构3、有源层4、高铝层51、第二反射镜结构6以及接触电极层7。
示例性的，如图3所示，采用通过金属有机物化学气相淀积(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，MOCVD)或分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)工艺，在N-GaAs衬底1上依次外延生长40对n-Al(0.12-0.9)GaAs与n-Al0.9GaAs构成第一反射镜结构2；
在第一反射镜结构2上，继续生长一层Al(0.12-0.9)GaAs构成无源延长腔层31；
在无源延长腔层31之上，外延生长5～10对n-Al(0.12-0.9)GaAs与n-Al0.9GaAs构成中间反射镜层32；
在中间反射镜层32之上形成Al0-0.9GaAs/GaAs量子阱结构的有源层4；
在有源层4上形成高铝层51，高铝层51的材料可以为Al(0.9-1)GaAs；
在高铝层51上，生长20对p-Al(0.12-0.9)GaAs与p-Al0.9GaAs构成第二反射镜结构6。
如图4所示，在第二反射镜结构6上，利用电子束蒸发制作厚度为150埃的Ti/150埃的Pt/2000埃的Au的接触电极层7。
之后执行子步骤S202。
子步骤S202：利用掩膜对有源层4、高铝层51、第二反射镜结构6以及接触电极层7进行刻蚀处理，形成凸出于无源延长结构3的氧化台面。
如图5所示，利用光刻胶做掩膜，使用电感耦合等离子(Inductively CoupledPlasma，ICP)对有源层4、高铝层51、第二反射镜结构6以及接触电极层7进行刻蚀，使得有源层4的侧壁、高铝层51的侧壁以及第二反射镜结构6的侧壁相对于无源延长结构3的侧壁向内凹入，形成凸出于无源延长结构3的氧化台面。
之后执行子步骤S203。
子步骤S203：对高铝层51进行氧化处理，得到开设有氧化孔52的氧化层5。
如图6所示，利用湿法氧化对高铝层51进行氧化处理，通过控制合适的氧化时间，从而在氧化层5的中心位置形成直径小于10微米的氧化孔52，使得垂直腔面发射激光器工作在单基模激射模式。
在实际中，还可以对氧化层5的厚度进行减薄，将氧化层5的厚度减薄1纳米～20纳米，有利于压窄VCSEL的光谱线宽。
之后执行子步骤S204。
子步骤S204：在第二反射镜结构6上形成正面电极结构9。
如图8所示，利用溅射工艺在器件表面溅射的Ti/Au层作为电镀种子层。利用光刻胶保护电镀种子层，之后电镀厚金层，采用湿法腐蚀方法，去除剩余的种子层，以制备出正面电极结构9。
在实际中，为了进一步提高器件的稳定性，在执行子步骤S203之后，在执行子步骤S204之间，步骤S200还包括：
在氧化台面的外周沉积钝化层8；
对钝化层8上与接触电极层7重合的部分进行刻蚀，形成至少一个通孔，以使通孔暴露出接触电极层7。
如图7所示，利用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)在氧化台面的外周沉积SiN作为钝化层8，利用光刻结合湿法刻蚀的方法将氧化台面上的出光面上的钝化层8去掉，即对钝化层8上与接触电极层7重合的部分进行刻蚀，使得接触电极层7能够通过至少一个通孔与后续生产的正面电极结构9接触。
步骤S300：在衬底1背离第一反射镜结构2一侧形成背面电极结构10。
在本申请中，上述步骤S300具体包括：
对衬底1进行减薄处理，获得目标衬底。
在目标衬底背离第一反射镜结构2的一侧进行溅射处理，形成背面电极结构10。
示例性的，如图9所示，使用磨片机将衬底1减薄，获得减薄后的目标衬底，目标衬底的厚度为100微米左右，之后在目标衬底背离第一反射镜结构2的一侧溅射的AuGeNi/Au背面电极，并快速退火处理后最终形成VCSEL。
采用上述实施例制备出的垂直腔面发射激光器的波长为450nm～2000nm。
基于此，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备方法中，通过金属有机物化学气相淀积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)制备出垂直腔面发射激光器的外延结构，在外延结构中增加无源延长腔层31和中间反射镜层32，可以增加光子的谐振腔长和谐振周期，从而减少光谱线宽。通过湿法氧化、质子注入等技术控制了垂直腔面发射激光器的横向模式，从而使得垂直腔面发射激光器获得单基模激射，之后然后采用等离子体增强化学气相沉积法制备出钝化层8，提高器件的可靠性和稳定性，采用光刻、溅射、电镀等工艺制备出正面电极和背面电极，最后通过退火工艺，获得窄光谱线宽、低成本、可重复性高的VCSEL。该窄线宽VCSEL在原子传感微系统，光谱学、激光打印、光存储、长距离光互连等领域具有重要的应用前景。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底；
依次形成在所述衬底上的第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构；
形成在所述衬底背离所述第一反射镜结构一侧的背面电极结构；
其中，所述无源延长结构包括层叠设置的无源延长腔层以及中间反射镜结构。
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，所述中间反射镜结构包括间隔设置的至少一层中间反射镜层；
每相邻的两层所述中间反射镜层之间填充有至少一层所述无源延长腔层。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化层上开设有氧化孔，所述氧化孔的直径小于等于10微米。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述无源延长腔层的材质包括AlxGa1-xAs、GaAs、InP、InxGa1-xAs以及GaxIn1-xNyAs1-y中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述无源延长腔层的厚度为h，0＜h≤20微米。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器还包括钝化层，其中：
所述钝化层覆盖在所述有源层、所述氧化层、所述接触电极层以及所述第二反射镜结构的外周；
所述接触电极层通过所述钝化层上的至少一个通孔与所述正面电极结构接触。
7.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次形成第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构；其中，所述无源延长结构包括层叠设置的无源延长腔层以及中间反射镜结构；
在所述衬底背离所述第一反射镜结构一侧形成背面电极结构。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上依次形成第一反射镜结构、无源延长结构、有源层、氧化层、第二反射镜结构、接触电极层以及正面电极结构，包括：
在所述衬底上依次外延生长所述第一反射镜结构、所述无源延长结构、所述有源层、高铝层、所述第二反射镜结构以及所述接触电极层；
利用掩膜对所述有源层、所述高铝层、所述第二反射镜结构以及所述接触电极层进行刻蚀处理，形成凸出于所述无源延长结构的氧化台面；
对所述高铝层进行氧化处理，得到开设有氧化孔的所述氧化层；
在所述第二反射镜结构上形成所述正面电极结构。
9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述在所述第二反射镜结构上形成所述正面电极结构之前，所述制备方法还包括：
在所述氧化台面的外周沉积钝化层；
对所述钝化层上与所述接触电极层重合的部分进行刻蚀，形成至少一个通孔，以使所述通孔暴露出所述接触电极层。
10.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，在所述衬底背离所述第一反射镜结构一侧形成背面电极结构，包括：
对所述衬底进行减薄处理，获得目标衬底；
在所述目标衬底背离所述第一反射镜结构的一侧进行溅射处理，形成所述背面电极结构。
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