CN117134194A - 垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体激光器领域，提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中的垂直腔面发射激光器包括N型衬底，在N型衬底上依次制备有N型接触层、N型DBR层、有源层、电流限制层、P型DBR层和P型接触层，在P型接触层上制备有P型电极，在N型接触层上避开N型DBR层的位置制备有N型电极；N型DBR层包括同层的二元系材料子层和三元系材料子层，三元系材料子层包覆在二元系AlAs材料子层的外侧。本发明的N型DBR层由AlAs二元系材料与AlxGa1‑xAs三元系材料构成，因二元系材料的散热性能高于三元系材料的散热性能，因此可以有效减小有源层的热量积累，提高器件的效率、稳定性以及使用寿命，并在最大程度上提高器件的调制带宽。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种提高有源层散热的垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
自1996年第一次推出商用垂直腔面发射激光器(VCSEL)以来，VCSEL已被广泛应用在激光鼠标、激光打印等领域，最成功的一项应用就是短距离数据传输。随着大数据中心和超级计算机的逐渐兴起，其内部的总网络带宽超过200T bps，相互之间的数据传输引起的功耗得到了极大的重视，采用VCSEL进行数据中心之间的光互连被视为一种降低传输功耗的有效手段。
随着数据中心流量需求激增，对VCSEL的速率要求越来越高。高速VCSEL的体积也随着速率的提高被设计的越来越小。体积的减小使器件有源层的散热成为问题。尽管VCSEL的转化速率相对较高，但仍然有大量能量以热能的形式损失，造成有源层温度高，这会直接导致有源层量子阱微分增益的下降，损害器件的高速及低耗性能。同时热量在有源层累计会降低器件的效率、稳定性以及缩短使用寿命。
面向数据传输的VCSEL器件需要工作在一定的驱动电流下以满足数据传输速率所需要的带宽，在高驱动电流下的有源层温度远高于工作环境温度，热限制是一个不可忽视的带宽限制因素，因此提高光通讯VCSEL器件的散热有重要的应用意义。
但现有的结构，有源区下方相邻的是三元系材料，三元系材料在散热上远不如二元系材料，因此，如何进一步提高有源区散热成为高速VCSEL的待解问题之一。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有结构的缺陷，提出一种减小有源层的热量积累，提高器件的效率、稳定性以及使用寿命，并在最大程度上提高器件的调制带宽的垂直腔面发射激光器结构及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的垂直腔面发射激光器，包括N型衬底，在N型衬底上依次制备有N型接触层、N型DBR层、有源层、P型DBR层和P型接触层，在P型接触层上制备有P型电极，在N型接触层上制备有N型电极，在有源层与P型DBR层之间和/或有源层与N型DBR层之间制备有电流限制层；N型DBR层包括同层的二元系材料子层和三元系材料子层，三元系材料子层包覆在二元系AlAs材料子层的外侧。
优选地，二元系材料子层为AlAs材料或GaAs材料，三元系材料子层为AlxGa1-xAs材料，x=0.12-0.9。
优选地，P型DBR层采用膜系结构为5-6对SiO2/TiO2的高反射膜或膜系结构为16-25对且x=0.12-0.9的AlxGa1-xAs交叠层。
优选地，电流限制层中间未氧化的区域形成电流孔。
优选地，P型DBR层与电流孔的水平投影形状为圆形或多边形。
优选地，有源层为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。
本发明提供的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在N型衬底上制备N型接触层，然后在N型接触层上生长三元系材料子层；
S2、根据N型台面的面积与图形，在三元系材料子层的表面刻蚀凹槽；
S3、在凹槽内生长二元系材料子层，二元系材料子层与三元系材料子层构成N型DBR层；
S4、依次在N型DBR层上依次生长有源层、电流限制层、P型DBR层和P型接触层；
S5、从P型接触层向下刻蚀至有源层形成P型台面；
S6、利用氧化炉对电流限制层进行氧化；
S7、在P型接触层上制备P型电极；
S8、从有源层向下刻蚀N型DBR层形成N型台面；
S9、在N型接触层上制备位于N型台面上的N型电极。
优选地，在步骤S9之后，还包括如下步骤：
S10、在P型台面与N型台面上填充BCB胶，通过光刻工艺露出下层N型电极与P型电极，并进行BCB胶固化；
S11、在固化后的BCB胶上沉积与位于N型台面上的N型电极电接触的N型电极，沉积在BCB胶上的N型电极与P型电极形成共平面电极。
与现有技术相比，本发明的N型DBR层由AlAs二元系材料与AlxGa1-xAs三元系材料同层设置，因二元系材料的散热性能高于三元系材料的散热性能，因此可以有效减小有源层的热量积累，提高器件的效率、稳定性以及使用寿命，并在最大程度上提高器件的调制带宽，同时，三元系材料包覆二元系材料的N型DBR结构，能够在刻蚀P型台面时，避免刻蚀到二元系材料，不会因二元系材料被氧化而导致器件断路失效。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2-图11是根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备方法的制作流程示意图。
其中的附图标记包括：N型衬底1、N型DBR层2、二元系材料子层21、三元系材料子层22、有源层3、电流限制层4和P型DBR层5、P型电极6、N型电极7、N型接触层8、P型接触层9。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器，包括N型衬底1，在N型衬底1上依次制备有N型接触层8、N型DBR层2、有源层3、电流限制层4、P型DBR层5和P型接触层9，在P型DBR层5上制备有P型电极6，在N型接触层8上避开N型DBR层2的位置制备有N型电极7，在P型接触层9上制备有P型电极6。
N型DBR层2包括位于同层的二元系材料子层21和三元系材料子层22，三元系材料子层22包覆在二元系材料子层21的外侧。
因二元系材料的散热性能高于三元系材料的散热性能，因此可以有效减小有源层的热量积累，提高器件的效率、稳定性以及使用寿命，并在最大程度上提高器件的调制带宽。
本发明将二元系材料子层21与三元系材料子层22设置为同层的目的如下：
若N型DBR层2全部为二元系材料子层21，则在刻蚀P型台面时，由于工艺及仪器的稳定性、均匀性等误差，导致极易过刻，露出二元系材料，这样在氧化电流限制层4时，二元系材料会被氧化，导致器件断路失效，通常的做法是在有源层3与二元系材料子层21之间增加三元系材料子层22，避免在刻蚀P型台面时刻蚀到二元系材料子层21，但这种方式会导致二元系材料子层21与有源层3无法直接接触，使二元系材料子层21对有源层3的散热性能大打折扣。
本发明将二元系材料子层21与三元系材料子层22同层设置，且三元系材料子层22包裹在二元系材料子层21的外侧，过刻蚀只会刻蚀到三元系材料子层22，而不会刻蚀到二元系材料子层21，所以在氧化电流限制层4时，二元系材料不会被氧化，也就不会导致器件断路失效，并且由于二元系材料子层21直接与有源层3接触，不会降低二元系材料子层21对有源层3的散热性能。
优选地，二元系材料子层为AlAs材料，三元系材料子层为AlxGa1-xAs材料。
优选地，电流限制层4的数量为两层，位于有源层3与P型DBR层5之间，电流限制层4中间未氧化的区域形成电流孔。
优选地，P型DBR层5与电流孔的水平投影形状为圆形或多边形。
优选地，有源层3为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。
例如想要实现目标激射波长为850nm，则P型DBR层5的直径可选为10μm，N型DBR层2的直径可选为15μm。P型DBR层5采用膜系结构为5-6对SiO2/TiO2的高反射膜或膜系结构为16-25对且x=0.12-0.9的AlxGa1-xAs交叠层，N型DBR层2采用x=0.12-0.9的AlxGa1-xAs与AlAs的交叠层。
有源层3采用850nm的InGaAs/GaAs量子阱材料，电流限制层4是通过湿氮氧化工艺对外延结构中高Al掺杂的AlGaAs层进行氧化，生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝，实现对电流和光场的限制，而该高铝层中间部分未氧化的区域形成电流孔。
图2-图11示出了根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备方法的制作流程。
如图2-图11所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、采用分子束外延技术（MBE）或金属有机化合物化学气相沉积技术（MOCVD）在N型衬底1上生长三元系材料子层22。
S2、根据N型台面的面积与图形，在三元系材料子层22的表面匀涂光刻胶，利用电子束曝光技术和电感应耦合等离子体刻蚀技术（ICP）在三元系材料子层22上刻蚀凹槽。
S3、采用分子束外延技术（MBE）或金属有机化合物化学气相沉积技术（MOCVD）进行二次外延生长，依次生长二元系材料子层21、有源层3、电流限制层4、P型DBR层5和P型接触层9。
二元系材料子层21生长在三元系材料子层22的凹槽内，有源层3、电流限制层4和P型DBR层5依次生长在二元系材料子层21上。
S4、在P型接触层9的表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和电感应耦合等离子体刻蚀技术（ICP）对P型接触层9进行刻蚀形成P型台面。
S5、利用氧化炉对电流限制层4进行氧化。
S6、在P型台面的表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光、刻蚀和金属沉积，制备P型电极6。
S7、在N型DBR层2的表面匀涂光刻胶，通过光学掩模版、紫外曝光和刻蚀技术对N型DBR层2进行刻蚀，形成N型台面。
S8、在N型台面的表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光、刻蚀和金属沉积，制备位于N型台面上的N型电极7。
在步骤S9之后，还包括如下步骤：
S9、在P型台面与N型台面上填充BCB胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀工艺露出N型电极7与P型电极6，再进行BCB固化。
S10、在固化后的BCB胶沉积N型电极，该N型电极与位于N型台面上的N型电极7电接触，BCB胶上沉积的N型电极与P型电极6形成共平面电极。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种垂直腔面发射激光器，包括N型衬底，在N型衬底上依次制备有N型接触层、N型DBR层、有源层、P型DBR层和P型接触层，在P型接触层上制备有P型电极，在N型接触层上制备有N型电极，在有源层与P型DBR层之间和/或有源层与N型DBR层之间制备有电流限制层；其特征在于，N型DBR层包括同层的二元系材料子层和三元系材料子层，三元系材料子层包覆在二元系AlAs材料子层的外侧。
2.如权利要求1的垂直腔面发射激光器，其特征在于，二元系材料子层为AlAs材料或GaAs材料，三元系材料子层为AlxGa1-xAs材料，x=0.12-0.9。
3.如权利要求2的垂直腔面发射激光器，其特征在于，P型DBR层采用膜系结构为5-6对SiO2/TiO2的高反射膜或膜系结构为16-25对且x=0.12-0.9的AlxGa1-xAs交叠层。
4.如权利要求2的垂直腔面发射激光器，其特征在于，电流限制层中间未氧化的区域形成电流孔。
5.如权利要求4的垂直腔面发射激光器，其特征在于，P型DBR层与电流孔的水平投影形状为圆形或多边形。
6.如权利要求1的垂直腔面发射激光器，其特征在于，有源层为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。
7.一种如权利要求1~6任一项的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在N型衬底上制备N型接触层，然后在N型接触层上生长三元系材料子层；
S2、根据N型台面的面积与图形，在三元系材料子层的表面刻蚀凹槽；
S3、在凹槽内生长二元系材料子层，二元系材料子层与三元系材料子层构成N型DBR层；
S4、依次在N型DBR层上依次生长有源层、电流限制层、P型DBR层和P型接触层；
S5、从P型接触层向下刻蚀至有源层形成P型台面；
S6、利用氧化炉对电流限制层进行氧化；
S7、在P型接触层上制备P型电极；
S8、从有源层向下刻蚀N型DBR层形成N型台面；
S9、在N型接触层上制备位于N型台面上的N型电极。
8.如权利要求7的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，在步骤S9之后，还包括如下步骤：
S10、在P型台面与N型台面上填充BCB胶，通过光刻工艺露出下层N型电极与P型电极，并进行BCB胶固化；
S11、在固化后的BCB胶上沉积与位于N型台面上的N型电极电接触的N型电极，沉积在BCB胶上的N型电极与P型电极形成共平面电极。
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