CN220086618U - 基模低发散角垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基模低发散角垂直腔面发射激光器。包括：衬底、外延叠层、绝缘层、电传播层、接触层、介质膜DBR层、P型接触电极、N型接触电极；外延叠层位于衬底上表面；接触层位于外延叠层上表面的中心区域，为长方形、菱形或椭圆形，横向宽度小于基膜直径；绝缘层包围接触层并覆盖在外延叠层上表面；电传播层覆盖在接触层与绝缘层的上表面，用于引导外加电流向接触层流入；介质膜DBR层部分覆盖于电传播层上方；P型接触电极在所述电传播层上表面形成环形结构，N型接触电极层叠于所述衬底背离所述外延叠层的一侧表面。优点在于：抑制高阶模式增益，实现VCSEL单横模、低发散角的输出特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基模低发散角垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器，简称(VCSEL)，它具有低阈值电流、圆形光斑、高调制带宽、单纵模激射、易于实现高密度二维阵列、制作成本较低等诸多优点，在许多领域中都具有广泛得应用，特别是在光纤通讯领域扮演着重要的角色。VCSEL由于横向宽度较大，器件通常为多横模激射，导致输出激光的相干性较差，并且发散角较大。
为了实现基模激射，常用的方法是通过制作小的电流注入或小的发光孔径来限制高阶横模，一般可采用湿氮氧化、质子轰击或掩埋异质结等方式。这些方法面临的问题是工艺一致性较差，例如氧化方式和质子轰击方式在大尺寸晶圆的外延工艺中，各VCSEL最终形成的孔径误差较大，影响器件的成品率。掩埋隧道结方式通过光刻的精度来控制孔径大小，一致性很高。但该方法涉及二次外延的生长工艺，工艺难度较大，影响器件的可靠性。同时，由于这些方法采用均采用电流从侧向流入孔径的注入方式，电流在孔径边缘存在堆积现象，整体的电流分布呈现边缘高中间低，导致高阶模式获得更高的模式增益，从而形成多模激射。如何通过使用可靠的、简单的结构、工艺等方式，使VCSEL具有基模、低发散角的输出特性，是本领域技术人员所要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型为解决上述问题，提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器及其制备方法。
本实用新型目的在于提供一种提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器，包括：衬底、外延叠层、绝缘层、电传播层、接触层、介质膜DBR层、P型接触电极、N型接触电极；
所述外延叠层位于所述衬底上表面；
所述接触层位于所述外延叠层上表面的中心区域，用于电流的注入；所述接触层设置为长方形、菱形或椭圆形，用于实现单偏振模式；
所述绝缘层包围所述接触层并覆盖在所述外延叠层上表面，用于对非注入的电流区形成电隔离；
所述电传播层覆盖在所述接触层与所述绝缘层的上表面，用于引导外加电流向所述接触层流入；
所述介质膜DBR层部分覆盖于所述电传播层上方；所述介质膜DBR层的反射率低于所述N型DBR层，使激光从所述介质膜DBR层出射；
所述P型接触电极在所述电传播层上表面形成环形结构，形成正极；所述N型接触电极层叠于所述衬底背离所述外延叠层的一侧表面，形成负极。
优选的，外延叠层包括N型DBR层、间隔层、多量子阱有源区；所述间隔层包括第一间隔层和第二间隔层；所述外延叠层由下至上依次紧密堆叠N型DBR层、第一间隔层、多量子阱有源区、第二间隔层；所述接触层和所述绝缘层均覆盖在所述第二间隔层上表面。
优选的，间隔层为晶格匹配的间隔层，用于调节腔长。
优选的，间隔层的带隙大于所述多量子阱有源区的带隙，形成对载流子的限制作用；所述间隔层的材料为AlxGa1-xAs。
优选的，N型DBR层为高低Al组分的AlxGa1-xAs半导体材料。
优选的，多量子阱有源区的材料为GaAs/AlxGa1-xAs。
优选的，绝缘层的材料为SiO2或Si3N4，厚度为300～500nm。
优选的，电传播层的材料为氧化铟砷薄膜。
优选的，介质膜DBR层为氧化物介质膜，按照高低折射率周期排布，每层厚度按照四分之一光学厚度生长；所述介质膜DBR层的材料包括Si、SiO2、HfO2和Al2O3中的两种；所述周期为8～9。
优选的，衬底为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。
本实用新型有益效果：
(1)相比于其它方案，通过本实用新型提供的基模低发散角垂直腔面发射激光器结构，使载流子注入更均匀，不仅仅是通过缩小载流子注入的区域面积来实现单模输出，也优化了载流子的分布，使孔径中心的浓度大于边缘浓度，从而达到抑制高阶模式增益，实现VCSEL单横模、低发散角的输出特性；
(2)解决了现有VCSEL多模输出，发散角大的问题，相比于现有的氧化孔径、质子轰击、隧道结等方法，本结构在制备时无需复杂、昂贵的氧化或轰击工艺设备，同时，减化了工艺步骤，并且工艺的精度高，一致性高。
附图说明
图1是本实用新型第一种实施例提供的基模低发散角垂直腔面发射激光器结构示意图。
附图标记：
1、衬底；2、N型DBR层；3、间隔层；4、多量子阱有源区；5、绝缘层；6、电传播层；7、接触层；8、介质膜DBR层；9、P型接触电极；10、N型接触电极；301、第一间隔层；302、第二间隔层。
具体实施方式
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。
本发明提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器，包括：衬底1、外延叠层、绝缘层5、电传播层6、接触层7、介质膜DBR层8、P型接触电极9、N型接触电极10；
所述外延叠层位于衬底1上表面，包括N型DBR层2、间隔层3、多量子阱有源区4；间隔层3包括第一间隔层301和第二间隔层302；所述外延叠层由下至上依次紧密堆叠N型DBR层2、第一间隔层301、多量子阱有源区4、第二间隔层302；
接触层7位于第二间隔层302上表面的中心区域，作为电极窗口用于电流的注入；
绝缘层5包围接触层7并覆盖在第二间隔层302上表面，用于对非注入的电流区形成电隔离；
电传播层6覆盖在接触层7与绝缘层5的上表面，用于引导外加电流向接触层7流入；
台型的介质膜DBR层8部分覆盖于电传播层6上方，用于提供高反射率，使激光从介质膜DBR层8出射；
P型接触电极9在电传播层6上表面形成环形结构，形成正极；
N型接触电极10层叠于衬底1背离N型DBR层2的一侧表面，形成负极。
衬底1为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，包括GaAs、InP或GaSb；
N型DBR层2为高低折射率半导体材料交替生长的多周期结构，每层厚度按照四分之一光学厚度生长；在具体的实施例中，所述高低折射率半导体材料为高低Al组分的AlxGa1-xAs半导体材料，典型的高Al组分x＝0.9，低Al组分x＝0.1，典型的周期数约为32个周期，每层厚度按照四分之一材料的光学厚度生长，反射率＞99.5％；
间隔层3为晶格匹配的间隔层，用于调节腔长；通过计算间隔层折射率与物理厚度的乘积，设计调节VCSEL的腔长使其满足半波长的整数倍，达到驻波谐振条件；间隔层3的带隙大于多量子阱有源区4的带隙，形成对载流子的限制作用；在具体的实施例中，间隔层3是材料为AlxGa1-xAs，x＝0.3～0.4；
多量子阱有源区4为多量子阱结构组成的有源区结构，用来产生形成激光所需要的光增益；多量子阱有源区4为GaAs/AlxGa1-xAs，x＝0.2～0.3，通过调整阱的厚度或势垒Al组分，可以调解有源区的发光波段覆盖850nm；
绝缘层5的材料为SiO2或Si3N4，厚度为300～500nm；
电传播层6为ITO(氧化铟砷)薄膜；
接触层7为P型高掺杂的半导体接触层，用于与N型DBR层2形成PN结，它的尺寸影响最终流经多量子阱有源区4的载流子面积；接触层7等效于传统VCSEL的氧化孔径、质子轰击等结构的作用，并且它的尺寸也决定VCSEL是否可以实现基模激射；接触层7为长方形、菱形或椭圆形(非正方形或圆形的常规形状)，横向宽度小于基膜直径，用于实现单偏振模式；在具体的实施例中，接触层横向宽度≤4μm；在具体的实施例中，接触层7为P型高掺杂的GaAs，通过调节间隔层3、接触层7的厚度控制VCSEL的腔纵模位置，实现850nm的波长输出；
介质膜DBR层8为氧化物介质膜，按照高低折射率周期排布，每层厚度按照四分之一光学厚度生长，材料包括Si、SiO2、HfO2、Al2O3等，介质膜DBR层8的反射率比N型DBR层2低，使激光从介质膜DBR层8出射；在具体的实施例中，介质膜DBR层8通过交替生长Si和SiO2来实现，每层厚度为四分之一材料的光学厚度，典型周期约为8～9；
在具体实施例中，P型接触电极9为Ti/Pt/Au的三层结构；
在具体实施例中，N型接触电极10为Au-Ge/Ni/Au结构。
上述基模低发散角垂直腔面发射激光器的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、在衬底1上交替外延生长N型DBR层2；N型DBR层2为具有高低Al组分的AlxGa1- xAs半导体材料，高Al组分x＝0.9，低Al组分x＝0.1，周期数为32个周期，每层厚度按照四分之一材料的光学厚度生长，反射率＞99.5％；
S2、外延生长第一间隔层301；
S3、继续外延生长多量子阱有源区4；850nm典型的量子阱结构搭配为GaAs/AlxGa1-xAs，x＝0.2，通过调整阱的厚度或势垒Al组分，可以调解有源区的发光波段覆盖850nm；
S4、继续生长第二间隔层302，在第二间隔层302上表面生长P型高掺杂的GaAs；
S5、在P型高掺杂的GaAs上表面涂胶、光刻、显影，形成接触层7结构图形的掩模图案；用ICP刻蚀设备对P型高掺杂的GaAs进行干法刻蚀，直至暴露第二间隔层302表面，得到接触层7；
S6、在样品表面沉积SiO2或Si3N4绝缘层；二次光刻，再次经过匀胶、光刻、显影步骤后暴露出接触层7上方的SiO2或Si3N4绝缘层状结构，将暴露的SiO2或Si3N4绝缘层状结构刻蚀掉，得到绝缘层5；
S7、在样品表面磁控溅射ITO薄膜，得到电传播层6；旋涂负性光刻胶，再将样品进行第三次光刻，制作电极图形；对光刻显影后的样品使用电子束蒸发设备蒸镀P型金属，典型的P型电极结构为Ti/Pt/Au的三层结构；将蒸镀完成后的样品放置在丙酮溶液中进行Lift-off剥离工艺，形成最终的P型接触电极9；
S8、在电传播层6上旋涂负性光刻胶，再将样品进行第四次光刻，对光刻、显影后的样品使用电子束蒸发设备交替生长沉积氧化物介质膜，将蒸镀好的样品在丙酮溶液中进行Lift-off剥离工艺，去除不需要的部分，得到介质膜DBR层8；
S9、将衬底1进行减薄抛光，然后采用电子束蒸发蒸镀N型接触电极10，材料为Au-Ge/Ni/Au结构。
优选的，步骤S1采用金属有机化合物化学气相淀积法MOCVD完成所述的交替外延生长。
优选的，步骤S5所述的干法刻蚀气体为Cl2/BCl3Ar混合气体。
优选的，步骤S6所述的刻蚀气体为CF4。
上述制备方法为本发明的VCSEL结构的全部工艺流程，工艺过程简单，均为半导体的常规工艺，可靠性和重复性都可以得到很好的保证。
实施例1
本实施例提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器(如图1所示)，包括：衬底1、N型DBR层2、间隔层3、多量子阱有源区4、绝缘层5、电传播层6、接触层7、介质膜DBR层8、P型接触电极9、N型接触电极10；间隔层3包括第一间隔层301和第二间隔层302；
衬底1、N型DBR层2、第一间隔层301、多量子阱有源区4、第二间隔层302由下至上依次紧密堆叠；衬底1为GaAs半导体材料；N型DBR层2为高低Al组分的AlxGa1-xAs半导体材料，高Al组分x＝0.9，低Al组分x＝0.1，周期数为32个周期，每层厚度按照四分之一材料的光学厚度生长，反射率＞99.5％；间隔层3的材料为Al0.3Ga0.7As；多量子阱有源区4为GaAs/Al0.2Ga0.8As，通过调整阱的厚度或势垒Al组分，可以调解有源区的发光波段覆盖850nm；
接触层7位于第二间隔层302上表面的中心区域，作为电极窗口用于电流的注入；接触层7为长方形，横向宽度4μm，材料为P型高掺杂的GaAs；
绝缘层5包围接触层7并覆盖在第二间隔层302上表面，用于对非注入的电流区形成电隔离；绝缘层5的材料为SiO2，厚度为500nm；
电传播层6覆盖在接触层7与绝缘层5的上表面，用于引导外加电流向接触层7流入；
台型的介质膜DBR层8部分覆盖于电传播层6上方，用于提供高反射率，使激光从介质膜DBR层8出射；介质膜DBR层8材料是由Si和SiO2交替生长9个周期得到的；
P型接触电极9在电传播层6上表面形成环形结构，形成正极；P型接触电极9为Ti/Pt/Au的三层结构；
N型接触电极10层叠于衬底1背离N型DBR层2的一侧表面，形成负极；N型接触电极10为Au-Ge/Ni/Au结构。
实施例2
本实施例提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器，其结构与实施例1基本相同，其中不同的部分如下：
衬底1为InP半导体材料；
间隔层3是材料为Al0.4Ga0.6As；
多量子阱有源区4为GaAs/Al0.3Ga0.7As；
绝缘层5的材料为SiO2，厚度为300nm；
接触层7为椭圆形，横向宽度为2μm。
实施例3
本实施例提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器，其结构与实施例1基本相同，其中不同的部分如下：
间隔层3是材料为Al0.4Ga0.6As；
绝缘层5的材料为Si3N4，厚度为500nm；
接触层7为菱形，横向宽度为1μm。
实施例4
本实施例提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器的制备方法，具体包括如下步骤：
S1、采用金属有机化合物化学气相淀积法MOCVD在衬底1上交替外延生长N型DBR层2；衬底1为N型的GaAs衬底；N型DBR层2为具有高低Al组分的AlxGa1-xAs半导体材料，高Al组分x＝0.9，低Al组分x＝0.1，周期数为32个周期，每层厚度按照四分之一材料的光学厚度生长，反射率＞99.5％；
S2、外延生长第一间隔层301；
S3、继续外延生长多量子阱有源区4；850nm典型的量子阱结构搭配为GaAs/AlxGa1-xAs，x＝0.2，通过调整阱的厚度或势垒Al组分，可以调解有源区的发光波段覆盖850nm；
S4、继续生长第二间隔层302，在第二间隔层302上表面生长P型高掺杂的GaAs；
S5、在P型高掺杂的GaAs上表面涂胶、光刻、显影，形成接触层7结构图形的掩模图案；用ICP刻蚀设备对P型高掺杂的GaAs进行干法刻蚀，直至暴露第二间隔层302表面，得到接触层7；刻蚀时可选用的典型的GaAs刻蚀气体Cl2/BCl3Ar来实现；由于载流子的横向扩散，当注入的载流子流经到多量子阱有源区4时，实际的宽度要比接触层7宽度略大；设计接触层7为长方形，横向宽度为1μm；
S6、采用PECVD设备在样品表面沉积SiO2绝缘层状结构，厚度为500nm；二次光刻，再次经过匀胶、光刻、显影步骤后暴露出接触层7上方的SiO2绝缘层状结构，用RIE设备将暴露的SiO2绝缘层状结构刻蚀掉，所述的SiO2刻蚀气体为CF4，得到绝缘层5，完成开电极窗口工艺，使得接触层7表面可以进行电流的注入；
S7、在样品表面磁控溅射ITO薄膜，得到电传播层6；旋涂负性光刻胶，再将样品进行第三次光刻，制作电极图形；对光刻显影后的样品使用电子束蒸发设备蒸镀P型金属，典型的P型电极结构为Ti/Pt/Au的三层结构；将蒸镀完成后的样品放置在丙酮溶液中进行Lift-off剥离工艺，形成最终的P型接触电极9；当外部正极连接P型接触电极9后，载流子经过P型接触电极9进入到电传播层6，然后流经电传播层6至接触层7，形成电流的特定区域注入；
S8、在电传播层6上旋涂负性光刻胶，再将样品进行第四次光刻，对光刻、显影后的样品使用电子束蒸发设备沉积氧化物介质膜，交替生长Si和SiO2，每层厚度为四分之一材料的光学厚度，周期为8；将蒸镀好的样品在丙酮溶液中进行Lift-off剥离工艺，去除不需要的部分；得到介质膜DBR层8；
S9、将衬底1进行减薄抛光，然后采用电子束蒸发蒸镀N型接触电极10，材料为Au-Ge/Ni/Au结构。
上述制备方法为本发明的VCSEL结构的全部工艺流程，工艺过程简单，均为半导体的常规工艺，可靠性和重复性都可以得到很好的保证。
实施例5
本实施例提供一种基模低发散角垂直腔面发射激光器的制备方法，其中步骤S6采用PECVD设备在样品表面沉积Si3N4绝缘层状结构，厚度为500nm；步骤S7使用磁控溅射设备蒸镀P型金属；其余步骤与实施例4相同。
本发明提出的具有内腔ITO薄膜的VCSEL结构，使VCSEL具有单横模、低发散角的输出特性；并且由于不需要湿法氧化、质子轰击等电流限制工艺，该结构制作工艺简单，可靠性高。同时，由于本发明优化了载流子浓度的分布，使中心高两边低，避免了载流子在孔径边缘的堆积现象，进一步抑制高阶模式的激射。该方式相比于传统的单模VCSEL，降低了对孔径横向尺寸的苛刻要求，也在一定程度上降低了器件的串联电阻。本发明采用内腔接触的电极注入方式，也同样减小了器件的串联电阻，对提升VCSEL的效率有一定帮助。
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做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 (9)
1.基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：衬底、外延叠层、绝缘层、电传播层、接触层、介质膜DBR层、P型接触电极、N型接触电极；
所述外延叠层位于所述衬底上表面，包括N型DBR层、间隔层、多量子阱有源区；所述间隔层包括第一间隔层和第二间隔层；所述外延叠层由下至上依次紧密堆叠N型DBR层、第一间隔层、多量子阱有源区、第二间隔层；所述接触层和所述绝缘层均覆盖在所述第二间隔层上表面；
所述接触层位于所述外延叠层上表面的中心区域，用于电流的注入；所述接触层设置为长方形、菱形或椭圆形，用于实现单偏振模式；
所述绝缘层包围所述接触层并覆盖在所述外延叠层上表面，用于对非注入的电流区形成电隔离；
所述电传播层覆盖在所述接触层与所述绝缘层的上表面，用于引导外加电流向所述接触层流入；
所述介质膜DBR层部分覆盖于所述电传播层上方；所述介质膜DBR层的反射率低于所述N型DBR层，使激光从所述介质膜DBR层出射；
所述P型接触电极在所述电传播层上表面形成环形结构，形成正极；所述N型接触电极层叠于所述衬底背离所述外延叠层的一侧表面，形成负极。
2.根据权利要求1所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述间隔层为晶格匹配的间隔层，用于调节腔长。
3.根据权利要求2所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述间隔层的带隙大于所述多量子阱有源区的带隙，形成对载流子的限制作用；所述间隔层的材料为AlxGa1-xAs。
4.根据权利要求3所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述N型DBR层为高低Al组分的AlxGa1-xAs半导体材料。
5.根据权利要求4所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述多量子阱有源区的材料为GaAs/AlxGa1-xAs。
6.根据权利要求5所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述绝缘层的材料为SiO2或Si3N4，厚度为300～500nm。
7.根据权利要求6所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述电传播层的材料为氧化铟砷薄膜。
8.根据权利要求7所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述介质膜DBR层为氧化物介质膜，按照高低折射率周期排布，每层厚度按照四分之一光学厚度生长。
9.根据权利要求8所述的基模低发散角垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。
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