CN220253752U - 垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种垂直腔面发射激光器，包括：GaAs衬底；第一DBR层，形成于GaAs衬底上；氧化层，形成于第一DBR层上；晶格渐变层，形成于氧化层上；包覆层，形成于晶格渐变层上，包覆层包括堆叠设置的第一包覆层和第二包覆层；增益层，形成于第一包覆层和第二包覆层之间；以及第二DBR层，形成于包覆层上；其中，晶格渐变层在其厚度方向具有不同的晶格常数，且晶格渐变层靠近GaAs衬底一侧的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数相匹配，所述晶格渐变层靠近所述增益层一侧的晶格常数与所述增益层的晶格常数相匹配。本实用新型的垂直腔面发射激光器，其能够灵活拓展激射波长至1500nm以上。
Description
技术领域
本实用新型是关于半导体光电技术领域，特别是关于一种垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体激光器，具有阈值电流低与易集成的优点，主要应用于人脸识别、3D传感以及短距离光通讯等领域。目前成熟的VCSEL主要基于GaAs材料体系，可以产生800-1000nm的激光。InP基材料体系可以用于产生1300nm以上的激光，主要以边发射激光器的结构用于长距离光通讯。与InP衬底晶格匹配的InP/InGaAsP长波长DBR的折射率差较低(<0.3)，需要更多的周期数才能实现高反射率。另外，InP基材料体系缺乏成熟稳定的氧化孔工艺，使得1300nm以上的VCSEL工艺复杂，需要借助多次外延以及掩埋结构、键合工艺等进行制作。因此，1300nm以上的长波长VCSEL一直未能大规模应用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器，其能够灵活拓展激射波长至1500nm以上。
为实现上述目的，本实用新型的实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：GaAs衬底；第一DBR层，形成于所述GaAs衬底上；氧化层，形成于所述第一DBR层上；晶格渐变层，形成于所述氧化层上；包覆层，形成于所述晶格渐变层上，所述包覆层包括堆叠设置的第一包覆层和第二包覆层；增益层，形成于所述第一包覆层和所述第二包覆层之间；以及第二DBR层，形成于所述包覆层上；其中，所述晶格渐变层在其厚度方向具有不同的晶格常数，且所述晶格渐变层靠近所述GaAs衬底一侧的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数相匹配，所述晶格渐变层靠近所述增益层一侧的晶格常数与所述增益层的晶格常数相匹配。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述GaAs衬底为p型掺杂的GaAs衬底。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述晶格渐变层的材料选自组分可调的化合物半导体薄膜材料，通过调节所述化合物半导体薄膜材料的组分，改变所述晶格渐变层在自身厚度方向的晶格常数。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述化合物半导体薄膜材料选自InxGa1-xAs、GaAsxSb1-x、GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs、GaxAl1-xAsySb1-y、GaxIn1-xAsySb1-y。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述晶格渐变层的厚度D1满足：D1*N1＝m*λ/4，其中，N1为晶格渐变层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述晶格渐变层为p型掺杂的晶格渐变层。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述第一DBR层为p型掺杂布拉格反射镜层，所述第一DBR层的材料选自化合物半导体材料，所述化合物半导体材料选自GaAs或AlxGa1-xAs，其中，所述AlxGa1-xAs的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数相匹配。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述第二DBR层为介质薄膜构成的电介质布拉格反射镜层，所述第二DBR层的材料选自SiO2、Si3N4或Si。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述布拉格反射镜层为多层结构，各层的层厚D2满足：D2*N2＝λ/4，其中，N2为各层的光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述氧化层至少包括一层AlGaAs层或一层AlAs层，其中，所述AlGaAs层的Al组分高于95％。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述氧化层还包括一层Al组分低于90％的AlxGa1-xAs层或GaAs层。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述氧化层的总厚度D3满足：D3*N3＝λ/4，其中，N3为氧化层的平均光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述氧化层中形成有氧化孔。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述第一包覆层和所述第二包覆层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。
其中，所述GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数与所述InP的晶格常数相匹配；或者，所述GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数与所述InP的晶格常数的失配度小于1％”。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述增益层包括堆叠设置的多组量子阱层，相邻所述量子阱层之间形成有隔离层，所述隔离层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，每组所述量子阱层包括多个堆叠设置的量子阱单元，每个所述量子阱单元分别包括浸润层，排设于所述浸润层上的多个量子点单元或多个量子短线以及覆盖所述多个量子点单元或所述多个量子短线的盖层。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述量子点单元或所述量子短线的材料选自InAs、GaSb、InSb、InAsxSb1-x或GaxIn1-xAsySb1-y；所述浸润层的材料选自InP或GaxIn1- xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs，所述盖层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。
其中，所述GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数与所述InP的晶格常数相匹配；或者，所述GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数与所述InP的晶格常数的失配度小于1％”。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述增益层的总厚度D4满足：D4*N4＝m*λ/4，其中，N4为增益层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述垂直腔面发射激光器还包括形成于所述包覆层上的接触层，所述接触层的材料选自InP或GaxIn1-xAs，所述接触层的掺杂浓度5E18～1E19cm-3。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述接触层上形成有第一电极，所述第一电极包括单层或多层金属，所述第一电极的材料选自AuGe、AuGe/Ni或AuGe/Ni/Au。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，所述GaAs衬底上形成有第二电极，所述第二电极包括单层或多层金属，所述第二电极的材料选自Au/Zn/Au或Ti/Pt/Au。
本实用新型一实施例还提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括：提供GaAs衬底；在所述GaAs衬底上依次生长第一DBR层和氧化层；在所述氧化层上生长晶格渐变层，所述晶格渐变层的材料选自组分可调的化合物半导体薄膜材料，通过在所述晶格渐变层的生长过程中调节所述化合物半导体薄膜材料的组分，改变所述晶格渐变层在自身厚度方向的晶格常数，使所述晶格渐变层靠近所述GaAs衬底一侧的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数相匹配，远离所述GaAs衬底一侧的晶格常数与所要生长的增益层的晶格常数相匹配；在所述晶格渐变层上依次生长第一包覆层、增益层以及第二包覆层；在所述第二包覆层上沉积第二DBR层。在本实用新型的一个或多个实施方式中，在生长第二DBR层之前，还包括，在所述第二包覆层上生长接触层，所述第二DBR层沉积于所述接触层上。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，还包括在所述接触层上形成第一电极以及在所述GaAs衬底上形成第二电极的步骤。
在本实用新型的一个或多个实施方式中，在形成所述第一电极和所述第二电极之前，还包括刻蚀所述第二DBR层以形成台结构，并对所述氧化层进行氧化以形成氧化孔的步骤。
与现有技术相比，本实用新型实施方式的垂直腔面发射激光器及其制作方法，利用晶格渐变层以及对缺陷不敏感的增益层，可以灵活拓展激射波长至1500nm以上。
本实用新型实施方式的垂直腔面发射激光器及其制作方法，利用成熟的高反射率DBR以及高Al层氧化孔光电限制工艺(基于GaAs衬底)，通过晶格渐变的方法生长可激射长波长的增益层，增益层由对外延缺陷不敏感的量子点(quantumdots)或量子短线(quantumdashes)等低维结构构成，由此可获得外延与器件工艺简单且低成本的长波长VCSEL器件。
本实用新型实施方式的垂直腔面发射激光器及其制作方法，增益层由量子点或量子短线等低维结构构成，具有低自发辐射噪声和低阈值电流的特性，有望实现单光子发射。
附图说明
图1是根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器的纵向截面结构示意图；
图2是根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器的增益层的示意图；
图3是根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器的外延谐振腔形成的1640nm附近的光学吸收谱波谷；
图4是根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器的外延谐振腔对应的折射率分布及1640nm波长的光学驻波电场分布；
图5是根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器的制作方法的流程图；
图6a～图6e是根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器的制作方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如背景技术所言，现有的成熟的VCSEL主要基于GaAs材料体系和InP基材料体系两类。GaAs材料体系可以产生800-1000nm的激光；InP基材料体系可以用于产生1300nm以上的激光，主要以边发射激光器的结构用于长距离光通讯。然而，与InP衬底晶格匹配的InP/InGaAsP长波长DBR的折射率差较低(<0.3)，需要更多的周期数才能实现高反射率。另外，InP基材料体系缺乏成熟稳定的氧化孔工艺，使得1300nm以上的VCSEL工艺复杂，需要借助多次外延以及掩埋结构、键合工艺等进行制作。基于此，1300nm以上的长波长VCSEL一直未能大规模应用。
本实用新型为此提出了一种垂直腔面发射激光器，将GaAs材料体系和InP基材料体系相结合，利用GaAs材料体系内成熟的高反射率DBR以及高Al层氧化孔光电限制工艺，通过晶格渐变的方法生长InP基材料体系内可激射长波长的增益层，由此获得外延与器件工艺简单且低成本的长波长VCSEL器件。
如图1所示，根据本实用新型一实施方式的垂直腔面发射激光器，包括GaAs衬底10；形成于GaAs衬底10上的第一DBR层20；形成于第一DBR层上的氧化层30；形成于氧化层30上的晶格渐变层40；形成于晶格渐变层40上的包覆层，包覆层包括堆叠设置的第一包覆层51和第二包覆层52；形成于第一包覆层51和第二包覆层52之间的增益层60；形成于包覆层上的接触层70；以及形成于包覆层和接触层70上的第二DBR层80。其中，晶格渐变层40在其厚度方向具有不同的晶格常数，且晶格渐变层40靠近GaAs衬底10一侧的晶格常数与GaAs衬底10的晶格常数相匹配，晶格渐变层40靠近增益层60一侧的晶格常数与增益层60的晶格常数相匹配。
GaAs衬底10优选的可以为p型掺杂的带有偏向角度的GaAs(001)衬底。示例性的，可以采用p型GaAs(001)偏(110)6°衬底。
第一DBR层20和第二DBR层80是由两种不同折射率的光学介质材料周期交替的层状结构，对工作波段内光具有较高的反射率。
在本实施例中，第一DBR层20为p型掺杂布拉格反射镜层，第一DBR层20的材料选自化合物半导体材料，化合物半导体材料选自GaAs或AlxGa1-xAs，其中，AlxGa1-xAs的晶格常数与GaAs衬底10的晶格常数相匹配。布拉格反射镜层为多层结构，各层的层厚D2满足：D2*N2＝λ/4，其中，N2为各层的光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，第一DBR层20可以为25周期p型掺杂浓度为1E19cm-3的121nm-Al0.12Ga0.88As/136nm-Al0.90Ga0.10As。第二DBR层80为介质薄膜构成的电介质布拉格反射镜层，第二DBR层80的材料选自SiO2、Si3N4或Si。布拉格反射镜层同样为多层结构，各层的层厚D2满足：D2*N2＝λ/4，其中，N2为各层的光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，第二DBR层80可以为15周期的非掺杂275nm-SiO2/210nm-Si3N4，但不限于此，在本实用新型其它实施例中第一DBR层20和第二DBR层80也可采用其它半导体光学材料，也都在本实用新型保护范围内。
在本实施例中，氧化层30可以为p型掺杂的氧化层。氧化层30至少包括一层AlGaAs层或一层纯AlAs层，其中，所述AlGaAs层的Al组分高于95％。氧化层30还包括一层Al组分低于90％的AlxGa1-xAs层或GaAs层。氧化层30的总厚度D3满足：D3*N3＝λ/4，其中，N3为氧化层的平均光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。氧化层30中部分未被氧化的区域形成氧化孔31。高Al层部分氧化形成氧化物后与未氧化部分构成径向光学波导结构并实现电流注入限制。示例性的，氧化层30可以为p型掺杂3E18cm-3的50nm的Al0.98Ga0.02As与p型掺杂5E18cm-3的80nm的Al0.30Ga0.70As。
晶格渐变层40由组分可调的化合物半导体薄膜材料构成，通过调节化合物半导体薄膜材料的组分，改变晶格渐变层40在自身厚度方向的晶格常数，使晶格渐变层40靠近GaAs衬底10一侧的晶格常数与GaAs衬底10的晶格常数相匹配，晶格渐变层40靠近增益层60一侧的晶格常数与增益层60的晶格常数相匹配。可以理解的是，通过调节化合物半导体薄膜材料的组分，可以使晶格渐变层40的晶格常数由GaAs衬底10至增益层60方向上呈线性变化。
在本实施例中，晶格渐变层40同样为p型掺杂的晶格渐变层。晶格渐变层40中化合物半导体薄膜材料选自三元材料InxGa1-xAs、GaAsxSb1-x或者四元材料GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs、GaxAl1-xAsySb1-y、GaxIn1-xAsySb1-y。晶格渐变层40的厚度D1满足：D1*N1＝m*λ/4，其中，N1为晶格渐变层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，晶格渐变层40可以为In组分从0至53％渐变的p型掺杂3E18cm-3的148nm-InGaAs晶格渐变层。
参考图2所示，增益层60可以由多组多层的量子点单元或量子短线构成。在本实施例中，增益层60包括堆叠设置的多组量子阱层61，相邻量子阱层61之间形成有隔离层62。隔离层62的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。每组量子阱层61包括多个堆叠设置的量子阱单元，每个量子阱单元分别包括浸润层611，排设于浸润层611上的多个量子点单元或多个量子短线612以及覆盖多个量子点单元或多个量子短线612的盖层613。量子点单元或量子短线612的材料选自InAs、GaSb、InSb、InAsxSb1-x或GaxIn1-xAsySb1-y。浸润层611的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。盖层613的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。需要说明的是，晶格渐变层40优选的，其靠近增益层60一侧的晶格常数与隔离层62的晶格常数相匹配。
增益层60的总厚度D4满足：D4*N4＝m*λ/4，其中，N4为增益层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，增益层包含3组InAs多量子点层，每组多量子点层包含6周期1nm-InAs/15nm-Ga0.23In0.77As0.5P0.5，每组量子点之间生长130nm-InP隔离层。
在本实施例中，第一包覆层51和第二包覆层52的晶格常数与增益层60匹配，优选的，跟增益层60中的隔离层62匹配。在一优选的具体实施例中，若增益层60的材料选自InP，则第一包覆层51和第二包覆层52的材料可选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs，且其中的GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数与InP的晶格常数相匹配。在其他具体实施例中，GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数也可以与InP的晶格常数的失配度小于1％。示例性的，第一包覆层51和第二包覆层52可以均为65nm-InP。
在本实施例中，接触层70可以为n型掺杂的接触层。接触层70的材料选自InP或与InP晶格匹配的三元材料GaxIn1-xAs，接触层70的掺杂浓度5E18～1E19cm-3。示例性的，接触层70可以为n型掺杂5E18cm-3的接触层118nm-In0.53Ga0.47As。
参考图3和图4所示，GaAs衬底10上的各外延层构成一个光学谐振腔，谐振腔在光学反射谱的激光波长附近产生一个光学反射率的波谷，形成激光的光波在谐振腔内形成光学驻波，增益层60需要位于驻波强度最高的波腹位置，增益层60为多层时多个最大波腹强度需一致，氧化层30中的高Al层需位于紧邻晶格渐变层40的波节位置。
接触层70上形成有第一电极91，第一电极91包括单层或多层金属，金属与接触层70形成欧姆接触。第一电极91为n型电极，材料选自AuGe、AuGe/Ni或AuGe/Ni/Au。
GaAs衬底10上形成有第二电极92，第二电极92包括单层或多层金属，第二电极为p型电极，材料选自Au/Zn/Au或Ti/Pt/Au。
参考图5所示，本实用新型还提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括：
S1，提供GaAs衬底10；
S2，在GaAs衬底10上依次生长第一DBR层20和氧化层30；
S3，在氧化层30上生长晶格渐变层40，晶格渐变层40的材料选自组分可调的化合物半导体薄膜材料，通过在晶格渐变层40的生长过程中调节化合物半导体薄膜材料的组分，改变晶格渐变层40在自身厚度方向的晶格常数，使晶格渐变层40靠近GaAs衬底10一侧的晶格常数与GaAs衬底40的晶格常数相匹配，远离GaAs衬底40一侧的晶格常数与所要生长的增益层60的晶格常数相匹配；
S4，在晶格渐变层40上依次生长第一包覆层51、增益层60以及第二包覆层52；
S5，在第二包覆层52上生长接触层70；
S6，在接触层70上沉积第二DBR层80；
S7，在接触层70上形成第一电极91以及在GaAs衬底10上形成第二电极92。
图6a-图6e为本实用新型一实施方式中的垂直腔面发射激光器的制作方法的步骤示意图。下面结合垂直腔面发射激光器的制作方法的步骤示意图，对本实用新型的垂直腔面发射激光器的制作方法进行详细阐述。
如图6a所示，提供GaAs衬底10，在GaAs衬底10上依次生长第一DBR层20和氧化层30。
其中，GaAs衬底10优选的可以为p型掺杂的带有偏向角度的GaAs(001)衬底。示例性的，可以采用p型GaAs(001)偏(110)6°衬底。
第一DBR层20是由两种不同折射率的光学介质材料周期交替的层状结构，对工作波段内光具有较高的反射率。第一DBR层20为p型掺杂布拉格反射镜层，第一DBR层20的材料选自化合物半导体材料，化合物半导体材料选自GaAs或AlxGa1-xAs，其中，AlxGa1-xAs的晶格常数与GaAs衬底10的晶格常数相匹配。布拉格反射镜层为多层结构，各层的层厚D2满足：D2*N2＝λ/4，其中，N2为各层的光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，第一DBR层20可以为25周期p型掺杂浓度为1E19cm-3的121nm-Al0.12Ga0.88As/136nm-Al0.90Ga0.10As。
氧化层30可以为p型掺杂的氧化层。氧化层30至少包括一层AlGaAs层或一层纯AlAs层，其中，所述AlGaAs层的Al组分高于95％。氧化层30还包括一层Al组分低于90％的AlxGa1-xAs层或GaAs层。氧化层30的总厚度D3满足：D3*N3＝λ/4，其中，N3为氧化层的平均光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。氧化层30中部分未被氧化的区域形成氧化孔31。高Al层部分氧化形成氧化物后与未氧化部分构成径向光学波导结构并实现电流注入限制。示例性的，氧化层30可以为p型掺杂3E18cm-3的50nm的Al0.98Ga0.02As与p型掺杂5E18cm-3的80nm的Al0.30Ga0.70As。
如图6b所示，在氧化层30上生长晶格渐变层40，晶格渐变层40的材料选自组分可调的化合物半导体薄膜材料，通过在晶格渐变层40的生长过程中调节化合物半导体薄膜材料的组分，改变晶格渐变层40在自身厚度方向的晶格常数，使晶格渐变层40靠近GaAs衬底10一侧的晶格常数与GaAs衬底40的晶格常数相匹配，远离GaAs衬底40一侧的晶格常数与所要生长的增益层60的晶格常数相匹配。
可以理解的是，通过调节化合物半导体薄膜材料的组分，可以使晶格渐变层40的晶格常数由GaAs衬底10至增益层60方向上呈线性变化。晶格渐变层40同样为p型掺杂的晶格渐变层。晶格渐变层40中化合物半导体薄膜材料选自三元材料InxGa1-xAs、GaAsxSb1-x或者四元材料GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs、GaxAl1-xAsySb1-y、GaxIn1-xAsySb1-y。晶格渐变层40的厚度D1满足：D1*N1＝m*λ/4，其中，N1为晶格渐变层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，晶格渐变层40可以为In组分从0至53％渐变的p型掺杂3E18cm-3的148nm-InGaAs晶格渐变层。
如图6c所示，在晶格渐变层40上依次生长第一包覆层51、增益层60以及第二包覆层52；在第二包覆层52上生长接触层70；在接触层70上沉积第二DBR层80。
其中，第一包覆层51和第二包覆层52的晶格常数与增益层60匹配。当增益层60的材料选自InP，则第一包覆层51和第二包覆层52的材料可选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs，且其中的GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数与InP的晶格常数相匹配。在其他具体实施例中，GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs的晶格常数也可以与InP的晶格常数的失配度小于1％即可。示例性的，第一包覆层51和第二包覆层52可以均为65nm-InP。
增益层60可以由多组多层的量子点单元或量子短线构成。在本实施例中，增益层60包括堆叠设置的多组量子阱层61，相邻量子阱层61之间形成有隔离层62。隔离层62的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。每组量子阱层包括多个堆叠设置的量子阱单元，每个量子阱单元分别包括浸润层611，排设于浸润层611上的多个量子点单元或多个量子短线612以及覆盖多个量子点单元或多个量子短线612的盖层613。量子点单元或量子短线612的材料选自InAs、GaSb、InSb、InAsxSb1-x或GaxIn1-xAsySb1-y。浸润层611的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。盖层613的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x- yAs。需要说明的是，隔离层62的厚度在增益层60的各个层结构中是最大的，晶格渐变层40优选的，其靠近增益层60一侧的晶格常数与隔离层62的晶格常数相匹配。增益层60的总厚度D4满足：D4*N4＝m*λ/4，其中，N4为增益层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，增益层包含3组InAs多量子点层，每组多量子点层包含6周期1nm-InAs/15nm-Ga0.23In0.77As0.5P0.5，每组量子点之间生长130nm-InP隔离层。
接触层70可以为n型掺杂的接触层。接触层70的材料选自InP或与InP晶格匹配的三元材料GaxIn1-xAs，接触层70的掺杂浓度5E18～1E19cm-3。示例性的，接触层70可以为n型掺杂5E18cm-3的接触层118nm-In0.53Ga0.47As。
第二DBR层80是由两种不同折射率的光学介质材料周期交替的层状结构，对工作波段内光具有较高的反射率。第二DBR层80为介质薄膜构成的电介质布拉格反射镜层，第二DBR层80的材料选自SiO2、Si3N4或Si。布拉格反射镜层同样为多层结构，各层的层厚D2满足：D2*N2＝λ/4，其中，N2为各层的光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。示例性的，第二DBR层80可以为15周期的非掺杂275nm-SiO2/210nm-Si3N4。
如图6d所示，刻蚀第二DBR层80以形成台结构，并对氧化层30进行氧化以形成氧化孔31。
如图6e所示，在台结构外侧的接触层70上形成第一电极91以及在GaAs衬底10上形成第二电极92。
其中，第一电极91包括单层或多层金属，金属与接触层70形成欧姆接触。第一电极91为n型电极，材料选自AuGe、AuGe/Ni或AuGe/Ni/Au。第二电极92包括单层或多层金属，第二电极为p型电极，材料选自Au/Zn/Au或Ti/Pt/Au。
下面通过一具体实施例介绍本实用新型的垂直腔面发射激光器及其制作方法。
在p型GaAs(001)偏(110)6°衬底上采用MOCVD生长25周期p型掺杂浓度为1E19cm-3的121nm-Al0.12Ga0.88As/136nm-Al0.90Ga0.10As第一DBR层，在第一DBR层上生长p型掺杂3E18cm-3的50nm的Al0.98Ga0.02As与p型掺杂5E18cm-3的80nm的Al0.30Ga0.70As作为氧化层，在氧化层上生长In组分从0至53％渐变的p型掺杂3E18cm-3的148nm-InGaAs晶格渐变层，在晶格渐变层上生长65nm-InP的第一包覆层、增益层以及65nm-InP的第二包覆层，其中增益层包含3组InAs多量子点层，每组多量子点层包含6周期1nm-InAs/15nm-Ga0.23In0.77As0.5P0.5，每组量子点之间生长130nm的InP隔离层，在第二包覆层之上生长n型掺杂5E18cm-3的接触层118nm-In0.53Ga0.47As，在n型接触层上沉积15周期的非掺杂275nm-SiO2/210nm-Si3N4第二DBR层。
刻蚀第二DBR层，器件工艺制作直径为30μm的微台面，台面制作完成后通过氧化工艺在氧化层形成6μm的氧化孔，分别采用Au/Zn/Au与AuGe/Ni/Au多层金属在n型接触层与GaAs衬底制作n电极和p电极。
与现有技术相比，本实用新型实施方式的垂直腔面发射激光器及其制作方法，利用晶格渐变层以及对缺陷不敏感的增益层，可以灵活拓展激射波长至1500nm以上。
本实用新型实施方式的垂直腔面发射激光器及其制作方法，利用成熟的高反射率DBR以及高Al层氧化孔光电限制工艺(基于GaAs衬底)，通过晶格渐变的方法生长可激射长波长的增益层，增益层由对外延缺陷不敏感的量子点(quantumdots)或量子短线(quantumdashes)等低维结构构成，由此可获得外延与器件工艺简单且低成本的长波长VCSEL器件。
本实用新型实施方式的垂直腔面发射激光器及其制作方法，增益层由量子点或量子短线等低维结构构成，具有低自发辐射噪声和低阈值电流的特性，有望实现单光子发射。
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (9)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
GaAs衬底；
第一DBR层，形成于所述GaAs衬底上；
氧化层，形成于所述第一DBR层上；
晶格渐变层，形成于所述氧化层上；
包覆层，形成于所述晶格渐变层上，所述包覆层包括堆叠设置的第一包覆层和第二包覆层；
增益层，形成于所述第一包覆层和所述第二包覆层之间；以及
第二DBR层，形成于所述包覆层上；
其中，所述晶格渐变层在其厚度方向具有不同的晶格常数，且所述晶格渐变层靠近所述GaAs衬底一侧的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数相匹配，所述晶格渐变层靠近所述增益层一侧的晶格常数与所述增益层的晶格常数相匹配。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述晶格渐变层的材料选自组分可调的化合物半导体薄膜材料，所述化合物半导体薄膜材料选自InxGa1-xAs、GaAsxSb1-x、GaxIn1-xAsyP1-y、GaxAlyIn1-x-yAs、GaxAl1-xAsySb1-y、GaxIn1-xAsySb1-y；和/或，
所述晶格渐变层的厚度D1满足：D1*N1＝m*λ/4，其中，N1为晶格渐变层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
3.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一DBR层为p型掺杂布拉格反射镜层，所述第一DBR层的材料选自化合物半导体材料，所述化合物半导体材料选自GaAs或AlxGa1-xAs，其中，所述AlxGa1-xAs的晶格常数与所述GaAs衬底的晶格常数相匹配；和/或，
所述第二DBR层为介质薄膜构成的电介质布拉格反射镜层，所述第二DBR层的材料选自SiO2、Si3N4或Si。
4.如权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述布拉格反射镜层为多层结构，各层的层厚D2满足：D2*N2＝λ/4，其中，N2为各层的光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
5.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化层至少包括一层AlGaAs层或一层AlAs层；和/或，
所述氧化层的总厚度D3满足：D3*N3＝λ/4，其中，N3为氧化层的平均光学折射率，λ为垂直腔面发射激光器的波长；和/或
所述第一包覆层和所述第二包覆层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。
6.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述增益层包括堆叠设置的多组量子阱层，相邻所述量子阱层之间形成有隔离层，所述隔离层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs。
7.如权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，每组所述量子阱层包括多个堆叠设置的量子阱单元，每个所述量子阱单元分别包括浸润层，排设于所述浸润层上的多个量子点单元或多个量子短线以及覆盖所述多个量子点单元或所述多个量子短线的盖层；
所述量子点单元或所述量子短线的材料选自InAs、GaSb、InSb、InAsxSb1-x或GaxIn1- xAsySb1-y；所述浸润层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs，所述盖层的材料选自InP或GaxIn1-xAsyP1-y或GaxAlyIn1-x-yAs；和/或
所述增益层的总厚度D4满足：D4*N4＝m*λ/4，其中，N4为增益层的平均光学折射率，m为大于或等于1的自然数，λ为垂直腔面发射激光器的波长。
8.如权利要求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形成于所述包覆层上的接触层，所述接触层的材料选自InP或GaxIn1-xAs。
9.如权利要求8所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述接触层上形成有第一电极，所述第一电极包括单层或多层金属，所述第一电极的材料选自AuGe、AuGe/Ni或AuGe/Ni/Au；和/或，
所述GaAs衬底上形成有第二电极，所述第二电极包括单层或多层金属，所述第二电极的材料选自Au/Zn/Au或Ti/Pt/Au。
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