垂直腔面发射激光器及其制作方法与流程

1.本发明是关于一种光电器件，特别是关于一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vcsel)是一种半导体激光器，具有尺寸小与阈值电流低的优点，激光的面发射特征还使其易于光纤耦合、光子集成以及片上测试。vcsel已经广泛应用于鼠标、人脸识别以及数据中心等领域，激射波长主要集中在基于gaas材料体系的800-1000nm。近年来，激光雷达与气体传感等领域的兴起，增加了对1300nm以上波长的vcsel需求，长波长激光还有助于人眼安全。1300～1600nm波长的vcsel主要采用inp基的材料体系进行制备，尽管gaas基的稀氮材料也有使用，但材料难于生长且工艺不成熟。inp基vcsel由于长波dbr反射率低以及缺乏稳定的氧化工艺等因素，限制了激光器性能与大规模应用。不同于gaas基vcsel的侧边氧化，inp激光器主要采用掩埋隧道结的方法进行电流限制，需要刻蚀隧道结与二次外延，增加了材料生长与器件制作的难度。
3.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，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。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，其能够克服现有技术中工艺不成熟、限制大规模应用和制作难度的问题。
5.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：
6.衬底；
7.非掺杂的第一布拉格反射镜，形成于所述衬底上；
8.第一接触层，形成于第一布拉格反射镜的表面；
9.非掺杂的下包覆层，形成于第一接触层的表面；
10.非掺杂的第一台面，形成于所述下包覆层的表面，所述第一台面包括依次形成于下包覆层上的有源层和上包覆层；
11.n型掺杂的第二台面，形成于所述第一台面上，所述第二台面包括依次形成于第一台面上的电流扩展层和第二接触层，所述第二台面的侧面p型扩散形成环形的扩散区；以及
12.非掺杂的第二布拉格反射镜，形成于所述第二台面上。
13.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二台面的侧面p型扩散的掺杂浓度为2e18～2e19cm-3
；和/或所述扩散区的宽度为200-2000nm。
14.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一台面的最大外径小于所述下包覆层的最大外径，所述下包覆层暴露的表面上设置有第一电极，所述第一电极和第一接触层之间p型扩散形成电接触区。
15.在本发明的一个或多个实施方式中，所述下包覆层暴露的表面向衬底方向减薄形
成台阶面，所述第一电极设置于所述台阶面上。
16.在本发明的一个或多个实施方式中，所述电接触区p型扩散的掺杂浓度为2e18～2e19cm-3
；和/或电接触区的厚度为200-2000nm。
17.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二台面的最大外径小于所述第一台面的最大外径，所述第一电极和台阶面之间设置有钝化层，所述钝化层延伸至所述第一台面所暴露的表面。
18.在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二布拉格反射镜的最大外径小于所述第二台面的最大外径，所述第二台面暴露的表面上设置有第二电极，所述第二电极设置于第二布拉格反射镜和扩散区之间。
19.在本发明的一个或多个实施方式中，所述下包覆层采用inp、ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；和/或所述上包覆层采用inp、ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；和/或所述电流扩展层采用inp、ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；和/或所述第一布拉格反射镜材料为inp、ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；和/或所述第二布拉格反射镜材料为sio2、si3n4或si；和/或所述衬底的材料为inp；和/或所述有源层的材料为ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as构成的多量子阱。
20.在本发明的一个或多个实施方式中，所述电流扩展层n型掺杂的浓度为5e17～2e18cm-3
；和/或第二接触层n型掺杂的浓度为1e18～5e18cm-3
。
21.为实现上述目的，本发明的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：
22.提供衬底，在衬底上依次制作第一布拉格反射镜、第一接触层、下包覆层、有源层、上包覆层、电流扩展层、第二接触层和第二布拉格反射镜；
23.刻蚀第二布拉格反射镜至第二接触层的表面；
24.刻蚀第二接触层至上包覆层的表面或其一定的深度，形成第二台面；
25.刻蚀上包覆层至下包覆层的表面或其一定的深度，形成第一台面；
26.在第二台面的侧面p型扩散形成环形的扩散区；
27.在下包覆层暴露的表面选定区域进行p型扩散，形成电接触区，该电接触区贯穿所述下包覆层的厚度；
28.在电接触区上制作第一电极，在暴露的第二接触层的表面制作第二电极。
29.与现有技术相比，本发明通过微台面侧边选区p型扩散的方法，利用p n结耗尽区进行电流限制，相比常用的氧化层、离子注入或掩埋异质结限制，电学限制区由台面尺寸、外延掺杂浓度与p型扩散工艺控制，避免了难度高与良率低的氧化与多次外延工艺。另外，采用非掺杂dbr结构，在降低外延生长难度的同时还可以降低自由载流子吸收。
附图说明
30.图1是根据本发明一实施方式的垂直腔面发射激光器的结构示意图；
31.图2是根据本发明实施例1中以1300nm波长的入射光照射样品表面后的光学反射率光谱；
32.图3是根据本发明实施例1中样品的光学驻波及折射率分布。
具体实施方式
33.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
34.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。
35.如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种垂直腔面发射激光器，包括衬底10、以及依次形成于衬底上的非掺杂的第一布拉格反射镜20、第一接触层30、非掺杂的下包覆层40、非掺杂的第一台面50、n型掺杂的第二台面60第二台面60和非掺杂的第二布拉格反射镜70。其中，第一台面50包括依次形成于下包覆层上的有源层51和上包覆层52；第二台面60包括依次形成于第一台面50上的电流扩展层61和第二接触层62。
36.第二台面60的侧面p型扩散形成环形的扩散区63，该p型扩散区63与n型的第二台面60之间形成pn结，pn结的耗尽区具有电流限制功能。
37.本案中，利用pn结耗尽区进行电流限制，相比常用的氧化层、离子注入或掩埋异质结限制，电学限制区由第二台面60尺寸、外延掺杂浓度与p型扩散工艺控制，避免了难度高与良率低的氧化与多次外延工艺。另外，采用非掺杂dbr结构，在降低外延生长难度的同时还可以降低自由载流子吸收。
38.在一些实施例中，所述第二台面60的侧面p型扩散成重掺杂的p 型层，掺杂浓度为2e18～2e19cm-3
；扩散区63的宽度为200-2000nm。
39.在一些实施例中，第一台面50的最大外径小于下包覆层40的最大外径，第一台面50的最大外径为5～30μm。第一台面50的四周暴露下包覆层40的顶面，下包覆层40暴露的表面上设置有第一电极80，第一电极80和第一接触层30之间p型扩散形成电接触区90。
40.进一步地，下包覆层40暴露在第一台面50四周的部分的厚度小于下包覆层40位于第一台面50下方的厚度，具体地，下包覆层40暴露在第一台面50四周的表面向衬底10方向减薄形成台阶面41，所述第一电极80设置于所述台阶面41上。
41.在一些实施例中，扩散材料通过下包覆层40向下扩散至第一接触层30的一定深度，使得电接触区90与第一接触层30有交叠。
42.在一些实施例中，第一电极80由单层或多层金属构成，金属与第一接触层30之间形成欧姆接触，所述第一电极80的材料为au/zn/au或ti/pt/au。
43.在一些实施例中，电接触区90p型扩散的掺杂浓度为2e18～2e19cm-3
；电接触区90的厚度为200-2000nm。
44.本案中，在扩散形成的电接触区90上做电极的效果要好于直接在第一接触层30上做电极的效果，因为扩散可以比外延生长得到更高的掺杂浓度。
45.在一些实施例中，所述第二台面60的最大外径小于所述第一台面50的最大外径，第二台面60的最大外径为5～30μm，第二台面60的四周暴露所述第一台面50的顶面。第一电极80和台阶面41之间设置有钝化层100，所述钝化层100延伸至第一台面50的侧面和所述第一台面50所暴露的表面。
46.在一些实施例中，钝化层100上开设有暴露台阶面41表面的窗口，所述的第一电极80制作于该窗口内。钝化层100由薄膜沉积的电介质层构成，具有电绝缘功能，钝化层材料
可以为sio2、si3n4或al2o3。
47.在一些实施例中，所述第二布拉格反射镜70的最大外径小于所述第二台面60的最大外径，第二布拉格反射镜70的四周暴露出第二台面60的顶面。所述第二台面60暴露的表面上设置有第二电极110，所述第二电极110设置于第二布拉格反射镜70和扩散区63之间。
48.在一些实施例中，第二电极110由单层或多层金属构成，金属与第二接触层62之间形成欧姆接触，所述第二电极110的材料为auge、auge/ni或auge/ni/au。
49.进一步地，第二电极110和第二台面60暴露的表面之间设置有钝化层120，钝化层120上开设有暴露第二台面60表面的窗口，所述的第二电极110制作于该窗口内。钝化层110由薄膜沉积的电介质层构成，具有电绝缘功能，钝化层材料可以为sio2、si3n4或al2o3。
50.在一些实施例中，衬底10的材料优选为inp；第一布拉格反射镜20材料为inp、ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；第一接触层30为p 型接触层，第二接触层62为n 型掺杂层，所述第一接触层30和第二接触层62由外延生长的化合物半导体材料构成，所述材料为inp以及与inp晶格匹配的四元材料ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；下包覆层40采用inp、gaxin
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；有源层51的材料为ga
x
in
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as构成的多量子阱；上包覆层52采用inp、gaxin
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；电流扩展层61采用inp、gaxin
1-x
asyp
1-y
或ga
x
alyin
1-x-y
as；第二布拉格反射镜70的材料为sio2、si3n4或si。
51.在一些实施例中，电流扩展层61n型掺杂的浓度为5e17～2e18cm-3
；第二接触层62n型掺杂的浓度为1e18～5e18cm-3
。
52.根据本发明优选实施方式的制作所述垂直腔面发射激光器的方法，包括：
53.步骤1，提供衬底10，在衬底10上依次制作第一布拉格反射镜20、第一接触层30、下包覆层40、有源层51、上包覆层52、电流扩展层61、第二接触层62和第二布拉格反射镜70；
54.步骤2，通过干法或湿法工艺刻蚀第二布拉格反射镜70至第二接触层62的表面或其一定深度，使得第二布拉格反射镜70形成凸伸在第二接触层62上的台面结构；
55.步骤3，通过干法或湿法工艺刻蚀第二接触层62至上包覆层52的表面或其一定的深度，形成第二台面60；
56.步骤4，通过干法或湿法工艺刻蚀上包覆层52至下包覆层40的表面或其一定的深度，形成第一台面50；
57.步骤5，在第二台面60的侧面p型扩散形成环形的扩散区63；在下包覆层40暴露的表面上对应电极的位置进行p型扩散，扩散材料穿透下包覆层40的厚度并扩散至第一接触层30的一定深度，形成电接触区90；
58.步骤6，在第二接触层62暴露的表面以及下包覆层40暴露的表面分别沉积钝化层120和100，在钝化层上开设窗口，并分别在窗口内制作第二电极110和第一电极80。
59.实施例1
60.提供一具体实施例的垂直腔面发射激光器，包括衬底10，以及依次形成于衬底10上的第一布拉格反射镜20、第一接触层30、下包覆层40、有源层51、上包覆层52、电流扩展层61、第二接触层62和第二布拉格反射镜70。
61.第二布拉格反射镜70的外径小于第二接触区62的外径，在第二接触区62暴露的表面上设置有钝化层120，钝化层120上开设有窗口，窗口内设置有第二电极110。
62.电流扩展层61和第二接触区62的外径小于上包覆层52的外径，并构成第二台面
60。第二台面60的侧面p型扩散，采用zn作为掺杂剂，zn扩散浓度4e18cm-3
，扩散深度1μm。
63.上包覆层52和有源层51的最大外径小于下包覆层40的最大外径，并构成第一台面50。下包覆层40暴露的表面上选区进行p型扩散，采用zn作为掺杂剂，zn扩散浓度4e18cm-3
，扩散深度1μm，形成电接触区90。
64.电接触区90的上方设置有钝化层100，钝化层100对应电接触区90的位置开设有窗口，窗口内设置有第一电极80。
65.衬底10采用inp(001)衬底；第一布拉格反射镜20为50周期非掺杂103nm-inp/94nm-ga
0.23
in
0.77
as
0.5
p
0.5
；第一接触层30采用410nm厚度的p型1e18cm-3
浓度的inp；下包覆层40采用225nm厚度的非掺杂inp；有源层51采用9周期非掺杂的6nm-al
0.175
ga
0.095
in
0.73
as/9nm-al
0.27
ga
0.21
in
0.52
as多量子阱结构；上包覆层52采用225nm非掺杂inp；电流扩展层61采用520nm厚度的n型inp，掺杂浓度1e18cm-3
；第二接触层62采用200nm厚度的n型inp，掺杂浓度为5e18cm-3
；第二布拉格反射镜70采用15周期的非掺杂224nm-sio2/171nm-si3n4。
66.提供所述垂直腔面发射激光器的制作方法，包括步骤：
67.(1)、在inp(001)衬底10上采用mocvd生长50周期非掺杂103nm-inp/94nm-ga
0.23
in
0.77
as
0.5
p
0.5
第一布拉格反射镜20；
68.(2)、在第一布拉格反射镜20上生长410nm厚度的p型1e18cm-3
浓度的inp第一接触层30；
69.(3)、在第一接触层30上生长225nm厚度的非掺杂inp下包覆层40；
70.(4)、在下包覆层40上生长9周期非掺杂的6nm-al
0.175
ga
0.095
in
0.73
as/9nm-al
0.27
ga
0.21
in
0.52
as有源层51；
71.(5)、在有源层51上生长225nm厚度的非掺杂inp上包覆层52；
72.(6)、在上包覆层52上生长520nm厚度的n型inp电流扩展层61，掺杂浓度1e18cm-3
；
73.(7)、在电流扩展层61上生长200nm厚度的n型inp第二接触层62，掺杂浓度为5e18cm-3
；
74.(8)、在第二接触层62上沉积15周期的非掺杂224nm-sio2/171nm-si3n4第二布拉格反射镜70；
75.(9)、通过刻蚀工艺制作直径为10微米直径的第二台面60；
76.(10)、完成台面制作后对第二台面60的侧边进行p型扩散，采用zn作为掺杂剂，zn扩散浓度4e18cm-3
，扩散深度1μm；对台面底部进行选区p型扩散，采用zn作为掺杂剂，zn扩散浓度4e18cm-3
，扩散深度1μm。
77.(11)、分别采用au/zn/au与auge/ni/au多层金属在台面顶与台面底制作p电极与n电极。
78.以1300nm波长的入射光照射样品表面后应得到图2所示的光学反射率光谱，图3是根据本发明实施例1中样品的驻波及折射率分布。由图2可以看出，在1300nm处存在激光器腔模吸收谷，在1300nm附近的反射率值大于99％。上述外延生长与薄膜沉积完成后，底部与顶部以内的外延生长区域有稳定的光场分布，其中量子阱区域应位于光场驻波的波峰处。
79.本实施例通过控制各层的材料构成、层厚与掺杂，利用微台面的侧边p型扩散进行电流限制，注入的电流在器件中产生多模或单模的激光，从衬底一侧出射。
80.前述对本发明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
并非想将本发明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发明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发明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。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。