一种垂直腔面发射激光器结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体领域，具体而言，涉及一种垂直腔面发射激光器结构。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)具有阈值电流小、圆形光斑、成本低、调制速率高、易于二维集成等优势，在短距离高速并行光互联、以太数据通信网、数据中心等领域发展迅速，是光通信领域的新型光源之一。
3.传统的垂直腔面发射激光器为了减小阈值电流，通常采用氧化限制或离子注入等方式，然而氧化层氧化后的折射率减小，会形成波导结构，增大发散角；离子注入形成绝缘层，又增大了器件的串联电阻。


技术实现要素：

4.本实用新型目的在于提供一种垂直腔面发射激光器结构，包括依次叠设的n型电极、gaas衬底、n型dbr层、mqw层、p型dbr层和p型电极，p型电极为环状中间的镂空形成出光窗口，在mqw层与p型dbr层之间具有gaas保护层和gaas电流扩展层，gaas保护层设于mqw层一侧，gaas电流扩展层设于p型dbr层一侧，绝缘层设于gaas电流扩展层下方，其为环状并包裹gaas保护层和mqw层的侧面，绝缘层中间的镂空形成发光窗口，在保持垂直腔面发射激光器较低的阈值电流、较小的发散角同时，可以降低垂直腔面发射激光器的串联电阻，提高转换效率。
5.本实用新型的实施例是这样实现的：
6.本实用新型实施例的一方面，提供一种垂直腔面发射激光器结构，包括依次叠设的n型电极、gaas衬底、n型dbr层、mqw层、p型dbr层和p型电极，p型电极为环状中间的镂空形成出光窗口，在mqw层与p型dbr层之间具有gaas保护层和gaas电流扩展层，gaas保护层设于mqw层一侧，gaas电流扩展层设于p型dbr层一侧，绝缘层设于gaas电流扩展层下方，其为环状并包裹gaas保护层和mqw层的侧面，绝缘层中间的镂空形成发光窗口。
7.可选地，绝缘层在厚度方向向下延伸至超过所述mqw层一段距离。
8.可选地，绝缘层的厚度为200-300nm。
9.可选地，gaas电流扩展层、p型dbr层是在gaas保护层上方二次外延生长，或者gaas电流扩展层与gaas保护层键合连接。
10.可选地，发光窗口的直径小于出光窗口的直径。
11.可选地，发光窗口的直径为6-12μm。
12.可选地，出光窗口的直径为8-14μm。
13.可选地，发光窗口和出光窗口形状相同，均为圆形、椭圆形或方形中的一种。
14.可选地，gaas保护层的厚度为10-20nm。
15.可选地，gaas保护层与gaas电流扩展层的厚度之和为3/4λ光学厚度。
16.本实用新型实施例的有益效果包括：
17.本实用新型提供一种垂直腔面发射激光器结构，具有依次叠设的n型电极、gaas衬底、n型dbr层、mqw层、p型dbr层和p型电极，p型电极为环状中间的镂空形成出光窗口，其中mqw层与p型dbr层之间具有gaas保护层和gaas电流扩展层，gaas保护层设于mqw层一侧，gaas电流扩展层设于p型dbr层一侧，绝缘层设于gaas电流扩展层下方，其为环状并包裹gaas保护层和mqw层的侧面，绝缘层中间的镂空形成发光窗口，与algaas相比，gaas具有很高的电导率，可以起到电流的横向扩展作用，在保持垂直腔面发射激光器较低的阈值电流、较小的发散角同时，可以降低垂直腔面发射激光器的串联电阻，提高转换效率。
18.较佳地，绝缘层在厚度方向向下延伸至超过mqw层一段距离，将n型dbr上方部分绝缘，降低发光窗口边沿区域的n型dbr的反射率和电流导通。
19.较佳地，发光窗口的直径小于出光窗口的直径，使mqw层所产生的光更集中，通过p型dbr反射，可以全部从出光窗口射出，提高电光转换效率。
20.较佳地，gaas保护层与gaas电流扩展层的厚度之和为3/4λ光学厚度，λ为vcsel的激射波长，满足（2k 1）/4λ条件才能形成达到激射条件，选择最小值减少光吸收。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1为本实用新型实施例一次外延结构示意图；
23.图2为本实用新型实施例一结构示意图；
24.图3为本实用新型实施例二结构示意图。
25.图标：1-gaas衬底；2-n型dbr层；3-mqw层；4-gaas保护层；5-绝缘层；6-gaas电流扩展层；7-p型dbr层；8-p型电极；9-n型电极。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简
化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.实施例一：首先，如图1所示，在gaas衬底1上一次外延生长n型dbr（分布式布拉格反射镜）层2、mqw (量子阱有源区)层3和gaas（砷化镓）保护层4，其中n型dbr层2的对数为30-40对，提供大于99.9%的反射率，mqw层3的个数为3-5个，峰值增益波长小于芯片激射波长10-20nm，gaas保护层4的厚度为10-20nm，在制程过程中保护下面的algaas（砷化铝镓）材料不被氧化。
31.其次，如图2所示，通过离子注入gaas保护层4表面形成绝缘层5，绝缘层5为环状并包裹gaas保护层4和mqw层3的侧面，绝缘层5中间的镂空形成发光窗口，离子注入深度为200-300nm，发光窗口直径为6-12μm。离子注入形成绝缘为半导体领域常规技术手段，在此不作赘述。
32.再次，在上述外延结构上方进行二次外延，形成gaas电流扩展层6、p型dbr（分布式布拉格反射镜）层7，gaas电流扩展层6与gaas保护层4的厚度之和为3/4λ光学厚度，λ为vcsel的激射波长，满足（2k 1）/4λ条件才能形成达到激射条件，选择最小值减少光吸收，并且与algaas相比，gaas具有很高的电导率，可以起到电流的横向扩展作用，减小芯片串联电阻，提高芯片的电光转换效率，p型dbr层7的对数为13-18对，提供大于99%的反射率。二次外延形成gaas电流扩展层6、p型dbr层7为半导体领域常规技术手段，在此不作赘述。
33.另外，gaas电流扩展层6、p型dbr层7外延结构也可以通过常规gaas衬底1生长外延形成，去除下方gaas衬底1后，与上述离子注入后的外延结构进行键合。
34.然后，制作p型电极8并形成出光窗口，出光窗口的直径为8-14um，大于发光窗口直径，发光窗口的直径小于出光窗口的直径，使mqw层3所产生的光更集中，通过p型dbr反射，可以全部从出光窗口射出，提高电光转换效率。
35.最后，将gaas衬底1背面减薄，并制作n型电极9。
36.实施例二：如图3所示，与实施例一的区别在于：离子注入形成绝缘层5在厚度方向向下延伸至超过所述mqw层3一段距离，将n型dbr2上方部分绝缘。
37.氧化限制型vcsel通过氧化孔径来减小阈值电流，提高转换效率，然而氧化层折射率较小会形成波导结构，增大发散角。典型的离子注入结构无折射率差，不会形成波导结构，因此发散角较小，然而dbr绝缘增大了器件的串联电阻。通过二次外延引入电流扩展层，在保持离子注入小发散角的同时，减小串联电阻，提高转换效率。
38.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。