一种垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel)，又可以称为垂直共振腔面射型激光，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。
3.现有技术中的垂直腔面发射激光器，通常包括依次层叠设置于衬底上的n型布拉格反射镜、量子阱、氧化层和p型布拉格反射镜，当氧化层为多层时，n型布拉格反射镜和p型布拉格反射镜之间的距离(即共振腔的长度)会随之增大，影响雷射纵模之间的模距、以及光局限因子与阈值条件，同时，还容易形成多模态的雷射输出频谱。


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备方法，能够解决现有技术中共振腔的长度随氧化层层数的增多而增大的问题。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明实施例的一方面，提供一种垂直腔面发射激光器，包括衬底、以及依次层叠设置于所述衬底上的n型布拉格反射镜层、量子阱层和p型布拉格反射镜层，所述p型布拉格反射镜层包括依次层叠设置的具有电流限制孔的复合式氧化层和子布拉格反射镜层，所述复合式氧化层包括至少一个混合式氧化层，所述混合式氧化层包括至少一组交替设置的第一algaas层和第二algaas层，所述子布拉格反射镜层包括至少一组交替设置的第三algaas层和第四algaas层，所述第一algaas层中al的含量和所述第三algaas层中al的含量相等，所述第一algaas层中al的含量、所述第四algaas层中al的含量和所述第二algaas层中al的含量依次增大。
7.作为一种可实施的方式，所述混合式氧化层包括多组交替设置的第一algaas层和第二algaas层，每组所述第二algaas层均设置有子电流限制孔，多组所述第二algaas层的子电流限制孔沿层叠方向正对应以形成所述电流限制孔，多组所述第二algaas层的子电流限制孔的孔径相等。
8.作为一种可实施的方式，所述复合式氧化层包括多个混合式氧化层，每个所述混合式氧化层均设置有子电流限制孔，多个所述混合式氧化层的子电流限制孔沿层叠方向正对应以形成所述电流限制孔，多个所述混合式氧化层的子电流限制孔的孔径沿所述p型布拉格反射镜层至所述量子阱层的方向逐渐减小。
9.作为一种可实施的方式，所述第四algaas层的数量大于所述第二algaas层的数量。
10.作为一种可实施的方式，所述n型布拉格反射镜层与所述量子阱层之间设置有第
一缓冲层，所述量子阱层与所述p型布拉格反射镜层之间设置有第二缓冲层。
11.作为一种可实施的方式，所述子布拉格反射镜层背离所述复合式氧化层的一侧设置有接触层，所述n型布拉格反射镜层和所述量子阱层形成台阶结构。
12.作为一种可实施的方式，所述接触层背离所述子布拉格反射镜层的一侧设置有第一电极，所述n型布拉格反射镜层靠近所述量子阱层的台面上设置有第二电极。
13.作为一种可实施的方式，所述第一电极为环状电极，所述电流限制孔与所述环状电极形成的光窗在层叠方向上正对应。
14.作为一种可实施的方式，所述第一电极为p型电极，所述第二电极为n型电极。
15.本发明实施例的另一方面，提供一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：在衬底上依次形成n型布拉格反射镜层和量子阱层；在所述量子阱层上形成复合式氧化层，其中，所述复合式氧化层包括至少一个混合式氧化层，所述混合式氧化层包括至少一组交替设置的第一algaas层和第二algaas层；在所述复合式氧化层上形成子布拉格反射层，其中，所述子布拉格反射层包括至少一组交替设置的第三algaas层和第四algaas层，所述第一algaas层中al的含量和所述第三algaas层中al的含量相等，所述第一algaas层中al的含量、所述第四algaas层中al的含量和所述第二algaas层中al的含量依次增大；对所述复合式氧化层进行侧向氧化以使所述复合式氧化层形成电流限制孔。
16.本发明实施例的有益效果包括：
17.该垂直腔面发射激光器包括衬底、以及依次层叠设置于衬底上的n型布拉格反射镜层、量子阱层和p型布拉格反射镜层，p型布拉格反射镜层包括依次层叠设置的具有电流限制孔的复合式氧化层和子布拉格反射镜层，复合式氧化层包括至少一个混合式氧化层，混合式氧化层包括至少一组交替设置的第一algaas层和第二algaas层，子布拉格反射镜层包括至少一组交替设置的第三algaas层和第四algaas层，第一algaas层中al的含量和第三algaas层中al的含量相等，第一algaas层中al的含量、第四algaas层中al的含量和第二algaas层中al的含量依次增大。将原本的p型布拉格反射镜层中背离量子阱层一侧的至少一组的第四algaas层保持不变，以使至少一组的第四algaas层配合对应的第三algaas层组成子布拉格反射镜层，同时，将原本的p型布拉格反射镜层中靠近量子阱层一侧的至少一组的第四algaas层替换为第二algaas层，以使至少一组的第二algaas层配合对应的第一algaas层组成混合式氧化层，即增大了原本的p型布拉格反射镜层中靠近量子阱层一侧的至少一组的高al层中al的含量，替换后的第二algaas层相较于原本的第四algaas层，更容易在侧向氧化中被氧化形成电流限制孔，以通过电流限制孔对电流的流向起到引导和限制的作用，可以使得电流在流经复合式氧化层时被局限在电流限制孔内，能够使得较高的腔内电流密度注入到量子阱层，从而获得较高的内部量子效率，进而实现单模输出，即复合式氧化层具有传统氧化层的能够实现单模输出的功能，并且，无论复合式氧化层包括几个混合式氧化层，每个混合式氧化层又包括几组第一algaas层和第二algaas层，均不会对共振腔的长度造成影响，此外，还可以通过去除原本设置在量子阱和p型布拉格反射镜之间的传统氧化层，进一步地减小共振腔的长度，从而避免影响雷射纵模之间的模距、以及光局限因子与阈值条件，保障单模输出。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的某些实施例，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。
19.图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之一；
20.图2为本发明第一实施例提供的复合式氧化层的结构示意图；
21.图3为本发明第二实施例提供的复合式氧化层的结构示意图；
22.图4为本发明第三实施例提供的复合式氧化层的结构示意图；
23.图5为本发明第四实施例提供的复合式氧化层的结构示意图；
24.图6为本发明实施例提供的子布拉格反射镜层的结构示意图；
25.图7为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图之二；
26.图8为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备方法的流程示意图。
27.图标：100-垂直腔面发射激光器；10-衬底；20-n型布拉格反射镜层；30-第一缓冲层；40-量子阱层；50-第二缓冲层；60-p型布拉格反射镜层；61-复合式氧化层；611、612-混合式氧化层；611a、612a-第一algaas层；611b、612b-第二algaas层；613-电流限制孔；613a、613b-子电流限制孔；62-子布拉格反射镜层；621-第三algaas层；622-第四algaas层；70-接触层；80-第一电极；81-光窗；90-第二电极。
具体实施方式
28.下文陈述的实施方式表示使得本领域技术人员能够实践所述实施方式所必需的信息，并且示出了实践所述实施方式的最佳模式。在参照附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，并且将认识到本文中未具体提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和随附权利要求的范围内。
29.应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
30.应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
31.诸如“在
…
下方”或“在
…
上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“垂直”的相关术语
在本文中可用来描述一个元件、层或区域与另一个元件、层或区域的关系，如图中所示出。
32.本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而且并不意图限制本公开。如本文所使用，除非上下文明确地指出，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图同样包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”指明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或者增添一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或上述各项的组。
33.除非另外界定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样界定。
34.请结合参照图1至图7，本技术提供一种垂直腔面发射激光器100，包括衬底10、以及依次层叠设置于衬底10上的n型布拉格反射镜层20、量子阱层40和p型布拉格反射镜层60，p型布拉格反射镜层60包括依次层叠设置的具有电流限制孔613的复合式氧化层61和子布拉格反射镜层62，复合式氧化层61包括至少一个混合式氧化层，混合式氧化层包括至少一组交替设置的第一algaas层和第二algaas层，子布拉格反射镜层62包括至少一组交替设置的第三algaas层621和第四algaas层622，第一algaas层中al的含量和第三algaas层621中al的含量相等，第一algaas层中al的含量、第四algaas层622中al的含量和第二algaas层中al的含量依次增大。
35.需要说明的是，如图1和图7所示，该垂直腔面发射激光器100包括衬底10，在衬底10上依次层叠设置有n型布拉格反射镜层20、量子阱层40和p型布拉格反射镜层60，其中，p型布拉格反射镜层60包括依次层叠设置的具有电流限制孔613的复合式氧化层61和子布拉格反射镜层62，如图2至图5所示，复合式氧化层61包括至少一个混合式氧化层，混合式氧化层包括至少一组交替设置的第一algaas层和第二algaas层，如图6所示，子布拉格反射镜层62包括至少一组交替设置的第三algaas层621和第四algaas层622，第一algaas层中al的含量和第三algaas层621中al的含量相等，第一algaas层和第三algaas层621只是为了便于描述进行的区别命名，并不具有实质上的区别，第一algaas层中al的含量、第四algaas层622中al的含量和第二algaas层中al的含量依次增大，以使第二algaas层相较于第一algaas层和第四algaas层622更容易被氧化。
36.原本的p型布拉格反射镜层60包括至少两组交替设置的第三algaas层621和第四algaas层622，在本技术中，将原本的p型布拉格反射镜层60中背离量子阱层40一侧的至少一组的第四algaas层622保持不变，以使至少一组的第四algaas层622配合对应的第三algaas层621组成子布拉格反射镜层62，同时，将原本的p型布拉格反射镜层60中靠近量子阱层40一侧的至少一组的第四algaas层622替换为第二algaas层，以使至少一组的第二algaas层配合对应的第一algaas层组成混合式氧化层，即增大了原本的p型布拉格反射镜层60中靠近量子阱层40一侧的至少一组的高al层中al的含量，替换后的第二algaas层相较于原本的第四algaas层622，更容易在侧向氧化中被氧化形成电流限制孔613，以通过电流限制孔613对电流的流向起到引导和限制的作用，可以使得电流在流经复合式氧化层61时被局限在电流限制孔613内，能够使得较高的腔内电流密度注入到量子阱层40，从而获得较高的内部量子效率，进而实现单模输出，即复合式氧化层61具有传统氧化层的能够实现单
模输出的功能，并且，无论复合式氧化层61包括几个混合式氧化层，每个混合式氧化层又包括几组第一algaas层和第二algaas层，均不会对共振腔的长度造成影响，此外，还可以通过去除原本设置在量子阱和p型布拉格反射镜之间的传统氧化层，进一步地减小共振腔的长度，从而避免影响雷射纵模之间的模距、以及光局限因子与阈值条件，保障单模输出。
37.关于上述的第一algaas层、第二algaas层、第三algaas层621和第四algaas层622中al含量的实际取值，本领域技术人员应当能够根据实际情况进行合理的选择和设计，这里不作具体限制。示例地，第一algaas层中al的含量和第三algaas层621中al的含量均为10％，第二algaas层中al的含量为98％，第四algaas层622中al的含量为90％，以使每组交替设置的第一algaas层和第二algaas层的折射率δn为0.5592，每组交替设置的第三algaas层621和第四algaas层622的折射率δn为0.5114，从而使得混合式氧化层(即复合式氧化层61)的折射率满足子布拉格反射镜层62(即原本的p型布拉格反射镜层60)的折射率的实际需求。
38.如图2所示，混合式氧化层611包括一组交替设置的第一algaas层611a和第二algaas层611b，为了进一步提高复合式氧化层61的电流限制孔613对电流流向的引导和限制作用，如图3、图5和图7所示，作为一种可实施的方式，混合式氧化层611包括多组(例如m1组)交替设置的第一algaas层611a和第二algaas层611b，每组第二algaas层611b均设置有子电流限制孔613a，多组第二algaas层611b的子电流限制孔613a沿层叠方向正对应以形成电流限制孔613，由于每组第二algaas层611b中al的含量相同，因此，每组第二algaas层611b被氧化的速率相同，从而使得多组第二algaas层611b的子电流限制孔613a的孔径相等。
39.如图2所示，复合式氧化层61包括一个混合式氧化层611，为了进一步提高复合式氧化层61的电流限制孔613对电流流向的引导和限制作用，如图4、图5和图7所示，作为一种可实施的方式，复合式氧化层61包括多个混合式氧化层，每个混合式氧化层均设置有子电流限制孔，多个混合式氧化层的子电流限制孔沿层叠方向正对应以形成电流限制孔613，多个混合式氧化层的子电流限制孔的孔径沿p型布拉格反射镜层60至量子阱层40的方向逐渐减小。
40.示例地，如图4、图5和图7所示，复合式氧化层61包括两个混合式氧化层，即混合式氧化层611和混合式氧化层612，混合式氧化层611设置有子电流限制孔613a，混合式氧化层612设置有子电流限制孔613b，两个混合式氧化层的子电流限制孔沿层叠方向正对应以形成电流限制孔613，每个混合式氧化层的子电流限制孔均能够对电流的流向起到引导和限制作用，两个混合式氧化层的子电流限制孔的孔径沿p型布拉格反射镜层60至量子阱层40的方向逐渐减小，即混合式氧化层612的子电流限制孔613b的孔径大于混合式氧化层611的子电流限制孔613a的孔径，以对电流的流向逐步进行引导，从而能够进一步缩短电流流经复合式氧化层61时的电流路径，进而使得器件的反应速度和工作效率更好。
41.上述的混合式氧化层612的子电流限制孔613b的孔径大于混合式氧化层611的子电流限制孔613a的孔径，可以利用在相同的氧化条件下al含量较低的algaas材料被氧化的速率较慢制得，即只需使得混合式氧化层612的第二algaas层612b中al的含量小于混合式氧化层611的第二algaas层611b中al的含量即可。示例地，混合式氧化层611的第一algaas层611a中al的含量和混合式氧化层612的第一algaas层612a中al的含量均为10％，混合式
氧化层611的第二algaas层611b中al的含量为98％，混合式氧化层612的第二algaas层612b中al的含量为96％。
42.值得注意的是，复合式氧化层61中靠近子布拉格反射镜层62一侧的混合式氧化层的第二algaas层中al的含量不宜与子布拉格反射镜层62的第四algaas层622中al的含量过于接近，以避免侧向氧化时控制精度较低时错误地将子布拉格反射镜层62的第四algaas层622也进行了氧化。
43.作为一种可实施的方式，在原本的p型布拉格反射镜层60包括的第三algaas层621和第四algaas层622的组数不变的前提下，第四algaas层622的数量(例如n组)大于第二algaas层的数量，以确保由复合式氧化层61和子布拉格反射镜层62组成的p型布拉格反射镜层60满足原本的p型布拉格反射镜层60的设计需求。如图3和图6所示，当复合式氧化层61包括一个混合式氧化层611时，n大于m1，如图5和图6所示，当复合式氧化层61包括两个混合式氧化层(即混合式氧化层611和混合式氧化层612)时，n大于m1和m2之和。
44.如图1和图7所示，作为一种可实施的方式，n型布拉格反射镜层20与量子阱层40之间设置有第一缓冲层30，量子阱层40与p型布拉格反射镜层60之间设置有第二缓冲层50，以通过第一缓冲层30和第二缓冲层50提高器件性能。
45.如图7所示，作为一种可实施的方式，子布拉格反射镜层62背离复合式氧化层61的一侧设置有接触层70，以便于当器件导通时，通过接触层70将电流注入，n型布拉格反射镜层20和量子阱层40形成台阶结构，以便于通过台阶结构实现器件的侧向氧化。
46.如图7所示，作为一种可实施的方式，接触层70背离子布拉格反射镜层62的一侧设置有第一电极80，n型布拉格反射镜层20靠近量子阱层40的台面上设置有第二电极90，以便于通过第一电极80和第二电极90实现器件的电连接。如图7所示，作为一种可实施的方式，第一电极80为p型电极，第二电极90为n型电极。
47.如图7所示，作为一种可实施的方式，第一电极80为环状电极，电流限制孔613与环状电极形成的光窗81在层叠方向上正对应，电流限制孔613的孔径应当大于或等于环状电极形成的光窗81的孔径，以避免被氧化区对量子阱层40的出光造成影响。示例地，如图7所示，当复合式氧化层61包括两个混合式氧化层时，背离量子阱一侧的混合式氧化层612的子电流限制孔613b的孔径d1大于光窗81的孔径，靠近量子阱一侧的混合式氧化层611的子电流限制孔613a的孔径d2等于光窗81的孔径。
48.请再结合参照图8，本技术还提供一种垂直腔面发射激光器100的制备方法，包括：
49.s110、在衬底10上依次形成n型布拉格反射镜层20和量子阱层40；
50.s210、在量子阱层40上形成复合式氧化层61，其中，复合式氧化层61包括至少一个混合式氧化层，混合式氧化层包括至少一组交替设置的第一algaas层和第二algaas层；
51.s310、在复合式氧化层61上形成子布拉格反射层，其中，子布拉格反射层包括至少一组交替设置的第三algaas层621和第四algaas层622，第一algaas层中al的含量和第三algaas层621中al的含量相等，第一algaas层中al的含量、第四algaas层622中al的含量和第二algaas层中al的含量依次增大；
52.s410、对复合式氧化层61进行侧向氧化以使复合式氧化层61形成电流限制孔613。
53.需要说明的是，将原本的p型布拉格反射镜层60中靠近量子阱层40一侧的至少一组的第四algaas层622替换为第二algaas层，以使至少一组的第二algaas层配合对应的第
一algaas层组成混合式氧化层，即增大了原本的p型布拉格反射镜层60中靠近量子阱层40一侧的至少一组的高al层中al的含量，替换后的第二algaas层相较于原本的第四algaas层622，更容易在侧向氧化中被氧化形成电流限制孔613，以通过电流限制孔613对电流的流向起到引导和限制的作用，可以使得电流在流经复合式氧化层61时被局限在电流限制孔613内，能够使得较高的腔内电流密度注入到量子阱层40，从而获得较高的内部量子效率，进而实现单模输出，即复合式氧化层61具有传统氧化层的能够实现单模输出的功能，并且，无论复合式氧化层61包括几个混合式氧化层，每个混合式氧化层又包括几组第一algaas层和第二algaas层，均不会对共振腔的长度造成影响，此外，还可以通过去除原本设置在量子阱和p型布拉格反射镜之间的传统氧化层，进一步地减小共振腔的长度，从而避免影响雷射纵模之间的模距、以及光局限因子与阈值条件，保障单模输出。
54.以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
55.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。