本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法。

背景技術(shù)：

垂直腔面發(fā)射激光器由于單縱模、輸出圓形光斑等特點(diǎn)，使其應(yīng)用越來越廣泛。

長期以來，垂直腔面發(fā)射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser，以下簡稱vcsel)一直處于低功率水平，使這種器件的應(yīng)用受到極大的制約，直到最近幾年vcsel材料生長與制備技術(shù)的發(fā)展才使其功率水平開始得到大幅度的提高，從而為vcsel激光器的應(yīng)用發(fā)展開辟了廣闊的前景。然而，隨著vcsel激光功率不斷得到提高，傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器的閾值電流較高，光電轉(zhuǎn)換效率低，限制了垂直腔面發(fā)射激光器的進(jìn)一步發(fā)展。

因此，如何提出一種垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，能夠降低vcsel的閾值電流，提高光電轉(zhuǎn)換效率成為業(yè)界亟待解決的重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法。

一方面，本發(fā)明提出一種垂直腔面發(fā)射激光器，包括依次層疊的n電極、襯底、第一緩沖層、第一分布布拉格反射鏡組、有源層、第二分布布拉格反射鏡組和第二緩沖層，對所述第二緩沖層、所述第二分布布拉格反射鏡組和所述有源層進(jìn)行刻蝕形成的圓柱形臺(tái)體以及圍繞所述圓柱形臺(tái)體的所述第一分布布拉格反射鏡組的部分表面，在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述部分表面上形成的掩膜，和位于所述第二緩沖層上的p電極；

其中，所述第一分布布拉格反射鏡組包括至少10對層疊設(shè)置的分布布拉格反射鏡，所述第一分布布拉格反射鏡組中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變，所述有源層包括2至4個(gè)層疊設(shè)置的量子阱結(jié)構(gòu)，所述部分表面與所述第一分布布拉格反射鏡組和所述有源層的接觸平面共面且所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸。

其中，靠近所述有源層的所述第一分布布拉格反射鏡組中的三對所述分布布拉格反射鏡的鋁含量為90％，所述第一分布布拉格反射鏡組中其余的所述分布布拉格反射鏡的鋁含量為20％。

其中，所述第一分布布拉格反射鏡組包括36對所述分布布拉格反射鏡。

其中，所述有源層包括2個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)的厚度為6納米。

其中，所述第二分布布拉格反射鏡組包括22對所述分布布拉格反射鏡。

其中，所述襯底的厚度為100微米，所述第一緩沖層的厚度為50納米。

其中，所述p電極的厚度為350納米。

另一方面，本發(fā)明提供一種垂直腔面發(fā)射激光器的的制作方法，包括：

在襯底上生長第一緩沖層，并在所述第一緩沖層上生長第一分布布拉格反射鏡組；其中，所述第一分布布拉格反射鏡組包括至少10對分布布拉格反射鏡，所述第一分布布拉格反射鏡組中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變；

在所述第一分布布拉格反射鏡組上生長有源層，所述有源層包括2至4個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)；

在所述有源層上生長第二分布布拉格反射鏡組，并在所述第二分布布拉格反射鏡組上生長第二緩沖層；

對所述第二緩沖層、所述第二分布布拉格反射鏡組和所述有源層進(jìn)行刻蝕，制作出圓柱形臺(tái)體并露出圍繞所述圓柱形臺(tái)體的所述第一分布布拉格反射鏡組的部分表面，所述部分表面與所述第一分布布拉格反射鏡組和所述有源層的接觸平面共面且所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸；

在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡的部分表面形成掩膜；

在所述第二緩沖層上制作p電極，并對所述襯底進(jìn)行減薄后制作n電極。

本發(fā)明提供的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法，通過有源層的量子阱結(jié)構(gòu)、第一分布布拉格反射鏡組和第二分布布拉格反射鏡組，實(shí)現(xiàn)超窄線寬和平頂陡邊光譜響應(yīng)，能夠降低vcsel的閾值電流，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例垂直腔面發(fā)射激光器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法的流程示意圖；

附圖標(biāo)記說明：

1-n電極；2-襯底；

3-第一緩沖層；4-第一分布布拉格反射鏡組；

5-有源層；6-第二分布布拉格反射鏡組；

7-第二緩沖層；8-掩膜；

9-p電極。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例垂直腔面發(fā)射激光器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提供的垂直腔面發(fā)射激光器，包括：依次層疊的n電極1、襯底2、第一緩沖層3、第一分布布拉格反射鏡組4、有源層5、第二分布布拉格反射鏡組6和第二緩沖層7，對第二緩沖層7、第二分布布拉格反射鏡組6和有源層5進(jìn)行刻蝕形成的圓柱形臺(tái)體以及圍繞所述圓柱形臺(tái)體的第一分布布拉格反射鏡組4的部分表面，在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述部分表面上形成的掩膜8，以及位于第二緩沖層7上的p電極9；

其中，第一分布布拉格反射鏡組4包括至少10對層疊設(shè)置的分布布拉格反射鏡，第一分布布拉格反射鏡組4中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變，有源層5包括2至4個(gè)層疊設(shè)置的量子阱結(jié)構(gòu)，所述部分表面與第一分布布拉格反射鏡組4和有源層5的接觸平面共面且所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸。

襯底2采用gaas材料，襯底2的厚度可以為100微米，含有摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3的si。在襯底2上生長的第一緩沖層3的厚度為50納米，第一緩沖層3可以采用gaas材料。在第一緩沖層3上生長的第一分布布拉格反射鏡組4包括至少10對層疊設(shè)置的分布布拉格反射鏡，所述分布布拉格反射鏡是由algaas和gaas兩種不同折射率的材料層疊排列構(gòu)成，包括一層algaas和一層gaas，每層材料的光學(xué)厚度為所述垂直腔面發(fā)射激光器中心波長的1/4，所述垂直腔面發(fā)射激光器中心波長可以為850nm，第一分布布拉格反射鏡組4的折射率在99％以上。第一分布布拉格反射鏡組4中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變，用于撫平第一分布布拉格反射鏡組4中導(dǎo)帶和價(jià)帶的能量尖峰，例如，第一分布布拉格反射鏡組4中相鄰的兩對所述分布布拉格反射鏡，其中靠近第一緩沖層3的一對所述分布布拉格反射鏡的algaas材料層中al的含量為20％，而靠近有源層5的一對所述分布布拉格反射鏡的algaas材料層中al的含量為90％，使第一分布布拉格反射鏡組4中鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變。其中，所述分布布拉格反射鏡可以為n型。

在第一分布布拉格反射鏡組4上生長有源層5，有源層5包括2至4個(gè)層疊設(shè)置的量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)的厚度可以為6nm，由gaas和algaas材料層疊排列構(gòu)成，包括一層gaas和一層algaas。在有源層5生長有第二分布布拉格反射鏡組6，第二分布布拉格反射鏡組6可以由p型所述分布布拉格反射鏡構(gòu)成，用于提供激光器的光增益，第二分布布拉格反射鏡組6的折射率在99％以上。在第二分布布拉格反射鏡組6上生長有第二緩沖層7，第二緩沖層7可以采用algaas材料。對第二緩沖層7、第二分布布拉格反射鏡組6和有源層5進(jìn)行刻蝕形成圓柱形臺(tái)體，并形成圍繞所述圓柱形臺(tái)體的所述第一分布布拉格反射鏡組的部分表面，所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸，所述部分表面與第一分布布拉格反射鏡組4和有源層5的接觸平面共面，在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述部分表面上形成掩膜8，掩膜8可以采用sio2材料，厚度為300nm，用于提高激光器的整體性能。

在第二緩沖層7上形成有p電極9，p電極9可以為環(huán)狀，厚度為350nm，采用ti-pt-au結(jié)構(gòu)。在襯底2與第一緩沖層3相對的一側(cè)形成有n電極1，n電極1可以采用ge、au、或者ni-au結(jié)構(gòu)，并在n電極1上刻蝕出所述垂直腔面發(fā)射激光器的出光孔。

本發(fā)明提供的垂直腔面發(fā)射激光器，通過有源層的量子阱結(jié)構(gòu)、第一分布布拉格反射鏡組和第二分布布拉格反射鏡組，實(shí)現(xiàn)超窄線寬和平頂陡邊光譜響應(yīng)，能夠降低vcsel的閾值電流，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，靠近有源層5的第一分布布拉格反射鏡組4中的三對所述分布布拉格反射鏡的鋁含量為90％，第一分布布拉格反射鏡組4中其余的所述分布布拉格反射鏡的鋁含量為20％。上述結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了第一分布布拉格反射鏡組4中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，第一分布布拉格反射鏡組4包括36對所述分布布拉格反射鏡，并摻雜硅雜質(zhì)。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，有源層5包括2個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)的厚度為6納米。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，第二分布布拉格反射鏡組6包括22對所述分布布拉格反射鏡，并摻雜鋅雜質(zhì)。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，襯底2的厚度為100微米，第一緩沖層3的厚度為50納米。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，所述p電極的厚度為350納米。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法的流程示意圖，如圖2所示，本發(fā)明提供的垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法包括：

s201、在襯底上生長第一緩沖層，并在所述第一緩沖層上生長第一分布布拉格反射鏡組；其中，所述第一分布布拉格反射鏡組包括至少10對分布布拉格反射鏡，所述第一分布布拉格反射鏡組中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變；

具體地，在襯底生長第一緩沖層，所述第一緩沖層的厚度可以為50nm，采用gaas材料。然后在所述第一緩沖層上生長第一分布布拉格反射鏡組，所述第一分布布拉格反射鏡組包括至少10對的分布布拉格反射鏡，并且第一分布布拉格反射鏡組4中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變，形成的第一分布布拉格反射鏡組6的折射率在99％以上。其中，所述襯底可以采用gaas基材料，含有摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3的si，所述襯底的厚度通常為2毫米。

s202、在所述第一分布布拉格反射鏡組上生長有源層，所述有源層包括2至4個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)；

具體地，形成所述第一分布布拉格反射鏡組后，在所述第一分布布拉格反射鏡組上生長有源層，所述有源層包括包括2至4個(gè)層疊設(shè)置的量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)的厚度可以為6nm，由gaas和algaas材料層疊排列構(gòu)成，包括一層gaas和一層algaas。

s203、在所述有源層上生長第二分布布拉格反射鏡組，并在所述第二分布布拉格反射鏡組上生長第二緩沖層；

具體地，形成所述有源層后，在所述有源層生長第二分布布拉格反射鏡組，所述第二分布布拉格反射鏡組可以由p型所述分布布拉格反射鏡構(gòu)成，形成后的所述第二分布布拉格反射鏡組的折射率在99％以上。再在所述第二分布布拉格反射鏡組上生長第二緩沖層，所述第二緩沖層可以采用algaas材料。

s204、對所述第二緩沖層、所述第二分布布拉格反射鏡組和所述有源層進(jìn)行刻蝕，制作出圓柱形臺(tái)體并露出圍繞所述圓柱形臺(tái)體的所述第一分布布拉格反射鏡組的部分表面，所述部分表面與所述第一分布布拉格反射鏡組和所述有源層的接觸平面共面且所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸。

具體地，在形成所述第二緩沖層后，通過低壓等離子體刻蝕方法對所述第二緩沖層、所述第二分布布拉格反射鏡組和所述有源層進(jìn)行刻蝕，制作出圓柱形臺(tái)體，所述圓柱形臺(tái)體位于所述第一分布布拉格反射鏡組和所述有源層的接觸平面上。并蝕刻露出圍繞所述圓柱形臺(tái)體的所述第一分布布拉格反射鏡組的部分表面，所述部分表面與所述第一分布布拉格反射鏡組和所述有源層的接觸平面共面，且所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸。

s205、在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡的部分表面形成掩膜；

具體地，在形成圓柱形臺(tái)體和所述部分表面后，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡的部分表面上淀積一層sio2作為掩膜，所述掩膜的厚度可以是300nm。

s206、在所述第二緩沖層上制作p電極，并對所述襯底進(jìn)行減薄后制作n電極。

具體地，在制作完成掩膜后，利用電子束濺射法在所述第二緩沖層的表面上濺射形成p電極，所述p電極的厚度可以是350nm，采用ti-pt-au結(jié)構(gòu)，所述p電極可以制作成環(huán)狀。將所述襯底的厚度減至100μm，利用真空鍍膜裝備，在300℃高溫在所述襯底與所述第一緩沖層相對的一面蒸鍍一層ge/au/ni-au結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行快速熱處理之后，形成n電極。形成所述n電極之后，可以利用等離子體干法刻蝕工藝在所述n電極上刻蝕出所述垂直腔面發(fā)射激光器的出光孔。

下面以制作一個(gè)本發(fā)明提供的垂直腔面發(fā)射激光器過程為例，來詳細(xì)說明所述垂直腔面發(fā)射激光器的制作過程：

步驟一、在gaas襯底生長厚度為50nm的第一緩沖層，所述第一緩沖層采用gaas材料，gaas襯底的硅摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3。接著在所述第一緩沖層上在1000-1300℃環(huán)境下生長出n型所述第一分布布拉格反射鏡組，所述第一分布布拉格反射鏡組包括36對所述分布布拉格反射鏡，所述分布布拉格反射鏡是由algaas和gaas兩種不同折射率的材料層疊排列構(gòu)成，包括一層algaas和一層gaas，在生長的過程中采用用金屬鍵合方法將algaas層和gaas層粘在一起，每層材料的光學(xué)厚度為所述垂直腔面發(fā)射激光器中心波長的1/4，所述垂直腔面發(fā)射激光器中心波長可以為850nm。其中，所述第一分布布拉格反射鏡組中包含的鋁的含量在生長方向上發(fā)生突變，靠近所述有源層的所述第一分布布拉格反射鏡組中的三對所述分布布拉格反射鏡的鋁含量為90％，所述第一分布布拉格反射鏡組中其余的所述分布布拉格反射鏡的鋁含量為20％。制作完成的所述第一分布布拉格反射鏡組4的折射率在99％以上。

步驟二、采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積技術(shù)在n型所述第一分布布拉格反射鏡組上生長2個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述量子阱結(jié)構(gòu)的厚度可以為6nm，由一層gaas和一層algaas材料構(gòu)成，所述2個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)堆棧組成所述有源層。

步驟三、在所述有源層上生長p型所述第二分布布拉格反射鏡組，所述第二分布布拉格反射鏡組包括22對所述分布布拉格反射鏡，所述分布布拉格反射鏡是由algaas和gaas兩種不同折射率的材料層疊排列構(gòu)成，包括一層algaas和一層gaas，在生長的過程中采用用金屬鍵合方法將algaas層和gaas層粘在一起，每層材料的光學(xué)厚度為所述垂直腔面發(fā)射激光器中心波長的1/4，所述垂直腔面發(fā)射激光器中心波長可以為850nm。其中，形成的所述第二分布布拉格反射鏡組的折射率在99％以上。然后在所述第二分布布拉格反射鏡組上生長所述第二緩沖層，所述第二緩沖層采用algaas材料。

步驟四、通過低壓等離子體刻蝕方法，對所述第二緩沖層、所述第二分布布拉格反射鏡組和所述有源層進(jìn)行刻蝕形成圓柱形臺(tái)體，并露出圍繞所述圓柱形臺(tái)體的n型所述第一分布布拉格反射鏡組的部分表面，所述部分表面與所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁相接觸，所述部分表面與所述第一分布布拉格反射鏡組和所述有源層的接觸平面共面。

步驟五、利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡的部分表面上淀積一層300nm厚的sio2作為掩膜，以提高激光器的整體性能。

步驟六、利用電子束濺射法在所述第二緩沖層上濺射一層厚度為350nm的ti-pt-au結(jié)構(gòu)，作為所述p電極，所述p電極呈圓環(huán)狀。再將gaas襯底的厚度減至100μm，然后利用真空鍍膜裝備，在300℃高溫蒸鍍一層ge/au/ni-au結(jié)構(gòu)在gaas襯底與生長所述第一緩沖層相對的一側(cè)的表面上，進(jìn)行快速熱處理之后，在gaas襯底上形成n電極。最后，再利用等離子體干法刻蝕技術(shù)在所述n電極上刻蝕出所述垂直腔面發(fā)射激光器的出光孔。

本發(fā)明提供的垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，通過制造出有源層的量子阱結(jié)構(gòu)、第一分布布拉格反射鏡組和第二分布布拉格反射鏡組，實(shí)現(xiàn)超窄線寬和平頂陡邊光譜響應(yīng)，能夠降低vcsel的閾值電流，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，在所述襯底上生長所述第一緩沖層之前，將所述襯底生長所述第一緩沖層的一側(cè)刻蝕光滑。

具體地，在所述襯底上生長所述第一緩沖層之前，可以采用等離子體干法刻蝕工藝在摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3的硅的gaas襯底上刻蝕，使所述襯底朝向所述第一緩沖層的一側(cè)的表面刻蝕光滑，例如，刻蝕后的所述襯底表面的均方根粗糙度小于1nm。其中，在干法刻蝕時(shí)使用sicl4/ar/h2氣體。

在上述各實(shí)施例的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡的部分表面形成掩膜包括：

采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡組朝向生長方向的漏出部分表面淀積一層300納米厚的sio2作為掩膜。

具體地，利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法在所述圓柱形臺(tái)體的側(cè)壁和所述第一分布布拉格反射鏡的部分表面上淀積一層sio2作為掩膜，所述掩膜的厚度為300nm，所述掩膜可以提高所述垂直腔面發(fā)射激光器的整體性能。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。