一種近紅外VCSEL激光器的外延結構及其制備方法與流程

本發明涉及一種近紅外vcsel激光器,特別涉及一種近紅外vcsel激光器的外延結構及其制備方法。

背景技術：

垂直腔表面發射激光器(vcsel)通過布拉格反射器（dbr）形成諧振腔，光從垂直于半導體襯底表面方向出射。相比邊發射半導體激光器，vcsel不存在光學腔面損傷，具有低的閾值電流、動態單模工作、遠場發散角小、近圓形光斑和光方向垂直于襯底表面的特性，與光纖耦合效率高，易于集成二維陣列，所以vcsel在光互聯、光通訊、光信號處理以及wdm光纖通訊、神經網絡、計算機芯片中有著廣泛的應用。基于vcsel,3d人臉識別、手勢識別、虹膜識別、無人駕駛激光雷達等等許多我們熟悉的應用都能得到實現。對應于上述應用的vcsel要求具有這樣的特征，如高的有源層增益、高輻射功率、高可靠性和受控偏振等。例如，ieeephotonicstechnologyletters，1999，vol.11，no.12，pp.1539-1541(“非專利文獻”)公開一種采用algaas材料的vcsel，其輻射功率達到3mw以上。

一般地，vcsel由以下幾部分組成：襯底、n-dbr、有源區、氧化限制層、p-dbr、歐姆接觸層。n-dbr與p-dbr鏡面組成了vcsel激光器的光學諧振腔，有源區為載流子增益介質，通過電泵浦實現vcsel激光器的連續激射。為了提高激射功率，需要提高dbr的反射率，減小光子的損失；另外，需要減小電流損失，通常的作法是在發光區外采用氫離子注入（inplant工藝），使對激光激射不產生作用的區域無載流子復合。

現有近紅外vcsel激光器的外延結構如圖1、2所示，包括包括gaas襯底01，在gaas襯底01上依次沉積有gaas緩沖層02、n型摻雜的dbr03、有源層04、氧化限制層05、p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07。如圖2所示，其中有源層04由限制層10、波導層11和量子阱12，對稱波導層13，對稱限制層14組成。其中，量子阱由6組量子壘/阱組成（圖示中，向右上方傾斜的是壘層，向左上方傾斜的是阱層），其中in0.12ga0.88as阱層厚度為4nm,al0.10ga0.90as壘層厚度為6nm。

采用這種工藝的缺陷是vcsel光功率比較小，難以滿足大部分近紅外傳感器的應用需求。導致上述缺陷的原因是上述方法是有源區載流子增益不夠大，可能是有源區材料生長質量造成，也可能是有源區mqw結構設計不合理造成。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種能減小載流子的泄漏，增加有源區載流子的增益的近紅外vcsel激光器的外延結構。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種近紅外vcsel激光器的外延結構，包括gaas襯底，在gaas襯底上依次沉積有gaas緩沖層、n型摻雜的dbr、有源層、氧化限制層、p型摻雜的dbr和歐姆接觸層，所述有源層由下向上依次包括限制層，波導層、量子阱、對稱波導層和對稱限制層，所述量子阱由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設有厚壘層，所述厚壘層的厚度為大于50nm。

優選的，所述厚壘層的厚度為50-100nm。

優選的，所述量子阱內插有1-5層厚壘層。

優選的，所述量子阱中量子阱層的阱厚度為3nm，壘厚度為6nm。

優選的，所述量子阱包括第一量子阱層、第一厚壘層、第二量子阱層、第二厚壘層及第三量子阱層，所述第一量子阱層包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘，所述第一厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第二量子阱層包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，所述第二厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第三量子阱層包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘。

優選的，所述量子阱包括第一量子阱層、第一厚壘層、第二量子阱層、第二厚壘層及第三量子阱層，所述第一量子阱層包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，所述第一厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第二量子阱層包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，所述第二厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第三量子阱層包括包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱。

優選的，gaas襯底需要具有7-15度的偏向角。

本發明還公開了一種近紅外vcsel激光器的外延結構的制備方法，其包括如下步驟：把生長襯底放入到aixtron公司的mocvd系統中生長，反應室壓力為50mbar，生長溫度為720℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）為反應源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層（02），si摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（03），in0.12ga0.88as/al0.1ga0.9as形成的mqw有源層（04），zn摻雜的al0.98ga0.02as氧化限制層（05）、zn摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（06），zn摻雜的gaas歐姆接觸層（07），其中有源層（04）由下向上依次包括限制層（10），波導層（11）、量子阱（12）、對稱波導層（13）和對稱限制層（14），所述量子阱（12）由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設有厚壘層，所述厚壘層的厚度為大于50nm。

優選的，所述gaas襯底需要具有7-15度的偏向角。

優選的，所述生長襯底采用電導率為2-8x¹⁰18cm^-2的n型gaas。

如上所述，本發明的近紅外vcsel激光器的外延結構具有以下有益效果：該近紅外vcsel激光器的外延結構通過在有源區量子阱中插入多層厚壘層來減小載流子的泄漏損失，提高有源區載流子的復合幾率，提高有源區的微分增益，從而提高vcsel激光器的輻射功率，同時增加了有源區光子的限制因子，提高了vcsel激光器的響應速率。

附圖說明

圖1為典型的vcsel外延結構示意圖。

圖2為傳統技術vcsel有源區的外延結構示意圖。

圖3為本發明第一實施例中vcsel有源區的外延結構示意圖。

圖4為本發明第二實施例中vcsel有源區的外延結構示意圖。

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。

請參閱圖1至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。

如圖1所示，本發明提供一種近紅外vcsel激光器的外延結構，包括gaas襯底01，在gaas襯底01上依次沉積有gaas緩沖層02、n型摻雜的dbr03、有源層04、氧化限制層05、p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07。其中有源層04由限制層10、波導層11和量子阱12，對稱波導層13，對稱限制層14組成。量子阱12由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設有厚壘層，厚壘層的厚度為大于50nm。作為一種優選方式，厚壘層的厚度為50-100nm，量子阱12內插有1-5層厚壘層，優選1-3層。每層量子阱層的阱厚度為3nm，壘厚度為6nm。

該近紅外vcsel激光器的外延結構的制備方法包括如下步驟：把生長襯底放入到aixtron公司的mocvd系統中生長，反應室壓力為50mbar，生長溫度為720℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）為反應源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr，in0.12ga0.88as/al0.1ga0.9as形成的mqw有源層，zn摻雜的al0.98ga0.02as氧化限制層、zn摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr，zn摻雜的gaas歐姆接觸層，其中有源層由下向上依次包括限制層，波導層、量子阱、對稱波導層和對稱限制層，所述量子阱由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設有厚壘層。

下面結合具體實施例，對本專利的結構和制備方法做進一步的說明。

如圖3所示，作為本專利的一個具體實施例，以電導率為2-8x¹⁰18cm^-2的n型gaas作為生長襯底，為了提高材料的生長質量，gaas襯底需要具有7-15度的偏向角。把15度襯底放入到aixtron公司的mocvd系統中生長，反應室壓力為50mbar，生長溫度為720℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等為反應源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（對數為42組）；in0.12ga0.88as/al0.1ga0.9as形成的mqw有源層,zn摻雜的al0.98ga0.02as氧化限制層、zn摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（對數為28組），zn摻雜的gaas歐姆接觸層。有源區由以下外延層組成：

第10層：60nmal0.90ga0.10as限制層；

第11層：50nmal0.60ga0.40as到al0.10ga0.90as組分漸變的波導層；

第12層：多組組由in0.12ga0.88as阱和al0.10ga0.90as壘組成的量子阱；

本發明結構中，量子阱12包括依次生長的第一量子阱層121、第一厚壘層122、第二量子阱層123、第二厚壘層124及第三量子阱層125，第一量子阱層121包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘，第一厚壘層122包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第二量子阱層123包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，第二厚壘層124包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第三量子阱層125包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘。

第13層：50nmal0.10ga0.90as到al0.60ga0.40as組分漸變的波導層；

第14層：60nmal0.90ga0.10as限制層.

外延層生長完成后，可利用公知的光刻與刻蝕工藝，形成vcsel臺面結構，采用氧化工藝使氧化限制層氧化，形成10-14nm的氧化孔徑，然后在表面cap層上蒸鍍正面電極，并將gaas襯底減薄，在減薄的gaas襯底背面蒸鍍背面電極，即完成vcsel激光器的制作。

實施例二、

如圖4所示，該實施例中結構與實施例一的區別在于有源區12的結構設計，本實施例有源區由以下外延層組成：

第10層：45nmal0.90ga0.10as限制層；

第11層：30nmal0.60ga0.40as到al0.10ga0.90as組分漸變的波導層；

第12層：多組組由in0.12ga0.88as阱和al0.10ga0.90as壘組成的量子阱；

本發明結構中，量子阱12包括第一量子阱層1210、第一厚壘層1220、第二量子阱層1230、第二厚壘層1240及第三量子阱層1250，所述第一量子阱層1210包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，第一厚壘層1220包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第二量子阱層1230包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，第二厚壘層1240包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第三量子阱層1250包括包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱。

第13層：50nmal0.10ga0.90as到al0.60ga0.40as組分漸變的波導層；

第14層：60nmal0.90ga0.10as限制層。

該近紅外vcsel激光器的外延結構通過在有源區量子阱中插入多層厚壘層來減小載流子的泄漏損失，提高有源區載流子的復合幾率，提高有源區的微分增益，從而提高vcsel激光器的輻射功率，同時增加了有源區光子的限制因子，提高了vcsel激光器的響應速率。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。