一种垂直腔表面发射激光器及其制备方法与流程

本发明涉及一种垂直腔表面发射激光器及其制备方法，属于垂直腔表面发射激光器。

背景技术：

1、垂直腔表面发射激光器(vcsel)具有低阈值、高速率、波长温漂系数小、耦合效率高、易于二维集成以及制作成本较低等诸多优点，广泛应用在光通信、三维传感和激光雷达领域。普通vcsel出光一般为多模，远场光斑呈甜甜圈形状。随着应用场景的不断升级，市场端对vcsel性能提出了更高的需求，高斯圆形远场光斑、小发散角便是其中重要的需求指标。

2、在实现vcsel高斯圆形远场光斑的研究中，表面刻蚀(surfacerelief)是一种行之有效的方法。目前表面刻蚀使用较多的方法是通过刻蚀表层的gaas层，使得出光孔中心区和外侧环形区的gaas层厚度不同，从而使vcsel的高阶模的损耗变大，最终vcsel稳定工作在基膜激射的状态，实现高斯圆形远场光斑和小的发散角。然而此方法有些不足之处，如下：

3、1.表层gaas刻蚀的深度难以精度控制，随工艺条件波动较大，不利于产品的量产。

4、2.刻蚀后的gaas表面粗糙度不如外延生长的表面，出光孔中心刻蚀方案会产生较大的散射损耗。

5、3.dbr层中含有alxga1-xas，一但刻蚀工艺使得含al层暴露，表层易氧化发黑，将会对vcsel的外观和可靠性产生不利影响。此方法对表层材料有一定的要求，普适性一般。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明提供一种垂直腔表面发射激光器及其制备方法，本发明无需在外延片的表面刻蚀，使得外延片整体结构得以保留，表层含al层无暴露风险，器件的制作工艺更加的稳健，而且具有更强的普适性。

2、本发明的技术方案如下：

3、第一方面

4、一种垂直腔表面发射激光器，包括由下至上依次设置的衬底、n-dbr、有源层、p-dbr和p-cap；所述p-cap上设置有环形的接触电极，所述接触电极内部设置有出光口中心区，所述接触电极和所述出光口中心区之间的区域为环形区；所述p-cap和所述接触电极上方覆盖有第一介质层，且所述中心区或所述环形区上方未覆盖所述第一介质层；所述第一介质层上方覆盖第二介质层，且所述第二介质层覆盖所述中心区和所述环形区；所述第一介质层和所述第二介质层的材料相同。

5、进一步的，所述第一介质层的厚度为λ/(4n)的奇数倍，其中，λ为该垂直腔表面发射激光器的激射波长，n为所述第一介质层的折射率的实部。

6、进一步的，所述出光口中心区上方覆盖的所述第一介质层和所述第二介质层的厚度之和为λ/n。

7、进一步的，所述出光口中心区为圆形或椭圆形。

8、进一步的，所述有源层所述p-dbr之间还包括氧化层。

9、进一步的，所述第一介质层和所述第二介质层的材料为氮化硅或二氧化硅。

10、第二方面

11、一种垂直腔表面发射激光器的制备方法，用于制备第一方面所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，包括：

12、在衬底上依次外延生长n-dbr、有源层、p-dbr和p-cap；

13、在所述p-cap上制备所述接触电极；

14、在所述p-cap和所述接触电极上生长所述第一介质层；

15、通过光刻制备所述出光口中心区或所述环形区，包括：

16、若光刻制备所述出光口中心区，则通过干法刻蚀去掉所述出光口中心区上方的所述第一介质层；

17、若光刻制备所述环形区，则通过干法刻蚀去掉所述环形区上方的所述第一介质层；

18、在所述接触电极、所述第一介质层、所述出光口中心区和所述环形区上生长所述第二介质层。

19、进一步的，生长所述第二介质层后进行台面光刻，通过干法刻蚀形成台面，再进行湿法氧化

20、进一步的，所述湿法氧化的氧化孔直径不大于10μm，所述出光口中心区的小于所述氧化孔；所述环形区的外径不小于所述接触电极的内径。

21、本发明具有如下有益效果：

22、本发明无需在外延片的表面刻蚀，使得外延片整体结构得以保留，表层含al层无暴露风险，器件的制作工艺更加的稳健，而且具有更强的普适性。本发明通过控制表面钝化层不同区域的厚度，具体为出光孔中心区和外侧环形区介质层的厚度不同，使得高阶模和基膜对应的损耗存在差异，从而调控vcsel的激射模式。

技术特征：

1.一种垂直腔表面发射激光器，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底、n-dbr(21)、有源层(22)、p-dbr(23)和p-cap(24)；所述p-cap(24)上设置有环形的接触电极(25)，所述接触电极(25)内部设置有出光口中心区，所述接触电极(25)和所述出光口中心区之间的区域为环形区；所述p-cap(24)和所述接触电极(25)上方覆盖有第一介质层(26)，且所述中心区或所述环形区上方未覆盖所述第一介质层(26)；所述第一介质层(26)上方覆盖第二介质层(27)，且所述第二介质层(27)覆盖所述中心区和所述环形区；所述第一介质层(26)和所述第二介质层(27)的材料相同。

2.根据权利要求1所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述第一介质层(26)的厚度为λ/(4n)的奇数倍，其中，λ为该垂直腔表面发射激光器的激射波长，n为所述第一介质层(26)的折射率的实部。

3.根据权利要求2所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述出光口中心区上方覆盖的所述第一介质层(26)和所述第二介质层(27)的厚度之和为λ/n。

4.根据权利要求1所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述出光口中心区为圆形或椭圆形。

5.根据权利要求1所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述有源层(22)所述p-dbr(23)之间还包括氧化层。

6.根据权利要求1所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述第一介质层(26)和所述第二介质层(27)的材料为氮化硅或二氧化硅。

7.一种垂直腔表面发射激光器的制备方法，用于制备如权利要求1-6任一所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，生长所述第二介质层(27)后进行台面光刻，通过干法刻蚀形成台面，再进行湿法氧化。

9.根据权利要求8所述垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述湿法氧化的氧化孔直径不大于10μm，所述出光口中心区的小于所述氧化孔；所述环形区的外径不小于所述接触电极(25)的内径。

技术总结
本发明涉及一种垂直腔表面发射激光器及其制备方法，垂直腔表面发射激光器包括由下至上依次设置的衬底、n‑DBR、有源层、p‑DBR和p‑Cap；p‑Cap上设置有环形的接触电极，接触电极内部设置有出光口中心区，接触电极和出光口中心区之间的区域为环形区；p‑Cap和接触电极上方覆盖有第一介质层，且中心区或环形区上方未覆盖第一介质层；第一介质层上方覆盖第二介质层，且第二介质层覆盖中心区和环形区；第一介质层和第二介质层的材料相同。本发明无需在外延片的表面刻蚀，使得外延片整体结构得以保留，表层含Al层无暴露风险，器件的制作工艺更加的稳健，而且具有更强的普适性。

技术研发人员：陈昭,张立宇,项平林,钟杏丽,林中晞,苏辉
受保护的技术使用者：闽都创新实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16