一种长波长垂直腔表面发射激光器及其制备方法

本技术涉及半导体，尤其涉及一种长波长垂直腔表面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、垂直腔表面发射激光器（vertical cavity surface emitting laser，vcsel）为一种半导体激光二极管，以砷化镓等半导体材料为基础研制，有别于发光二极管（light-emitting diode，led）和激光二极管（laser diode，ld）等其他光源。与传统的边发射（edgeemitter）激光器不同，vcsel是从顶部表面垂直发射高功率光学激光束，具有体积小、圆形输出光斑、天然二维成像（2dimensions，2d）机构光、单纵模输出、阈值电流小、工作温度范围大、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。

2、随着物联网、人工智能（artificial intelligenc，ai）、第五代移动通信技术（5th-generation mobile communication technology，5g）技术的发展，三维成像（3dimensions，3d）和传感技术迎来了高速成长，撬动智能手机、增强现实技术（augmentedreality，ar）/虚拟现实技术（virtual reality，vr）、智能汽车等多个领域发展，加速万物互联时代的到来。vcsel作为3d成像和传感系统的核心器件，正处于智能互联产业的金字塔尖。目前以镓砷衬底为基础的短波红外vcsel，如850nm，980nm等波长的vcsel已经得到了大力的发展，并且得到了很好地应用。

3、但是在vcsel的制备和研发中，仍然有很多的掣肘因素，例如长波长的vcsel的布拉格反射镜（distributed bragg reflector mirror，dbr）不容易制备等。对于波长为1650nm的vcsel器件，由于inp/ingaasp的折射率差较小，没有合适的材料制作得到高反射率的dbr结构，从而导致1650nm的inp基vcsel器件的光电性能一致无法达到实用化要求。

4、为了解决波长为1650nm的vcsel器件的dbr结构的问题，可以采用高反射性能的algaas/gaas dbr与inp基有源区键合、采用光学介质dbr结构或引入锑元素的方法。

5、但是，上述方法均未取得较为满意的效果，制备得到的长波长的vcsel中，光电能性较差，且无法实现实用性要求。

技术实现思路

1、本技术提供了一种长波长垂直腔表面发射激光器及其制备方法，以解决现有长波长vcsel中的光电能性较差，且无法实现实用性要求的技术问题。

2、本技术第一方面提供长波长垂直腔表面发射激光器的制备方法，包括：s1：提供一层n-inp衬底；s2：在衬底上依次生长n-inp缓冲层；s3：在n-inp缓冲层背离n-inp衬底的一侧生长n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构；其中，第一n-inp的厚度小于第二n-inp的厚度；s4：在第二n-inp上腐蚀多个第一孔洞；其中，第一孔洞阵列排布在第二n-inp，第一孔洞的高度与第二n-inp的高度相同；s5：在第一孔洞内沉积第一介质绝缘材料层；其中，第一介质绝缘材料层的高度与第一孔洞的高度相同；s6：重复执行步骤s3至步骤s5，5至12次；s7：在n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构上依次生长n-inp空间层、周期性alingaas/inalgaas多量子阱层、p-inp空间层、p型alinas/inp dbr结构；s8：在p型alinas/inp dbr结构上刻蚀形成多个第二孔洞，得到晶圆结构；其中，第二孔洞阵列排布在p型alinas/inp dbr结构上，第二孔洞的高度与p型alinas/inp dbr结构的高度相同；s9：将晶圆结构浸泡在hf溶液中，hf溶液通过第二孔洞腐蚀p型alinas/inp dbr结构中的alinas，以在每个第二孔洞的轴向形成多个间隔分布的环形空腔；s10：在第二孔洞和环形空腔内填充第二介质绝缘材料层；s11：分别在p型alinas/inp dbr结构和n-inp衬底上沉积第一电极和第二电极，以得到长波长垂直腔表面发射激光器；其中，第一电极覆盖多个第二通孔。

3、可选的，s4包括：s41：在第二n-inp上刻画多个第一图案层；其中，多个第一图案层阵列排布在第二n-inp上；s42：刻蚀第一图案层以及被第一图案层覆盖的第二n-inp，形成多个第一孔洞。

4、可选的，第一介质绝缘材料层的材料为氧化钛、氧化硅、氧化铌、氧化铝、氮化硅中的一种；第二介质绝缘材料层的材料为氧化钛、氧化硅、氧化铌、氧化铝、氮化硅中的一种。

5、可选的，p型alinas/inp dbr结构的周期数为25-35；周期性alingaas/inalgaas多量子阱层的周期数为1-8。

6、可选的，n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构中，第一n-inp的厚度为135nm，ingaas的厚度为2nm，第二n-inp的厚度为275nm；p型alinas/inp dbr结构的周期数为32，每一周期p型alinaas/inp dbr结构中，alinas的厚度为135nm，inp的厚度为128nm；周期性alingaas/inalgaas多量子阱层的周期数为3，每一周期周期性alingaas/inalgaas多量子阱层的中，alingaas的厚度为5nm，inalgaas的厚度为8nm。

7、可选的，n-inp衬底的厚度为350μm，n-inp缓冲层的厚度为0.5-1μm。

8、可选的，第一孔洞的直径为2-4μm，任意相邻两个第一孔洞之间的距离为4-6μm。

9、可选的，第二孔洞的直径为10-20μm，任意相邻两个第二孔洞之间的距离为500-1000μm。

10、本技术第一方面提供的长波长垂直腔表面发射激光器的制备方法，采用选择性腐蚀以及介质绝缘材料薄膜沉积的方法来制备下dbr结构，能够有效保证该长波长垂直腔表面发射激光器的光电性能，且满足实用性要求，同时还能够有效减少制备对数，提高散热能力，进而提高生产速率。而且该制备方法能够降低生产工艺和制备工艺设备的依赖程度，降低工艺门槛，能够实现大尺寸晶圆结构的生长和制备，同时还可以减少生产时间，提高制备效率，降低生产成本。

11、本技术第二方面提供的长波长垂直腔表面发射激光器，包括：n-inp衬底；n-inp缓冲层，生长在n-inp衬底上；n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构，生长在n-inp缓冲层上；其中，n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构的周期数为6至13；每一周期的n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构中的第二n-inp设有阵列排布的多个第一孔洞，第一孔洞的高度与第二n-inp的高度相同；第一介质绝缘材料层，沉积在第一孔洞内；依次生长在n型第一n-inp/ingaas/第二n-inp dbr结构上的n-inp空间层、周期性alingaas/inalgaas多量子阱层、p-inp空间层、p型alinas/inp dbr结构，其中，p型alinas/inp dbr结构设有阵列排布的多个第二孔洞，第二孔洞的高度与p型alinas/inp dbr结构的高度相同；环形空腔，间隔设置在第二孔洞的外周；其中，环形空腔为hf溶液通过第二孔洞腐蚀p型alinas/inp dbr结构中的alinas形成，每个第二孔洞对应多个环形空腔；第二介质绝缘材料层，填充在第二孔洞和环形空腔内；第一电极，沉积在p型alinas/inp dbr结构上；第二电极，沉积在n-inp衬底上。

12、可选的，第一介质绝缘材料层的材料为氧化钛、氧化硅、氧化铌、氧化铝、氮化硅中的一种；第二介质绝缘材料层的材料为氧化钛、氧化硅、氧化铌、氧化铝、氮化硅中的一种。

13、本技术第二方面提供的长波长垂直腔表面发射激光器由上述第一方面提供的制备方法制备得到，因此，其具有的有益技术效果可参见第一方面，此处不再赘述。