一种新型DBR结构的VCSEL制造技术

本实用新型专利技术提供一种新型DBR结构的VCSEL，包括背面设有N面电极的导电衬底，导电衬底的表面自下而上依次生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，量子阱有源区表面一区域生长有氧化限制层，氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物Al

【技术实现步骤摘要】
一种新型DBR结构的VCSEL
本技术涉及半导体
，具体涉及一种新型DBR结构的VCSEL。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(Vertical-CavitySurface-EmittingLaser，VCSEL)以其功耗低、易于二维集成、圆形光斑易与光纤耦合、在片测试节省成本等优势，广泛应用于3D感测、激光打印、光通信和光存储等领域。VCSEL一般包括柱状的谐振器结构，其中包括缓冲层、下DBR(DistributedBraggReflection，分布式布拉格反射镜)、下限制层、量子阱发光层、上限制层、上DBR和欧姆接触层。为了降低阈值电流，采用氧化或质子注入形成电流限制结构。在欧姆接触层和衬底背面分别制作电极，电流从电极注入到量子阱有源区，电子-空穴复合在量子阱中发光，经上下DBR反射，从谐振器结构的顶部发射激光。由于量子阱增益只有1％左右，因此上下DBR的反射率都在99％以上。在近红外波长范围，DBR一般采用高、低组分的AlGaAs材料。DBR的反射率与DBR材料的折射率差和DBR对数有关，而DBR的串联电阻和对光的吸收都与DBR对数成正比。但是，本技术的专利技术人经过研究发现，现有VCSEL结构中DBR高、低折射率材料的折射率差比较小。
技术实现思路
针对现有现有VCSEL结构中DBR高、低折射率材料的折射率差比较小的技术问题，本技术提供一种新型DBR结构的VCSEL，通过将DBR中高Al组分的AlGaAs材料用空气代替，增大了DBR材料的折射率差，减少了DBR对数，进而减小了串联电阻和对光的吸收。为了解决上述技术问题，本技术采用了如下的技术方案：一种新型DBR结构的VCSEL，包括导电衬底，所述导电衬底的背面设有N面电极，所述导电衬底的表面自下而上依次外延生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，所述量子阱有源区表面的一区域外延生长有圆形氧化限制层，所述圆形氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物AlxOy圆环，所述圆形氧化限制层和铝氧化产物AlxOy的表面设有平面圆形的P型DBR，在所述铝氧化产物AlxOy和P型DBR同层外周的量子阱有源区表面设有SiO2填充层，所述P型DBR的表面设有空气隙DBR，所述SiO2填充层的表面设有与P型DBR电连接且与空气隙DBR匹配的P面电极。进一步，所述圆形氧化限制层为Alx1Ga1-x1As，x1的典型值为0.98，所述圆形氧化限制层的厚度为30nm，所述圆形氧化限制层的直径d1为5μm。进一步，所述P型DBR由3对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/Alx2Ga1-x2As材料层叠构成，所述x2的典型值为0.8；其中，λ0为VCSEL的激射波长。进一步，所述空气隙DBR由10～12对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/air材料构成，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱，即所述空气隙DBR包括上下结构的多层Al0.12Ga0.88As高折射率材料，上下相邻的两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料之间设有两个未被氧化的Alx3Ga1-x3As支撑柱，每一层Al0.12Ga0.88As高折射率材料的结构为同一圆的双扇形结构对接而成的哑铃型平面结构，每一个Alx3Ga1-x3As支撑柱为一扇形柱，上下相邻两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料之间的两个Alx3Ga1-x3As支撑柱，扇形中心顶点相对且有空气隙间距d2，所述空气隙间距d2大于圆形氧化限制层的直径d1；其中，λ0为VCSEL的激射波长。进一步，所述x3的典型值为0.92，所述d2的典型值为7μm。进一步，所述P面电极具有两个分支与空气隙DBR中Al0.12Ga0.88As哑铃型平面结构中间的细腰匹配。进一步，所述Al0.12Ga0.88As哑铃型平面结构中间的细腰宽度d4优选为8μm。进一步，所述铝氧化产物AlxOy圆环的外径和P型DBR的直径均为d3，且所述直径d3优选为25μm。本技术还提供一种前述新型DBR结构的VCSEL的制备方法，所述方法包括以下步骤：S1、选取一N型GaAs导电衬底放入红光MOCVD中，通入H2和AsH3去除表面的水和氧化物，在导电衬底表面上自下而上依次外延生长N型GaAs缓冲层、N型DBR、InGaAs/AlGaAs量子阱有源区、圆形氧化限制层、P型DBR和空气隙DBR；S2、经两次光刻和干法刻蚀，形成两个台面：自下而上第一台面为圆柱型，刻蚀至量子阱有源区，第二台面为左右对称的两个扇形，刻蚀至P型DBR；将刻蚀完成的外延片放入氧化炉中，通入N2和水蒸气，炉内温度为420℃-430℃，高Al组分的AlGaAs材料被氧化成AlxOy；通过红外CCD监控，氧化层形成，空气隙DBR处Alx3Ga1-x3As氧化贯通，且留有未氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱；S3、利用PECVD在第一台面沉积SiO2至与第二台面齐平，然后在第二台面和SiO2上制作P面电极；S4、利用湿法腐蚀将空气隙DBR中形成的AlxOy腐蚀掉，形成空气隙结构，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱；S5、将导电衬底减薄，在背面溅射N面电极，形成新型DBR结构的VCSEL。进一步，所述步骤S5中，将导电衬底减薄至100μm。与现有技术相比，本技术提供的新型DBR结构的VCSEL及其制备方法，具有以下有益效果：采用本申请中的空气隙DBR结构，增加了DBR高、低折射率材料的折射率差，在保持DBR反射率不变的情况下，可以大大减少DBR对数，进而减小了DBR的串联电阻和对光的吸收损耗，提高了VCSEL结构的斜效率和光电转换效率。附图说明图1是本技术提供的新型DBR结构的VCSEL示意图。图2a是本技术提供的新型DBR结构的VCSEL俯视示意图。图2b是本技术提供的新型DBR结构的VCSEL剖面示意图。图3是本技术实施例在导电衬底上利用MOCVD外延生长的结构示意图。图4a是本技术实施例经光刻、干法刻蚀后的结构示意图。图4b是本技术实施例经氧化后的结构示意图。图5是本技术实施例经SiO2平坦化和制作P面电极后的结构示意图。图6是本技术实施例利用湿法腐蚀后得到的空气隙DBR结构示意图。图中，10、导电衬底；11、N型GaAs缓冲层；12、N型DBR；13、量子阱有源区；14、圆形氧化限制层；141、铝氧化产物AlxOy；15、P型DBR；16、空气隙DBR；160、Al0.12Ga0.88As高折射率材料；161、Alx3Ga1-x3As支撑柱；162、空气隙；20、SiO2填充层；30、P面电极；31、N面电极。具体实施方式为了使本技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本技术。在本技术的描述中，需要理解的是，术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型DBR结构的VCSEL，其特征在于，包括导电衬底，所述导电衬底的背面设有N面电极，所述导电衬底的表面自下而上依次外延生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，所述量子阱有源区表面的一区域外延生长有圆形氧化限制层，所述圆形氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物Al

【技术特征摘要】
1.一种新型DBR结构的VCSEL，其特征在于，包括导电衬底，所述导电衬底的背面设有N面电极，所述导电衬底的表面自下而上依次外延生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，所述量子阱有源区表面的一区域外延生长有圆形氧化限制层，所述圆形氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物AlxOy圆环，所述圆形氧化限制层和铝氧化产物AlxOy的表面设有平面圆形的P型DBR，在所述铝氧化产物AlxOy和P型DBR同层外周的量子阱有源区表面设有SiO2填充层，所述P型DBR的表面设有空气隙DBR，所述SiO2填充层的表面设有与P型DBR电连接且与空气隙DBR匹配的P面电极。


2.根据权利要求1所述的新型DBR结构的VCSEL，其特征在于，所述圆形氧化限制层为Alx1Ga1-x1As，x1的典型值为0.98，所述圆形氧化限制层的厚度为30nm，所述圆形氧化限制层的直径d1为5μm。


3.根据权利要求1所述的新型DBR结构的VCSEL，其特征在于，所述P型DBR由3对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/Alx2Ga1-x2As材料层叠构成，所述x2的典型值为0.8；其中，λ0为VCSEL的激射波长。


4.根据权利要求1所述的新型DBR结构的VCSEL，其特征在于，所述空气隙DBR由10～12对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/air材料构成，且未被氧化的Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：周广正，黄瑞，代京京，
申请(专利权)人：中证博芯重庆半导体有限公司，
类型：新型
国别省市：重庆;50