双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法技术

本申请提供了一种双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法。本申请提供的双波长垂直腔面发射激光器包括：层叠设置的衬底、长波激光发射模组、隧道结、短波激光发射模组和电极接触层。本申请中提供的所述双波长垂直腔面发射激光器可以制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，上述硅基双波长垂直腔面发射激光器可直接基于硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。硅基电路系统的集成技术。硅基电路系统的集成技术。

【技术实现步骤摘要】
双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法


[0001]本申请涉及半导体激光器的
，具体而言，涉及一种双波长垂直腔面发射激光器，其外延工艺可一次完成，且器件集成工艺简单，通过调节激射条件可以切换不同的激射波长，方便应用于各种光探测领域，推广价值较大。

技术介绍

[0002]随着半导体激光器技术发展迅速，受到光通信、3D传感、AR/VR、自动驾驶等领域的开发驱动，半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)引起了广泛关注。激射波长为1500～1600nm范围内的长波长VCSEL可应用于长距离光纤通信、车载雷达、工业智能控制等长距通讯和探测领域。而激射波长为620～650nm范围内的短波长VCSEL可广泛应用于短距离数据通信、材料检测和工业加工与探测等领域。随着5G通信、智能家居、智能制造等系统技术的日益成熟，市场对于长波及短波VCSEL的需求均愈发迫切，VCSEL的市场应用规模也越来越大。然而将长波VCSEL及短波VCSEL集成在同一衬底的半导体激光器仍然需要克服很多技术问题。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本申请提供一种双波长垂直腔面发射激光器及其制备方法，本申请的双波长垂直腔面发射激光器可以基于晶硅材料制备得到激射波长为1500～1600nm和620～650nm的双波长VCSEL。相比于传统的InP基长波长VCSEL和GaAs基短波长VCSEL，本申请的双波长垂直腔面发射激光器可直接基于单晶硅片制备得到长短波长共存的双波长VCSEL器件，方便应用于探测类型较多的智能家居、半导体检测及工业探测等领域，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低衬底成本的同时还可以促进VCSEL与硅基电路系统的集成技术。
[0004]本申请提供的技术方案如下：
[0005]本申请提供一种双波长垂直腔面发射激光器，包括：
[0006]衬底，所述衬底为硅片；
[0007]长波激光发射模组，设置于所述衬底的表面；
[0008]隧道结，设置于所述长波激光发射模组远离所述衬底的表面；
[0009]短波激光发射模组，设置于所述隧道结远离所述长波激光发射模组的表面；以及
[0010]电极接触层，设置于所述短波激光发射模组远离所述隧道结的表面。
[0011]进一步地，所述衬底为p型单晶硅衬底；
[0012]所述长波激光发射模组包括：
[0013]p型缓冲层，设置于所述p型单晶硅衬底的表面；
[0014]第一p型反射层，设置于所述p型缓冲层远离所述p型单晶硅衬底的表面；
[0015]多量子阱长波激光发射单元，设置于所述第一p型反射层远离所述p型缓冲层的表面，所述多量子阱长波激光发射单元的激射波长为1500nm～1600nm；
[0016]第一n型反射层，设置于所述多量子阱长波激光发射单元远离所述第一p型反射层的表面；
[0017]n型缓冲层，设置于所述第一n型反射层远离所述多量子阱长波激光发射单元的表面；
[0018]所述隧道结为GaNAs隧道结，设置于所述n型缓冲层远离所述第一n型反射层的表面；
[0019]所述短波激光发射模组包括：
[0020]第二p型反射层，设置于所述GaNAs隧道结远离所述n型缓冲层的表面；
[0021]多量子阱短波激光发射单元，设置于所述第二p型反射层远离所述GaNAs隧道结的表面，所述多量子阱短波激光发射单元的激射波长为620nm～650nm；
[0022]第二n型反射层，设置于所述多量子阱短波激光发射单元远离所述第二p型反射层的表面；
[0023]所述电极接触层为n型GaNP电极接触层，设置于所述第二n型反射层远离所述多量子阱短波激光发射单元的表面。
[0024]进一步地，所述衬底为n型掺杂硅衬底；
[0025]所述长波激光发射模组包括：
[0026]n型缓冲层，设置于所述n型掺杂硅衬底的表面；
[0027]第一n型反射层，设置于所述n型缓冲层远离所述n型掺杂硅衬底的表面；
[0028]多量子阱长波激光发射单元，设置于所述第一n型反射层远离所述n型缓冲层的表面，所述多量子阱长波激光发射单元的激射波长为1500nm ～1600nm；
[0029]第一p型反射层，设置于所述多量子阱长波激光发射单元远离所述第一n型反射层的表面；
[0030]p型缓冲层，设置于所述第一p型反射层远离所述多量子阱长波激光发射单元的表面；
[0031]所述隧道结为GaNAs隧道结，设置于所述p型缓冲层远离所述第一p型反射层的表面；
[0032]所述短波激光发射模组包括：
[0033]第二n型反射层，设置于所述GaNAs隧道结远离所述p型缓冲层的表面；
[0034]多量子阱短波激光发射单元，设置于所述第二n型反射层远离所述GaNAs隧道结的表面，所述多量子阱短波激光发射单元的激射波长为620nm～650nm；
[0035]第二p型反射层，设置于所述多量子阱短波激光发射单元远离所述第二n型反射层的表面；
[0036]所述电极接触层为p型GaNP电极接触层，设置于所述第二p型反射层远离所述多量子阱短波激光发射单元的表面。
[0037]进一步地，所述多量子阱长波激光发射单元的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为GaNP/GaNAs/GaNP，其中有源区材料GaNAs的光学带隙为0.75eV～0.85eV。
[0038]进一步地，所述GaNAs隧道结包括n型GaNAs和p型GaNAs，其中，所述n型GaNAs的掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3～1
×
10
20
cm
‑3，所述n型GaNAs的厚度为5nm～10nm；所述p型GaNAs掺杂浓度为1
×
10
19
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‑3～5
×
10
20
cm
‑3，所述p型GaNAs的厚度为5nm～10nm。
[0039]进一步地，所述多量子阱短波激光发射单元的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为AlNP/GaNP/AlNP，其中有源区材料GaNP的光学带隙为1.9eV～2.0eV。
[0040]进一步地，所述p型缓冲层的晶格常数、所述第一p型反射层的晶格常数、所述多量子阱长波激光发射单元的晶格常数、所述第一n型反射层的晶格常数、所述n型缓冲层的晶格常数、所述隧道结的晶格常数、所述第二p型反射层的晶格常数、所述多量子阱短波激光发射单元的晶格常数、所述第二n型反射层的晶格常数以及所述n型电极接触层的晶格常数均与所述p型硅衬底的晶格常数相同。
[0041]进一步地，所述p型缓冲层的材料为GaNP，所述p型缓冲层的厚度为300nm～1000nm；
[0042]所述第一p型反射层为分布式布拉格反射层，包括30对～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
[0043]所述第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：衬底(101)，所述衬底(101)为硅片；长波激光发射模组(102)，设置于所述衬底(101)的表面；隧道结(103)，设置于所述长波激光发射模组(102)远离所述衬底(101)的表面；短波激光发射模组(104)，设置于所述隧道结(103)远离所述长波激光发射模组(102)的表面；以及电极接触层(105)，设置于所述短波激光发射模组(104)远离所述隧道结(103)的表面。2.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底(101)为p型单晶硅衬底(1)；所述长波激光发射模组(102)包括：p型缓冲层(2)，设置于所述p型单晶硅衬底(1)的表面；第一p型反射层(3)，设置于所述p型缓冲层(2)远离所述p型单晶硅衬底(1)的表面；多量子阱长波激光发射单元(4)，设置于所述第一p型反射层(3)远离所述p型缓冲层(2)的表面，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的激射波长为1500nm～1600nm；第一n型反射层(5)，设置于所述多量子阱长波激光发射单元(4)远离所述第一p型反射层(3)的表面；n型缓冲层(6)，设置于所述第一n型反射层(5)远离所述多量子阱长波激光发射单元(4)的表面；所述隧道结(103)为GaNAs隧道结(7)，设置于所述n型缓冲层(6)远离所述第一n型反射层(5)的表面；所述短波激光发射模组(104)包括：第二p型反射层(8)，设置于所述GaNAs隧道结(7)远离所述n型缓冲层(6)的表面；多量子阱短波激光发射单元(9)，设置于所述第二p型反射层(8)远离所述GaNAs隧道结(7)的表面，所述多量子阱短波激光发射单元(9)的激射波长为620nm～650nm；第二n型反射层(10)，设置于所述多量子阱短波激光发射单元(9)远离所述第二p型反射层(8)的表面；所述电极接触层(105)为n型GaNP电极接触层(11)，设置于所述第二n型反射层(10)远离所述多量子阱短波激光发射单元(9)的表面。3.根据权利要求1所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述衬底(101)为n型掺杂硅衬底(21)；所述长波激光发射模组(102)包括：n型缓冲层(22)，设置于所述n型掺杂硅衬底(21)的表面；第一n型反射层(23)，设置于所述n型缓冲层(22)远离所述n型掺杂硅衬底(21)的表面；多量子阱长波激光发射单元(4)，设置于所述第一n型反射层(23)远离所述n型缓冲层(22)的表面，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的激射波长为1500nm～1600nm；第一p型反射层(25)，设置于所述多量子阱长波激光发射单元(4)远离所述第一n型反射层(23)的表面；p型缓冲层(26)，设置于所述第一p型反射层(25)远离所述多量子阱长波激光发射单元(4)的表面；
所述隧道结(103)为GaNAs隧道结(7)，设置于所述p型缓冲层(26)远离所述第一p型反射层(25)的表面；所述短波激光发射模组(104)包括：第二n型反射层(28)，设置于所述GaNAs隧道结(7)远离所述p型缓冲层(26)的表面；多量子阱短波激光发射单元(9)，设置于所述第二n型反射层(28)远离所述GaNAs隧道结(7)的表面，所述多量子阱短波激光发射单元(9)的激射波长为620nm～650nm；第二p型反射层(30)，设置于所述多量子阱短波激光发射单元(9)远离所述第二n型反射层(28)的表面；所述电极接触层(105)为p型GaNP电极接触层(31)，设置于所述第二p型反射层(30)远离所述多量子阱短波激光发射单元(9)的表面。4.根据权利要求2或3所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多量子阱长波激光发射单元(4)的量子阱数目为2～5个，量子阱结构为GaNP/GaNAs/GaNP，其中有源区材料GaNAs的光学带隙为0.75eV～0.85eV。5.根据权利要求2或3所述的双波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述GaNAs隧道结(7)包括n型GaNAs和p型GaNAs，其中，所述n型GaNAs的掺杂浓度为1
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‑3，所述n型GaNAs的厚度为5nm～10nm；所述p型GaNAs掺杂浓度为1
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‑3，所述p型GaNAs的厚度为5nm～10nm。6.根据权利要求2或3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翠柏，
申请(专利权)人：深圳市中科芯辰科技有限公司，
类型：发明
国别省市：