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CN107196187A - 一种GaAs基垂直腔面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

一种GaAs基垂直腔面发射激光器及其制造方法 Download PDF

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CN107196187A CN201710239555.5A CN201710239555A CN107196187A CN 107196187 A CN107196187 A CN 107196187A CN 201710239555 A CN201710239555 A CN 201710239555A CN 107196187 A CN107196187 A CN 107196187A
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gaas
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vertical cavity
surface emitting
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杨亿斌
李京波
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Guangdong University of Technology
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Guangdong University of Technology
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Abstract

本发明公开了一种GaAs基垂直腔面发射激光器及其制造方法，该激光器自下而上依次由n型电极、GaAs衬底、图形化底部反射镜、n型GaAs、n型AlGaAs、InGaAs/AlGaAs有源层、p型AlGaAs、p型GaAs、透明导电层、顶部反射镜、p型电极构成，所述图形化底部反射镜为圆环结构，所述圆环结构的内径为1μm～30μm，所述圆环结构的外径为3μm～50μm；所述图形化底部反射镜由SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5中的两种材料相互交叠而成。本发明还公开了一种GaAs基垂直腔面发射激光器的制备方法。本激光器具有尺寸大小可控、位错密度低、缺陷少，漏电源低、性能稳定、量子效率高等特点。

Description

一种GaAs基垂直腔面发射激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及激光器，尤其涉及一种GaAs基垂直腔面发射激光器及其制造方法。
背景技术
GaAs基半导体激光器的结构可分为边缘发射和垂直腔面发射两种。相对于GaAs基边缘发射激光器，GaAs基垂直腔面发射激光器的优点包括：有源区和腔长只有亚微米量级，易实现低阈值电流；具有良好的动态单纵模和空间发射模特性；光场与光纤的耦合效率大大提高，而无需光束整形系统；可以很容易地实现高密度二维面阵列的集成以及更高的功率输出；制备工艺与LED兼容，可以降低大规模制造的成本。因此，研究GaAs基垂直腔面发射激光器具有重要的意义。
然而，目前垂直腔面发射激光器主要是利用自上而下的制备方法，即把平面结构的垂直腔面发射激光器外延结构通过干法刻蚀的方法制备成亚毫米或者微米结构，这样会引入大量的表面损伤从而导致漏电，降低了器件的发光效率和稳定性。另外，底部反射镜通常是镀在GaAs衬底以下，这样会使工艺变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种GaAs基垂直腔面发射激光器，具有尺寸大小可控、位错密度低、缺陷少，漏电源低、性能稳定、量子效率高等特点。
本发明所采用的技术方案：一种GaAs基垂直腔面发射激光器，该激光器自下而上依次由n型电极、GaAs衬底、图形化底部反射镜、n型GaAs、n型AlGaAs、InGaAs/AlGaAs有源层、p型AlGaAs、p型GaAs、透明导电层、顶部反射镜、p型电极构成。
优选的，所述图形化底部反射镜为圆环结构。
优选的，所述圆环结构的内径为1μm～30μm，所述圆环结构的外径为3μm～50μm。
优选的，所述图形化底部反射镜由SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5中的两种材料相互交叠而成。
优选的，所述图形化底部反射镜的底部通过进行光刻和显影形成图案。
优选的，所述激光器的外观形貌是微米尺度的六棱柱结构。
一种GaAs基垂直腔面发射激光器的制备方法，：包括如下步骤：
步骤1：在GaAs衬底上镀底部反射镜；
步骤2：在底部反射镜上涂上光刻胶，并进行光刻和显影；
步骤3：通过刻蚀并去除光刻胶，得到图形化底部反射镜；
步骤4：在图形化底部反射镜上外延生长n型GaAs；
步骤5：继续外延生长n型AlGaAs、InGaAs/AlGaAs有源层、p型AlGaAs、p型GaAs；
步骤6：在p型GaAs上镀上透明导电层和顶部反射镜；
步骤7：通过刻蚀，将顶部反射镜刻蚀为圆形；
步骤8：在透明导电层上镀上环形的p型电极，在GaAs衬底上镀上n型电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)现有技术中GaAs基垂直腔面发射激光器因工艺问题导致的缺陷多、位错多等问题，并且为了简化工艺步骤、提高发光效率和稳定性，本发明提出一种GaAs基垂直腔面发射激光器。该激光器内嵌了图形化底部反射镜，该设置的有益效果是，图形化的底部反射镜能够阻挡位错，从而提高器件的晶体质量；(2)GaAs基材料属于六方晶系，图形化的底部反射镜能够促使GaAs基材料外延生长为六棱柱三维立体结构，因此无需对材料进行刻蚀就能够实现外延片上器件之间的隔离。(3)此外，将图形化底部反射镜镀在GaAs衬底上面，而不是下面，这样有利于简化后续的制备工艺；(4)本发明的激光器具有尺寸大小可控、位错密度低、缺陷少，漏电源低、性能稳定、量子效率高等特点。
附图说明
图1为本发明一种GaAs基垂直腔面发射激光器的截面图。
图2是本发明实施例1提供的一种GaAs基垂直腔面发射激光器的制备方法示意图。
图3是图2(c)的俯视图。
图4是图2(e)的俯视图。
图5是图2(g)的俯视图。
图6是图2(h)的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种GaAs基垂直腔面发射激光器，该激光器自下而上依次由n型电极11、GaAs衬底1、图形化底部反射镜2、n型GaAs3、n型AlGaAs4、InGaAs/AlGaAs有源层5、p型AlGaAs6、p型GaAs7、透明导电层8、顶部反射镜9、p型电极10构成。
在本发明的具体技术方案中，所述图形化底部反射镜2为圆环结构，所述圆环结构的内径为1μm～30μm，所述圆环结构的外径为3μm～50μm，所述图形化底部反射镜2由SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5中的两种材料相互交叠而成，其中，每种材料的厚度是该激光器波长的0.25倍，其制备方法为磁控溅射、电子束蒸发或者等离子增强化学气相沉积；所述图形化底部反射镜2的底部通过进行光刻和显影形成图案；所述激光器的外观形貌是微米尺度的六棱柱结构。
一种GaAs基垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在GaAs衬底1上镀底部反射镜；
步骤2：在底部反射镜上涂上光刻胶，并进行光刻和显影；
步骤3：通过刻蚀并去除光刻胶，得到图形化底部反射镜2；
步骤4：在图形化底部反射镜2上外延生长n型GaAs3；
步骤5：继续外延生长n型AlGaAs4、InGaAs/AlGaAs有源层5、p型AlGaAs6、p型GaAs7；
步骤6：在p型GaAs7上镀上透明导电层8和顶部反射镜9；
步骤7：通过刻蚀，将顶部反射镜9刻蚀为圆形；
步骤8：在透明导电层8上镀上环形的p型电极10，在GaAs衬底1上镀上n型电极11。
实施例1
如图2所示，一种GaAs基垂直腔面发射激光器的制备步骤为：
步骤1：采用电子束蒸发的方法，在GaAs衬底1上镀底部反射镜2，如图2(a)所示，镀底部反射镜2由SiO2和TiO2相互交叠而成，总的层数为12层。
步骤2：在底部反射镜2上涂上光刻胶12，并进行光刻和显影，露出刻蚀窗口，如图2(b)所示。
步骤3：通过刻蚀并去除光刻胶12，得到图形化底部反射镜2，如图2(c)所示，其俯视图如图3所示，该图形化底部反射镜为圆环结构，圆环的外径为3μm，内径为1μm。
步骤4：在图形化底部反射镜2上外延生长n型GaAs3，如图2(d)所示。
步骤5：继续外延生长n型AlGaAs4、InGaAs/AlGaAs有源层5、p型AlGaAs6、p型GaAs7，如图2(e)所示，其俯视图如图4所示，由于GaAs属于六方晶系，因此其三维立体的外延结构为六棱柱。
步骤6：在p型GaAs7上镀上透明导电层8和顶部反射镜9，如图2(f)所示。
步骤7：通过刻蚀，将顶部反射镜刻9蚀为圆形，如图2(g)所示，其俯视图如图5所示。
步骤8：在透明导电层8上镀上环形的p型电极10，在GaAs衬底1上镀上n型电极11，如图2(h)所示，其俯视图如图6所示。
实施例2
实施例2采用与实施例1基本一致的器件结构和制备方法。其中，将图形化底部反射镜2改为内径为30μm，外径为50μm的圆环，材料为SiO2和HfO2相互交叠而成，总的层数为14层，制备方法为磁控溅射.
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种GaAs基垂直腔面发射激光器，其特征在于：该激光器自下而上依次由n型电极、GaAs衬底、图形化底部反射镜、n型GaAs、n型AlGaAs、InGaAs/AlGaAs有源层、p型AlGaAs、p型GaAs、透明导电层、顶部反射镜、p型电极构成。
2.根据权利要求1所述的一种GaAs基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述图形化底部反射镜为圆环结构。
3.根据权利要求2所述的一种GaAs基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述圆环结构的内径为1μm～30μm，所述圆环结构的外径为3μm～50μm。
4.根据权利要求1所述的一种GaAs基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述图形化底部反射镜由SiO2、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5中的两种材料相互交叠而成。
5.根据权利要求1所述的一种GaAs基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述图形化底部反射镜的底部通过进行光刻和显影形成图案。
6.根据权利要求1所述的一种GaAs基垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述激光器的外观形貌是微米尺度的六棱柱结构。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种GaAs基垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：在GaAs衬底上镀底部反射镜；
步骤2：在底部反射镜上涂上光刻胶，并进行光刻和显影；
步骤3：通过刻蚀并去除光刻胶，得到图形化底部反射镜；
步骤4：在图形化底部反射镜上外延生长n型GaAs；
步骤5：继续外延生长n型AlGaAs、InGaAs/AlGaAs有源层、p型AlGaAs、p型GaAs；
步骤6：在p型GaAs上镀上透明导电层和顶部反射镜；
步骤7：通过刻蚀，将顶部反射镜刻蚀为圆形；
步骤8：在透明导电层上镀上环形的p型电极，在GaAs衬底上镀上n型电极。
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