CN112152087B - 一种亚单层量子点垂直腔激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种亚单层量子点垂直腔激光器及其制造方法，既能够实现应变量子阱的优势，又不会引入额外的非辐射复合损耗，提高激光器量子效率和温度稳定性等方面性能；解决了现有技术中量子阱VCSEL激光器量子效率、温度稳定性等方面性能的不足。本发明提供的制备方法采用了特殊的亚单层量子点制备技术，相对于常规的量子阱有源区，本发明中的亚单层量子点具备三维量子束缚，而且材料发光性能和光电特性都有很大的提升，同时相对于常规量子点，本发明中的亚单层量子点兼具了量子阱高均一性的优点。本发明通过原位的热处理，提供了材料质量，从而实现高量子效率的垂直腔激光器芯片或VCSEL芯片。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种亚单层量子点垂直腔激光器及其制造方法。
背景技术
垂直腔激光器(VCSEL)由于其低电流阈值、优越的光束特性、高封装密度等优势，在光通信和3D传感等应用中扮演着日益重要的角色。垂直腔激光器通常由不同掺杂类型的两个上下布拉格反射镜和一个有源区组成。垂直腔激光器有源区通常包括多个InGaAs/(Al)GaAs、InAlGaAs/(Al)GaAs等材料形成的应变量子阱。应变量子阱通常在提高器件效率、速度，同时降低电流阈值和线宽方面有较大作用，但是多层应变量子阱材料应力释放过程中会产生缺陷，引入额外的非辐射复合损耗，从而降低器件的性能，限制了激光器效率等发明性能的提升。另一方面，量子阱只有一维束缚，电子能带结构呈现出台阶状态密度，由此，量子阱激光器往往出现温度稳定性差和在高注入下出现烧孔效应等缺点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种亚单层量子点垂直腔激光器及其制造方法，用于解决现有技术中存在的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种亚单层量子点垂直腔激光器，应用于垂直腔激光器VCSEL芯片；包括：
衬底；
在所述衬底上依次外延沉积缓冲层、N型DBR层、N型波导限制层、亚单层量子点、P型波导限制层、氧化层、P型DBR层和P型欧姆接触层，形成外延层结构；
对所述外延层结构进行光刻和刻蚀，形成芯片台面；
还包括有两个金属电极；其中一个金属电极沉积在所述衬底的背面，另一个金属电极沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上；其中，所述衬底的背面为所述衬底不进行外延生长的一面。
可选地，所述亚单层量子点在所述衬底上形成亚单层量子点源区；其中，所述亚单层量子点源区包括：GaAs势垒层、InGaAs亚单层量子点和AlGaAs波导限制层势阱；
形成所述亚单层量子点源区的具体过程包括：
在所述N型DBR层表面生长N型AlGaAs波导限制层；
在所述N型AlGaAs波导限制层表面生长第一层GaAs势垒层，并将生长温度降低至预设温度；
在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点；并在生长后继续沉积一个或多个原子层GaAs；
在所述InGaAs亚单层量子点依次覆盖生长两层不同温度的GaAs势垒层；其中，先生长的一层GaAs势垒层的生长温度低于后生长的一层GaAs势垒层。
可选地，在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点时，包括：生长多个周期的交替外延沉积InAs和GaAs，以及在GaAs表面外延不到一个单原子层的InAs材料。
可选地，所述InGaAs亚单层量子点的有源区整体结构厚度为λ；其中，λ为垂直腔激光器芯片的发光中心波长。
可选地，所述InGaAs亚单层量子点的结构可以重复一个或多个周期。
可选地，所述N型DBR层和所述P型DBR层均包括一个或多个周期的异质结；
所述异质结包括两个不同折射率的半导体层；其中一个半导体层的折射率高于另一个半导体层。
可选地，沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上电极为环形金属电极。
可选地，所述衬底为N型掺杂的单晶。
本发明还提供一种制造亚单层量子点垂直腔激光器的方法，包括以下步骤：
在预设衬底上依次外延沉积缓冲层、N型DBR层、N型波导限制层、亚单层量子点、P型波导限制层、氧化层、P型DBR层和P型欧姆接触层，形成外延层结构；
对外延层结构进行光刻和刻蚀，形成芯片台面；
还包括有两个金属电极；其中一个金属电极沉积在所述衬底的背面，另一个金属电极沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上；其中，所述衬底的背面为所述衬底不进行外延生长的一面；
其中，所述亚单层量子点在所述衬底上形成亚单层量子点源区；所述亚单层量子点源区包括：GaAs势垒层、InGaAs亚单层量子点和AlGaAs波导限制层势阱；形成所述亚单层量子点源区的具体过程包括：
在所述N型DBR层表面生长N型AlGaAs波导限制层；
在所述N型AlGaAs波导限制层表面生长第一层GaAs势垒层，并将生长温度降低至预设温度；
在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点；并在生长后继续沉积一个或多个原子层GaAs；
在所述InGaAs亚单层量子点依次覆盖生长两层不同温度的GaAs势垒层；其中，先生长的一层GaAs势垒层的生长温度低于后生长的一层GaAs势垒层。
可选地，在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点时，包括：生长多个周期的交替外延沉积InAs和GaAs，以及在GaAs表面外延不到一个单原子层的InAs材料。
如上所述，本发明提供一种亚单层量子点垂直腔激光器及其制造方法，具有以下有益效果：本发明既能够实现应变量子阱的优势，又不会引入额外的非辐射复合损耗，提高激光器量子效率和温度稳定性等方面性能；解决了现有技术中量子阱VCSEL激光器量子效率、温度稳定性等方面性能的不足。本发明提供的制备方法采用了特殊的亚单层量子点制备技术，相对于常规的量子阱有源区，本发明中的亚单层量子点具备三维量子束缚，而且材料发光性能和光电特性都有很大的提升，同时相对于常规量子点，本发明中的亚单层量子点兼具了量子阱高均一性的优点。本发明通过原位的热处理，提供了材料质量，从而实现高量子效率的垂直腔激光器芯片或VCSEL芯片。
附图说明
图1为亚单层量子点垂直腔激光器的结构示意图；
图2为亚单层量子点源区的结构示意图；
图3为本发明中亚单层量子点与量子阱的光谱对比示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1至图3，本发明提供一种亚单层量子点垂直腔激光器，应用于垂直腔激光器VCSEL芯片；包括：
衬底2；作为示例，衬底2可以是高N型掺杂的(100)取向的单晶，其中，100代表晶圆的晶面取向。
在所述衬底2上依次外延沉积缓冲层、N型DBR层3、N型波导限制层41、亚单层量子点43、P型波导限制层44、氧化层5、P型DBR层6和P型欧姆接触层7，形成外延层结构；
对所述外延层结构进行光刻和刻蚀，形成芯片台面；
还包括有两个金属电极；其中一个金属电极沉积在所述衬底2的背面，即背面金属电极1。另一个金属电极沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上；其中，所述衬底2的背面为所述衬底2不进行外延生长的一面。作为示例，沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层7之上电极为环形金属电极8。
本发明既能够实现应变量子阱的优势，又不会引入额外的非辐射复合损耗，提高激光器量子效率和温度稳定性等方面性能；解决了现有技术中量子阱VCSEL激光器量子效率、温度稳定性等方面性能的不足。
根据上述记载，所述亚单层量子点43在所述衬底2上形成亚单层量子点源区；其中，所述亚单层量子点源区包括：GaAs势垒层42、InGaAs亚单层量子点43和AlGaAs波导限制层势阱。具体地，形成所述亚单层量子点源区的具体过程包括：
在所述N型DBR层3表面生长N型AlGaAs波导限制层；
在所述N型AlGaAs波导限制层表面生长第一层GaAs势垒层42，并将生长温度降低至预设温度；
在所述第一层GaAs势垒层42的表面生长所述InGaAs亚单层量子点43；并在生长后继续沉积一个或多个原子层GaAs；其中，所述InGaAs亚单层量子点43的结构可以重复一个或多个周期。
在所述InGaAs亚单层量子点43依次覆盖生长两层不同温度的GaAs势垒层42；其中，先生长的一层GaAs势垒层42的生长温度低于后生长的一层GaAs势垒层42。
根据上述记载，在所述第一层GaAs势垒层42的表面生长所述InGaAs亚单层量子点43时，包括：生长多个周期的交替外延沉积InAs和GaAs，以及在GaAs表面外延不到一个单原子层的InAs材料。
在一些示例性实施例中，所述InGaAs亚单层量子点43的有源区4整体结构厚度为λ；其中，λ为垂直腔激光器芯片的发光中心波长。
在一些示例性实施例中，所述N型DBR层3和所述P型DBR层6均包括一个或多个周期的异质结；所述异质结包括两个不同折射率的半导体层；其中一个半导体层的折射率高于另一个半导体层。即本发明中的N型DBR层3和P型DBR层6均包括一个或多个周期的异质结，每一个周期异质结均包含有一个低折射率半导体层和一个高折射率半导体层。
本发明还提供一种制造亚单层量子点垂直腔激光器的方法，包括以下步骤：
在预设衬底2上依次外延沉积缓冲层、N型DBR层3、N型波导限制层41、亚单层量子点43、P型波导限制层44、氧化层5、P型DBR层6和P型欧姆接触层7，形成外延层结构。作为示例，衬底2可以是高N型掺杂的(100)取向的单晶。
对所述外延层结构进行光刻和刻蚀，形成芯片台面；
还包括有两个金属电极；其中一个金属电极沉积在所述衬底2的背面，即背面金属电极1。另一个金属电极沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上；其中，所述衬底2的背面为所述衬底2不进行外延生长的一面。作为示例，沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层7之上电极为环形金属电极8。
根据上述记载，所述亚单层量子点43在所述衬底2上形成亚单层量子点源区；其中，所述亚单层量子点源区包括：GaAs势垒层42、InGaAs亚单层量子点43和AlGaAs波导限制层势阱。具体地，形成所述亚单层量子点源区的具体过程包括：
在所述N型DBR层3表面生长N型AlGaAs波导限制层；
在所述N型AlGaAs波导限制层表面生长第一层GaAs势垒层42，并将生长温度降低至预设温度；
在所述第一层GaAs势垒层42的表面生长所述InGaAs亚单层量子点43；并在生长后继续沉积一个或多个原子层GaAs；其中，所述InGaAs亚单层量子点43的结构可以重复一个或多个周期。
在所述InGaAs亚单层量子点43依次覆盖生长两层不同温度的GaAs势垒层42；其中，先生长的一层GaAs势垒层42的生长温度低于后生长的一层GaAs势垒层42。
根据上述记载，在所述第一层GaAs势垒层42的表面生长所述InGaAs亚单层量子点43时，包括：生长多个周期的交替外延沉积InAs和GaAs，以及在GaAs表面外延不到一个单原子层的InAs材料。
在一些示例性实施例中，所述InGaAs亚单层量子点43的有源区4整体结构厚度为λ；其中，λ为垂直腔激光器芯片的发光中心波长。
在一些示例性实施例中，所述N型DBR层3和所述P型DBR层6均包括一个或多个周期的异质结；所述异质结包括两个不同折射率的半导体层；其中一个半导体层的折射率高于另一个半导体层。即本发明中的N型DBR层3和P型DBR层6均包括一个或多个周期的异质结，每一个周期异质结均包含有一个低折射率半导体层和一个高折射率半导体层。
本发明提供的制备方法采用了特殊的制备技术，相对于常规的量子阱有源区，本发明中的亚单层量子点具备三维量子束缚，而且材料发光性能和光电特性都有很大的提升，同时相对于常规量子点，本发明中的亚单层量子点兼具了量子阱高均一性的优点。本发明通过原位的热处理，提供了材料质量，从而实现高量子效率的垂直腔激光器芯片或VCSEL芯片。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种亚单层量子点垂直腔激光器，应用于垂直腔激光器VCSEL芯片；其特征在于，包括：
衬底；
在所述衬底上依次外延沉积缓冲层、N型DBR层、N型波导限制层、亚单层量子点、P型波导限制层、氧化层、P型DBR层和P型欧姆接触层，形成外延层结构；
对所述外延层结构进行光刻和刻蚀，形成芯片台面；
还包括有两个金属电极；其中一个金属电极沉积在所述衬底的背面，另一个金属电极沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上；其中，所述衬底的背面为所述衬底不进行外延生长的一面。
2.根据权利要求1所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，所述亚单层量子点在所述衬底上形成亚单层量子点源区；其中，所述亚单层量子点源区包括：GaAs势垒层、InGaAs亚单层量子点和AlGaAs波导限制层势阱；
形成所述亚单层量子点源区的具体过程包括：
在所述N型DBR层表面生长N型AlGaAs波导限制层；
在所述N型AlGaAs波导限制层表面生长第一层GaAs势垒层，并将生长温度降低至预设温度；
在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点；并在生长后继续沉积一个或多个原子层GaAs；
在所述InGaAs亚单层量子点依次覆盖生长两层不同温度的GaAs势垒层；其中，先生长的一层GaAs势垒层的生长温度低于后生长的一层GaAs势垒层。
3.根据权利要求2所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点时，包括：生长多个周期的交替外延沉积InAs和GaAs，以及在GaAs表面外延不到一个单原子层的InAs材料。
4.根据权利要求2或3所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，所述InGaAs亚单层量子点的有源区整体结构厚度为λ；其中，λ为垂直腔激光器芯片的发光中心波长。
5.根据权利要求2或3所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，所述InGaAs亚单层量子点的结构可以重复一个或多个周期。
6.根据权利要求1所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，所述N型DBR层和所述P型DBR层均包括一个或多个周期的异质结；
所述异质结包括两个不同折射率的半导体层；其中一个半导体层的折射率高于另一个半导体层。
7.根据权利要求1所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上电极为环形金属电极。
8.根据权利要求1所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，所述衬底为N型掺杂的单晶。
9.一种制造亚单层量子点垂直腔激光器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在预设衬底上依次外延沉积缓冲层、N型DBR层、N型波导限制层、亚单层量子点、P型波导限制层、氧化层、P型DBR层和P型欧姆接触层，形成外延层结构；
对外延层结构进行光刻和刻蚀，形成芯片台面；
还包括有两个金属电极；其中一个金属电极沉积在所述衬底的背面，另一个金属电极沉积在所述芯片台面的P型欧姆接触层之上；其中，所述衬底的背面为所述衬底不进行外延生长的一面；
其中，所述亚单层量子点在所述衬底上形成亚单层量子点源区；所述亚单层量子点源区包括：GaAs势垒层、InGaAs亚单层量子点和AlGaAs波导限制层势阱；形成所述亚单层量子点源区的具体过程包括：
在所述N型DBR层表面生长N型AlGaAs波导限制层；
在所述N型AlGaAs波导限制层表面生长第一层GaAs势垒层，并将生长温度降低至预设温度；
在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点；并在生长后继续沉积一个或多个原子层GaAs；
在所述InGaAs亚单层量子点依次覆盖生长两层不同温度的GaAs势垒层；其中，先生长的一层GaAs势垒层的生长温度低于后生长的一层GaAs势垒层。
10.根据权利要求9所述的亚单层量子点垂直腔激光器，其特征在于，在所述第一层GaAs势垒层的表面生长所述InGaAs亚单层量子点时，包括：生长多个周期的交替外延沉积InAs和GaAs，以及在GaAs表面外延不到一个单原子层的InAs材料。
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