一种垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

本技术涉及光电器件，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器（vertical cavity surface emitting laser，vcsel）是一种半导体微腔激光器，相较于传统的边发射激光器，垂直腔面发射激光器由于具有低阈值电流、体积小、圆对称光斑易于光纤耦合、高光束质量、单纵模、面发射易于集成等优势，在近年来得到了迅猛的发展，广泛应用于人脸识别等三维传感、光通信、激光雷达、无人驾驶等领域中。

2、目前发展最为成熟和得到广泛应用的是氧化限制型的vcsel，其结构参考图1所示，主要由有源层、上下限制层、上下反射层、氧化限制层和上下电极组成。其中，有源层由多量子阱组成；有源层上下两侧是限制层，限制层既起到限制载流子的作用，又起到调节腔长的作用；限制层上下两侧分别是p型dbr（distributed bragg reflection，分布式布拉格反射）反射层和n型dbr反射层，p型dbr反射层和n型dbr反射层分别是用折射率不同的两种材料以1/4光学波长厚度反复堆积而成，通过调节两种材料的折射率差及对数可使反射率高达99%以上；在有源层与p型dbr反射层之间设置有氧化限制层，氧化限制层由高铝组分材料构成，氧化限制层在经过湿法选择氧化工艺后形成氧化限制窗口，实现对电流和光场的限制；p型dbr反射层和n型dbr反射层两侧分别是金属欧姆接触形成电极，并根据器件是顶发射结构还是底发射结构分别在p面和n面开辟出光窗口。

3、为获得高反射率，vcsel中的dbr反射层一方面需要高折射率层和低折射率层具有较大的折射率差，另一方面需要高折射率层和低折射率层具有较多的对数，以常见的940nmvcsel为例，其dbr反射层需要约50对高折射率层和低折射率层，共计约5μm-10μm，如此，外延层的厚度将会较厚，这么厚的外延层生长在gaas衬底上，会存在较大的应力，容易导致晶圆翘曲，影响器件均匀性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，以利用ge衬底代替gaas衬底，使得ge衬底与n型dbr反射层晶格更加匹配，减小应力和翘曲，提高器件均匀性。

2、为实现上述目的，本技术实施例提供了如下技术方案：

3、一种垂直腔面发射激光器，包括：

4、n型ge衬底，所述n型ge衬底的晶向为100面偏111面大于等于2°；

5、位于所述n型ge衬底一侧的缺陷抑制层，所述缺陷抑制层为algainp层、alinp层或者gainp层；

6、位于所述缺陷抑制层背离所述n型ge衬底一侧，沿背离所述n型ge衬底的方向层叠设置的n型dbr反射层、第一限制层、有源层、第二限制层、氧化限制层和p型dbr反射层；所述n型dbr反射层包括交替层叠的第一折射率层和第二折射率层，所述第一折射率层为alxgaas层，所述第二折射率层为alygaas层，x<y。

7、可选的，所述缺陷抑制层的in组分的范围为0.5%-0.7%，包括端点值。

8、可选的，所述缺陷抑制层为algainp层或alinp层，所述缺陷抑制层的al组分大于20%。

9、可选的，所述缺陷抑制层的厚度范围为5nm-200nm，包括端点值。

10、可选的，所述缺陷抑制层中掺杂有表面活性剂，所述表面活性剂的材料为sb材料或者te材料。

11、一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：

12、提供n型ge衬底，所述n型ge衬底的晶向为100面偏111面大于等于2°；

13、在所述n型ge衬底一侧形成缺陷抑制层，所述缺陷抑制层为algainp层、alinp层或者gainp层，所述缺陷抑制层的生长温度范围为650℃-700℃，包括端点值；

14、在所述缺陷抑制层背离所述n型ge衬底一侧，沿背离所述n型ge衬底的方向形成层叠的n型dbr反射层、第一限制层、有源层、第二限制层、氧化限制层和p型dbr反射层； 所述n型dbr反射层包括交替层叠的第一折射率层和第二折射率层，所述第一折射率层为alxgaas层，所述第二折射率层为alygaas层，x<y。

15、可选的，所述缺陷抑制层的in组分的范围为0.5%-0.7%，包括端点值。

16、可选的，所述缺陷抑制层为algainp层或alinp层，所述缺陷抑制层的al组分大于20%。

17、可选的，所述缺陷抑制层的厚度范围为5nm-200nm，包括端点值。

18、可选的，在形成所述缺陷抑制层时，向所述缺陷抑制层中掺杂表面活性剂，所述表面活性剂的材料为sb材料或者te材料。

19、与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

20、本技术实施例所提供的垂直腔面发射激光器不再使用gaas衬底，而是使用ge衬底，在n型ge衬底一侧沿背离n型ge衬底的方向层叠设置n型dbr反射层、第一限制层、有源层、第二限制层、氧化限制层和p型dbr反射层；其中，第一限制层、有源层、第二限制层和氧化限制层构成谐振腔层；n型dbr反射层包括交替层叠的第一折射率层和第二折射率层，第一折射率层为alxgaas层，第二折射率层为alygaas层，x<y，即第一折射率层为低al组分的高折射率层，第二折射率层为高al组分的低折射率层。由于ge材料的晶格比gaas材料的晶格大，更接近于alas晶格，与n型dbr反射层的algaas材料晶格更为匹配，因此，采用n型ge衬底可以减小应力和翘曲，提高器件均匀性。

21、然而，ge材料为非极性材料，构成n型dbr反射层的algaas材料为极性材料，在n型ge衬底上生长algaas材料的n型dbr反射层会产生反相畴缺陷，进而，通过设置n型ge衬底的晶向为100面偏111面大于等于2°，并在n型ge衬底和n型dbr反射层之间设置缺陷抑制层，且缺陷抑制层为algainp层、alinp层或者gainp层，来抑制反相畴缺陷。如此，在利用ge衬底与n型dbr反射层的algaas材料晶格更为匹配来减小应力和翘曲，提高器件均匀性的同时，可以减少或避免反向畴缺陷的产生。

22、进一步地，可以设置缺陷抑制层（algainp层、alinp层或者gainp层）的in组分的范围为0.5%-0.7%，包括端点值，以此控制缺陷抑制层相对于ge衬底为适当的负失配，从而提高对反向畴缺陷的抑制效果。

23、当缺陷抑制层为algainp层或alinp层时，可以设置缺陷抑制层的al组分大于20%，从而利用al原子相对于ga原子及p原子具有更强的亲和力，更容易成键而不易形成反向畴的特性，来提高对反向畴缺陷的抑制效果。

24、可选的，可以设置缺陷抑制层的厚度范围为5nm-200nm，包括端点值，以此避免因为缺陷抑制层的厚度较薄不能很好地过渡界面的缺陷而形成反相畴，提高对反向畴缺陷的抑制效果。

25、并且，当缺陷抑制层为algainp层或alinp层时，还可以利用ge材料能够耐hcl的腐蚀，而algainp材料和alinp材料很容易被hcl腐蚀的特性，来分离ge衬底和ge衬底上的vcsel外延结构（主要是gaas基材料），以便于去除ge衬底，使vcsel更加轻薄，或者进一步将vcsel外延结构转移到其他基底（如热沉）上，例如形成底发射结构的vcsel。

26、另外，还可以在缺陷抑制层中掺杂表面活性剂，表面活性剂的材料可以为sb材料或者te材料，以优化缺陷抑制层的表面，便于后续在缺陷抑制层上形成n型dbr反射层。