表面发射激光器、表面发射激光器的制造方法与流程

本技术涉及表面发射激光器和表面发射激光器的制造方法。

背景技术：

1、表面发射激光器被称为垂直腔面发射激光器(vcsel)。vcsel包括设置在n侧半导体区域和p侧半导体区域之间的半导体有源区域，以及充当高反射镜的两个分布式布拉格反射器dbr。半导体有源区设置在两个dbr之间以形成光学腔。n侧和p侧区域将各自的载流子，即电子和空穴，注入到有源区域，并且这些载流子在有源区域中重新结合以产生光。由此产生的光被dbr多次反射以在光学腔中行进，从而发射激光。vcsel为其中一个dbr提供了反射率较低的反射镜，用于发射激光束。

2、引用列表

3、非专利文献

4、非专利文献1：1.appl.phys.lett.92,141102(2008)

5、非专利文献2：2.apply.phys.express,12,036504(2019)

6、非专利文献3：3.appl.phys.lett.105,031111(2014)

7、非专利文献4：4.j.vac.sci.technol.b 33,050603(2015)

8、非专利文献5：5.appl.phys.express 12,044004(2019)

9、非专利文献6：6.sci.rep.8,10350(2018)

10、非专利文献7：7.semicond.sci.technol.26,014017(2010)

11、非专利文献8：8.ieee signal process.mag.37,50-61(2020)

12、非专利文献9：9.ieice trans.electron.e92-c,194(2009)

13、非专利文献10：10.phys.stat.soli,215,1700513(2018)

14、非专利文献11：11.appl.phys.lett.75,1515(1999)

15、非专利文献12：12.soc.inf.disp.int.symp.dig.tech.44,832(2013)

16、非专利文献13：13.aip adv.3,072107(2013)

17、非专利文献14：14.optics letters,41,2608-2611(2016)

18、非专利文献15：15.phys.status solidi a.215,1700513(2018)

19、非专利文献16：16.opt.express,27,24717(2019)

20、非专利文献17：17.appl.phys.express,13,041003(2020)

21、非专利文献18：18.appl.phys.express,14,031002(2021)

22、非专利文献19：19.applied phys.lett.119,142103(2021)

23、非专利文献20：20.crystals,11(12)1563,(2021)

技术实现思路

1、技术问题

2、几十年来，vcsel中反射镜(即分布式布拉格反射器)的制造一直是科学界的一个相当大的挑战，特别是对于iii族氮化物材料系统。iii族氮化物vcsel设有顶镜和底镜。在基底上沉积iii族氮化物器件层以形成n侧区域、有源区域和p侧区域的半导体叠层，然后可以在半导体叠层上形成顶部反射镜，即p侧反射镜，并且包括设置在器件层上的不同介电材料的交替层。底镜必须定位成形成腔，其中顶镜和底镜彼此靠近，以允许形成光学腔，这导致基底的去除。另一种在不去除基底的情况下形成底镜的方法是使用参考文献(非专利文献1)中的外延dbr或参考文献(非专利文献2)中的纳米多孔dbr。形成底镜的另一种方法是使用参考文献(非专利文献3)中的电介质dbr或参考文献(非专利文献4)中的高折射率对比光栅，其通过将基底一直抛光到器件层或者通过激光剥离分离基底来形成。然而，这些方法表明，底镜的制造仍然是一个瓶颈挑战，并且每种方法都存在一些技术困难而非优势。

3、例如，外延dbr的形成复杂，并且需要耗时的半导体沉积，还容易导致晶体质量下降。电介质dbr的形成需要使用复杂的化学机械抛光(cmp)去除基底。在去除工艺中使用cmp又具有挑战性、繁琐且难以控制，并且会浪费昂贵的iii族氮化物基底。

4、或者，参考文献中采用曲面镜方法。(非专利文献5)和(非专利文献6)使用了基底的大部分并且涉及半导体基底的抛光和蚀刻以形成n侧dbr镜。曲面dbr镜形成在基底的背面，因此vcsel的这种结构不需要去除基底，这会导致几个缺点。使用曲面镜为vcsel提供了长的光学腔。

5、具体地，首先使基底的厚度变薄以减少腔中的吸收损耗，而使基底变薄可能是难以控制的过程，并且可能损坏晶片，因为基底必须从300微米至400微米的初始厚度减薄到10微米至30微米的目标厚度以提供具有腔的vcsel。

6、又一种方法是提供具有单片高折射率对比度光栅作为反射镜的iii族氮化物基vcsel。用于可见光波长的光栅的制造涉及半导体材料的复杂性和蚀刻。在长时间的运行中，设备性能可能会下降，从而缩短设备的使用寿命。

7、此外，制造高折射率对比度光栅的现有方法使用电子束(e-beam)光刻和蚀刻，这可能会损坏器件层。因此，该工艺需要额外的保护层以避免对有源区域和后续器件层的损伤。

8、考虑到所有这些缺点，本文的一个目的是提供一种iii族氮化物基vcsel的结构和一种制备iii族氮化物基vcsel的方法。另一个目的是提供一种单片高折射率对比度光栅和一种使用外延横向过度生长(elo)来单片制造高折射率对比度光栅的方法。elo工艺和elo结构使得半导体器件层具有高结晶质量，并且可以防止器件层在形成光栅时直接受到刻蚀环境的影响。

9、解决技术问题的技术方案

10、本公开的一个方面是一种vcsel，其包括第一分布式布拉格反射器(dbr)，该第一分布式布拉格反射器包括沿第一轴向交替布置的第一介电层和第二介电层；以及半导体部分，包括p型iii族氮化物区域、iii族氮化物区域、以及位于p型iii族氮化物区域与iii族氮化物区域之间的iii族氮化物有源区域，p型iii族氮化物区域、iii族氮化物有源区域和iii族氮化物区域布置在第一轴向上，iii族氮化物区域包括n型iii族氮化物区域，其中半导体部分包括具有周期性一维图案的单片光栅，该单片光栅、iii族氮化物有源区域和分布式布拉格反射器沿第一轴向布置以形成光学腔，并且周期性一维图案沿与第一轴向相交的第二轴向延伸。

11、本公开的另一方面是一种用于制造vcsel的方法，该方法包括:在包括iii族氮化物基底、硅基底、蓝宝石基底、蓝宝石上gan模板或硅上gan模板之一的基底的表面上形成图案化的外延横向过度生长(elo)掩模，该图案化elo掩模包括光栅图案和通向基底的表面的开口；使用图案化elo掩模在基底上生长iii族氮化物，以形成覆盖光栅图案的iii族氮化物区域，光栅图案被转移到iii族氮化物区域；生长包括n型iii族氮化物区域、iii族氮化物有源区域和p型iii族氮化物区域的半导体叠层；在生长半导体叠层之后，生长导电层；在所述导电层上形成分布式布拉格反射器(dbr)以制造产品，所述dbr包括交替布置的第一介电层和第二介电层；以及从产品上去除基底以暴露图案化elo掩模；其中光栅图案包括沿基底的表面延伸的周期性一维图案。

12、发明的有益效果

13、上述方面可以提供iii族氮化物基vcsel的结构和制造iii族氮化物基vcsel的方法。