阅读说明：本技术 高效率氧化型垂直共振腔面发射激光器及其制造方法 (High-efficiency oxidized vertical resonant cavity surface emitting laser and manufacturing method thereof ) 是由 李亨株 于 2019-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)及其制造方法,更详细而言,涉及一种发射峰值波长为860nm的激光的高效率氧化型垂直共振腔面发射激光器及其制造方法。本发明的氧化型垂直共振腔面发射激光器的特征在于,上部电极和上部分布式布拉格反射器之间具有导电性电流扩散层,所述导电性电流扩散层使具有860±10nm的峰值波长的激光透射。(The present invention relates to a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) and a method of manufacturing the VCSEL, and more particularly, to a high-efficiency oxidized VCSEL that emits laser light having a peak wavelength of 860nm and a method of manufacturing the VCSEL. The oxidized vertical cavity surface emitting laser according to the present invention is characterized in that a conductive current diffusion layer that transmits laser light having a peak wavelength of 860 ± 10nm is provided between the upper electrode and the upper distributed bragg reflector.)

高效率氧化型垂直共振腔面发射激光器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)及其制造方法，更详细而言，涉及一种发射峰值波长为860nm的激光的高效率氧化型垂直共振腔面发射激光器及其制造方法。

背景技术

一般的垂直共振腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser：VCSEL)与现有的平行于基板的边发射激光器相比效率低，但是由于沿垂直于基板的方向发射激光，在现有的发光二极管领域中也可以使用，因此具有高市场性。

如图1所示，这种垂直共振腔面发射激光器10具有下部电极1、基板2、下部分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)3、活性层4、用于发射共振激光的电流窗口(current window)5、以环绕所述电流窗口周围的方式形成的氧化层6、形成于所述电流窗口5和氧化层6两者的上部表面的上部分布式布拉格反射器7以及上部电极8层叠的柱状结构。周围形成沟槽(trench)9，从上部发射激光。

通常而言，沟槽9为圆形的沟槽，通过干式蚀刻(dry etching)技术形成。氧化层6是电流窗口5的周围部分被通过沟槽9注入的氧化剂氧化而形成，而未被氧化的剩下的中心部分形成电流窗口5，通过调整氧化时间来调节电流窗口的直径。并且，就上部DBR和下部DBR而言，通过外延(epitaxial)工序应用于活性层的上部和下部。发射800～1000nm的光的VCSEL中，通常使用由Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs(0.8<x<1，0<y<0.2)组成的层叠结构的DBR。

因此，在制造过程中，为了共振激光特性，电流窗口(氧化孔(oxide aperture))、上部DBR和下部DBR是必需的，但是问题在于，由于这两处所使用的物质为同种物质，在形成电流窗口的氧化过程中上部p-DBR的最上部与电流窗口一同被氧化(oxdiation)，因此产生不良的概率高。氧化工序为注入H₂O蒸气而通过高温的水蒸气使用作电流窗口的Al_0.98Ga_0.02As层的Al发生反应以制作Al_xO_y层的工序，但是由Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs组成的上部DBR和下部DBR含有Al，因此一部分会一同被氧化。

图2的(a)示出氧化过程中发生的DBR破损形态的SEM图像，将p-金属(p-metal)应用于DBR破损的样品时，之后会发生电极剥离(peeling)或电流的不均匀注入(效率降低)等现象。图2的(b)示出电流窗口的形状，黑带形状为沟槽(凹陷)区域，中间区域为发射光的柱区域，更亮的部分为被氧化的部分。正中央的暗的圆形部分为直接发射光的光发射区域，在VCSEL中也可以标记为孔径(aperture diameter)。

就现有的VCSEL而言，由于共振的特性，施加高电流时元件上产生很多热，由此经常发生因施加高电流而导致的元件破损，因此注入可防止元件破损的低电流。因此，无法期待在电极注入的电流的扩散效果。结果，由沿着上部DBR的边缘设置的上部电极发射的电流无法充分扩散，并且无法均匀地通过中心部分的电流窗口，从而效率降低。

KR10-2018-0015630公开(WO2016/198282号)公开了具有850nm的峰值波长的氧化型VCSEL，并公开了在上部DBR的内部以多种形式形成多个氧化层以改善该氧化型VCSEL的方法。就该方法而言，在制造过程中主要会导致上部DBR的反射率的不均匀性，并且会引起用于生成多个电流窗口的氧化再处理等工序方面的复杂的问题。

另外，使上部电极发射的电流均匀地通过中心部分的电流窗口的方案有如下方案：在上部DBR整体上形成透明的ITO层，以使环状电极发射的电流通过ITO均匀地供应到中心部分，但是在这种情况下，需要高价的透明电极，并且难以避免ITO形成过程中收率极具降低的问题。

发明内容

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题为提供一种在氧化型垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)的制造过程中能够防止上部DBR的损伤的方法。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种通过诱导由垂直共振腔面发射激光器的上部电极到活性区域的光发射区域的稳定的电流流动和扩散而制造氧化型垂直共振腔面发射激光器的方法。

本发明要解决的另一个技术问题为在氧化型垂直共振腔面发射激光器的氧化过程中防止上部DBR的损伤，并且诱导由上部电极到光发射区域的稳定的电流流动和扩散，同时提供针对氧化型垂直共振腔面发射激光器发射的光源而言透明的高导电性阻挡层。

本发明要解决的另一个技术问题为在氧化型垂直共振腔面发射激光器中覆盖上部DBR以在氧化过程中防止上部DBR的损伤，并且诱导由上部电极到光发射区域的稳定的电流流动和扩散，同时在针对氧化型垂直共振腔面发射激光器发射的光源而言透明的高导电性阻挡层中，提供显著提高垂直共振腔面发射激光器的效率的厚度。

技术方案

为了解决上述问题，本发明提供一种氧化型垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)，其特征在于，上部电极和上部分布式布拉格反射器之间具有导电性电流扩散层，所述导电性电流扩散层使具有860±10nm的峰值波长(以下称为“860nm的峰值波长”)的激光透射。

本发明中，激光可以理解为具有半峰全宽(FHWM)小于5nm的波长。

本发明中，所述电流扩散层优选为非氧化性阻挡(barrier)层，以在垂直共振腔面发射激光器的氧化过程中覆盖上部DBR层，从而防止氧化过程中的损伤。

本发明的实施例中，所述电流扩散层可以为不包含铝(Al)成分的无铝(Al free)层，以防止由水蒸气引起的氧化，更优选可以为针对具有860nm的峰值波长的激光具备相对高透明性的导电性GaP层，以在层叠时提高氧化型垂直共振腔面发射激光器的效率。

本发明中，为了改善导电性，所述GaP层可以包含金属或非金属掺杂物。所述金属掺杂物例如可以为镁(Mg)、锌(Zn)，所述非金属掺杂物可以为碳(C)。

本发明中，所述电流扩散层优选具有1μm以上的厚度，以使供应到活性层的电流能够充分扩散。如果所述厚度薄，则电流的扩散不充分，因此电流扩散层的导入所带来的氧化型VCSEL的效率提高微弱。本发明中，所述电流扩散层的厚度优选增加到由于饱和而没有厚度的增加所带来的效率提高效果的厚度(饱和厚度)为止。本发明的实施例中，具有直径为10μm的电流窗口(current window)时，饱和厚度可以为3μm。

本发明中，所述氧化型垂直共振腔面发射激光器可以包含下部电极、基板、上部分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)、活性层、上部分布式布拉格反射器、上部电极及氧化层。

本发明中，所述垂直共振腔面发射激光器的活性层为能够发射具有850±10nm的峰值波长(以下称为850nm的峰值波长)的光的活性层。本发明的一个实施例中，所述活性层可以包含GaAs量子阱和AlGaAs量子阻挡层。

本发明中，所述上部分布式布拉格反射器和下部分布式布拉格反射器分别用于向上下反射活性层发射的光以发生共振。

本发明中，上部DBR及下部DBR可以为由高折射层和低折射层组成的一对反射层重复层叠的DBR，以能够反射由活性层发射的光。

本发明的实施例中，下部DBR可以使用30对以上的n-DBR，优选可以使用40对n-DBR，以能够实质性地完全反射由活性层和上部DBR反射的光，为了提高光的发射可能性，上部DBR可以比下部DBR少5～10对，优选可以为由20～25对组成的p-DBR。

本发明的一个实施例中，所述上部分布式布拉格反射器和下部分布式布拉格反射器可以为具有高折射率的Al_xGa_1-xAs层(0.8<x<1)和具有低折射率的Al_yGa_1-yAs层(0<y<0.2)交替重复层叠的结构的分布式布拉格反射器(DBR)。

本发明中，所述氧化层由氧化性物质组成，可以表示为了共振而被氧化的区域和非氧化区域共存的层。所述氧化层可以为Al_zGa_1-zAs(0.95<z≤1)，以通过高温的水蒸气容易被氧化。所述氧化层从边缘到中心部分发生氧化，可以由环状的氧化层和内部中心圆形状的电流窗口组成。

本发明中，氧化层中形成电流窗口的中心圆的直径需要窄到可发射激光的程度，优选可以为10μm以下。

本发明中，所述氧化层可以位于活性层的上部，优选地，为了对活性层不产生影响，可以位于上部p-DBR的内部，优选可以位于组成p-DBR的层之间，更优选可以位于上部p-BDR的下端，例如上部DBR的下端第1对和第2对之间，厚度可以为30～100nm。

本发明的实施例中，所述氧化型垂直共振腔面发射激光器可以在10～40mA的电流下工作，优选可以在25～35mA的范围工作，最优选可以在30～35mA的范围工作。电流为10mA以下时，不会产生激光，电流超过40mA时，由于发热的影响，不会产生860nm的峰值波长的激光。

本发明中，所述上部电极可以为环状，以不会遮蔽所发射的光，优选可以选自氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)、ZnO或AZO，更优选可以为由Au/Pt/Ti组成的多层电极。一个实施例中，所述电极的厚度可以约为2μm左右。

本发明中，所述氧化型垂直共振腔面发射激光器还可以包含防反射层，以能够防止所发射的光的反射。所述防反射层可以位于电流扩散层和上部电极之间并覆盖电流扩散层。并且，所述防反射层可以位于氧化型VCSEL的最上部并覆盖上部电极和电流扩散层的上部。

本发明的实施例中，所述防反射层可以由SiN_x或Si_xO_y组成，可以生长至约100～500nm的厚度并使用。厚度优选为150～400nm，更优选为200～300nm。

本发明的一个方面提供一种氧化型垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)的制造方法，其特征在于，具有860nm的峰值波长的氧化型垂直共振腔面发射激光器中在上部电极和上部DBR之间形成具有1μm以上的厚度的GaP层。

有益效果

通过本发明提供一种新阻挡层兼电流扩散层，其能够在氧化过程中保护上部DBR，并能够改善电流的流动，而且能够使860nm的垂直共振腔面发射激光器的光透射。

根据本发明的具有GaP阻挡层的氧化型垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)能够改善具有氧化孔(oxidation aperture)的860nm的VCSEL的电极保护和电流的流动，实现最高40％的光效率改善，并且能够确认使用的高导电性物质和VCSEL的氧化孔之间的效率的优化范围。

附图说明

图1为示出现有的氧化型VCSEL的剖切面的图。

图2的(a)为示出氧化过程中发生的DBR破损形态的SEM图像的图，图2的(b)示出电流窗口(current window)的形状，黑带形状为沟槽(凹陷)区域，中间区域为发射光的柱区域，更亮的部分为被氧化的部分。

图3示出发射860nm的峰值波长的激光的VCSEL的层结构，该VCSEL中使用通过MOCVD系统制作的高导电性GaP阻挡层。

图4的(a)为示出根据本发明的一个实施例的氧化型VCSEL的层结构的分离型截面图，图4的(b)示出由活性层发射的光和共振的激光的光的分布(区域峰值(peak)为共振峰值(cavity peak))。

图5为示出(a)比较例1的无GaP的VCSEL、(b)实施例1的GaP厚度为1μm的VCSEL、(c)实施例2的GaP厚度为3μm的VCSEL、(d)实施例3的GaP厚度为6μm的VCSEL的20mA下的发射强度(emission intensity)的图表。

图6示出无GaP层的VCSEL和使用各种厚度的GaP阻挡层的860nm的VCSEL的侧面SEM图像、电流注入路径及光发射模式图。

图7为本发明中施加0～50mA电流时的比较例1(一般的(Conventional)VCSEL)和实施例1～3的GaP层厚度为1μm、3μm、6μm的VCSEL的曲线，其中，图7的(a)为I-V曲线，图7的(b)为I-L曲线。

图8为示出GaP层和AlGaAs层的电流-电压特性的图表。

附图标记说明

100：氧化型垂直共振腔面发射激光器(VCSEL)

110：下部电极

120：基板

130：下部DBR

140：活性层

150：上部DBR

160：GaP层

170：上部电极

180：氧化层

具体实施方式

以下，通过实施例对本发明进行详细说明。下述实施例用于例示本发明，而不是用于限定本发明。

实施例1～3

图3示出发射860nm的峰值波长的激光的VCSEL的层结构，该VCSEL中使用通过MOCVD系统制作的高导电性GaP阻挡层。如图3所示，本发明的使用高导电性GaP阻挡层的具有860nm的峰值波长的氧化型垂直共振腔面发射激光器100为向基板120的上部方向发射激光的氧化型垂直共振腔面发射激光器100。基板120为n-型GaAs基板。基板120的下面设置下部电极110。

基板120的上表面设置一对高折射率的AlGaAs层和低折射率的AlGaAs层重复层叠的下部n-DBR 130。Al_0.85Ga_0.15As层和Al_0.15Ga_0.85As层重复层叠40次。

所述下部DBR 130上设置活性层140。活性层140包含用于生成光的量子阱结构体。活性层140为发射850nm的中心波长的GaAs/AlGaAs活性层(QW)。

所述活性层140上设置包含氧化层180的上部p-DBR 150。为了在氧化过程中避免活性层的损伤，氧化层180***到组成p-DBR 150的几对上部DBR的层之间，从而能够避免与活性层140直接接触。氧化层180层叠在20对上部DBR中的1对或2对上部DBR上，剩余的上部DBR层叠在所述氧化层180上。

因此，上部DBR 150由位于氧化层180的下部的第1上部DBR 151和位于氧化层180的上部的第2上部DBR 152组成。

与下部DBR相同，上部p-DBR 150由一对高折射率的AlGaAs层和低折射率的AlGaAs层重复层叠，由20对Al_0.85Ga_0.15As层和Al_0.15Ga_0.85As层组成。

氧化层180由中心部分的圆形电流窗口(氧化孔)182和其通过水蒸气被氧化的周围部分的氧化环181组成，其中所述电流窗口由厚度约为30nm的Al_0.98Ga_0.02As组成。DBR的反射率几乎为98％以上，呈阻带(stop-band)形状，具有优异的特性。

在所述上部p-DBR 150上通过MOCVD方式生长GaP层160。生长厚度如图4所示，分别生长至约1μm(实施例1)、3μm(实施例2)及6μm(实施例3)。所述上部GaP层160上形成环状的上部电极170。活性层140的峰值波长约为850nm，通过DBR的反射，共振峰值(cavitypeak)约为860nm。

比较例1

所述实施例1～3中，所述上部p-DBR 150上没有GaP层160的情况下形成环状的上部电极170。

试验

对无GaP层的VCSEL(比较例1)和使用厚度为1μm、3μm、6μm的GaP阻挡层的VCSEL(实施例1、2、3)施加20mA的电流，并测量发射强度(emission intensity)。结果示于图5中。

确认了没有使用GaP层的一般的VCSEL显示约0.45的强度(intensity)，这种低的特性随着GaP阻挡层的使用及其厚度的增加显示出得到相当大的改善的特性。使用厚度为1μm的GaP阻挡层时显示0.78的强度，与没有使用GaP阻挡层的VCSEL相比，约增加50％。

尤其，确认了使用厚度为3μm的GaP阻挡层时的强度为0.94，约增加90％。此外，确认了使用厚度为6μm的GaP阻挡层的VCSEL的发射强度也是0.94，约增加90％。使用3μm以上的GaP阻挡层的VCSEL的情况下，对于厚度的增加显示发射强度几乎相同的特性，可以判断这是根据厚度的发射强度的饱和(saturation)现象，通过电流窗口的10μm的直径(diameter)得到控制。由这种结果确认了使用GaP阻挡层时能够使860nm的VCSEL的光效率大幅增大，并且这种GaP阻挡层的厚度是根据VCSEL的氧化孔直径(oxidation aperturediameter)得到优化。

图6示出无GaP层的VCSEL和使用各种厚度的GaP阻挡层的860nm的VCSEL的侧面SEM图像、电流注入路径及光发射模式图。

由图6的SEM图像确认了在DBR的上部GaP阻挡层以约1μm、3μm及6μm的厚度正常生长。由模式图可以确认使用这种GaP阻挡层的VCSEL结构的电流注入路径和光发射效果，无GaP阻挡层的VCSEL(比较例)在施加电流时只在电流注入路径被电流窗口受限制的氧化层的边缘位置生成小的光发射区域(light emission area)，由此只确认了小的光发射效果。

另一方面，可以确认使用GaP阻挡层并增加其厚度时，电流注入路径持续增加，由此光发射区域持续增加，并且光发射效果也急剧增加。

GaP阻挡层的效果在一定厚度的情况下已经在被电流窗口受限制的区域中使光发射区域饱和时，无法期待进一步的光发射效果，这可以通过下面图中最右侧的电流及光发射模式图得以理解。这种结果可以支持图5的发射强度结果。

图7为本发明中施加0～50mA电流时的所开发的VCSEL的I-V曲线(图7的(a))及I-L曲线(图7的(b))。

在确认I-V特性(图7的(a))时，与是否使用GaP阻挡层无关，所有样品的I-V特性均相同，这是因为GaP的导电性与VCSEL物质的导电性相比相对高。另一方面，在确认I-L特性(图7的(b))时，可以确认使用GaP阻挡层及其厚度变化所带来的光效率的特性变化大。

确认了比较例1的一般的VCSEL在约33mA下的光效率约为17mW，如实施例1所示使用厚度为1μm的GaP阻挡层时，上述光效率约为22.5mW，约增加25％，如实施例2所示使用厚度为3μm的GaP阻挡层时，上述光效率约为26mW，约增加40％，如实施例3所示使用厚度为6μm的GaP阻挡层时，光效率与使用厚度为3μm的GaP阻挡层时的光效率相同。

综上所述，具有直径(diameter)约为10μm的氧化孔的860nm的VCSEL的光效率能够通过其上部p-DBR上生长并使用的高导电性GaP阻挡层大幅增大，通过优化为约3μm厚度的GaP阻挡层能够获得最高的光效率。

对于本发明，在附图及上述说明中进行了详细图示及说明，但是可以认为这些图示及说明仅仅是图示或例示，而并不是用于限制本发明。对本发明可以进行其他修改，这对于本领域普通技术人员而言是明确的。上述修改可以包括本领域公知且可代替本说明书中说明的特征或在该特征的基础上加以使用的其他特征。对于公开的实施例的变形，本领域技术人员可以通过附图及本发明的权利要求得以理解并受到影响。权利要求中，术语“包含”不排除其他元件或步骤，不定冠词的记载不排除多个元件或步骤。权利要求中的任意参考标记不能解释为限制其范围。