一种垂直腔面发射激光器制备方法
阅读说明：本技术 一种垂直腔面发射激光器制备方法 (Preparation method of vertical cavity surface emitting laser ) 是由 杨翠柏 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种垂直腔面发射激光器制备方法,包括有利用MOCVD方法依次在单晶GaAs衬底上生长缓冲层、第一DBR反射层、第一空间限制层、多量子阱激光发射单元、第二空间限制层、第二DBR反射层和电极接触层；其中的所述多量子阱激光发射单元为GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元,利用MOCVD方法生长GaAs和GaInNAs层,并且生长GaAs、GaInNAs和GaAs层生长温度相同,其中GaAs为势垒层,生长气氛为氢气；GaInNAs为势阱层,生长气氛为氨气。本发明可以利用MOCVD方法制备可靠性较好的长波长氮化物垂直腔面发射激光器材料,具有较强的应用价值,适合于规模化生产。(The invention provides a preparation method of a vertical cavity surface emitting laser, which comprises the steps of growing a buffer layer, a first DBR (distributed Bragg reflector) layer, a first space limiting layer, a multi-quantum well laser emitting unit, a second space limiting layer, a second DBR reflecting layer and an electrode contact layer on a single crystal GaAs substrate in sequence by using an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method; the multiple quantum well laser emission unit is a GaAs/GaInNAs/GaAs multiple quantum well laser emission unit, a GaAs layer and a GaInNAs layer are grown by using an MOCVD method, the growth temperature of the grown GaAs layer, the GaInNAs layer and the GaAs layer is the same, wherein GaAs is a barrier layer, and the growth atmosphere is hydrogen; GaInNAs is a potential well layer, and the growth atmosphere is ammonia. The invention can utilize MOCVD method to prepare the long wavelength nitride vertical cavity surface emitting laser material with better reliability, has stronger application value and is suitable for large-scale production.)
技术领域
本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种氮化物垂直腔面发射激光器的制备方法。
背景技术
发射光子波长在1300～1600nm之间的长波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)在光纤通信、高速数据传输、并行光互连和长距探测等方面具有很大的应用前景。近年来自动驾驶智能汽车的研究日益火热，车载雷达对大功率长距离发射的长波长VCSEL阵列需求也越来越强烈。适用于长波长VCSEL的有源区材料的一般有GaInAsP/InP、AlGaInAs/InP、GaInNAs/GaAs等，前两种是基于InP衬底的，而后者是基于GaAs衬底的。基于InP的材料体系研究较为成熟，主要是因为其有源区材料易于生长，晶体质量容易控制。然而基于InP衬底制备VCSEL时需要生长的DBR对数要多于GaAs材料系，较厚的DBR层会导致较高的电阻和热阻，造成器件在室温下连续工作时的稳定性受到影响。因此，基于GaAs衬底的长波长VCSEL一直也是研究关注点之一。人们研究发现，在GaAs材料中掺入少量的N和In原子可以形成四元合金GaInNAs材料，该材料在保持与GaAs晶格匹配的同时可通过调节In和N的比例使其带隙在0.8～1.4eV之间连续可调，是基于GaAs衬底制备长波长VCSEL的一种优选材料。
然而，GaInNAs材料N原子的并入需要较低的生长温度，但采用MOCVD方法来生长GaInNAs时温度过低会造成C背景浓度过大，造成材料缺陷密度较高，影响激光器性能。而当生长温度较高时，则N原子的并入比会大大降低，造成N原子前驱体二甲基肼的利用率非常低，生长得到的GaInNAs材料带隙无法达到预期，并会大幅增加材料成本。因此，一般情况下采用MOCVD方法来生长GaInNAs的温度在500～550℃之间，且这种条件下制备得到的GaInNAs材料质量较差，使得GaInNAs长波长VCSEL一直无法实现批量应用。此外，由于GaAs的较佳生长温度为600～650℃，在制备高质量GaAs/GaInNAs/GaAs量子阱时还需要温度切换过程，会影响材料层界面质量从而降低量子阱激射性能。
发明内容
本发明的提出了一种氮化物垂直腔面发射激光器的MOCVD生长方法，在生长激光器量子阱材料时温度保持不变，将生长气氛进行切换，采用氨气作为势阱材料GaInNAs的生长气氛，采用氢气作为势垒材料GaAs的生长气氛，在生长GaInNAs和GaAs层之间保证无缝衔接，从而减少界面缺陷密度。此外，在生长量子阱之后的n型DBR材料层时采用较高的生长温度，在完成DBR材料生长的同时也起到对量子阱材料进行退火的作用，节省了工艺时间。采用该方法最终可得到具有较高晶体质量量子阱材料的长波长氮化物VCSEL，可提升其激射性能，并改善其可靠性。
为达到上述目的，本发明提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，所述制备方法包括有利用MOCVD方法依次在单晶GaAs衬底上生长缓冲层、第一DBR反射层、第一空间限制层、多量子阱激光发射单元、第二空间限制层、第二DBR反射层和电极接触层；
其中的所述多量子阱激光发射单元为GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元，利用MOCVD方法生长GaAs和GaInNAs层，并且生长GaAs、GaInNAs和GaAs层生长温度相同，其中GaAs为势垒层，生长气氛为氢气；GaInNAs为势阱层，生长气氛为氨气。
进一步的，所述垂直腔面发射激光器为氮化物垂直腔面发射激光器。
进一步的，所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤101：在单晶GaAs衬底上沉积缓冲层，所述缓冲层为p型GaAs缓冲层；
步骤102：在所述p型GaAs缓冲层上生长第一DBR反射层，所述第一DBR反射层为p型DBR反射层；
步骤103：在所述p型DBR反射层上生长第一空间限制层；
步骤104：在所述第一空间限制层上生长GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元；
步骤105：在所述GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元上生长第二空间限制层；
步骤106：在所述第二空间限制层上生长第二DBR反射层，所述第二DBR反射层为n型DBR反射层；
步骤107：在所述n型DBR反射层上生长电极接触层，所述电极接触层为n型GaAs电极接触层。
进一步的，所述单晶GaAs衬底为p型单晶GaAs导电衬底。
进一步的，所述p型GaAs缓冲层、p型DBR反射层、第一空间限制层、GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层的生长温度相同。
进一步的，所述p型GaAs缓冲层、p型DBR反射层、第一空间限制层、GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层的生长温度范围为600～650℃。
进一步的，所述p型GaAs缓冲层、p型DBR反射层和第一空间限制层的生长气氛相同，均为氢气。
进一步的，GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元中GaAs的带隙为1.42eV，GaInNAs的带隙为0.8～1.0eV，所述第一空间限制层和所述第二空间限制层的材料为非掺杂的GaAs材料；DBR反射层的材料为AlGaAs/GaAs材料。
进一步的，所述第二空间限制层用于限制载流子从所述GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱中逃逸，生长气氛为氢气。
进一步的，所述n型DBR反射层和n型电极接触层的生长温度较GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层的生长温度高，为700～800℃，生长气氛均为氢气。
本发明提供的氮化物垂直腔面发射激光器的MOCVD生长方法中，使用氨气作为有源区材料GaInNAs的生长气氛并采用较高的生长温度，可以有效提升N原子并入比，还可以抑制材料中的C背景浓度，提升量子阱材料质量。同时，在垂直腔面发射激光器中，p型GaAs缓冲层、p型DBR反射层、第一空间限制层、GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层的生长温度相同，并且均在MOCVD设备中生长，能够进行无缝衔接生长，便于控制生长条件，能够形成高质量的层结构，并缩短生长时间。
进一步的，通过在形成多量子阱激光发射单元和第二空间限制层之后，采用较高的温度形成n型DBR反射层和n型电极接触层，这样就可以在生长过程中完成对氮化物的退火过程，还可以减少工艺时间。与现有的低温生长及再退火技术相比，可以提升长波长氮化物VCSEL的材料可靠性并增加产能，更适合于规模化生产。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例氮化物垂直腔面发射激光器的制备方法基本流程示意图；
图2为本发明实施例所制备的氮化物垂直腔面发射激光器材料结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
传统的As/P材料系MOCVD机台采用的生长气氛是氢气，由于氢气在高温下分解的部分氢离子可以与C相结合生成CH4，从而可以起到抑制材料C玷污的作用。然而在生长GaInNAs材料时，为了提高N原子的并入比，需要大幅降低AsH3的摩尔比并采用较低的生长温度，因此生长气氛中的氢离子较少，造成得到的GaInNAs材料中C背景浓度较大。如果采用氨气(NH3)作为生长气氛则可以解决这个问题，此时可以采用与GaAs相同的较高温度(600～650℃)来生长GaInNAs材料，因为在高温下NH3可以分解出N和H两种元素，分解出的N可以提升N原子的并入比，在高温下达到甚至超过低温时的N并入效果，解决了GaInNAs材料无法高温生长的问题；而分解出的H则可以起到抑制C玷污的作用，保证了材料质量问题。
为了进一步提升降低GaInNAs材料中的缺陷密度，可以采用高温退火(700～800℃)的方法。通常采用的高温退火是完成所有材料层生长后在MOCVD腔室内对材料片进行原位退火或是从腔室取出后再采用单独的退火炉进行退火，这些方法造成了工艺时间的增加。而基于GaInNAs长波长VCSEL的传统结构，如果在GaInNAs量子阱后的DBR反射层直接提升生长温度则可在制备激光器外延材料的同时完成对GaInNAs材料的退火，节省了工艺时间。
本发明提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，所述制备方法包括有利用MOCVD方法依次在单晶GaAs衬底上形成缓冲层、第一DBR反射层、第一空间限制层、多量子阱激光发射单元、第二空间限制层、第二DBR反射层和电极接触层；
其中的所述多量子阱激光发射单元为GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元，利用MOCVD方法生长GaAs和GaInNAs层，并且生长GaAs、GaInNAs和GaAs层生长温度相同，其中GaAs为势垒层，生长气氛为氢气；GaInNAs为势阱层，生长气氛为氨气。
所述垂直腔面发射激光器为氮化物垂直腔面发射激光器。
在生长激光器量子阱材料时温度保持不变，将生长气氛进行切换，采用氨气作为势阱材料GaInNAs的生长气氛，采用氢气作为势垒材料GaAs的生长气氛，在生长GaInNAs和GaAs层之间保证无缝衔接，从而减少界面缺陷密度。
参照附图1所示，所述制备方法具体包括以下步骤，最终形成如图2所示的氮化物垂直腔面发射激光器材料结构示意图：
步骤101：在单晶GaAs衬底上沉积缓冲层，所述缓冲层为p型GaAs缓冲层；
所述单晶GaAs衬底为p型单晶GaAs导电衬底。
步骤102：在所述p型GaAs缓冲层上生长第一DBR反射层，所述第一DBR反射层为p型DBR反射层；
步骤103：在所述p型DBR反射层上生长第一空间限制层；
步骤104：在所述第一空间限制层上生长GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元；
步骤105：在所述GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元上生长第二空间限制层；
在步骤102-105中，所述p型GaAs缓冲层、p型DBR反射层、第一空间限制层、GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层的生长温度相同，并且均在MOCVD设备中进行生长，控制生长温度范围为600～650℃，这样能够控制多种材料层进行无缝对接的生长，能够缩短MOCVD生长的时间。
所述p型GaAs缓冲层、p型DBR反射层和第一空间限制层的生长气氛相同，均为氢气。
GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元中GaAs的带隙为1.42eV，GaInNAs的带隙为0.8～1.0eV，所述第一空间限制层和所述第二空间限制层的材料为非掺杂的GaAs材料；DBR反射层的材料为AlGaAs/GaAs材料。
所述第二空间限制层用于限制载流子从所述GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱中逃逸，生长气氛为氢气。
步骤106：在所述第二空间限制层上生长第二DBR反射层，所述第二DBR反射层为n型DBR反射层；
步骤107：在所述n型DBR反射层上生长电极接触层，所述电极接触层为n型GaAs电极接触层。
在所述步骤106-107中，所述n型DBR反射层和n型电极接触层的生长温度较GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层的生长温度高，为700～800℃，生长气氛均为氢气。这样可以确保在形成n型DBR反射层和n型电极接触层过程中，对已经形成的GaAs/GaInNAs/GaAs多量子阱激光发射单元和第二空间限制层等层结构进行退火，无需额外的退火步骤，节省了工艺时间。采用该方法最终可得到具有较高晶体质量量子阱材料的长波长氮化物VCSEL，可提升其激射性能，并改善其可靠性。
综上所述，本发明利用MOCVD方法，在600～650℃生长温度下采用氨气作为长波长氮化物VCSEL有源区材料GaInNAs的生长气氛，可以有效提升N原子并入比，还可以抑制材料中的C背景浓度，提升量子阱材料质量。同时，通过在形成多量子阱激光发射单元和第二空间限制层之后，采用较高的温度形成n型DBR反射层和n型电极接触层，这样就可以在生长过程中完成对氮化物的退火过程，还可以减少工艺时间。与现有的低温生长及再退火技术相比，可以提升长波长氮化物VCSEL的材料可靠性并增加产能，更适合于规模化生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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