一种硅基双面垂直腔面发射激光器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种硅基双面垂直腔面发射激光器及其制备方法 (Silicon-based double-sided vertical cavity surface emitting laser and preparation method thereof ) 是由 杨翠柏 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种硅基双面垂直腔面发射激光器及其制备方法,硅基双面垂直腔面发射激光器包括以下结构：经过双面抛光的p型单晶硅衬底；第一p型缓冲层,位于与所述抛光的上表面相接触的表面上；第二p型缓冲层,位于与所述抛光的下表面相接触的表面上,所述第一p型缓冲层的材料和所述第二p型缓冲层的材料不同；短波激光发射模组,所述短波激光发射模组的量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP；长波激光发射模组的量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs。本发明的硅基双面垂直腔面发射激光器中,可基于单晶硅衬底制备得到短波长波共存的VCSEL器件,方便应用于功能集成度较高的通信、传感、智能控制等系统。(The invention provides a silicon-based double-sided vertical cavity surface emitting laser and a preparation method thereof, wherein the silicon-based double-sided vertical cavity surface emitting laser comprises the following structures: a p-type single crystal silicon substrate subjected to double-side polishing; a first p-type buffer layer on a surface in contact with the polished upper surface; a second p-type buffer layer on a surface in contact with the polished lower surface, the first p-type buffer layer being of a different material than the second p-type buffer layer; the quantum dot structure of the short-wave laser emission module is undoped GaNP/InP/GaNP; the quantum dot structure of the long-wave laser emission module is undoped GaNAs/InAs/GaNAs. In the silicon-based double-sided vertical cavity surface emitting laser, the VCSEL device with short wave and long wave coexisting can be prepared based on the monocrystalline silicon substrate, and the silicon-based double-sided vertical cavity surface emitting laser can be conveniently applied to systems with higher function integration level, such as communication, sensing, intelligent control and the like.)
技术领域
本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种硅基双面垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)可以通过采用不同特征波长的有源区材料来实现不同的激射波长。激射波长为800～980nm范围内的短波长VCSEL可应用于数据中心、3D传感和医疗传感等领域，而激射波长为1300～1550nm的长波长VCSEL可应用于长距光通信、车载雷达、工业长距探测等领域。而随着通信、传感、智能控制等系统的集成化程度越来越高，同一系统经常会同时需要两种不同波长的VCSEL以适合不同的应用场景。但是将短波长和长波长VCSEL集成于同一材料基底仍然需要克服很多技术问题，比如热膨胀系数、晶格匹配的问题等。
发明内容
本发明提供一种硅基双面垂直腔面发射激光器，本申请的垂直腔面发射激光器可以基于双面抛光的晶硅衬底制备得到激射波长为800～980nm和1300～1550nm的双波长VCSEL。相比于传统的GaAs基短波长VCSEL和InP基长波长VCSEL，本申请的硅基双面垂直腔面发射激光器可直接基于单晶硅片制备得到短波长波共存的VCSEL器件，方便应用于功能集成度较高的通信、传感、智能控制等系统，并且采用硅片代替化合物衬底，在降低材料成本的同时还可简化激光器与硅基电路系统的集成工艺。
具体的，本发明提供的方案如下：
本发明提供一种硅基双面垂直腔面发射激光器，包括以下结构：
衬底，所述衬底为p型单晶硅衬底，其具有经过抛光的上表面和经过抛光的下表面；
第一p型缓冲层，位于与所述抛光的上表面相接触的表面上；
第二p型缓冲层，位于与所述抛光的下表面相接触的表面上，所述第一p型缓冲层的材料和所述第二p型缓冲层的材料不同；
短波激光发射模组，设置于所述衬底的上表面的所述第一p型缓冲层上，所述短波激光发射模组包括有量子点短波激光发射单元，所述量子点短波激光发射单元中量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP；以及
长波激光发射模组，设置于所述衬底的下表面的所述第二p型缓冲层上，所述长波激光发射模组包括有量子点长波激光发射单元，所述量子点长波激光发射单元中量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs。
进一步的，所述短波激光发射模组包括有依次堆叠设置的p型DBR短波反射层、量子点短波激光发射单元、n型DBR短波反射层和上表面n型电极接触层。
进一步的，所述p型DBR短波反射层，设置于所述第一p型缓冲层远离所述p型单晶硅衬底的表面；
所述量子点短波激光发射单元，设置于所述p型DBR短波反射层远离所述第一p型缓冲层的表面；
所述n型DBR短波反射层，设置于所述量子点短波激光发射单元远离所述p型DBR短波反射层的表面；
所述上表面n型电极接触层，设置于所述n型DBR短波反射层远离所述量子点短波激光发射单元的表面。
进一步的，所述长波激光发射模组包括有依次堆叠设置的p型DBR长波反射层、量子点长波激光发射单元、n型DBR长波反射层和下表面n型电极接触层。
进一步的，所述p型DBR长波反射层，设置于所述第二p型缓冲层远离所述p型单晶硅衬底的表面；
所述量子点长波激光发射单元，设置于所述p型DBR长波反射层远离所述第二p型缓冲层的表面；
所述n型DBR长波反射层，设置于所述量子点长波激光发射单元远离所述p型DBR长波反射层的表面；
所述下表面n型电极接触层，设置于所述n型DBR长波反射层远离所述量子点长波激光发射单元的表面。
进一步的，所述第一p型缓冲层的材料为p型GaNP，所述第一p型缓冲层的厚度为300～1000nm；所述第二p型缓冲层的材料为p型GaNAs，所述第二p型缓冲层的厚度为200～800nm。
进一步的，所述p型DBR短波反射层包括40～60对p型掺杂的GaNP/AlNP；
所述量子点短波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为800～980nm；
所述n型DBR短波反射层包括30～50对n型掺杂的GaNP/AlNP；所述上表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNP，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm。
进一步的，所述p型DBR长波反射层包括30～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述量子点长波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为1300～1550nm；所述n型DBR长波反射层包括20～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述下表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNAs，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm。
同时本发明还提供了一种硅基双面垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供双面抛光p型单晶Si衬底，并在所述p型单晶Si衬底上形成第一p型缓冲层；
步骤S02：在所述第一p型缓冲层上生长p型DBR短波反射层；
步骤S03：在所述p型DBR短波反射层上生长量子点短波激光发射单元，量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP；
步骤S04：在所述量子点短波激光发射单元上生长n型DBR短波反射层；
步骤S05：在所述n型DBR短波反射层上生长上表面n型GaNP电极接触层；
步骤S06：将双面抛光的p型单晶Si衬底翻转180度，使其下表面朝上；
步骤S07：在单晶Si衬底的所述下表面形成第二p型缓冲层，所述第一p型缓冲层的材料和所述第二p型缓冲层的材料不同；
步骤S08：在所述第二p型缓冲层上生长p型DBR长波反射层；
步骤S09：在所述p型DBR长波反射层上生长量子点长波激光发射单元，量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs；
步骤S010：在所述量子点长波激光发射单元上生长n型DBR长波反射层；
步骤S011：在所述n型DBR长波反射层上生长下表面n型GaNAs电极接触层。
进一步的，所述第一p型缓冲层的材料为p型GaNP，所述第一p型缓冲层的厚度为300～1000nm；所述第二p型缓冲层的材料为p型GaNAs，所述第二p型缓冲层的厚度为200～800nm；
所述p型DBR短波反射层包括40～60对p型掺杂的GaNP/AlNP；
所述量子点短波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为800～980nm；
所述n型DBR短波反射层包括30～50对n型掺杂的GaNP/AlNP；所述上表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNP，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm；
所述p型DBR长波反射层包括30～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述量子点长波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为1300～1550nm；所述n型DBR长波反射层包括20～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述下表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNAs，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm。
本发明的技术方案中，提供的硅基双面垂直腔面发射激光器中，可基于单晶硅衬底制备得到短波长波共存的VCSEL器件，方便应用于功能集成度较高的通信、传感、智能控制等系统。同时本申请提供的硅基双面垂直腔面发射激光器还可以采用晶硅衬底代替GaAs、InP等化合物衬底，在降低制造成本的同时还能简化激光器与硅基电路系统的集成工艺。
进一步的，本发明的单晶硅衬底上下表面是经过抛光处理的，这样可以更好的和上面的层结构晶格匹配，环境应力，并且根据单晶硅上下表面形成的长波长和短波长垂直腔面发射激光器的不同，在衬底的上下表面形成的缓冲层不同，在短波VCSEL器件中的量子点短波激光发射单元的量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP，缓冲层为p型GaNP，其晶格常数与晶硅衬底相同；在长波VCSEL器件中量子点长波激光发射单元中的量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs，缓冲层的材料为p型GaNAs，晶格常数与晶硅衬底相同，这样能够更好的使上下不同波长的VCSEL器件与单晶硅衬底晶格匹配，减少多层结构的应力，提高器件的稳定性。
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为本发明硅基双面垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2为本发明硅基双面垂直腔面发射激光器制备方法流程图。
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。
本申请提供了一种硅基双面垂直腔面发射激光器，如图1所示，为硅基双面垂直腔面发射激光器结构的示意图，衬底10；短波激光发射模组20；长波激光发射模组30。
其中的衬底10为经过上下抛光的单晶Si衬底，也就是对单晶Si衬底的上表面和下表面经过了抛光处理，在衬底10上表面具有第一p型缓冲层21，在衬底10的下表面具有第二p型缓冲层31，所述第一p型缓冲层21的材料和所述第二p型缓冲层31的材料不同；
进一步的，所述第一p型缓冲层的材料为p型GaNP，所述第一p型缓冲层的厚度为300～1000nm；所述第二p型缓冲层的材料为p型GaNAs，所述第二p型缓冲层的厚度为200～800nm。
所述短波激光发射模组20设置于所述衬底的上表面的所述第一p型缓冲层21上，包括有依次堆叠设置的p型DBR短波反射层22、量子点短波激光发射单元23、n型DBR短波反射层24和上表面n型电极接触层25。
所述短波激光发射模组的量子点短波激光发射单元23中的所述量子点短波激光发射单元中量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP；
从附图1中可以看出，所述p型DBR短波反射层22，设置于所述第一p型缓冲层21远离所述p型单晶硅衬底的表面；
所述量子点短波激光发射单元23，设置于所述p型DBR短波反射层22远离所述第一p型缓冲层21的表面；
所述n型DBR短波反射层24，设置于所述量子点短波激光发射单元23远离所述p型DBR短波反射层22的表面；
所述上表面n型电极接触层25，设置于所述n型DBR短波反射层24远离所述量子点短波激光发射单元23的表面。
长波激光发射模组30，设置于所述衬底的下表面的所述第二p型缓冲层31上，所述长波激光发射模组30包括有依次堆叠设置的p型DBR长波反射层32、量子点长波激光发射单元33、n型DBR长波反射层34和下表面n型电极接触层35。
长波激光发射模组的量子点长波激光发射单元33的所述量子点长波激光发射单元中量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs。
所述p型DBR长波反射层32，设置于所述第二p型缓冲层31远离所述p型单晶硅衬底的表面；
所述量子点长波激光发射单元33，设置于所述p型DBR长波反射层32远离所述第二p型缓冲层31的表面；
所述n型DBR长波反射层34，设置于所述量子点长波激光发射单元33远离所述p型DBR长波反射层32的表面；
所述下表面n型电极接触层35，设置于所述n型DBR长波反射层34远离所述量子点长波激光发射单元33的表面。
根据单晶硅上下表面形成的长波长和短波长垂直腔面发射激光器的不同，在衬底的上下表面形成的缓冲层不同，在短波VCSEL器件中的量子点短波激光发射单元的量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP，缓冲层为p型GaNP，其晶格常数与晶硅衬底相同；在长波VCSEL器件中量子点长波激光发射单元中的量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs，缓冲层的材料为p型GaNAs，晶格常数与晶硅衬底相同，这样能够更好的使上下不同波长的VCSEL器件与单晶硅衬底晶格匹配，减少多层结构的应力。
其中，所述p型DBR短波反射层包括40～60对p型掺杂的GaNP/AlNP；
所述量子点短波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为800～980nm；
所述n型DBR短波反射层包括30～50对n型掺杂的GaNP/AlNP；所述上表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNP，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm。
所述p型DBR长波反射层包括30～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述量子点长波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为1300～1550nm；所述n型DBR长波反射层包括20～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs；
所述下表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNAs，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm。
本发明提供的硅基双面垂直腔面发射激光器中，可基于单晶硅衬底制备得到短波长波共存的VCSEL器件，方便应用于功能集成度较高的通信、传感、智能控制等系统。
同时本发明还提供了一种硅基双面垂直腔面发射激光器的制备方法，参照图2所示的硅基双面垂直腔面发射激光器的制备方法的流程图可知，其主要包括以下步骤：
步骤S01：提供双面抛光p型单晶Si衬底，并在所述p型单晶Si衬底上形成第一p型缓冲层；
提供p型单晶硅衬底，并对硅衬底进行双面抛光，抛光可以使用CMP工艺，抛光之后，对硅衬底进行清洗、烘干，减少衬底表面的粗糙度和杂质，更好的与上方形成的层结构进行晶格匹配，减少多层结构之间的应力。
然后再p型单晶Si衬底的上表面(任意选取一面为上表面，另一面则为下表面)上形成第一p型缓冲层，在该表面上方后续形成的短波VCSEL器件中的量子点短波激光发射单元的量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP，因此，第一p型缓冲层为p型GaNP，其晶格常数与晶硅衬底相同，这样可以使上方的激光器的多层结构和衬底进行更好的晶格匹配，减少层之间的应力。
所述第一p型缓冲层的材料为p型GaNP，所述第一p型缓冲层的厚度为300～1000nm。
在一具体实施例中(此处的具体实施例仅为其中的一个示例，而不是只有这一种具体的选择方案，下同)，选择一4英寸双面抛光p型单晶Si片为衬底，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在Si衬底的上表面生长上表面p型GaNP缓冲层，厚度为500nm；
步骤S02：在所述第一p型缓冲层上生长p型DBR短波反射层；
所述p型DBR短波反射层包括40～60对p型掺杂的GaNP/AlNP。
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在上表面p型GaNP缓冲层上生长p型DBR短波反射层，由p型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为50对；
步骤S03：在所述p型DBR短波反射层上生长量子点短波激光发射单元，量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP；
所述量子点短波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为800～980nm
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在p型DBR短波反射层上生长量子点短波激光发射单元，量子点短波激光发射单元中的量子点结构为非掺杂的GaNP/InP/GaNP，量子点层数为5层，量子点直径为10nm，量子点激射波长为940nm。
步骤S04：在所述量子点短波激光发射单元上生长n型DBR短波反射层；
所述n型DBR短波反射层包括30～50对n型掺杂的GaNP/AlNP；
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在量子点短波激光发射单元上生长n型DBR短波反射层，由n型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为40对；
步骤S05：在所述n型DBR短波反射层上生长上表面n型GaNP电极接触层；
所述上表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNP，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm；
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在n型DBR短波反射层上生长上表面n型GaNP电极接触层，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为300nm；
步骤S06：将双面抛光的p型单晶Si衬底翻转180度，使其下表面朝上；
在完成短波激光发射模组之后，将p型单晶Si衬底进行翻转，使下表面朝上，这样可以进行后续的长波激光发射模组的制备。
步骤S07：在单晶Si衬底的所述下表面形成第二p型缓冲层，所述第一p型缓冲层的材料和所述第二p型缓冲层的材料不同；
所述第二p型缓冲层的材料为p型GaNAs，所述第二p型缓冲层的厚度为200～800nm。
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在单晶Si衬底的下表面生长下表面p型GaNAs缓冲层，厚度为400nm。
步骤S08：在所述第二p型缓冲层上生长p型DBR长波反射层；
所述p型DBR长波反射层包括30～50对p型掺杂的GaNAs/AlNAs；
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在下表面p型GaNAs缓冲层上生长p型DBR长波反射层，由p型掺杂的GaNAs/AlNAs组成，GaNAs/AlNAs对数为40对。
步骤S09：在所述p型DBR长波反射层上生长量子点长波激光发射单元，量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs；
所述量子点长波激光发射单元中量子点层数为3～8层，量子点直径为5～20nm，量子点激射波长为1300～1550nm。
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在p型DBR长波反射层上生长量子点长波激光发射单元，量子点结构为非掺杂的GaNAs/InAs/GaNAs，量子点层数为5层，量子点直径为10nm，量子点激射波长为1550nm；
步骤S010：在所述量子点长波激光发射单元上生长n型DBR长波反射层；
所述n型DBR长波反射层包括20～40对n型掺杂的GaNAs/AlNAs；
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在量子点长波激光发射单元上生长n型DBR长波反射层，由n型掺杂的GaNAs/AlNAs组成，GaNAs/AlNAs对数为30对。
步骤S011：在所述n型DBR长波反射层上生长下表面n型GaNAs电极接触层。
所述下表面n型电极接触层的材料为n型掺杂的GaNAs，其掺杂浓度大于5×1018cm-3，厚度为100～500nm。
在一具体实施例中，采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在n型DBR长波反射层上生长下表面n型GaNAs电极接触层，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为300nm。
本发明的技术方案中，提供的硅基双面垂直腔面发射激光器中，可基于单晶硅衬底制备得到短波长波共存的VCSEL器件，方便应用于功能集成度较高的通信、传感、智能控制等系统。同时本申请提供的硅基双面垂直腔面发射激光器还可以采用晶硅衬底代替GaAs、InP等化合物衬底，在降低制造成本的同时还能简化激光器与硅基电路系统的集成工艺，具有较强的应用价值，值得推广。
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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