一种垂直腔面发射激光器及其制备方法
阅读说明：本技术 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 (Vertical cavity surface emitting laser and preparation method thereof ) 是由 杨翠柏 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器,其结构包括Si衬底,激光器单元、隔离区和太阳电池单元。Si衬底为p型Si单晶片；激光器单元在Si衬底的上表面按照层状叠加结构从下至上依次设置有缓冲层、反射层、多量子阱激光发射单元、反射层和电极接触层,在电极接触层正上方制备有上电极,在Si衬底下表面制备有下电极；隔离区为高电阻区域；太阳电池单元从下至上包括Si衬底、n型发射区和窗口层,在n型发射区上方制备有上电极,在Si衬底下表面制备有下电极。本发明在降低材料制作成本的同时还可以实现VCSEL系统的电流自供给,大大降低了VCSEL系统的工作能耗。(The invention provides a silicon-based vertical cavity surface emitting laser with self-supplied current, which structurally comprises a Si substrate, a laser unit, an isolation region and a solar cell unit. The Si substrate is a p-type Si single chip; the laser unit is sequentially provided with a buffer layer, a reflecting layer, a multi-quantum well laser emission unit, the reflecting layer and an electrode contact layer from bottom to top on the upper surface of a Si substrate according to a layered superposed structure, an upper electrode is prepared right above the electrode contact layer, and a lower electrode is prepared on the lower surface of the Si substrate; the isolation region is a high-resistance region; the solar cell unit comprises a Si substrate, an n-type emitting region and a window layer from bottom to top, wherein an upper electrode is prepared above the n-type emitting region, and a lower electrode is prepared on the lower surface of the Si substrate. The invention can realize the current self-supply of the VCSEL system while reducing the material manufacturing cost, thereby greatly reducing the working energy consumption of the VCSEL system.)
技术领域
本发明涉及半导体激光器的技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，更具体的涉及一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着5G通信、智能手机和智能制造的市场需求日益扩大，半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)在光通信、3D传感和工业探测等领域的应用越来越广泛。激射波长为750～800nm范围的VCSEL可应用于工业、医疗等领域的各类传感系统，波长为850nm的VCSEL可应用于短程光纤通信系统，而940～980nm的VCSEL可应用于3D传感、粒子发生器等系统。
而在VCSEL阵列应用于户外的探测传感或通信系统时，由于其系统的功耗和电源供给方面限制了VCSEL的具体应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器，采用与晶硅相匹配的GaNAsP材料作为有源层，可以基于晶硅衬底制备得到激射波长在780～950nm范围的VCSEL；同时在晶硅衬底在制备太阳电池与VCSEL相集成，可得到电流自供给硅基VCSEL。与GaAs基VCSEL相比，该技术直接基于单晶硅片制备得到激射波长可调节的VCSEL器件，降低了材料成本，同时实现与太阳电池相集成，实现了VCSEL阵列的电流自供给功能，可大大降低VCSEL的系统功耗。
本发明提供的技术方案如下：
一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括激光器单元、高电阻隔离区和太阳电池单元，所述激光器单元和所述太阳电池单元共用Si衬底，并且所述激光器单元和所述太阳电池单元由所述隔离区隔开；
在所述激光器单元中，在Si衬底的上表面依次包括缓冲层、第一反射层、GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元、第二反射层、电极接触层和上电极，在Si衬底下表面具有下电极；
在所述太阳电池单元中，在Si衬底上表面依次包括n型发射区和窗口层，在n型发射区上方具有上电极，在Si衬底下表面具有下电极；
所述激光器单元的上电极与所述太阳电池单元的上电极相连，所述激光器单元的下电极与所述太阳电池单元的下电极相连。
进一步的，所述Si衬底为p型单晶Si衬底，所述缓冲层为p型GaNP缓冲层，所述第一反射层为p型DBR反射层，所述第二反射层为n型DBR反射层，所述电极接触层为n型GaNP电极接触层。
进一步的，所述激光器单元的p型GaNP缓冲层、p型DBR反射层、GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元、n型DBR反射层和n型GaNP电极接触层的所有材料晶格常数与Si衬底保持相同。
进一步的，所述激光器单元的p型GaNP缓冲层的厚度为200～800nm。
进一步的，所述激光器单元的p型DBR反射层由p型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为30～50对。
进一步的，所述激光器单元的GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元中有源区材料GaNAsP的光学带隙为1.3～1.6eV，量子阱数目为2～5个。
进一步的，所述激光器单元的n型DBR反射层由n型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为20～40对；在n型DBR反射层和多量子阱激光发射单元之间还具有氧化限制层。
进一步的，所述激光器单元的n型GaNP电极接触层掺杂浓度大于5×1018cm-3。
进一步的，所述太阳电池单元的n型发射区掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3，厚度为100～500nm。
进一步的，所述太阳电池单元的窗口层为宽带隙透光的氮化硅，厚度为20～50nm。
本发明还涉及一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供p型单晶Si作为Si衬底，所述Si衬底包括激光器单元区域和太阳电池单元区域，以及所述激光器单元区域和太阳电池单元区域之间的隔离区，然后在所述Si衬底的所述激光器单元区域上表面生长缓冲层；
步骤S2：在所述缓冲层上生长第一反射层；
步骤S3：在所述第一反射层上生长GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元；
步骤S4：在所述多量子阱激光发射单元上生长第二反射层；
步骤S5：在所述第二反射层上生长电极接触层；
步骤S6：在步骤S1-S5制作而成的堆叠结构上采用光刻、湿法氧化工艺形成激光器单元的氧化限制层，氧化限制层位于n型DBR反射层和多量子阱激光发射单元之间；
步骤S7：在所述Si衬底的隔离区上采用光刻、离子注入工艺形成高电阻区域；
步骤S8：在所述Si衬底的太阳电池单元区域表面处采用光刻、离子注入工艺形成太阳电池单元的n型发射区；
步骤S9：在所述n型发射区表面形成氮化硅窗口层；
步骤S10：在完成步骤S9的堆叠结构上制作上电极；
步骤S11：在所述Si衬底下表面制作下电极。
进一步的，所述缓冲层为p型GaNP缓冲层，所述第一反射层为p型DBR反射层，所述第二反射层为n型DBR反射层，所述电极接触层为n型GaNP电极接触层。
本发明的形成的垂直腔面发射激光器结构，利用单晶Si衬底，结合GaNAsP等氮化物材料的自身特点，在Si衬底上设置有激光器单元、隔离区和太阳电池单元；所述激光器单元的上电极与所述太阳电池单元的上电极相连，所述激光器单元的下电极与所述太阳电池单元的下电极相连，最终可得到集成了太阳电池的硅基垂直腔面发射激光器，可在光照条件下实现电流自供给，并降低了材料制作成本。该硅基垂直腔面发射激光器，可利用GaNAsP材料的带隙特点调节其激射波长，方便应用于工业探测、光通信和3D传感等领域；同时结合晶硅太阳电池的特点可以实现VCSEL系统的电流自供给，大大降低了VCSEL系统工作时的能耗。总之，本发明可以基于晶硅衬底制作电流自供给的垂直腔面发射激光器，具有较强的应用价值。
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为电流自供给硅基垂直腔面发射激光器器件单元结构示意图。
图2为电流自供给硅基垂直腔面发射激光器外延结构示意图。
图3为电流自供给硅基垂直腔面发射激光器器件单元结构制备工艺流程图。
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。
本申请提供了一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器，请参考图1-2，图1为本申请实施例所提供的一种电流自供给硅基垂直腔面发射激光器器件单元结构示意图，图2为电流自供给硅基垂直腔面发射激光器外延结构示意图，结合图1-2所示的结构示意图可知：
用于形成形成垂直腔面发射激光器的外延结构从下至上依次层叠为p型单晶Si衬底1、p型GaNP缓冲层2、p型DBR反射层3、GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元4、n型DBR反射层5和n型GaNP电极接触层6。
请参考图1所示，本发明提供的电流自供给硅基垂直腔面发射激光器，包括激光器单元、高电阻隔离区和太阳电池单元，所述激光器单元和所述太阳电池单元共用Si衬底，并且所述激光器单元和所述太阳电池单元由所述隔离区隔开；
所述激光器单元包括：在Si衬底1的上表面依次包括缓冲层、第一反射层、GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元4、第二反射层、电极接触层和上电极，在Si衬底下表面具有下电极；
其中所述Si衬底为p型单晶Si衬底1，所述缓冲层为p型GaNP缓冲层2，所述激光器单元的p型GaNP缓冲层的厚度为200～800nm；所述第一反射层为p型DBR(distributedBragg reflection，分布式布拉格反射镜)反射层3，所述激光器单元的p型DBR反射层由p型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为30～50对，能够更好的提高对光的布拉格反射；
所述激光器单元的GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元中有源区材料GaNAsP的光学带隙为1.3～1.6eV，量子阱数目为2～5个，在基于Si衬底的垂直腔面激光器中，使用GaNAsP材料作为有源区材料，能够更好的与单晶Si衬底进行晶格匹配，并且能够降低VCSEL的制作成本。
所述第二反射层为n型DBR反射层5，所述激光器单元的n型DBR反射层由n型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为20～40对；在n型DBR反射层和多量子阱激光发射单元之间还具有氧化限制层5-1，并且激光器单元的氧化限制层5-1位于n型DBR反射层5的最下方且氧化限制层5-1的截面面积小于n型DBR反射层5的截面面积。
所述电极接触层为n型GaNP电极接触层6，所述激光器单元的n型GaNP电极接触层掺杂浓度大于5×1018cm-3，能够减少接触电阻。
并且，所述激光器单元的p型GaNP缓冲层、p型DBR反射层、GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元、n型DBR反射层和n型GaNP电极接触层的所有材料晶格常数与Si衬底保持相同，这样可以在Si衬底上更好的形成晶格匹配的多层结构，提高激光器结构的性能。
激光器单元中上电极9位于n型GaNP电极接触层6的正上方，下电极10位于p型单晶Si衬底1的正下方。
在单晶Si衬底上，激光器单元和太阳电池单元之间为隔离区，隔离区为离子注入形成的高电阻的隔离区，能够防止两侧的电子传输和电流的导通。
在所述太阳电池单元中，在Si衬底上表面依次包括n型发射区7和窗口层8，在n型发射区上方具有上电极9，在Si衬底下表面具有下电极10；所述太阳电池单元的n型发射区掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3，厚度为100～500nm。
所述太阳电池单元的窗口层为宽带隙透光的氮化硅，厚度为20～50nm，通过光刻、PECVD镀膜等工艺形成窗口层8，窗口层8具有很好的绝缘性和透光性，能够确定环境光从窗口层进入，并能够对激光器侧面的边缘起到绝缘的作用。
太阳电池单元中上电极9通过光刻工艺直接与n型发射区接触，下电极10位于p型单晶Si衬底1的正下方。
通过光刻、金属蒸镀等工艺形成上电极9和下电极10，所述激光器单元的上电极与所述太阳电池单元的上电极相连(均是上电极层9)，所述激光器单元的下电极与所述太阳电池单元的下电极相连(均是下电极层10)，这样在外界光照射到太阳电池单元时，太阳电池单元能够通过光生伏打效应产生电动势，对垂直激光器单元进行电源的供给，实现电流自供给，可以减少VCSEL系统工作时的能耗。
在本申请的实施例中，基于一种硅基垂直腔面发射激光器的外延材料进行光刻、氧化、离子注入、镀膜、金属蒸镀等流片工艺处理形成激光器单元的氧化限制层、隔离区、太阳电池单元的n型发射区、窗口层以及上、下电极。
参照图3为本实施例上述电流自供给硅基垂直腔面发射激光器的具体制备过程，包括下述步骤：
步骤S1：提供p型单晶Si作为Si衬底，所述Si衬底包括激光器单元区域和太阳电池单元区域，以及所述激光器单元区域和太阳电池单元区域之间的隔离区，然后在所述Si衬底的所述激光器单元区域上表面生长缓冲层；
在具体实施例中，可以选择4英寸p型单晶Si片为衬底(不仅仅局限于4英寸的单晶Si片)，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p型GaNP缓冲层，厚度为200～800nm，优选厚度为300nm；
步骤S2：在所述缓冲层上生长第一反射层；
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GaNP缓冲层上生长p型DBR反射层，由p型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为30～50对，能够更好的提高对光的布拉格反射，优选GaNP/AlNP对数为40对；
步骤S3：在所述第一反射层上生长GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元；
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反射层上生长GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元，有源区材料GaNAsP的光学带隙为1.3～1.6eV，量子阱数目为2～5个，在基于Si衬底的垂直腔面激光器中，使用GaNAsP材料作为有源区材料，能够更好的与单晶Si衬底进行晶格匹配，并且能够降低VCSEL的制作成本。优选GaNAsP的光学带隙为1.46eV，量子阱数目为3个；
步骤S4：在所述多量子阱激光发射单元上生长第二反射层；
采用金属有机化学气相沉积技术或分子束外延技术在GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元上生长n型DBR反射层，由n型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为20～40对，优选GaNP/AlNP对数为30对；
步骤S5：在所述第二反射层上生长电极接触层；
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反射层上生长n型GaNP电极接触层掺杂浓度大于5×1018cm-3，优选的掺杂浓度为1×1019cm-3，能够减少接触电阻。
步骤S6：在步骤S1-S5制作而成的堆叠结构上采用光刻、湿法氧化工艺形成激光器单元的氧化限制层，氧化限制层位于n型DBR反射层和多量子阱激光发射单元之间，氧化限制层位于n型DBR反射层的最下方且氧化限制层5-1的截面面积小于n型DBR反射层5的截面面积。具体的可以使用光刻胶对不需要氧化的区域进行覆盖保护，而暴露出n型DBR反射层的下方，然后使用湿法氧化工艺，将n型DBR反射层底部进行湿法氧化，形成氧化限制层5-1。
步骤S7：在所述Si衬底的隔离区上采用光刻、离子注入工艺形成高电阻区域；具体的可以在整个结构的表面涂覆光阻层，然后对光阻层进行曝光显影处理，暴露出隔离区域，然后使用非导电性的离子进行离子注入，比如使用Ar离子或N离子，形成高电阻的隔离区，能够防止激光器区域和太阳电池区域两侧的电子传输和电流的导通。
步骤S8：在所述Si衬底的太阳电池单元区域表面处采用光刻、离子注入工艺形成太阳电池单元的n型发射区；
在步骤S7形成高电阻的隔离区之后，去除光阻层，然后再形成的材料片上采用光刻、离子注入工艺形成太阳电池单元的n型发射区，在太阳电池区域的单晶Si衬底内注入n型离子，n型发射区掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3，厚度为100～500nm，优选的n型发射区掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为200nm。
步骤S9：在所述n型发射区表面形成氮化硅窗口层；
在步骤S8形成的材料片上采用光刻、镀膜工艺形成氮化硅窗口层，窗口层的厚度为20～50nm，具体可以通过PECVD镀膜等工艺沉积氮化硅层，然后经过光刻刻蚀，形成窗口层8，窗口层8具有很好的绝缘性和透光性，能够确定环境光从窗口层进入，并能够对激光器侧面的边缘起到绝缘的作用；优选的窗口层厚度为30nm。然后经过刻蚀，在窗口层8中形成开口暴露出n型发射区7。
步骤S10：在完成步骤S9的堆叠结构上制作上电极；
在步骤S9形成的材料片上采用光刻、金属蒸镀工艺在激光器单元和太阳电池单元上方制作上电极；上电极9从太阳电池单元的n型发射区延伸到激光器单元的电极接触层6，太阳电池单元的上电极和激光器单元的上电极相互连接。电极的材料为Au、Ag或Pt等金属。
步骤S11：在所述Si衬底下表面制作下电极。
在步骤S10形成的材料片上采用光刻、金属蒸镀工艺在Si衬底下表面制作下电极，太阳电池单元的下电极和激光器单元的下电极相互连接。下电极的材料Au、Ag或Pt等金属。
综上所述，本发明利用单晶Si衬底，结合GaNAsP等氮化物材料的自身特点，在Si衬底上设置有激光器单元、隔离区和太阳电池单元。激光器单元从下至上依次设置有p型GaNP缓冲层、p型DBR反射层、GaNP/GaNAsP/GaNP多量子阱激光发射单元、n型DBR反射层和n型GaNP电极接触层，在n型GaNP电极接触层正上方制备有上电极，在Si衬底下表面制备有下电极；隔离区为高电阻区域，阻止电流的导通；太阳电池单元从下至上包括Si衬底、n型发射区和窗口层，在窗口层正上方制备有上电极，在Si衬底下表面制备有下电极。最终可得到集成了太阳电池的硅基垂直腔面发射激光器，可在光照条件下实现电流自供给，并降低了材料制作成本。该硅基垂直腔面发射激光器，可利用GaNAsP材料的带隙特点调节其激射波长，方便应用于工业探测、光通信和3D传感等领域；同时结合晶硅太阳电池的特点可以实现VCSEL系统的电流自供给，大大降低了VCSEL系统工作时的能耗。总之，本发明可以基于晶硅衬底制作电流自供给的垂直腔面发射激光器，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。