一种用于车载雷达的高功率vcsel及其制备方法
阅读说明：本技术 一种用于车载雷达的高功率vcsel及其制备方法 (High-power VCSEL for vehicle-mounted radar and preparation method thereof ) 是由 林晓珊 吴春寿 宁如光 杨祺 王苏杰 陈振宇 潘彬 王向武 于 2021-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于车载雷达的高功率VCSEL及其制备方法,本发明的高功率VCSEL包括沿生长方向依次生长的GaAs衬底、GaAs缓冲层、N型DBR层、五层有源层、氧化层、P型DBR层和P型GaAs层；所述VCSEL总腔长为5个腔长的整数倍。本发明使用隧穿结实现五个有源层串联,并且通过设计特定的腔长,提高了单位面积内的功率,实现更高功率；同时通过设计不同的势垒高度,解决载流子移动距离,提高辐射复合几率,增加粒子数反转,提高输出功率；通过生长厚度的设计,提高增益,改善驻波场,提高输出功率。(The invention provides a high-power VCSEL for a vehicle-mounted radar and a preparation method thereof, wherein the high-power VCSEL comprises a GaAs substrate, a GaAs buffer layer, an N-type DBR layer, five active layers, an oxide layer, a P-type DBR layer and a P-type GaAs layer which are sequentially grown along the growth direction; the VCSEL total cavity length is an integer multiple of 5 cavity lengths. The invention realizes series connection of five active layers by using the tunneling junction, and improves the power in unit area and realizes higher power by designing the specific cavity length; meanwhile, by designing different barrier heights, the moving distance of a carrier is solved, the radiation recombination probability is improved, the population inversion is increased, and the output power is improved; by the design of growth thickness, gain is improved, standing wave field is improved, and output power is improved.)
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体是涉及一种用于车载雷达的高功率VCSEL及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器（VCSEL）已经在数据通信领域应用了二十多年，但有许多新兴的应用需求正在推动着VCSEL的批量生产和性能提升。这些应用包括但不限于人脸识别、手势识别、接近传感、高分辨率视频显示、汽车激光雷达、红外照明、红外加热、原子钟。
目前广泛应用于手机端单结VCSEL，仅能实现几十米距离测试，很难满足长距离测试，无法满足车载雷达需求。因此，要实现长距离的测试，需要在有效面积内开发出更高功率垂直腔面激光器尤为重要。同时，解决单结中空间烧孔现象，降低对模组的要求。
当前应用比较广泛的VCSEL，结构如图1所示，其制备方法主要包括以下步骤：
1）在GaAs衬底1上,生长GaAs缓冲层2，生长温度为600-700℃，生长压力为50mbar,生长厚度为10-25nm；
2）在GaAs缓冲层2上生长N型DBR层3生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为4µm；
3)在N型DBR层3上生长一号波导层4，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为50nm；
4)在一号波导层4 上生长有源层5，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为45nm；
5）在有源层5上生长二号波导层6，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为50nm；
6）在二号波导层6上生长氧化层7，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为100nm；
7) 在氧化层7上生长P型DBR层8，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为3µm；
8) 在生长P型DBR层8上生长P型GaAs 层9（0<x<0.5），生长温度为600-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为0-50nm。
而该技术方法制备的VCSEL用于车载雷达存在以下缺点：
1.功率偏低，只能局限于几瓦，很难实现相同面积下的高功率；
2.增益相对较低，无法满足现在的市场要求；
3.空间烧孔现象严重；
4.高阶模较难控制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于车载雷达的高功率VCSEL及其制备方法，能有效提高功率，改善增益谱、改善烧孔现象、降低多模，传输距离更远。
本发明通过下述技术方案实现一种用于车载雷达的高功率VCSEL，包括沿生长方向依次生长的GaAs衬底、GaAs缓冲层、N型DBR层、有源层、氧化层、P型DBR层和P型GaAs层；
所述VCSEL总腔长为5个腔长的整数倍；
所述有源层包括沿生长方向依次生长的第一有源层、第二有源层、第三有源层、第四有源层和第五有源层；
所述第一有源层包括沿生长方向依次生长的第一波导层、第一量子阱、第一波导层AlxGaAs、第一P型重掺AlxGaAs和第一N型重掺InxGaP；
所述第二有源层包括沿生长方向依次生长的第二波导层、第二量子阱、第二波导层AlxGaAs、第二P型重掺AlxGaAs和第二N型重掺InxGaP；
所述第三有源层包括沿生长方向依次生长的第三波导层、第三量子阱、第三波导层AlxGaAs、第三P型重掺AlxGaAs和第三N型重掺InxGaP；
所述第四有源层包括沿生长方向依次生长的第四波导层、第四量子阱、第四波导层AlxGaAs、第四P型重掺AlxGaAs和第四N型重掺InxGaP；
所述第五有源层包括沿生长方向依次生长的第五波导层、第五量子阱、第五波导层AlxGaAs。
本技术方案使用五个有源区，有效的将其串联起来，能有效提高单位面积内功率。
进一步的，上述方案中第一波导层、第二波导层、第三波导层、第四波导层和第五波导层的生长厚度为X，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，垒层为AlxGaAs，生长厚度为5-500nm，生长压力为50-500mbar；所述X的范围为5-500nm。
进一步的，上述方案中第一量子阱、第二量子阱、第三量子阱、第四量子阱和第五量子阱的阱层为InxGaAs，生长厚度为5-10nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；垒层为AlxGaAs，生长厚度为5-15nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar。
进一步的，上述方案中第一波导层AlxGaAs、第二波导层AlxGaAs、第三波导层AlxGaAs、第四波导层AlxGaAs和第五波导层AlxGaAs的生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar。
进一步的，上述方案中第一P型重掺AlxGaAs、第二P型重掺AlxGaAs、第三P型重掺AlxGaAs和第四P型重掺AlxGaAs的生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Mg或者C，浓度值为5E19-2E20atoms/cm3。
进一步的，上述方案中第一N型重掺InxGaP、第二N型重掺InxGaP、第三N型重掺InxGaP和第四N型重掺InxGaP的生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Si或者Te，浓度值为1E18-5E19atoms/cm3。
进一步的，上述方案中第一波导层、第二波导层、第三波导层、第四波导层、第五波导层、第一量子阱、第二量子阱、第三量子阱、第四量子阱和第五量子阱中AlxGaAs和InxGaAs的x范围均为0.1<x<0.3。
进一步的，上述方案中第一波导层AlxGaAs中AlxGaAs的x范围为0.1<x<0.7，所述第二波导层AlxGaAs、第三波导层AlxGaAs、第四波导层AlxGaAs和第五波导层AlxGaAs中AlxGaAs的x范围为0.1<x<0.6。
进一步的，上述方案中第一P型重掺AlxGaAs、第二P型重掺AlxGaAs、第三P型重掺AlxGaAs和第四P型重掺AlxGaAs中AlxGaAs的x范围为0<x<0.3。
进一步的，上述方案中第一N型重掺InxGaP、第二N型重掺InxGaP、第三N型重掺InxGaP和第四N型重掺InxGaP中InxGaP的x范围为0.4<x<0.6。
本发明还提供一种用于车载雷达的高功率VCSEL的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
S2.在GaAs缓冲层上生长N型DBR层；
S3.在N型DBR层上依次生长第一有源层、第二有源层、第三有源层、第四有源层和第五有源层；
S4.在第五有源层的第五波导层AlxGaAs上生长氧化层；
S5.在氧化层上生长P型DBR层；
S6.在P型DBR层上生长P型GaAs层。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
1.本发明使用五个有源层，有效的将其串联起来，能有效提高单位面积内功率；
2.本发明针对空穴移动的光程有效设计，能更好的改善空间烧孔现象；
3.本发明针对隧穿结设计，可降低其内损耗和吸收；
4.本发明通过生长厚度的设计，提高增益，改善驻波场，提高输出功率；
5.本发明通过设计不同的势垒高度，解决载流子移动距离，提高辐射复合几率，增加粒子数反转，提高输出功率；
6.本发明通过满足特定腔长实现多个有源层串联，实现更高的功率。
附图说明
图1是现有VCSEL结构示意图；
图2是本发明方法制备的VCSEL结构示意图；
图3是本发明VCSEL的能带图。
示意图中标号说明：
1、GaAs衬底；2、GaAs缓冲层；3、N型DBR层；4、一号波导层；5、有源层；6、二号波导层；7、氧化层；8、P型DBR层；9、P型GaAs层； a1、第一波导层；a2、第一量子阱；a3、第一波导层AlxGaAs；a4、第一P型重掺AlxGaAs；a5、第一N型重掺InxGaP；b1、第二波导层；b2、第二量子阱；b3、第二波导层AlxGaAs；b4、第二P型重掺AlxGaAs；b5、第二N型重掺InxGaP；c1、第三波导层；c2、第三量子阱；c3、第三波导层AlxGaAs；c4、第三P型重掺AlxGaAs；c5、第三N型重掺InxGaP；d1、第四波导层；d2、第四量子阱；d3、第四波导层AlxGaAs；d4、第四P型重掺AlxGaAs；d5、第四N型重掺InxGaP；e1、第五波导层；e2、第五量子阱；e3、第五波导层AlxGaAs。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1至图2，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
图2为本发明一种用于车载雷达的高功率VCSEL的结构示意图，包括沿生长方向依次生长的GaAs衬底1、GaAs缓冲层2、N型DBR层 3、第一波导层a1、第一量子阱a2、第一波导层AlxGaAs a3、第一P型重掺AlxGaAs a4、第一N型重掺InxGaP a5、第二波导层b1、第二量子阱b2、第二波导层AlxGaAs b3、第二P型重掺AlxGaAs b4、第二N型重掺InxGaP b5、第三波导层c1、第三量子阱c2、第三波导层AlxGaAs c3、第三P型重掺AlxGaAs c4、第三N型重掺InxGaPc5、第四波导层d1、第四量子阱d2、第四波导层AlxGaAs d3、第四P型重掺AlxGaAs d4、第四N型重掺InxGaP d5、第五波导层e1、第五量子阱e2、第五波导层AlxGaAs e3、氧化层7、P型DBR层8和P型GaAs层9。
本发明实施例中P型DBR层上可以先生长P型AlxGa（1-x）As 层，其中x范围为0<x<0.5。
本实施例中提供一种用于车载雷达的高功率VCSEL的制备方法，包括以下步骤：
S1.在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层。
具体地，步骤S1生长温度为600-700℃，生长压力为50mbar,生长厚度为10-25nm。
S2.在GaAs缓冲层上生长N型DBR层。
具体地，步骤S2生长温度为650-800℃，生长压力50mbar,生长厚度为4µm。
S3.在N型DBR层上依次生长第一有源层、第二有源层、第三有源层、第四有源层和第五有源层。
具体地，步骤S3第一有源层的生长可以包括：
在N型DBR层上生长第一波导层，其生长的厚度为X，其中X范围为5-500nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；其中垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-500nm，生长压力为50-500mbar；
在第一波导层上生长第一量子阱，其中阱为InxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-10nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-15nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，生长3-5个周期，生长总厚度为A1；
在第一量子阱上生长第一波导层AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.7，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为A2；
在第一波导层AlxGaAs上生长第一P型重掺AlxGaAs，其中x范围为0<x<0.3，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Mg或者C，浓度值为5E19-2E20atoms/cm3，生长总厚度为A3；
在第一P型重掺AlxGaAs上生长第一N型重掺InxGaP，其中x范围为0.4<X<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500,掺杂源为Si或者Te，浓度值为1E18-5E19atoms/cm3，生长总厚度为A4。
具体地，步骤S3第二有源层的生长可以包括：
在第一N型重掺InxGaP上生长第二波导层，其生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；其中垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3,生长厚度为5-500nm，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为B1；
在第二波导层上生长第二量子阱，其中阱为InxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3,生长厚度为5-10nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-15nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，生长3-5个周期，生长总厚度为B2；
在第二量子阱上生长第二波导层AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为B3；
在第二波导层AlxGaAs上生长第二P型重掺AlxGaAs，其中x范围为0<x<0.3，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Mg或者C，浓度值为5E19-2E20atoms/cm3，生长总厚度为B4；
在第二P型重掺AlxGaAs上生长第二N型重掺InxGaP，其中x范围为0.4<X<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Si或者Te，浓度值为1E18-5E19atoms/cm3，生长总厚度为B5。
具体地，步骤S3第三有源层的生长可以包括：
在第二N型重掺InxGaP上生长第三波导层，其生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，其中垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-500nm，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为C1；
在第三波导层上生长第三量子阱，其中阱为InxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-10nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-15nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，生长3-5个周期，生长总厚度为C2；
在第三量子阱上生长第三波导层AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为C3；
在第三波导层AlxGaAs上生长第三P型重掺AlxGaAs，其中x范围为0<x<0.3，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Mg或者C，浓度值为5E19-2E20atoms/cm3，生长总厚度为C4；
在第三P型重掺AlxGaAs上生长第三N型重掺InxGaP，其中x范围为0.4<X<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500,掺杂源为Si或者Te，浓度值为1E18-5E19atoms/cm3，生长总厚度为C5。
具体地，步骤S3第四有源层的生长可以包括：
在第三N型重掺InxGaP上生长第四波导层，其生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，其中垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-500nm，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为D1；
在第四波导层上生长第四量子阱，其中阱为InxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-10nm,生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-15nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，生长3-5个周期，生长总厚度为D2；
在第四量子阱上生长第四波导层AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为D3；
在第四波导层AlxGaAs上生长第四P型重掺AlxGaAs，其中x范围为0<x<0.3，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Mg或者C，浓度值为5E19-2E20atoms/cm3，生长总厚度为D4；
在第四P型重掺AlxGaAs上生长第四N型重掺InxGaP，其中x范围为0.4<X<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，V/III比为10-500，掺杂源为Si或者Te，浓度值为1E18-5E19atoms/cm3，生长总厚度为D5。
具体地，步骤S3第五有源层的生长可以包括：
在第四N型重掺InxGaP上生长第五波导层，其生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，其中垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-500nm，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为E1；
在第五波导层上生长第五量子阱，其中阱为InxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-10nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar；垒为AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.3，生长厚度为5-15nm，生长温度为550-700℃，生长压力为50-500mbar，生长3-5个周期，生长总厚度为E2；
在第五量子阱上生长第五波导层AlxGaAs，其中x范围为0.1<x<0.6，其生长温度为600-800℃，生长压力为50-500mbar，生长总厚度为E3。
本实施例完成五个有源层的生长，通过设计特定腔长有效的将多个有源层串联起来，提高了单位面积内的功率，实现更高功率。
优选地，实施例中腔长满足X*n+A1*n1+E3*n3=λ*N（N=1，2，3…）时，主要是满足第一对光腔，可实现基础光场，其中，λ为腔长，n、n1、n3为每层厚度的Al组分对应的折射率。
优选地，实施例中腔长满足B1*n5+B2*n6+B3*n7+B4*n8+B5*n9 =1/2λ*N（N=1,2,3…）时，主要是满足第二对光腔，实现载流子最大化，有利于辐射复合几率的提升，提高增益，改善驻波场，提高输出功率，其中，λ为腔长，n5、n6、n7、n8、n9为每层厚度的Al组分对应的折射率。
优选地，实施例中腔长满足C1*n5+C2*n6+C3*n7+C4*n8+C5*n9 =3/2λ*N（N=1,2,3…）时，主要是满足第三对光腔，实现修正，提高增益，改善驻波场，提高输出功率，其中，λ为腔长，n5、n6、n7、n8、n9为每层厚度的Al组分对应的折射率。
优选地，实施例中腔长满足D1*n5+D2*n6+D3*n7+D4*n8+D5*n9 =1/2λ*N（N=1，2，3…）时，主要是满足第四对光腔，实现载流子最大化，有利于辐射复合几率的提升，提高增益，改善驻波场，提高输出功率，其中，λ为腔长，n5、n6、n7、n8、n9为每层厚度的Al组分对应的折射率。
优选地，实施例中腔长满足A2*n2+A3*n3+A4*n8+E1*n5+E2*n6 =3/2λ*N（N=1，2，3…）时，主要是满足第五对光腔，实现修正，提高增益，改善驻波场，提高输出功率，其中，λ为腔长，n2、n3、n5、n6、n8为每层厚度的Al组分对应的折射率。
具体地，本发明中VCSEL总腔长满足（λ+1/2λ+3/2λ+1/2λ+3/2λ）*N=5λ*N（N=1，2，3…），输出功率显著提高。
从图3的能带值可以看出，通过不同能带材料厚度的折射率改变光场在有源层的位置，降低损耗，减少非辐射复合，从而达到更低灾变效应，提高微分增益，改善载流子限制，提高了输出功率。
S4.在第五有源层的第五波导层AlxGaAs上生长氧化层。
具体地，步骤S4在第五波导层上生长氧化层，其生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为100nm。
S5.在氧化层上生长P型DBR层。
具体地，步骤S5在氧化层上生长P型DBR层，生长温度为650-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为3µm。
S6.在P型DBR层上生长P型GaAs层。
具体地，步骤S6中可以在生长P型DBR层上生长P型AlxGa（1-x）As （0<x<0.5）层，生长温度为600-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为0-100nm；也可以在P型DBR层上生长P型GaAs层，生长温度为600-800℃，生长压力50mbar，生长厚度为0-50nm。
综上所述，本发明使用隧穿结实现五个有源层串联，并且通过设计特定的腔长，提高了单位面积内的功率，实现更高功率；通过设计不同的势垒高度，解决载流子移动距离，提高辐射复合几率，增加粒子数反转，提高输出功率；通过生长厚度的设计，提高增益，改善驻波场，提高输出功率,总体实现了高功率，能满足车载雷达100-200米的距离测试。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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