[发明专利]具有高介电常数限制孔的VCSEL器件及其制备方法

说明书

本发明为一种具有高介电常数电流限制孔的VCSEL器件及其制备方法。该器件的外延结构沿着外延生长方向依次包括衬底、缓冲层、氮化物外延DBR和N‑型半导体传输层；其中，N‑型半导体传输层分为两部分，下层完全覆盖氮化物外延DBR；所述的N‑型半导体传输层的上层依次为多量子阱层、P‑型电流阻挡层、P‑型半导体传输层；P‑型重掺杂半导体传输层；P‑型重掺杂半导体传输层上表面的外侧为环形的高介电常数绝缘层，其材质为非掺杂的HfO₂或Ta₂O₅。本发明中的具有高介电常数电流限制孔的器件相较于隧穿结的器件的制作，会降低近40％的工艺时间，发光阈值大约会降低0.5mA,并且在80mA下的输出功率，相较于常规器件提高了14.3％。

技术领域

本发明涉及半导体激光器中垂直腔面发射器件领域，具体地说是一种具有高介电常数限制孔的VCSEL器件的制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSELs)的概念首次由Kenichi Iga教授和他的同事提出于1977年，并在1979年实现了第一台设备。自那以后，VCSELs的相关研究领域呈现一个快速发展的趋势，并很快在1994年实现商业化。如今VCSEL已取代边射型激光而应用在短程的光纤通讯上，如以太网路和纤维通道(Fibre Channel)。2004年，VCSELs首次被用于光学计算机鼠标。2017年9月13日，iPhone X发布，面部识别功能采用VCSEL技术，之后苹果更是砸25.8亿元，助力Finisar增产VCSEL。

由于VCSEL发光区域位于孔内，孔外是无法获得增益，所以器件设置电流限制孔将注入电流有效限制在孔径以内。但是电流在孔径下方P型空穴注入层难免会有横向扩展，导致了有源区实现激射需要更大的阈值电流密度，同时对于相同的电流密度下，横向扩展严重的器件其峰值输出功率相对较小。对于VCSEL的限制孔的设计，当前主要有曾以下几种方法，一是将埋层隧穿结置于空穴注入层中，隧穿结的宽度与孔径的尺寸一致，中间的载流子可以隧穿进入有源区，边缘处由于高的肖特基势垒无法进入有源区，形成近似电流限制孔结构，从而实现很强的横向电流限制(M.Ortsiefer,R.Shau,G.F.G.Abstreiter,M.-C.Amann,Low-resistance InGa(Al)As tunnel junctions for longwavelengthvertical-cavity surface-emitting lasers.Jpn.J.Appl.Phy.39,1727–1729(2000).)。再者，例如中国发明专利CN108923255A采用Al₂O₃作为电流限制孔结构，由于Al2O3较高的热导率，可以提高器件的散热性，从而稳定器件的性能和寿命。上述的埋层隧穿结结构虽然在一定程度上提高了电流的横向限制，使器件性能得到了一定的提升，但是它们的器件结构均较为复杂，对于生长工艺的要求过高，一般的工业生产水平较难达到两种器件所提出的标准。而利用Al₂O₃为电流限制孔时，虽然提高了器件的散热，但是它仅仅利用绝缘体本身的不导电性来实现对电流的横向限制的效果微乎其微，电流在绝缘体下方难免会横向扩散。如图1所示，通常的做法可能会想将绝缘体做厚去实现电流限制，但绝缘体太厚会影响器件的散热及其性能，所以我们需要从别的方面入手来解决该横向电流扩散的问题。

关于电流往两侧扩散的问题，当前的解决方法是器件结构的绝缘限制孔层是采用SiO2和SiN，目的是利用了其绝缘体的特征，来实现将电流集中在器件中间阻止往两侧扩散的问题；但由于绝缘体厚度有限及电流的流动性的原因，仍然存在着电流向两侧横向扩散的问题，即无法很好的将电流集中在器件中间。

发明内容