[實用新型]具有高介電常數限制孔的VCSEL器件

有效

• 申請號: 201921112061.1
• 申請日: 2019-07-16
• 公開（公告）號: CN210628719U
• 公開（公告）日: 2020-05-26
• 發明（設計）人: 張勇輝;杭升;張紫輝
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/187
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本實用新型為一種具有高介電常數電流限制孔的VCSEL器件。該器件的外延結構沿著外延生長方向依次包括襯底、緩沖層、氮化物外延DBR和N?型半導體傳輸層；其中，N?型半導體傳輸層分為兩部分，下層完全覆蓋氮化物外延DBR；所述的N?型半導體傳輸層的上層依次為多量子阱層、P?型電流阻擋層、P?型半導體傳輸層；P?型重摻雜半導體傳輸層；P?型重摻雜半導體傳輸層上表面的外側為環形的高介電常數絕緣層，其材質為非摻雜的HfO₂或Ta₂O₅。本實用新型中的具有高介電常數電流限制孔的器件相較于隧穿結的器件的制作，會降低近40％的工藝時間，發光閾值大約會降低0.5mA,并且在80mA下的輸出功率，相較于常規器件提高了14.3％。

技術領域

本實用新型涉及半導體激光器中垂直腔面發射器件領域，具體地說是一種具有高介電常數限制孔的VCSEL器件的制備方法。

背景技術

垂直腔面發射激光器(VCSELs)的概念首次由Kenichi Iga教授和他的同事提出于1977年，并在1979年實現了第一臺設備。自那以后，VCSELs的相關研究領域呈現一個快速發展的趨勢，并很快在1994年實現商業化。如今VCSEL已取代邊射型激光而應用在短程的光纖通訊上，如以太網路和纖維通道(Fibre Channel)。2004年，VCSELs首次被用于光學計算機鼠標。2017年9月13日，iPhone X發布，面部識別功能采用VCSEL技術，之后蘋果更是砸25.8億元，助力Finisar增產VCSEL。

由于VCSEL發光區域位于孔內，孔外是無法獲得增益，所以器件設置電流限制孔將注入電流有效限制在孔徑以內。但是電流在孔徑下方P型空穴注入層難免會有橫向擴展，導致了有源區實現激射需要更大的閾值電流密度，同時對于相同的電流密度下，橫向擴展嚴重的器件其峰值輸出功率相對較小。對于VCSEL的限制孔的設計，當前主要有曾以下幾種方法，一是將埋層隧穿結置于空穴注入層中，隧穿結的寬度與孔徑的尺寸一致，中間的載流子可以隧穿進入有源區，邊緣處由于高的肖特基勢壘無法進入有源區，形成近似電流限制孔結構，從而實現很強的橫向電流限制(M.Ortsiefer,R.Shau,G.F.G.Abstreiter,M.-C.Amann,Low-resistance InGa(Al)As tunnel junctions for longwavelength vertical-cavity surface-emitting lasers.Jpn.J.Appl.Phy.39,1727–1729(2000).)。再者，例如中國實用新型專利CN108923255A采用Al₂O₃作為電流限制孔結構，由于Al2O3較高的熱導率，可以提高器件的散熱性，從而穩定器件的性能和壽命。上述的埋層隧穿結結構雖然在一定程度上提高了電流的橫向限制，使器件性能得到了一定的提升，但是它們的器件結構均較為復雜，對于生長工藝的要求過高，一般的工業生產水平較難達到兩種器件所提出的標準。而利用Al₂O₃為電流限制孔時，雖然提高了器件的散熱，但是它僅僅利用絕緣體本身的不導電性來實現對電流的橫向限制的效果微乎其微，電流在絕緣體下方難免會橫向擴散。如圖1所示，通常的做法可能會想將絕緣體做厚去實現電流限制，但絕緣體太厚會影響器件的散熱及其性能，所以我們需要從別的方面入手來解決該橫向電流擴散的問題。

關于電流往兩側擴散的問題，當前的解決方法是器件結構的絕緣限制孔層是采用SiO2和SiN，目的是利用了其絕緣體的特征，來實現將電流集中在器件中間阻止往兩側擴散的問題；但由于絕緣體厚度有限及電流的流動性的原因，仍然存在著電流向兩側橫向擴散的問題，即無法很好的將電流集中在器件中間。

實用新型內容