激光器及其制备方法

技术领域

本申请涉及激光器技术领域，特别是涉及一种激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)在数据通讯领域相比边发射激光器具有成本低的优势，并且在消费端的面部识别应用中VCSEL可以穿透OLED屏幕实现屏下面部识别的功能。当前发光波长在1300nm以上近红外波段的VCSEL可通过生长GaInNAs量子阱有源区、生长InAs/GaAs量子点有源区或生长InP量子阱有源区实现。其中InP基的VCSEL具体的问题在于InP体系的二元分布式布拉格反射层(DBR)的散热性能差，折射率差异小，因此InP基与DBR容易出现晶格失配，从而影响激光器性能和寿命。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种性能优越且耐用的激光器。

一种激光器，包括依次层叠的衬底、第一反射层、第一晶格过渡层、发光有源层和第二反射层，其中，

所述第一晶格过渡层的晶格常数大于所述第一反射层的晶格常数，且小于所述发光有源层的晶格常数。

在其中一个实施例中，所述第一晶格过渡层包括：

超晶格结构层，包括呈周期排布的多个缓冲结构，所述缓冲结构包括多层不同组分的材料层，和/或，

组分渐变层，包括In

在其中一个实施例中，所述材料层包括GaAs体系材料层与InP体系材料层；和/或所述缓冲结构的周期为20至60，每一周期的所述缓冲结构厚度为2nm至10nm。

在其中一个实施例中，所述激光器还包括：

第二晶格过渡层，设置于所述发光有源层和所述第二反射层之间，其中所述第二晶格过渡层的晶格常数大于所述第二反射层的晶格常数，且小于所述发光有源层的晶格常数。

在其中一个实施例中，所述第二晶格过渡层的组分与所述第一晶格过渡层的组分相同，且所述第二晶格过渡层的结构与所述第一晶格过渡层的结构关于所述发光有源层对称。

在其中一个实施例中，所述激光器还包括：

氧化限制层，设于所述第二晶格过渡层和所述第二反射层之间，所述氧化限制层在平行于叠层方向上形成通孔。

在其中一个实施例中，所述激光器还包括：

欧姆接触层，设于所述第二反射层的上表面，所述欧姆接触层包括：

第三晶格过渡层，设于所述第二反射层的上表面；

重掺杂的p型GaAs层，设于所述第三晶格过渡层的上表面，所述第三晶格过渡层为AlGaAs渐变层，其中Al组分的变化范围为0.1～0.9，且在叠层方向上逐渐减小。

一种激光器制备方法，用于制备上述的激光器，所述制备方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次层叠生长第一反射层、第一晶格过渡层、发光有源层和第二反射层，其中所述第一晶格过渡层的晶格常数大于所述第一反射层的晶格常数，且小于所述发光有源层的晶格常数。

在其中一个实施例中，所述生长所述第一晶格过渡层包括：

在450℃至550℃的温度范围内周期性生长多个缓冲结构，所述缓冲结构包括多层不同组分的材料层，和/或，

在580℃至450℃的温度范围内生长In

在其中一个实施例中，所述生长所述第二反射层包括：

在所述发光有源层上表面生长第二晶格过渡层；

在所述第二晶格过渡层上表面生长所述第二反射层；所述在所述第二晶格过渡层上表面生长所述第二反射层还包括：

在所述第二晶格过渡层上表面生长氧化限制层，其中，所述氧化限制层在平行于叠层方向上形成通孔；

在所述氧化限制层上表面生长所述第二反射层。

在其中一个实施例中，所述制备方法还包括：

在所述第二反射层的上表面生长欧姆接触层。

上述实施例的激光器包括依次层叠的衬底、第一反射层、第一晶格过渡层、发光有源层和第二反射层，其中，第一晶格过渡层的晶格常数大于第一反射层的晶格常数，且小于发光有源层的晶格常数，如此使得第一晶格过渡层分别与第一反射层和发光有源层晶格匹配，从而可从根本上解决第一反射层和发光有源层之间因晶格失配导致无法制备出高性能的激光器的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请一实施例中的激光器的结构示意图；

图2为本申请另一实施例中的激光器的结构示意图；

图3为本申请另一实施例中的激光器的结构示意图；

图4为本申请另一实施例中的激光器的结构示意图；

图5为本申请一实施例中的激光器的制备方法的流程示意图。

元件标号说明：

衬底：100；第一反射层：101；第一晶格过渡层：102；发光有源层：103；第二反射层：104；第二晶格过渡层：105；氧化限制层：106；欧姆接触层：107

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在附图中，为了清楚说明，可以夸大层和区域的尺寸。可以理解的是，当层或元件被称作“在”另一层或基底“上”时，该层或元件可以直接在所述另一层或基底上，或者也可以存在中间层。另外，还可以理解的是，当层被称作“在”两个层“之间”时，该层可以是所述两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或更多个中间层。另外，同样的附图标记始终表示同样的元件。

在下面的实施例中，当层、区域或元件被“连接”时，可以解释为所述层、区域或元件不仅被直接连接还通过置于其间的其他组成元件被连接。例如，当层、区域、元件等被描述为被连接或电连接时，所述层、区域、元件等不仅可以被直接连接或被直接电连接，还可以通过置于其间的另一层、区域、元件等被连接或被电连接。

在下文中，尽管可以使用诸如“第一”、“第二”等这样的术语来描述各种组件，但是这些组件不必须限于上面的术语。上面的术语仅用于将一个组件与另一组件区分开。还将理解的是，以单数形式使用的表达包含复数的表达，除非单数形式的表达在上下文中具有明显不同的含义。

当诸如“……中的至少一种(个)(者)”的表述位于一列元件(元素)之后时，修饰整列元件(元素)，而不是修饰该列中的个别元件(元素)。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。申请文件中使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任意组合和所有组合。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

图1为一实施例的激光器的结构示意图，如图1所示，该激光器包括依次层叠的衬底100、第一反射层101、第一晶格过渡层102、发光有源层103和第二反射层104，其中，第一晶格过渡层102的晶格常数大于第一反射层101的晶格常数，且小于发光有源层103的晶格常数。

其中，衬底100可为GaAs材料，GaAs材料的衬底100成本低且后期集成工艺成熟。第一反射层101可为二元分布式布拉格反射层(DBR)，其是由两种不同折射率的材料交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，从而可形成一定反射率的反射镜面，以为出射光提供足够的增益，其中，第一反射层101可为GaAs基体系材料，由GaAs基体系材料制备的第一反射层101具备高反射率和高散热性。发光有源层103可为InP体系材料组成的量子阱有源区，其可实现波长在1300nm～1700nm范围内的近红外波段的出射光，以应用于特定使用场景，然而GaAs基体系材料的第一反射层101和InP体系材料的发光有源层103之间存在晶格失配的问题，采用直接在第一反射层101上生长发光有源层103会使得发光有源层103质量较差，从而影响激光器性能。

传统方法中，InP基的激光器可采用先生长GaAs基的DBR，再用键合的方法与InP量子阱有源区组成完整的激光器结构，然而采用键合方法会由于键合发生在有源区和DBR之间，因此容易引入串联电阻，并且键合方法也会降低器件成品率和良率。而在第一反射层101和发光有源层103之间设置一晶格常数介于两者之间的第一晶格过渡层102，使得第一晶格过渡层102分别与第一反射层101和发光有源层103晶格匹配，从而可从根本上解决第一反射层101和发光有源层103之间因晶格失配导致无法制备出高性能的激光器的问题。

本发明实施例的激光器包括依次层叠的衬底100、第一反射层101、第一晶格过渡层102、发光有源层103和第二反射层104，其中，第一晶格过渡层102的晶格常数大于第一反射层101的晶格常数，且小于发光有源层103的晶格常数，如此使得第一晶格过渡层102分别与第一反射层101和发光有源层103晶格匹配，从而可从根本上解决第一反射层101和发光有源层103之间因晶格失配导致无法制备出高性能的激光器的问题。

在一个实施例中，第一晶格过渡层102包括超晶格结构层和/或组分渐变层，其中，超晶格结构层包括呈周期排布的多个缓冲结构，缓冲结构包括多层不同组分的材料层；组分渐变层包括In

可以理解，第一晶格过渡层102可仅包括超晶格结构层，其中，超晶格结构层包括多个缓冲结构，多个缓冲结构呈周期叠设在第一反射层101和发光有源层103之间，各缓冲结构包括多层不同组分的材料层。在一个实施例中，缓冲结构可包括两层材料层，例如以材料层A和材料层B表示，材料层A和材料层B构成一个周期的缓冲结构，则多个呈周期排布的缓冲结构在叠设方向上形成ABAB……结构的超晶格结构层。

第一晶格过渡层102也可仅包括组分渐变层，组分渐变层可仅为In

可以理解，一化合物的渐变层即该化合物中的某组分的下标取不同值时形成的多个化合物层的组合，其中各化合物层组分的下标值在叠设方向上呈递增或递减变化。以In

另外，第一晶格过渡层102也可同时包括超晶格结构层和组分渐变层，超晶格结构层和组分渐变层在叠设方向上层叠设置。

在一个实施例中，材料层可包括GaAs体系材料层与InP体系材料层。

可以理解，缓冲结构中的两层材料层可分别为GaAs体系材料层和InP体系材料层。具体的，GaAs体系材料可包括InxGaAs(x取值为0.2～0.4)材料、InxAlAs(x取值为0.2～0.4)材料中的一者；InP体系材料可包括InxGaAsyP(x取值为0.1～0.2，y取值为0.1～0.2)材料、InxAlAsyP(x取值为0～0.1，y取值为0.1～0.2)材料、InP材料中的一者，即缓冲结构中的其中一层材料层为InxGaAs(x取值为0.2～0.4)材料和InxAlAs(x取值为0.2～0.4)材料中的一种，另一层材料层为InxGaAsyP(x取值为0.1～0.2，y取值为0.1～0.2)材料、InxAlAsyP(x取值为0～0.1，y取值为0.1～0.2)材料和InP材料中的一种。

在一个实施例中，缓冲结构的周期为20至60，每一周期的缓冲结构厚度为2nm至10nm。

在一个实施例中，激光器还包括第二晶格过渡层105，第二晶格过渡层105设置于发光有源层103和第二反射层104之间，其中第二晶格过渡层105的晶格常数大于第二反射层104的晶格常数，且小于发光有源层103的晶格常数。如图2所示。

具体的，第二反射层104可为GaAs基体系材料，由GaAs基体系材料制备的第二反射层104具备高反射率和高散热性，然而与InP体系材料制备的发光有源层103之间存在晶格失配的问题，采用直接在发光有源层103上生长第二反射层104会使得第二反射层104质量较差，从而影响激光器性能，而采用键合方法会引入串联电阻，并降低激光器的成品率和良率。本实施例通过在第二反射层104和发光有源层103之间设置一晶格常数介于两者之间的第二晶格过渡层105，使得第二晶格过渡层105分别与第二反射层104和发光有源层103晶格匹配，从而可从根本上解决第二反射层104和发光有源层103之间因晶格失配导致无法制备出高性能的激光器的问题。

在一个实施例中，第二晶格过渡层105的组分与第一晶格过渡层102的组分相同，且第二晶格过渡层105的结构与第一晶格过渡层102的结构关于发光有源层103对称。

可以理解，第二晶格过渡层105的组分和结构与第一晶格过渡层102的组分和结构相同，因此其在第二反射层104和发光有源层103之间所起的作用与第一晶格过渡层102在第一反射层101和发光有源层103之间所起的作用完全相同。

在一个实施例中，激光器还包括氧化限制层106，如图3所示，氧化限制层106设于第二晶格过渡层105和第二反射层104之间，且氧化限制层106可在平行于叠层方向上形成通孔，从而可实现出射光的垂直端面出射。其中，氧化限制层106的材料可为AlAs、InAlxAs或GaAlxAs等Al组分较高的化合物，x取值为0.9～0.98，生长厚度为10nm～50nm。

可以理解，相比于引入InP掩埋隧道结等复杂结构来实现光垂直端面出射，本实施例直接在第二晶格过渡层105和第二反射层104之间设置氧化限制层106方法更简单。

在一个实施例中，第一反射层101和第二反射层104均为由两种不同折射率的材料层交替层叠形成的周期结构，其中第一反射层101和第二反射层104的每一周期结构中折射率较大的材料层靠近发光有源层103，折射率较小的材料层远离发光有源层103。

其中，第一反射层101可为n型掺杂的GaAs基体系材料，周期数可为25～45，每个周期内的两个材料层为GaAs、AlGaAs、AlAs中的任意两者组合，AlGaAs中的Al组分为0.1～0.9。n型掺杂剂为Si，掺杂浓度为2×10

第二反射层104可为p型掺杂的GaAs基体系材料，周期数为15～30，每个周期内的两个材料层为GaAs、AlGaAs、AlAs中的任意两者组合，AlGaAs中的Al组分为0.1～0.9。p型掺杂剂为Be或者CBr4，掺杂浓度为2×10

在一个实施例中，激光器还包括欧姆接触层107，欧姆接触层107设于第二反射层104的上表面，如图4所示。

其中，激光器的一电极可设置在第二反射层104上表面，而在电极和第二反射层104之间设置欧姆接触层107可降低电极与第二反射层104之间的接触电阻。

在一个实施例中，欧姆接触层107可包括第三晶格过渡层和重掺杂的p型GaAs层，其中第三晶格过渡层设于第二反射层104的上表面；重掺杂的p型GaAs层设于第三晶格过渡层的上表面。

可以理解，第三晶格过渡层和重掺杂的p型GaAs层组成的欧姆接触层107可降低电极与第二反射层104之间的接触电阻，其中重掺杂的p型GaAs层可作为帽层，起到保护第三晶格过渡层不被氧化的作用，而第三晶格过渡层的晶格常数介于第二反射层104与重掺杂的p型GaAs层之间，用于解决第二反射层104与重掺杂的p型GaAs层之间的晶格失配问题，如此通过第三晶格过渡层和重掺杂的p型GaAs层的组合，使得最终形成的欧姆接触层107性能稳定，有利于提高电极的电流输入。其中，重掺杂的p型GaAs层的GaAs掺杂浓度为2×10

在一个实施例中，第三晶格过渡层为AlGaAs渐变层，其中Al组分的变化范围为0.1～0.9，且在叠层方向上逐渐减小。

可以理解，渐变Al组分的AlGaAs在叠层方向上具有渐变的晶格常数，从而可起到第二反射层104和之间晶格过渡的作用。其中可通过一次性生长Al组分由0.9变化到0.1得到该AlGaAs渐变层，或者可分多次逐层生长Al组分由0.9变化到0.1得到该AlGaAs渐变层，例如先生长一层Al组分为0.9的AlGaAs层，再生长一层0.4的AlGaAs层，再生长一层0.1的AlGaAs层，从而实现晶格常数的过渡。AlGaAs渐变层的厚度为20nm～60nm，p掺杂浓度为1×10

在一个实施例中，发光有源层103的上、下表面分别设有光限制层。其中光限制层的厚度为100nm～300nm。可以理解，发光有源层103上、下表面的光限制层可将光场限制在发光有源层103附近的较小区域，从而为激光器提供足够增益，以实现较低阈值激射。

本发明实施例还提供一种激光器的制备方法，用于制备上述任一实施例所述的激光器，该制备方法包括步骤S110至步骤S120，如图5所示。

步骤S110，提供衬底100。

其中，衬底100可采用GaAs材料。

步骤S120，在衬底100上依次层叠生长第一反射层101、第一晶格过渡层102、发光有源层103和第二反射层104，其中第一晶格过渡层102的晶格常数大于第一反射层101的晶格常数，且小于发光有源层103的晶格常数。

其中，第一反射层101可为n型掺杂的GaAs基体系材料，周期数可为25～45，每个周期内的两个材料层为GaAs、AlGaAs、AlAs中的任意两者组合，AlGaAs中的Al组分为0.1～0.9。n型掺杂剂为Si，掺杂浓度为2×10

发光有源层103可为InP/InxGaAsyP(x取值为0.5～0.8，y取值为0.3～0.6)的量子阱，量子阱周期数为2～6个周期，每个周期内层厚度为2nm～10nm，生长温度为450～550℃。

第二反射层104可为p型掺杂的GaAs基体系材料，周期数为15～30，每个周期内的两个材料层为GaAs、AlGaAs、AlAs中的任意两者组合，AlGaAs中的Al组分为0.1～0.9。p型掺杂剂为Be或者CBr4，掺杂浓度为2×10

在一个实施例中，生长第一晶格过渡层102包括步骤S111和/或步骤S112。

步骤S111，在450℃至550℃的温度范围内周期性生长多个缓冲结构，缓冲结构包括多层不同组分的材料层。

步骤S112，在580℃至450℃的温度范围内生长In

可以理解，第一晶格过渡层102可仅包括超晶格结构层，其中，超晶格结构层包括多个缓冲结构，多个缓冲结构呈周期叠设在第一反射层101和发光有源层103之间，各缓冲结构包括多层不同组分的材料层。在一个实施例中，缓冲结构可包括两层材料层，例如以材料层A和材料层B表示，材料层A和材料层B构成一个周期的缓冲结构，则多个呈周期排布的缓冲结构在叠设方向上形成ABAB……结构的超晶格结构层。

第一晶格过渡层102也可仅包括组分渐变层，组分渐变层可仅为In

可以理解，一化合物的渐变层即该化合物中的某组分的下标取不同值时形成的多个化合物层的组合，其中各化合物层组分的下标值在叠设方向上呈递增或递减变化。以In

另外，第一晶格过渡层102也可同时包括超晶格结构层和组分渐变层，超晶格结构层和组分渐变层在叠设方向上层叠设置。

具体的，缓冲结构可包括GaAs体系材料层和InP体系材料层。

可以理解，缓冲结构中的两层材料层可分别为GaAs体系材料层和InP体系材料层。具体的，GaAs体系材料可包括InxGaAs(x取值为0.2～0.4)材料、InxAlAs(x取值为0.2～0.4)材料中的一者；InP体系材料可包括InxGaAsyP(x取值为0.1～0.2，y取值为0.1～0.2)材料、InxAlAsyP(x取值为0～0.1，y取值为0.1～0.2)材料、InP材料中的一者，即缓冲结构中的其中一层材料层为InxGaAs(x取值为0.2～0.4)材料和InxAlAs(x取值为0.2～0.4)材料中的一种，另一层材料层为InxGaAsyP(x取值为0.1～0.2，y取值为0.1～0.2)材料、InxAlAsyP(x取值为0～0.1，y取值为0.1～0.2)材料和InP材料中的一种。

在一个实施例中，生长第二反射层104步骤还包括：在发光有源层103上表面生长第二晶格过渡层105；在第二晶格过渡层105上表面生长第二反射层104。

其中，第二晶格过渡层105的组分与第一晶格过渡层102的组分相同，且第二晶格过渡层105的结构与第一晶格过渡层102的结构关于发光有源层103对称。

可以理解，第二晶格过渡层105的组分和结构与第一晶格过渡层102的组分和结构相同，因此其制备方法与第一晶格过渡层102的制备方法完全相同，第二晶格过渡层105在第二反射层104和发光有源层103之间所起的作用与第一晶格过渡层102在第一反射层101和发光有源层103之间所起的作用完全相同。

在一个实施例中，在第二晶格过渡层105上表面生长第二反射层104还包括：在第二晶格过渡层105上表面生长氧化限制层106，其中，氧化限制层106可在平行于叠层方向上形成通孔；在氧化限制层106上表面生长第二反射层104。

可以理解，相比于引入InP掩埋隧道结等复杂结构来实现光垂直端面出射，本实施例直接在第二晶格过渡层105和第二反射层104之间设置氧化限制层106方法更简单。

其中，氧化限制层106的材料可为AlAs、InAlxAs或GaAlxAs等Al组分较高的化合物，x取值为0.9～0.98，生长厚度为10nm～50nm，生长温度为550～620℃。

在一个实施例中，制备方法还包括在第二反射层104的上表面生长欧姆接触层107。

其中，激光器的一电极可设置在第二反射层104上表面，而在电极和第二反射层104之间设置欧姆接触层107可降低电极与第二反射层104之间的接触电阻。

在一个实施例中，欧姆接触层107可包括第三晶格过渡层和重掺杂的p型GaAs层，其中第三晶格过渡层生长于第二反射层104的上表面；重掺杂的p型GaAs层生长于第三晶格过渡层的上表面。

第三晶格过渡层为AlGaAs渐变层，其中Al组分的变化范围为0.1～0.9，且在叠层方向上逐渐减小；生长温度范围为580℃～620℃，且在叠层方向上逐渐降低。重掺杂的p型GaAs层的GaAs掺杂浓度为2～6×10

在一个实施例中，生长发光有源层103包括：在第一晶格过渡层102的上表面生长第一光限制层；在第一光限制层的上表面生长发光有源层103；在发光有源层103的上表面生长第二光限制层。

其中光限制层的厚度可为100nm～300nm，可以理解，两层光限制层可将光场限制在发光有源层103附近的较小区域，从而为激光器提供足够增益，以实现较低阈值激射。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，附图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。