[发明专利]具有N-型半导体限制孔结构的VCSEL器件

说明书

本发明为一种具有N‑型半导体限制孔结构的VCSEL器件及其制备方法。该器件包括衬底、缓冲层、氮化物外延DBR、N‑型半导体传输层、多量子阱层、P‑型电子阻挡层、第一层P‑型半导体传输层、N‑型半导体限制孔、第二层P‑型半导体传输层，P‑型欧姆接触层、绝缘电流限制孔、电流扩展层、介质DBR、P‑型欧姆电极；圆环状的N‑型半导体限制孔位于第一层P‑型半导体传输层上部内的外缘。本发明具有更明显的空穴横向限制作用，从而具有更低的阈值电流，更高的器件输出功率。

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N-型半导体限制孔结构的VCSEL器件的制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)于1977年由日本东京工业大学的Kenichi Iga教授首次提出，至今有40年的历史，是一种新型的半导体激光器，由于具有出光方向垂直于衬底，可在片测试，阈值电流小，调制速率高，单纵模工作，圆形光斑易于光纤耦合等优点，被广泛应用于数据传输，光互联，气体探测等领域。VCSEL有更高的性价比，市场前景十分广阔，可以广泛应用在宽带以太网、高速数据通信网领域，业内预计2022年全球VCSEL市场有望达到10亿美元。随着行业龙头企业大规模量产的实现及新型智能手机的应用的推动，VCSEL产业化进程有望加速。

GaN基VCSEL实现激射的前提是实现粒子数反转。一般情况下，器件通过电流限制孔将注入电流有效限制在孔径以内，以助于实现粒子数反转，但是电流在孔径下方P型空穴传输层会引起空穴横向扩展，从而削弱电流的限制，致使需要更大的阈值电流密度实现有源区激射，同时在相同的电流密度下，横向扩展严重的器件的峰值输出功率相对较小。对于VCSEL的限制孔的设计来说，当前主要有以下几种方法，一是将埋层隧穿结置于空穴注入层中，利用隧穿效应作为电流孔径，从而实现很强的横向电流限制[Ortsiefer,Markus；Shau,Robert；Gerhard；Fabian；Abstreiter,Gerhard；Amann,Markus-Christian,Low-resistance InGa(Al)As Tunnel Junctions for Long Wavelength Vertical-cavity Surface-emitting Lasers.Japanese Journal of Applied Physics,Volume 39,Issue 4A,pp.1727(2000)]。再者，利用绝缘层制作电流限制孔，例如中国发明专利CN108923255A采用多晶Al₂O₃作为电流限制孔结构，利用多晶Al₂O₃良好的热导性降低垂直方向的热阻。以上这些方法尽管能对电流起到一定的限制作用，但限制孔下面的P-型传输层依然会使电流向孔外扩展。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种具有N-型半导体限制孔结构的VCSEL器件。该器件将P-型半导体传输层一分为二，并在两层之间增加了一层N-型半导体限制层。其N-型半导体限制层与两层P-型半导体传输层之间的相互作用，限制空穴的横向扩散，从而提高器件的性能。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种具有N-型半导体限制孔结构的VCSEL器件，其特征在于该器件包括衬底、缓冲层、氮化物外延DBR、N-型半导体传输层、多量子阱层、P-型电子阻挡层、第一层P-型半导体传输层、N-型半导体限制孔、第二层P-型半导体传输层，P-型欧姆接触层、绝缘电流限制孔、电流扩展层、介质DBR、P-型欧姆电极；

其中，该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、N-型半导体传输层；

所述的N-型半导体传输层为圆台状，中间的凸起部分的面积为N-型半导体传输层投影面积的10～90％，凸起部分的高度为0.1～3μm；圆台下层暴露的N-型半导体传输层上分布有N-型欧姆电极；