专利名称：高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器的制作方法
技术领域：
高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器(VCSEL)，属于半导体光电子技术领域，涉及一种垂直腔面发射激光器。
背景技术：
垂直腔面发射激光器(VCSEL)以其光单色性好、发散角小、单纵模激射、低阈值电流、高调制带宽、易于高密度集成、二维阵列、低成本等优势，在光通信、光互联、光存贮、光显示、光信息处理等方面具有广阔的应用前景，被认为是未来数字式光通信中光发射的关键器件。
传统的垂直腔面发射激光器，如图1所示，通常由衬底7上生长上分布布拉格反射镜1、有源区部分8和下分布布拉格反射镜6构成，其中有源区部分8由p型限制层2、增益区3和n型限制层4组成。有源区部分提供增益，上、下分布布拉格反射镜1和7形成共振腔，提供反馈。
然而，传统的垂直腔面发射激光器普遍存在的问题是在光的传播方向有源区薄(约10nm)，完全无法与边发射激光器相比(有源区通常在500～1000μm)，这使得通常的垂直腔面发射激光器单程光增益极低，因此造成阈值电流密度高，且很难在小电流注入下，获得大的输出功率，同时需要高反射率的上、下分布布拉格反射镜(通常反射率需要在99.95％以上)，才能够实现激射。目前人们提出的降低阈值电流密度，提高光输出功率的主要方法有减小有源区体积，减小各种光、电损耗等，如目前最有效的进行电学和光学限制的方法是AlGaAs湿氮氧化技术，同时利用复杂的生长技术和氧化技术改变AlGaAs氧化物的尖端形状。这不仅增加了材料生长和器件制备的工艺难度，成本高，成品率低，而且随着有源区体积减小，效率下降，空间烧孔和热饱和现象严重，也不可能通过无限减小有源区体积来减小阈值电流密度，提高光输出功率。这是目前传统垂直腔面发射激光器在理论和实验上存在的极限。
传统的垂直腔面发射激光器的另一个问题是激射波长为单一波长，无法在同一只器件中获得多个波长，因此，在某些应用中，人们不得不使用多个不同波长的垂直腔面发射激光器来获得多个波长，这样，不仅增加了成本，而且不能够很好的集成，降低密度。
发明内容
本发明的目的提出一种高效、大功率、多波长、隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器层结构，使得注入的一对载流子由于多个有源区的引入，在多个有源区中穿行，获得多次光增益，在本发明提出的垂直腔面发射激光器中，光单程增益和光输出功率随有源区数目增加而成倍增加，从内部物理机理上解决目前传统垂直腔面发射激光器存在的单程光增益低，效率低，光功率输出低，上、下分布布拉格反射镜制备要求高等问题，而且多有源区纵向光耦合结构使光束质量大为提高。通过改变本发明提出器件的有源区部分各层厚度或者材料组分等结构，可以同时获得多个激射波长。该高效、大功率、多波长、隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器具有极高的量子效率、极高的单程光增益、低阈值电流密度、高光功率输出、多激射波长和性能优异的光束质量等优点。
本发明的高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，如图2所示，包括有依次纵向层叠的上分布布拉格反射镜1，下分布布拉格反射镜6，衬底7，其特征在于，还包括在上分布布拉格反射镜1和下分布布拉格反射镜6之间的N个依次顺序重复排列的有源区部分8和(N-1)个反向隧道结5的重复结构构成大有源区部分10，其中N是传统的有源区部分8的在本发明的垂直腔面发射激光器的数目，其中有源区部分8按公知技术由上而下依次排列的p型限制层2、增益区3、n型限制层4构成。
本发明的垂直腔面发射激光器层结构的设计原理与传统的垂直腔面发射激光器相同，按公知常识，通过调整有源区部分8各层的厚度和组分，使得大有源区部分10的光学厚度满足λ/2的整数倍。
本发明提出的垂直腔面发射激光器的工作原理是注入到有源区部分的载流子复合发光产生光子，同时载流子隧穿过隧道结到下一个有源区的导带获得再生，继续进行复合发光，在设计上使各个有源区处于光场最大位置，从而当光子纵向穿行时，在各个有源区依次得到光放大一反复受激，光增益倍增，使得本发明提出的高效、大功率、多波长、隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器的单程光增益和效率远远大于传统垂直腔面发射激光器的增益和效率，因而效率倍增，光束质量提高，在相同的注入电流下，光输出功率远远大于传统的垂直腔面发射激光器。
本发明提出的垂直腔面发射激光器，除了在工作原理上与传统的垂直腔面发射激光器明显的不同，还有一个明显的特征，就是本发明提出的垂直腔面发射激光器的量子效率随着有源区数目的增加而增加，可以远远大于1，而传统结构的垂直腔面发射激光器的量子效率最大为1。
本发明采用了由上而下依次排列的p型限制层2，单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区3，n型限制层4构成有源区部分8；各层厚度可以相同，也可以不同。
本发明采用了反向隧道结5，为有利于减小光损耗，其材料的禁带宽度大于发光波长对应的禁带宽度为增加隧穿几率，反向隧道结材料的厚度比耗尽宽度宽。
本发明中各个重复结构的有源区部分8和反向隧道结5构成大有源区部分10，有源区部分8产生的光子在大有源区10中获得多次光增益。
本发明中各个重复结构的有源区部分8和反向隧道结5结构可以相同，也可以不同。按照现有技术改变有源区部分8包括的2，3，4各层厚度或者组分，使得各个有源区部分8结构参数不同，可以同时获得多个激射波长。反向隧道结5厚度或者组分可以不同。
本发明中的隧道结结构可以为同质结结构，也可以为异质结结构。
本发明提出的层结构适合所有能够制备垂直腔面发射激光器的材料，适合所有垂直腔面发射激光器的器件制备结构。在图2所示的基本层结构基础上，根据需要，相应的改变层结构，获得适合不同器件制备结构的层结构。
本发明提出的层结构是一个基本层结构，在这个基本结构上，可以有多种变化，即可以改变有源区部分8各层的厚度和组分，增加或者减少层数，但是基本工作原理相同，即载流子通过隧道结隧穿获得再生，在下一个有源区继续复合发光，和光子的上、下分布布拉格反射镜中谐振获得多次光增益。
图1传统的垂直腔面发射激光器器件层结构示意图；图中1、上分布布拉格反射镜，2、p型限制层，3、单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区，4、n型限制层，6、下分布布拉格反射镜，7、衬底，8、有源区部分；图2本发明中提出的高效、大功率、多波长、隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器层结构示意图；
图中1、上分布布拉格反射镜，2、p型限制层，3、单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区，4、n型限制层，5、反向隧道结，6、下分布布拉格反射镜，7、衬底，8、有源区部分，9、省略的有源区部分8和反向隧道结5层叠结构，10、大有源区部分；图3本发明实施方式的内腔接触式垂直腔面发射激光器层结构和器件结构示意图；图4本发明实施方式的空气柱型垂直腔面发射激光器层结构和器件结构示意图；具体实施方式
一、如图3所示，本发明提出的内腔接触式AlGaAs湿氮氧化限制多波长垂直腔面发射激光器的实现方法如下1.采用普通金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法在n+-GaAs衬底7上依次外延生长30对GaAs/AlAs下分布布拉格反射镜6，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层4，In0.2Ga0.8As10nm/GaAs 10nm单量子阱增益区3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层2，n+-GaAs/p+-GaAs反向隧道结5，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层4，In0.15Ga0.85As 8nm/GaAs 10nm单量子阱增益区3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层2，n+-GaAs/p+-GaAs反向隧道结5，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层4，In0.2Ga0.8As 8nm/GaAs 10nm单量子阱增益区3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层2，Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层13，GaAs欧姆接触层12，20对GaAs/AlAs上分布布拉格反射镜1；2.采用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形。采用H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1或者H3PO4∶H2O2∶CH3OH＝3∶1∶1腐蚀液，腐蚀上分布布拉格反射镜1到与GaAs欧姆接触层12的界面；3.按常规工艺光刻，采用H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1或者H3PO4∶H2O2∶CH3OH＝3∶1∶1腐蚀液，腐蚀欧姆接触层12和Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层13到与AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层2的界面，暴露出Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层13侧壁；4.进行常规的AlGaAs湿氮氧化工艺步骤。为得到良好的器件性能，湿氮氧化限制垂直腔面发射激光器的氧化孔径的尺寸，本领域一般采用2～50μm；5.按常规工艺，通过蒸发或溅射Ti/Pt/Au，制备出p型欧姆接触电极11，再通过机械化学腐蚀的方法将样品减薄至100μm，再在衬底7上蒸发或溅射上Au/Ge/Ni/Au n型欧姆接触电极14。
6.将上述样品放入500℃的高温炉中，通入N2，5分钟，将淀积的p型和n型欧姆接触电极进行常规工艺合金；7.按常规工艺，解理，得到本发明的高增益内腔接触式AlGaAs湿氮氧化限制多波长垂直腔面发射激光器。
二、如图4所示，本发明提出的空气柱型AlGaAs湿氮氧化限制单波长垂直腔面发射激光器的实现方法如下1.采用普通金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法在n+-GaAs衬底7上依次外延生长28对GaAs/AlAs下分布布拉格反射镜6，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层4，3对GaAs/InGaAs多量子阱结构增益区3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层2，n+-AlGaAs/p+-GaAs反向隧道结5，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层4，3对GaAs/InGaAs多量子阱结构增益区3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层2，Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层13，GaAs欧姆接触层12，20对GaAs/AlAs上分布布拉格反射镜1；2.采用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形。采用H2SO4、H2O2、H2O或者H3PO4、H2O2、CH3OH腐蚀液，腐蚀上分布布拉格反射镜1直到下分布布拉格反射镜6；3.进行常规AlGaAs湿氮氧化工艺步骤，在有源区部分上方获得氧化孔径。为得到良好的器件性能，湿氮氧化限制垂直腔面发射激光器的氧化孔径的尺寸，本领域一般采用2～50μm；4.按常规工艺通过蒸发或溅射Ti/Pt/Au，制备出p型欧姆接触电极11，再通过机械化学腐蚀的方法将样品减薄至100μm，再在衬底7上蒸发或溅射上Au/Ge/Ni/Au n型欧姆接触电极14；5.将上述样品放入500℃的高温炉中，通入N2，5分钟，将淀积的p型和n型欧姆接触电极进行常规的合金；6.按常规工艺，解理，得到本发明的高增益空气柱型AlGaAs湿氮氧化限制单波长垂直腔面发射激光器。
权利要求1.高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，包括有依次纵向层叠的上分布布拉格反射镜(1)，下分布布拉格反射镜(6)，衬底(7)，其特征在于，还包括在上分布布拉格反射镜(1)和下分布布拉格反射镜(6)之间的N个依次顺序重复排列的有源区部分(8)和N-1个反向隧道结(5)的重复结构构成大有源区部分(10)，其中N是传统的有源区部分(8)的在本发明的垂直腔面发射激光器的数目，其中有源区部分(8)按公知技术由上而下依次排列的p型限制层(2)、增益区(3)、n型限制层(4)构成。
2.根据权利要求1所述的高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，其特征是，其中所述的大有源区部分(10)的光学厚度满足λ/2的整数倍。
3.根据权利要求1所述的高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，其特征是，其中所述的反向隧道结(5)材料的厚度比耗尽宽度宽。
4.根据权利要求1所述的高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，其特征是，其中所述的各个重复结构的有源区部分(8)的p型限制层(2)、增益区(3)、n型限制层(4)各层厚度可以相同，也可以不同。
5.根据权利要求1所述的高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，其特征是，其中所述的反向隧道结(5)各层厚度可以相同，也可以不同。
专利摘要高效大功率多波长隧道级联多有源区垂直腔面发射激光器，属半导体光电子领域，如图所示，包括有上分布布拉格反射镜(1)，下分布布拉格反射镜(6)，衬底(7)，特征在于还包括在上、下分布布拉格反射镜(1)和(6)之间的N个重复排列的有源区部分(8)和N－1个反向隧道结(5)的重复结构构成大有源区部分(10)，其中N是传统的有源区部分(8)的在本实用新型的垂直腔面发射激光器的数目，其中有源区部分(8)p型限制层(2)、增益区(3)、n型限制层(4)构成。解决了统垂直腔面发射激光器材料生长和器件制备的工艺难度，成本高，成品率低，且随有源区体积减小，效率下降，以及激射波长为单一波长，无法在同一只器件中获得多个波长。
文档编号H01S5/183GK2738434SQ20042007793
公开日2005年11月2日 申请日期2004年7月16日 优先权日2004年7月16日
发明者沈光地, 郭霞, 邓军, 邹德恕, 董立闽, 韩军 申请人:北京工业大学