一种高速VCSEL激光器外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种半导体光电子技术领域，特别涉及一种高速vcsel激光器外延结构及其制备方法。

背景技术：

垂直腔表面发射激光器(vcsel)是在垂直于激光器形成在其上的衬底的方向发光的半导体激光器，相比于边发射半导体激光器（fp,dfb等）具有温漂小、低阈值、光纤耦合效率高、易于集成,封装、高速(上升下降在100ps级别)等特性，是超高速短距离光互联设备中的首选光源，广泛用于大型数据中心、超级计算机内的连接，在数据分析需求不断攀升的带动下，预期vcsel未来产值将超过十亿美元。如图1所示，典型的vcsel外延结构包含一gaas衬底01，在衬底上依次采用mocvd沉积gaas缓冲层02，n型掺杂的dbr03,有源层04，氧化限制层05，p型掺杂的dbr06和欧姆接触层07。

不断增长的数据业务对网络带宽的需求不断提高，其核心在于提高作为通信光源的vcsel激光器的带宽。提高vcsel的带宽的方法有很多，例如采用ingaas量子阱作为有源区，可以提高有源区载流子的微分增益，从而提高vcsel的带宽；减小vcsel的腔长，从而提高光子的限制因子，从而提高vcsel的带宽；采用双氧化限制层来降低vcsel的寄生电容，从而提高vcsel的带宽等方法。另外，文献《scatteringlossesfromdielectricaperturesinvertical-cavitylasers》报道了采用较薄的氧化限制层（小于15nm），氧化层前端会形成尖端结构，类似于棱镜（lens），可有效减小光腔内光子的散射损失，从而通过提高载流子的微分增益来提高vcsel的带宽。

上述传统技术均是提高带宽的方法，在实际应用中，采用ingaas量子阱作为有源区的激光器可靠性存在问题，是目前vcsel应用的瓶颈。另外，采用薄的alas氧化限制层（小于15nm），有3个缺点：

1）氧化速率快，vcsel的出光孔径难以控制，导致vcsel成品率低；

导致原因：传统技术的氧化限制层一般采用alas作为氧化限制层，alas层厚度越薄，氧化速率越快，而vcsel的氧化孔径一般为6-8um,氧化孔径极难稳定重复控制，导致vcsel制备良率偏低；

2)寄生电容大，影响vcsel的调制速率;

导致原因：alas氧化限制层氧化后形成绝缘层使vcsel的电流集中于出光区域从而对减小vcsel的阈值电流，然而由于该绝缘层位于p-dbr与n-dbr之间，在vcsel工作时，会首先对氧化限制层进行充放电，然后再注入到有源区产生光子，这是vcsel的本征寄生电容。为了提高vcsel的带宽，要尽可能的减小本征寄生电容。alas层厚度越薄，寄生电容越大，这是由于电容c=πε0εox/dox.公式中，ε0为真空介电常数，εox为绝缘层介电常数，dox为绝缘层的厚度;

3)氧化层应力大，氧化后外延层易剥离;

导致原因：采用alas氧化限制层，由于alas的晶格常数小于gaas晶格常数，alas在生长时会产生较大张应力，氧化后易使外延层剥离，影响器件可靠性。

上述传统技术采用薄的氧化限制层（小于15nm），在氧化层前端能形成lens结构，以减小光子的散射损失，但会造成上面所述的缺点。一旦氧化层的厚度加厚，氧化层前端会呈现圆弧形(如图2所示），光子的散射损失会增加，会影响vcsel的调制带宽。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种能够提高vcsel带宽的高速vcsel激光器外延结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高速vcsel激光器外延结构，包括gaas衬底，在gaas衬底上依次采用mocvd沉积gaas缓冲层、n型掺杂的dbr、有源层、氧化限制层、p型掺杂的dbr和欧姆接触层，氧化限制层由多个ga组分可自由调节的al1-xgaxas外延层组成，其中x为ga元素的组分。

优选的，所述多个al1-xgaxas外延层的ga组分跳变。

优选的，所述多个al1-xgaxas外延层中中间层的ga组分最小，最下层的ga组分最大。

优选的，所述氧化限制层由下至上包括ga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层、ga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层、ga组分为2%的al0.98ga0.02as外延层、ga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层和ga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层。

优选的，所述氧化限制层的中间外延层的ga组分为2%、厚度为10nm，最下层、最上层的外延层的ga组分为5%、厚度为5nm，中间外延层的ga组分为组分为2-5%，厚度为3-8nm。

优选的，所述氧化限制层由下至上包括5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层、5nmga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层、10nmga组分为2%的al0.98ga0.02as外延层、5nmga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层和5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层。

优选的，所述有源层采用gaas/algaasmqw。

本发明还公开一种用于上述高速vcsel激光器外延结构的制备方法，其包括如下步骤：以电导率为2-8×10¹⁸cm^-2的n型gaas作为生长衬底，放入mocvd系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以h2为载气，三甲基铟（tmin）、三甲基镓（tmga）、三甲基铝（tmal）、二乙基锌（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等为反应源气体，依次生长si掺杂的gaas缓冲层，si掺杂的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，对数为26组；gaas/al0.3gaas形成的mqw有源层,zn掺杂的氧化限制层，zn掺杂的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，对数为16组，zn掺杂的gaas欧姆接触层；所述氧化限制层（05）由多个ga组分可自由调节的al1-xgaxas外延层组成，其中x为ga元素的组分。

优选的，所述多个al1-xgaxas外延层中中间层的ga组分最小，最下层的ga组分最大。

优选的，多个ga组分跳变的外延层包括：第一层：5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as、第二层：5nmga组分为3%的al0.97ga0.03as、第三层：10nmga组分为2%的al0.98ga0.02as、第四层：5nmga组分为3%的al0.97ga0.03as、第五层：5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as。

如上所述，本发明的高速vcsel激光器外延结构具有以下有益效果：该激光器外延结构采用一定厚度的组分跳变的algaas氧化限制层，可在氧化限制层前端形成lens结构，减小光子的散射损失，从而提高vcsel的调制带宽。同时，可以克服上述缺点：1）通过在氧化限制层中掺杂一定比例的ga，减小氧化限制层的氧化速率，使氧化易于控制，提高vcsel芯片产品良率；2）通过增加厚度来减小vcsel的本征寄生电容；3）通过在氧化限制层中掺杂一定比例的ga，减小氧化限制层与衬底的失配度，从而减小应力。

附图说明

图1为传统vcsel外延结构示意图。

图2为传统技术外延结构制作为芯片后氧化限制层结构示意图。

图3为本发明实施例氧化限制层结构示意图。

图4为本发明实施例制作为芯片后氧化限制层结构示意图。

元件标号说明

01、gaas衬底；02、gaas缓冲层；03、n型掺杂的dbr；04、有源层；05、氧化限制层；06、p型掺杂的dbr；07、欧姆接触层；10、al0.95ga0.05as外延层；11、al0.97ga0.03as外延层；12、al0.98ga0.02as外延层（12)；13、al0.97ga0.03as外延层；14、al0.95ga0.05as外延层。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一、

如图1、3所示，本发明提供一种高速vcsel激光器外延结构，其包括gaas衬底01，在gaas衬底01上依次采用mocvd沉积gaas缓冲层02、n型掺杂的dbr03、有源层04、氧化限制层05、p型掺杂的dbr06和欧姆接触层07，其中有源层4采用gaas/algaasmqw，氧化限制层05由多个ga组分可自由调节的al1-xgaxas外延层组成，其中x为ga元素的组分。多个al1-xgaxas外延层的ga组分最好采用跳变方式，所谓跳变，就是相邻两层外延层的ga组分不是连续变化的，而是采用类似阶梯函数的方式进行变化的。最为一种较优的方式，多个al1-xgaxas外延层中中间层的ga组分应最小，最下层的ga组分最大，最上层的外延层应具有一定厚度，这样更容易在氧化限制层前端形成lens结构。

作为一种具有实施例algaas氧化限制层由下至上包括ga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层10、ga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层11、ga组分为2%的al0.98ga0.02as外延层12、ga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层14和ga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层14。其中ga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层10的厚度为5nm，ga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层11的厚度为5nm，组分为2%的al0.98ga0.02as外延层12的厚度为10nm，ga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层3的厚度为5nm，ga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层14的厚度为5nm。

实施例二、

作为一种优选方式，氧化限制层的中间外延层的ga组分为2%、厚度为10nm，最下层、最上层的外延层的ga组分为5%、厚度为5nm，中间外延层的ga组分为组分为2-5%，厚度为3-8nm。在本实施例中，氧化限制层由下至上包括5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层、3nmga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层、10nmga组分为2%的al0.98ga0.02as外延层、3nmga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层和5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层。

实施例三、

该实施例中，氧化限制层由下至上包括5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层、8nmga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层、10nmga组分为2%的al0.98ga0.02as外延层、8nmga组分为3%的al0.97ga0.03as外延层和5nmga组分为5%的al0.95ga0.05as外延层。

氧化限制层05采用一定厚度的组分跳变结构，由于不同ga组分的氧化速率不同，制作为vcsel芯片后，其氧化层形貌如图4所示。

在芯片工艺中，algaas的氧化速率随ga组份的减小而增加，氧化限制层采用algaas，应力小，氧化速率可控因此，相比于传统的30nm的algaas或alas氧化限制层，氧化限制层厚度为30nm,采用组分跳变结构，氧化层前端可形成lens结构，从而减小光子的散射，提高vcsel的调制带宽。

上述高速vcsel激光器外延结构的制备方法包括如下步骤：以电导率为2-8×1⁰¹⁸cm^-2的n型gaas作为生长衬底，放入mocvd系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以h2为载气，三甲基铟（tmin）、三甲基镓（tmga）、三甲基铝（tmal）、二乙基锌（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等为反应源气体，依次生长si掺杂的gaas缓冲层，si掺杂的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，对数为26组；gaas/al0.3gaas形成的mqw有源层,zn掺杂的氧化限制层，zn掺杂的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，对数为16组，zn掺杂的gaas欧姆接触层；其中，氧化限制层由多个ga组分跳变的外延层组成。

其中氧化限制层的结构可根据需要按上述实施例一、实施例二或实施例三的结构生长。外延层生长完成后，可利用公知的光刻与刻蚀工艺，形成vcsel台面结构，采用氧化工艺使氧化限制层氧化，形成6-8nm的氧化孔径，然后在表面cap层上蒸镀正面电极，并将gaas衬底减薄，在减薄的gaas衬底背面蒸镀背面电极，即完成vcsel激光器的制作。

该激光器外延结构具有如下有益效果：1）、通过采用5组组份跳变的氧化限制层结构，在氧化层前端形成lens结构，从而减少光子的散射损失，从而提高vcsel的微分增益从而提高调制带宽；2）、通过在氧化限制层中掺杂一定比例的ga，减小氧化限制层的氧化速率，使氧化易于控制，提高vcsel芯片产品良率；3）、通过增加氧化限制层厚度来减小vcsel的本征寄生电容；4）、通过在氧化限制层中掺杂一定比例的ga，减小氧化限制层与衬底的失配度，从而减小应力，避免在氧化过程中外延层剥离的现象。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。