新型调制高功率VCSEL芯片及其制备方法与流程

新型调制高功率vcsel芯片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及光电子、微电子领域及功率器件技术领域，具体而言，本发明涉及新型调制高功率vcsel芯片及其制备方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)有别于led(light emitting diode，发光二极管)和ld(laser diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小且易集成大面积阵列等优点，被广泛应用于光通信、光互连和光存储等领域。随着科学技术的不断发展，各种各样的vcsel芯片已广泛应用于人们的日常生活、工作以及工业中，为人们的生活带来了极大的便利。
3.但是目前对于高速调制vcsel芯片来说，弛豫震荡频率、阻尼和寄生rc电路是高速vcsel芯片调制特性的影响因素，而弛豫震荡频率是高速调制的最主要因素，当电流直接调制时，光子与电子之间的弛豫震荡成为限制带宽的主要因素。
4.现有的多量子阱结构的vcsel芯片，由于体积较大，导致腔内的注入填充时间较长，度越时间长，会影响弛豫震荡频率，进而影响器件的整体性能。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出新型调制高功率vcsel芯片及其制备方法。通过在最外层生长第二量子阱结构，使得对激光器件的调制不再是对激光器添加电激励，而是通过改变第二量子阱结构的特性来控制激光的出射，大大减小了激光器在接通电源时的驰豫振荡的影响，从而提高了芯片的性能。
6.在本发明的一个方面，本发明提出了一种新型调制高功率vcsel芯片结构。根据本发明的实施例，该新型调制高功率vcsel芯片结构包括：
7.依次生长的缓冲层、n型布拉格反射镜、第一量子阱和p型布拉格反射镜；
8.第一反向电极，所述第一反向电极设置在所述缓冲层远离所述n型布拉格反射镜的至少部分表面上；
9.正向电极，所述正向电极为环形，且所述正向电极设置在所述p型布拉格反射镜远离所述n型布拉格反射镜的表面的边缘；
10.第二量子阱，所述第二量子阱设置在所述正向电极以及所述正向电极未覆盖的p型布拉格反射镜的表面上；
11.第二反向电极，所述第二反向电极为环形，且所述第二反向电极设置在所述第二量子阱远离所述p型布拉格反射镜的表面的边缘。
12.根据本发明上述实施例的新型调制高功率vcsel芯片结构，在常规的vcsel芯片制作完电极之后，进行二次外延，在最外层根据需要生长多对第二量子阱结构，然后在其上面制作第二反向电极。将正向电极和第一反向电极接通，当第二反向电极关闭时，第二量子阱
结构表现为透明膜材料，激光器发射的光从该侧正常出光，vcsel激光器正常激射出光；当第二反向电极接通且电流逐渐增大时，第二量子阱结构逐渐从透明材料转变为吸收光的材料，当电流达到一定阈值，第二量子阱也激射出光时就会完全吸收激光器发出的光，器件就会表现为不发光的状态。在该过程中通过电流的连续调制，就能够调制激光器的出光频率和功率，当电流逐渐增大时，第二量子阱激发的光的频率和功率也逐渐发生变化，最终表现为整个激光器发出的光的频率和功率也随着注入电流的变化而发生变化。本发明上述实施例通过在最外层生长第二量子阱结构，使得对激光器件的调制不再是对激光器添加电激励，而是通过改变最外层膜(即第二量子阱结构)的特性来控制激光的出射，大大减小了激光器在接通电源时的驰豫振荡的影响，从而提高了芯片的性能；改善了目前由于vcsel芯片体积较大，导致腔内的注入填充时间较长、度越时间长从而影响弛豫震荡频率的不足，提高了器件的整体性能。
13.另外，根据本发明上述实施例的新型调制高功率vcsel芯片结构还可以具有如下附加的技术特征：
14.在本发明的一些实施例中，所述第二反向电极的环的宽度为3～10um。
15.在本发明的一些实施例中，所述正向电极的环的宽度为3～10um。
16.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱包括1～n对。
17.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱的材料选自ingaas/gaas、ingaas/algaas、ingaas/gaasp、gaas/algaas、alingaas/algaas和ingaasp/algaas中的任一种。
18.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱的材料带隙对应的波长不小于激光器的发光波长。由此，第二量子阱才能够吸收激光器激发出的光。
19.在本发明的一些实施例中，所述激光器的发光波长为500nm～1200nm。
20.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱的生长形状选自方形、三角形和梯形中的任一种。
21.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱中的阱为ingaas，所述第二量子阱中的垒为gaas，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
22.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱中的阱为ingaas，所述第二量子阱中的垒为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1中的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
23.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱中的阱为ingaas，所述第二量子阱中的垒为gaasp，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
24.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱中的阱为gaas，所述第二量子阱中的垒为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1中的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
25.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱中的阱为alingaas，所述第二量子阱中的垒为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1中的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
26.在本发明的一些实施例中，所述第二量子阱中的阱为ingaasp，所述第二量子阱中的垒为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
27.在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述的新型调制高功率vcsel芯片的方法，包括：
28.(1)在衬底上依次生长缓冲层、n型布拉格反射镜、第一量子阱和p型布拉格反射镜；
29.(2)刻蚀所述衬底以便露出缓冲层，在所述缓冲层远离所述n型布拉格反射镜的至少部分表面上制作第一反向电极；
30.(3)在所述p型布拉格反射镜远离所述n型布拉格反射镜的表面的边缘制作环形的正向电极；
31.(4)在所述正向电极以及所述正向电极未覆盖的p型布拉格反射镜的表面上生长第二量子阱；
32.(5)在所述第二量子阱远离所述p型布拉格反射镜的表面的边缘制作环形的第二反向电极。
33.本发明实施例所述的制备上述的新型调制高功率vcsel芯片的方法，该方法通过在最外层生长第二量子阱结构，使得对激光器件的调制不再是对激光器添加电激励，而是通过改变最外层膜(即第二量子阱结构)的特性来控制激光的出射，大大减小了激光器在接通电源时的驰豫振荡的影响，从而提高了芯片的性能。同时，该方法简单易实施，适合工业化生产。
34.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
35.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
36.图1为本发明实施例的vcsel芯片结构示意图。
37.图2为本发明实施例的量子阱结构方形生长示意图。
38.图3为本发明实施例的量子阱结构三角形生长示意图。
39.图4为本发明实施例的量子阱结构梯形生长示意图。
40.图5为制备本发明实施例的vcsel芯片结构的方法流程图。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个、四个、五个、六个等，除非另有明确具体的限定。
44.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
46.在本发明的一个方面，本发明提出了一种新型调制高功率vcsel芯片结构。参考图1，根据本发明的实施例，所述新型调制高功率vcsel芯片不仅包括依次生长的缓冲层5、n型布拉格反射镜4、第一量子阱3和p型布拉格反射镜2，还包括第一反向电极6、正向电极1、第二量子阱7和第二反向电极8。
47.根据本发明的实施例，上述缓冲层5、n型布拉格反射镜4、第一量子阱3和p型布拉格反射镜2的具体类型以及其具体厚度并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意选择。
48.根据本发明的实施例，参考附图1，第一反向电极6，所述第一反向电极6设置在所述缓冲层5远离所述n型布拉格反射镜4的至少部分表面上，可以覆盖缓冲层5的底部表面的一部分，也可以覆盖其底部表面的全部。上述第一反向电极6的作用为在正常的vcsel结构中与正向电极形成一个完整的电流回路。
49.根据本发明的实施例，参考附图1，正向电极1，所述正向电极1为环形，且所述正向电极1设置在所述p型布拉格反射镜2远离所述n型布拉格反射镜4的表面的边缘或者设置在p型布拉格反射镜的侧面，围绕在激光器的出光区外，尽量不要影响出光。上述正向电极1的作用是与第一反向电极以及第二反向电极形成完整的电流回路。
50.根据本发明的一个具体实施例，所述正向电极的环的宽度为3～10um。由此，避免影响激光器的出光。
51.根据本发明的实施例，参考附图1，第二量子阱7，所述第二量子阱7设置在所述正向电极1以及所述正向电极1未覆盖的p型布拉格反射镜2的表面上。本发明的实施例通过改变第二量子阱结构的特性来控制激光的出射，大大减小了激光器在接通电源时的驰豫振荡的影响，从而提高了芯片的性能。进一步地，所述第二量子阱的材料带隙对应的波长不小于激光器的发光波长，由此，第二量子阱才能够吸收激光器激发出的光。激光器发光波长根据产品特性，一般为500nm～1200nm。
52.根据本发明的一个具体实施例，所述第二量子阱包括1～n对。
53.根据本发明的再一个具体实施例，所述第二量子阱的材料选自ingaas/gaas、ingaas/algaas、ingaas/gaasp、gaas/algaas、alingaas/algaas和ingaasp/algaas中的任
一种。
54.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱中的阱10为ingaas，所述第二量子阱中的垒9为gaas，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
55.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱中的阱10为ingaas，所述第二量子阱中的垒9为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1中的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
56.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱中的阱10为ingaas，所述第二量子阱中的垒9为gaasp，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
57.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱中的阱10为gaas，所述第二量子阱中的垒9为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1中的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
58.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱中的阱10为alingaas，所述第二量子阱中的垒9为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1中的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
59.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱中的阱为ingaasp，所述第二量子阱中的垒为al
x
ga
1-x
as，其中x为0.1～1的任意值，所述阱的厚度为4～10nm，所述垒的厚度为6～14nm。
60.根据本发明的又一个具体实施例，所述第二量子阱的生长形状选自方形、三角形和梯形中的任一种，如附图2、3和4所示。
61.根据本发明上述实施例的新型调制高功率vcsel芯片结构，在常规的vcsel芯片制作完电极之后，进行二次外延，在最外层根据需要生长生多对第二量子阱结构，然后在其上面制作第二反向电极。将正向电极和第一反向电极接通，当第二反向电极关闭时，第二量子阱结构表现为透明膜材料，激光器发射的光从该侧正常出光，vcsel激光器正常激射出光；当第二反向电极接通且电流逐渐增大时，第二量子阱结构逐渐从透明材料转变为吸收光的材料，当电流达到一定阈值，第二量子阱也激射出光时就会完全吸收激光器发出的光，器件就会表现为不发光的状态。在该过程中通过电流的连续调制，就能够调制激光器的出光频率和功率，当电流逐渐增大时，第二量子阱激发的光的频率和功率也逐渐发生变化，最终表现为整个激光器发出的光的频率和功率也随着注入电流的变化而发生变化。本发明上述实施例通过在最外层生长第二量子阱结构，使得对激光器件的调制不再是对激光器添加电激励，而是通过改变最外层膜(即第二量子阱结构)的特性来控制激光的出射，大大减小了激光器在接通电源时的驰豫振荡的影响，从而提高了芯片的性能。
62.在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述的新型调制高功率vcsel芯片的方法，参考附图5，包括：
63.s1：在衬底上依次生长缓冲层、n型布拉格反射镜、第一量子阱和p型布拉格反射镜；
64.s2：刻蚀所述衬底以便露出缓冲层，在所述缓冲层远离所述n型布拉格反射镜的至少部分表面上制作第一反向电极；
65.s3：在所述p型布拉格反射镜远离所述n型布拉格反射镜的表面的边缘制作环形的正向电极；
66.s4：在所述正向电极以及所述正向电极未覆盖的p型布拉格反射镜的表面上生长第二量子阱；
67.s5：在所述第二量子阱远离所述p型布拉格反射镜的表面的边缘制作环形的第二反向电极。
68.本发明实施例所述的制备上述的新型调制高功率vcsel芯片的方法，该方法通过在最外层生长第二量子阱结构，使得对激光器件的调制不再是对激光器添加电激励，而是通过改变最外层膜(即第二量子阱结构)的特性来控制激光的出射，大大减小了激光器在接通电源时的驰豫振荡的影响，从而提高了芯片的性能。同时，该方法简单易实施，适合工业化生产。
69.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点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表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
70.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。