一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器的制造方法
【專利摘要】一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，該緩沖層生長在所述襯底上；下分布布拉格反射鏡層生長在所述緩沖層上；該下相位匹配層生長在所述下分布布拉格反射鏡層上；亞集電極層生長在所述下相位匹配層上；集電極層生長在所述亞集電極層上；基極及量子阱有源區(qū)層生長在所述集電極層上；發(fā)射極層生長在所述基極及量子阱有源區(qū)層上；上相位匹配層生長在所述發(fā)射極層上；氧化限制層生長在所述上相位匹配層上；上分布布拉格反射鏡層生長在所述氧化限制層上。本發(fā)明提供的微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，將VCSEL的優(yōu)異光學(xué)性能與異質(zhì)結(jié)晶體管的高速電學(xué)性能相結(jié)合，可以應(yīng)用在光學(xué)互聯(lián)和OEIC等領(lǐng)域。
【專利說明】 一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，特別涉及一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]2005年，美國伊利諾依大學(xué)的一個(gè)研究小組在世界上首次報(bào)道了一種稱為異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管激光器的半導(dǎo)體器件(Appl.Phys.Lett.87，131103)，僅利用較為簡單的外延及制作工藝，該器件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光器的發(fā)光功能和晶體管的放大功能。與普通晶體管的不同之處在于，晶體管的基區(qū)中引入了一個(gè)量子阱。在一定的基極-發(fā)射極電壓下，電子會(huì)由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)，部分電子在量子阱區(qū)與空穴復(fù)合發(fā)光，另一部分電子則由反向偏置的基極-集電極電壓快速掃出基區(qū)。由于具有將基區(qū)電子快速掃出的功能，與傳統(tǒng)的激光二極管相比，晶體管激光器基區(qū)的電子壽命要小得多，因而有望得到更高的直接調(diào)制速率。目前，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制速率很難超過lOGhz，一般都需要利用電光調(diào)制器提高頻率，而晶體管激光器的直接調(diào)制速率可超過40Ghz。另外，晶體管激光器的結(jié)構(gòu)和制作工藝與微波電子學(xué)器件兼容，很容易實(shí)現(xiàn)HBT調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路和激光器的集成。正因有此特點(diǎn)，晶體管激光器將有可能在光子互聯(lián)、光電子集成(0EIC)以及光信號(hào)處理等方面發(fā)揮巨大作用。
[0003]在上述所報(bào)道的晶體管激光器結(jié)構(gòu)中，激光出光方式為邊發(fā)射，而垂直腔面發(fā)射激光器作為一種新型光源，具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)諧振腔小，易產(chǎn)生微腔效應(yīng)，低閾值(亞毫安量級(jí))激射；⑵諧振腔比較短，因而縱模間隔很大，動(dòng)態(tài)調(diào)制頻率高；⑶有源區(qū)截面呈圓對(duì)稱型，光束方向性好，易耦合；(4)出光方向垂直于襯底平面，適合于并行光互連和信息處理；(5)器件體積小，可高密度地形成二維陣列激光器；(6)單片外延生長形成，便于對(duì)生長材料的質(zhì)量檢查與篩選，成品率高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于提供一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，為光子互聯(lián)、0EIC提供性能優(yōu)良的直接調(diào)制光源。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，包括襯底1、緩沖層2、下分布布拉格反射鏡層3、下相位匹配層4、亞集電極層5、集電極層6、基極及量子阱有源區(qū)層7、發(fā)射極層8、上相位匹配層9、氧化限制層10、上分布布拉格反射鏡層11。
[0006]該緩沖層2生長在所述襯底1上；
[0007]下分布布拉格反射鏡層3，該下分布布拉格反射鏡層3生長在所述緩沖層2上；
[0008]下相位匹配層4，該下相位匹配層4生長在所述下分布布拉格反射鏡層3上；
[0009]亞集電極層5，該亞集電極層5生長在所述下相位匹配層4上；
[0010]集電極層6，該集電極層6生長在所述亞集電極層5上；
[0011]基極及量子阱有源區(qū)層7，該基極及量子阱有源區(qū)層7生長在所述集電極層6上；
[0012]發(fā)射極層8，該發(fā)射極層8生長在所述基極及量子阱有源區(qū)層7上；
[0013]上相位匹配層9，該上相位匹配層9生長在所述發(fā)射極層8上；
[0014]氧化限制層10，該氧化限制層10生長在所述上相位匹配層9上；
[0015]上分布布拉格反射鏡層11，該上分布布拉格反射鏡層11生長在所述氧化限制層10上；
[0016]上述方案中，所述襯底1可以是InP襯底，或是GaAs襯底，或是GaN襯底，或是SiC襯底，或是Si襯底。
[0017]上述方案中，所述基極及量子阱有源區(qū)層7中，有源區(qū)量子阱的個(gè)數(shù)為3-6個(gè)。
[0018]上述方案中，由發(fā)射極層8注入的電子一部分在基極及量子阱有源區(qū)層7中輻射復(fù)合發(fā)光，另一部分被亞集電極層5快速收集，形成集電極電流。
[0019]上述方案中，所述下相位匹配層4、亞集電極層5、集電極層6、基極及量子阱有源區(qū)層7、發(fā)射極層8、上相位匹配層9組成垂直腔面發(fā)射激光器的光學(xué)腔，整個(gè)腔的光學(xué)厚度為激光波長的整數(shù)倍。
[0020]上述方案中，所述亞集電極層5的厚度為30_70nm，所述集電極層6的厚度為30-70nm，所述基極及量子阱有源區(qū)層7的厚度為60-120nm，所述發(fā)射極層8的厚度為40_120nm。
[0021]上述方案中，所述氧化限制層10為高鋁組分材料，利用濕法氧化工藝可以形成電流注入通道，厚度為20-40nm。
[0022]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果。
[0023]本發(fā)明提供的這種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，將VCSEL的優(yōu)異光學(xué)性能與異質(zhì)結(jié)晶體管的高速電學(xué)性能相結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)直接調(diào)制頻率大于40GHz的高性能光源，可以應(yīng)用在光學(xué)互聯(lián)和0EIC等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明提供的微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中:1、襯底，2、緩沖層，3、下分布布拉格反射鏡層，4、下相位匹配層，5、亞集電極層，6、集電極層，7、基極及量子阱有源區(qū)層，8、發(fā)射極層，9、上相位匹配層，10、氧化限制層，
11、上分布布拉格反射鏡層。

【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]以GaAs為襯底，介紹本發(fā)明的生長過程。
[0028]步驟1:在GaAs襯底上生長200_500nm的GaAs緩沖層；
[0029]步驟2:在緩沖層上生長30對(duì)AlQ.9Gaa^s/GaAs下分布布拉格反射鏡，Ala9Gaa.As厚度為80nm, GaAs厚度為70nm,布拉格中心波長為980nm ；
[0030]步驟3:在下分布布拉格反射鏡上生長下相位匹配層，材料為AlGaAs漸變結(jié)構(gòu)，A1組分從0.6-0.3，厚度為27nm ；
[0031]步驟4:在下相位匹配層上生長n+亞集電極層，材料為GaAs，厚度為30nm ；
[0032]步驟5:在亞集電極層上生長非摻雜集電極層，材料為GaAs，厚度為30nm ；
[0033]步驟6:在集電極層上生長基極及量子阱有源區(qū)層，從下到上依次為30nmp+GaAs，3個(gè) 1% 17GaAsQ.83/GaAs 量子講，講寬 6nm,魚寬 7nm,然后是 30nmp+GaAs ；
[0034]步驟7:在基極及量子阱有源區(qū)層上生長n+發(fā)射極層，材料為Ina49Gaa51P，厚度為60nm ；
[0035]步驟8:在發(fā)射極層上生長上相位匹配層，材料為AlGaAs漸變結(jié)構(gòu)，A1組分從0.3-0.6，厚度為 33nm ；
[0036]步驟9:在上相位匹配層上生長氧化限制層，材料為Al^Ga^As，厚度為30nm ；
[0037]步驟10:在氧化限制層上24對(duì)Ala9Ga0.^s/GaAs上分布布拉格反射鏡，Al0 9Ga0 厚度為80nm, GaAs厚度為70nm,布拉格中心波長為980nm ；
[0038]本發(fā)明提供的微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器的材料結(jié)構(gòu)，考慮到外延生長和器件性能兩方面的實(shí)際要求，各層厚度、組分可在一定范圍內(nèi)，根據(jù)具體材料和器件指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。
[0039]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:該激光器包括襯底(I)、緩沖層(2)、下分布布拉格反射鏡層(3)、下相位匹配層(4)、亞集電極層(5)、集電極層(6)、基極及量子阱有源區(qū)層(7)、發(fā)射極層(8)、上相位匹配層(9)、氧化限制層(10)、上分布布拉格反射鏡層(11);該緩沖層(2)生長在所述襯底(I)上；下分布布拉格反射鏡層(3)生長在所述緩沖層(2)上；該下相位匹配層(4)生長在所述下分布布拉格反射鏡層(3)上；亞集電極層(5)生長在所述下相位匹配層(4)上；集電極層(6)生長在所述亞集電極層(5)上；基極及量子阱有源區(qū)層(7)生長在所述集電極層(6)上；發(fā)射極層(8)生長在所述基極及量子阱有源區(qū)層(7)上；上相位匹配層(9)生長在所述發(fā)射極層(8)上；氧化限制層(10)生長在所述上相位匹配層(9)上；上分布布拉格反射鏡層(11)生長在所述氧化限制層(10)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:所述襯底(I)可以是InP襯底，或是GaAs襯底，或是GaN襯底，或是SiC襯底，或是Si襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:所述基極及量子阱有源區(qū)層(7)中，有源區(qū)量子阱的個(gè)數(shù)為3-6個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:由發(fā)射極層(8)注入的電子一部分在基極及量子阱有源區(qū)層(7)中輻射復(fù)合發(fā)光，另一部分被亞集電極層(5)快速收集，形成集電極電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:所述下相位匹配層(4)、亞集電極層(5)、集電極層￠)、基極及量子阱有源區(qū)層(7)、發(fā)射極層(8)、上相位匹配層(9)組成垂直腔面發(fā)射激光器的光學(xué)腔，整個(gè)腔的光學(xué)厚度為激光波長的整數(shù)倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:所述氧化限制層(10)為高鋁組分材料，利用濕法氧化工藝可以形成電流注入通道，厚度為 20_40nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微波載流子直接調(diào)制的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于:該激光器的生長過程如下， 步驟1:在GaAs襯底上生長200-500nm的GaAs緩沖層； 步驟2:在緩沖層上生長30對(duì)Ala9Gaa iAs/GaAs下分布布拉格反射鏡，Ala9GaaiAs厚度為80nm, GaAs厚度為70nm,布拉格中心波長為980nm ； 步驟3:在下分布布拉格反射鏡上生長下相位匹配層，材料為AlGaAs漸變結(jié)構(gòu)，Al組分從 0.6-0.3，厚度為 27nm； 步驟4:在下相位匹配層上生長η+亞集電極層，材料為GaAs，厚度為30nm ； 步驟5:在亞集電極層上生長非摻雜集電極層，材料為GaAs，厚度為30nm ； 步驟6:在集電極層上生長基極及量子阱有源區(qū)層，從下到上依次為30nmp+GaAs，3個(gè)In0.17GaAs0.83/GaAs 量子講，講寬 6nm,魚寬 7nm,然后是 30nmp+GaAs ； 步驟7:在基極及量子阱有源區(qū)層上生長n+發(fā)射極層，材料為Ina49Gaa51P,厚度為60nm ； 步驟8:在發(fā)射極層上生長上相位匹配層，材料為AlGaAs漸變結(jié)構(gòu)，Al組分從.0.3-0.6，厚度為 33nm ； 步驟9:在上相位匹配層上生長氧化限制層，材料為Ala98Gaatl2As,厚度為30nm ； 步驟10:在氧化限制層上24對(duì)Ala9GaaiAsAiaAs上分布布拉格反射鏡，Ala9GaaiAs厚度為80nm, GaAs厚度為70nm,布拉格中心波長為980nm。
【文檔編號(hào)】H01S5/183GK104319626SQ201410535772
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】王智勇, 王青, 堯舜, 鄭建華, 高鵬坤 申請人:北京工業(yè)大學(xué)