本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器，在光纖通訊領(lǐng)域中有重要應(yīng)用，屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器具有圓形的輸出光斑、發(fā)散角小、低閾值電流、高傳輸速率、高功率轉(zhuǎn)換效率、低電功率損耗、高工作溫度、高可靠性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，而且它與光線耦合效率高，易于制成二位陣列，可在位檢測(cè)，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，是國(guó)際上公認(rèn)的光纖通訊領(lǐng)域最有潛力的低成本激光光源之一。
首先，基于材料體系的發(fā)展、開發(fā)難易程度和器件成本的考量，最初局域網(wǎng)采用的是GaAs基的850nm垂直腔面發(fā)射激光器，傳輸速率為0.1～10Gbit/s。該器件采用同樣的激光輸出功率時(shí)，100Mbit/s速率下的傳輸距離是7-8km；當(dāng)傳輸速率提高至10Gbit/s時(shí)，其傳輸距離僅為50m。光纖在該波長(zhǎng)時(shí)衰減最小約為2dB/km，所以850nm垂直腔面發(fā)射激光器已不能滿足高速局域網(wǎng)的通訊要求。而長(zhǎng)波長(zhǎng)如1310nm波段時(shí)，光纖衰減最小約為0.5dB/km，1550nm波段時(shí)衰減為0.2dB/km?？梢婇L(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器是光纖通訊領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。
其次，因特網(wǎng)和“互聯(lián)網(wǎng)+”的高速增長(zhǎng)，極大的推動(dòng)了城域網(wǎng)、局域網(wǎng)和光互聯(lián)等高速光通訊領(lǐng)域?qū)挼男枨蟆?/p>
所以，長(zhǎng)波長(zhǎng)的高速垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)越來(lái)越成為最主流的高速光源之一。量子阱有源區(qū)和器件寄生參數(shù)等內(nèi)外兩方面因素對(duì)垂直腔面發(fā)射激光器器件的高速特產(chǎn)生影響。而器件的結(jié)構(gòu)直接決定器件電路中的寄生電阻和電容。所以器件結(jié)構(gòu)是影響高速特性比較重要的因素。
目前，傳統(tǒng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)的垂直腔面發(fā)射激光器一般采用磷化銦(InP)材料襯底，(1)在襯底上生長(zhǎng)n-DBR結(jié)構(gòu)，通常選用InGaAsP或AlInGaAs四元半導(dǎo)體材料體系與InP晶格匹配，制備n-DBR結(jié)構(gòu)。為滿足垂直腔面發(fā)射激光器的激射條件，制備分布布拉格反射鏡需要生長(zhǎng)幾十對(duì)甚至上百對(duì)的不同組分的材料，(2)生長(zhǎng)DBR與有源區(qū)的過(guò)渡層，也是器件波導(dǎo)層，(3)生長(zhǎng)器件有源層，通常為3-7對(duì)量子阱，(4)生長(zhǎng)DBR與有源區(qū)的過(guò)渡層，(5)生長(zhǎng)p型DBR，p型DBR同n型DBR一樣需要生長(zhǎng)幾十對(duì)甚至上百對(duì)的不同組分的材料。
通常結(jié)構(gòu)n型結(jié)構(gòu)作為基底，刻蝕出有源區(qū)的臺(tái)狀結(jié)構(gòu)，再刻蝕出p型DBR的結(jié)構(gòu)。在n型襯底底面蒸鍍電極與p型DBR生長(zhǎng)電極。注入載流子流經(jīng)回路是路程為，注入載流子從接觸電極到半導(dǎo)體的歐姆接觸電阻，從金屬電極運(yùn)動(dòng)到刻蝕圓臺(tái)邊緣的橫向電阻，流經(jīng)有源區(qū)的縱向電阻，n型DBR電阻。由于長(zhǎng)波長(zhǎng)DBR需要對(duì)數(shù)較多，垂直腔面發(fā)射激光器的串聯(lián)電阻影響較大，影響器件的高速特性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
本發(fā)明的目的在于提供一種長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器，以減小長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器內(nèi)部的串聯(lián)電阻，增加注入載流子的效率，實(shí)現(xiàn)器件的高速特性的改進(jìn)。
(二)技術(shù)方案
本發(fā)明提供了一種長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器，該長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器由下至上依次包括襯底8、n型DBR6、n型空間層5、有源區(qū)4、p型空間層3、出光孔9和p面電極2，其中p面電極2蒸鍍于p型空間層3上，并包圍出光孔9，n型DBR6中間設(shè)有電流限制層10，電流限制層10上形成有圓形電流限制孔11，其特征在于，
所述襯底8和n型DBR6為等直徑的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)，其直徑大于所述出光孔9的直徑，小于長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器最終解離芯片橫向尺寸。
其中，該長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器還包括：n面電極7，其蒸鍍于所述襯底8和n型DBR6形成的等直徑的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的底面和側(cè)面。
其中，所述襯底8為InP材料。
其中，所述n型DBR6為半導(dǎo)體材料或者介電材料。
其中，所述半導(dǎo)體材料為AlxInyGa(1-x-y)As/InP或者InxGa(1-x)AsyP(1-y)/InP，所述介電材料為α-Si/Al2O3、MgO/α-Si、CaF2/α-Si或者CaF2/ZnS。
其中，所述n型空間層5材料為InP或者與InP匹配的三元或四元半導(dǎo)體材料。
其中，所述有源區(qū)4是單個(gè)量子阱或多對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)。
其中，所述單個(gè)量子阱或多對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)，其量子阱材料組分為AlxInyGa(1-x-y)As/AlxInyGa(1-x-y)As或InxGa(1-x)AsyP(1-y)/InxGa(1-x)AsyP(1-y)，所述量子阱個(gè)數(shù)為3-7個(gè)。
其中，所述p型空間層3材料為InP或者與InP匹配的三元或四元半導(dǎo)體材料。
其中，所述p面電極2材料為Cr/Au金屬。
其中，所述P型DBR1為半導(dǎo)體材料或者介電材料。
其中，所述半導(dǎo)體材料為AlxInyGa(1-x-y)As/InP或InxGa(1-x)AsyP(1-y)/InP，所述介電材料為α-Si/Al2O3、MgO/α-Si、CaF2/α-Si或者CaF2/ZnS。
其中，所述n面電極7為包圍所述n型DBR6和襯底8的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的環(huán)包型結(jié)構(gòu)，所述n面電極7材料為Au/Ge/Ni金屬。
其中，所述電流限制孔11直徑小于所述n型DBR6和襯底8圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的直徑和所述出光孔9的直徑。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明通過(guò)采用等直徑的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的襯底和n型DBR可以減小長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器內(nèi)部的串聯(lián)電阻，增加注入載流子的效率，實(shí)現(xiàn)器件的高速特性的改進(jìn)。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的一種具體實(shí)施例的長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
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)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是本發(fā)明的一種具體實(shí)施例的長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)從下至上包括襯底8、n型DBR6、n型空間層5、有源區(qū)4、p型空間層3、出光孔9，p面電極2蒸鍍于p型空間層3上，并包圍出光孔9，n型DBR6中間設(shè)有電流限制層10，電流限制層10上形成有圓形電流限制孔11，其中，所述襯底8和n型DBR6為等直徑的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)，其直徑大于所述出光孔9的直徑，小于長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器最終解離芯片橫向尺寸。長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)中還包括n面電極7，其蒸鍍于襯底8和n型DBR6的底面和側(cè)面，n面電極7為包圍襯底8和n型DBR6圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的環(huán)包型結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一種具體實(shí)施例的長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器，其結(jié)構(gòu)的制作工藝、工藝流程、各部分結(jié)構(gòu)所用的材料、材料厚度等參數(shù)如下所示：
襯底8，為n型InP材料，厚度為150μm；在襯底8上，采用分子束外延(MBE)蒸鍍n型DBR 6，n型DBR6為42對(duì)Al0.235Ga0.235In0.53As/InP，Al0.23sGa0.235In0.53As的厚度為103.4nm，InP的厚度為91nm，摻雜濃度為3e18cm-3。
在n型DBR6中，設(shè)有電流限制層10，電流限制層10為n型DBR6中的1對(duì)Al0.235Ga0.235In0.53As/InP，距離n型DBR6頂部3對(duì)DBR位置，電流限制層10上采用離子注入形成圓形電流限制孔11，離子注入劑量為1×1015cm-2，能量為450KeV，電流限制孔11為不導(dǎo)電的區(qū)域?qū)?，?duì)電流和光的雙重限制，為了實(shí)現(xiàn)高速特性，電流限制孔11的孔徑為13μm。
自襯底8背面向上采用干法刻蝕的方法依次刻蝕襯底8和n型DBR6且不刻透n型DBR6形成等直徑的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)，刻蝕深度至電流限制孔11下方3對(duì)DBR的位置，刻蝕直徑為50μm。
在n型DBR 6上，為n型空間層5，n型空間層5材料為InP，或者與InP匹配的三元或四元半導(dǎo)體材料，本實(shí)施例采用InP材料，n型空間層5為InP材料的厚度為177nm。
在n型空間層5上，為有源區(qū)4，有源區(qū)4為組分Al0.161Ga0.102In0.74As/Al0.267Ga0.203In0.53As的應(yīng)變量子阱構(gòu)成，Al0.161Ga0.102In0.74As為非摻雜材料，厚度為8nm，Al0.267Ga0.203In0.53As為非摻雜材料，厚度為9nm，量子阱個(gè)數(shù)為4個(gè)，其激射波長(zhǎng)為1310nm。
在有源區(qū)4上，為p型空間層3，p型空間層3為InP材料或者與InP匹配的三元或四元半導(dǎo)體材料，本實(shí)施例采用InP材料，材料的厚度為177nm。
在p型空間層3上，為p型DBR1，p型DBR1為3對(duì)CaF2/ZnS，采用電子束蒸發(fā)法蒸鍍CaF2的厚度903nm，ZnS的厚度為374nm；將p型DBR1進(jìn)行刻蝕，使其中心形成圓形臺(tái)面，該圓形臺(tái)面即為出光孔9，出光孔9的直徑為30μm，厚度為p型DBR1的總厚度，即刻蝕深度到p型空間層3上表面。
解理p型空間層3、有源區(qū)4、n型空間層5及電流限制層10后形成的長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器芯片小方塊，小方塊的變成尺寸為220μm。
p面電極2，蒸鍍于p型空間層3上，并包圍出光孔9，p面電極2材料為Cr/Au金屬，為了形成良好的歐姆接觸，其厚度選為0.05μm。
n面電極7采用Au/Ge/Ni金屬，系自襯底8背面蒸鍍于等直徑的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的底面和側(cè)面，形成包圍襯底8和n型DBR6的底面和側(cè)面的圓臺(tái)型結(jié)構(gòu)的環(huán)包型結(jié)構(gòu)，為了形成良好的歐姆接觸，其厚度選為0.05μm。
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(shuō)明，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)。