[發明專利]一種高速VCSEL激光器外延結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201710361697.9
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN107171181A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 單智發
• 申請（專利權）人: 蘇州全磊光電有限公司
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 蘇州翔遠專利代理事務所(普通合伙)32251
• 代理人: 劉計成

技術領域

本發明涉及一種半導體光電子技術領域，特別涉及一種高速VCSEL激光器外延結構及其制備方法。

背景技術

垂直腔表面發射激光器(VCSEL)是在垂直于激光器形成在其上的襯底的方向發光的半導體激光器，相比于邊發射半導體激光器（FP,DFB等）具有溫漂小、低閾值、光纖耦合效率高、易于集成,封裝、高速(上升下降在100ps級別)等特性，是超高速短距離光互聯設備中的首選光源，廣泛用于大型數據中心、超級計算機內的連接，在數據分析需求不斷攀升的帶動下，預期VCSEL未來產值將超過十億美元。如圖1所示，典型的VCSEL外延結構包含一GaAs襯底01，在襯底上依次采用MOCVD沉積GaAs 緩沖層02，N型摻雜的DBR 03,有源層04，氧化限制層05，P型摻雜的DBR 06和歐姆接觸層07。

不斷增長的數據業務對網絡帶寬的需求不斷提高，其核心在于提高作為通信光源的VCSEL激光器的帶寬。提高VCSEL的帶寬的方法有很多，例如采用InGaAs量子阱作為有源區，可以提高有源區載流子的微分增益，從而提高VCSEL的帶寬；減小VCSEL的腔長，從而提高光子的限制因子，從而提高VCSEL的帶寬；采用雙氧化限制層來降低VCSEL的寄生電容，從而提高VCSEL的帶寬等方法。另外，文獻《Scattering Losses from DielectricApertures in Vertical-Cavity Lasers》報道了采用較薄的氧化限制層（小于15nm），氧化層前端會形成尖端結構，類似于棱鏡（lens），可有效減小光腔內光子的散射損失，從而通過提高載流子的微分增益來提高VCSEL的帶寬。

上述傳統技術均是提高帶寬的方法，在實際應用中，采用InGaAs量子阱作為有源區的激光器可靠性存在問題，是目前VCSEL應用的瓶頸。另外，采用薄的AlAs氧化限制層（小于15nm），有3個缺點：

1）氧化速率快，VCSEL的出光孔徑難以控制，導致VCSEL成品率低；

導致原因：傳統技術的氧化限制層一般采用AlAs作為氧化限制層，AlAs層厚度越薄，氧化速率越快，而VCSEL的氧化孔徑一般為6-8um,氧化孔徑極難穩定重復控制，導致VCSEL制備良率偏低；

2)寄生電容大，影響VCSEL的調制速率;

導致原因：AlAs氧化限制層氧化后形成絕緣層使VCSEL的電流集中于出光區域從而對減小VCSEL的閾值電流，然而由于該絕緣層位于P-DBR與N-DBR之間，在VCSEL工作時，會首先對氧化限制層進行充放電，然后再注入到有源區產生光子，這是VCSEL的本征寄生電容。為了提高VCSEL的帶寬，要盡可能的減小本征寄生電容。AlAs層厚度越薄，寄生電容越大，這是由于電容C=πε₀ε_ox/d_ox.公式中，ε₀為真空介電常數，ε_ox為絕緣層介電常數，d_ox為絕緣層的厚度;

3)氧化層應力大，氧化后外延層易剝離;

導致原因：采用AlAs氧化限制層，由于AlAs的晶格常數小于GaAs晶格常數，AlAs在生長時會產生較大張應力，氧化后易使外延層剝離，影響器件可靠性。

上述傳統技術采用薄的氧化限制層（小于15nm），在氧化層前端能形成lens結構，以減小光子的散射損失，但會造成上面所述的缺點。一旦氧化層的厚度加厚，氧化層前端會呈現圓弧形(如圖2所示），光子的散射損失會增加，會影響VCSEL的調制帶寬。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種能夠提高VCSEL帶寬的高速VCSEL激光器外延結構。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高速VCSEL激光器外延結構，包括GaAs襯底，在GaAs襯底上依次采用MOCVD沉積GaAs 緩沖層、N型摻雜的DBR、有源層、氧化限制層、P型摻雜的DBR和歐姆接觸層，氧化限制層由多個Ga組分可自由調節的Al_1-xGa_xAs外延層組成，其中X為Ga元素的組分。

優選的，所述多個Al_1-xGa_xAs外延層的Ga組分跳變。

優選的，所述多個Al_1-xGa_xAs外延層中中間層的Ga組分最小，最下層的Ga組分最大。