一種高速垂直腔面發(fā)射激光器的分子束外延生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤指提供一種高速垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的分子束外延生長方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在移動終端急速擴張的今天，通信技術(shù)不斷地往短距離數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域拓展以應(yīng)對數(shù)據(jù)中心和超級計算機數(shù)據(jù)傳輸量劇增的要求，而數(shù)據(jù)中心所需的數(shù)據(jù)傳輸量極大，面臨著提高數(shù)據(jù)傳輸和處理速率以及降低能耗的巨大壓力。垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL)具有很短的諧振腔，易于實現(xiàn)動態(tài)單縱模工作，同時也因為微腔效應(yīng)能實現(xiàn)極低閾值電流激射；圓形或方形有源區(qū)截面能獲得良好的光束分布，具有發(fā)散射角小易于與光纖耦合的特點；垂直于襯底平面的出光方式便于面陣排列，可用于二維面陣集成以及與其他光電子器件進行空間光互聯(lián)集成，在光計算和信息處理等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]壓應(yīng)力VCSEL激光器能破壞價帶的簡并度，降低空穴的有效質(zhì)量，使得類費米能級下移，對載流子的響應(yīng)速度更快，更容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而降低激光器閾值、減少帶間吸收及俄歇復(fù)合、降低線寬增強因子等。但是壓應(yīng)力會增加非線性增益壓縮，反而會抑制差分增益，抑制了壓應(yīng)力激光器的本征帶寬。為了補償這種效應(yīng)，有源區(qū)P型調(diào)制摻雜能增加帶內(nèi)散射，降低非線性增益壓縮，減小K因子，起到增加帶寬的作用。但有源區(qū)調(diào)制摻雜會引起帶間吸收增強，非輻射復(fù)合增多的問題，造成較大的光學(xué)損耗，使得調(diào)制摻雜的作用大打折扣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種高速垂直腔面發(fā)射激光器的分子束外延生長方法。
[0005]為達成上述目的，本發(fā)明應(yīng)用的技術(shù)方案是:提供一種高速垂直腔面發(fā)射激光器的分子束外延生長方法，該方法包括先將GaAs襯底脫氧預(yù)處理后，依次外延生長GaAs緩沖層、下DBR、有源區(qū)、氧化限制層及上DBR，其生長過程中，有源區(qū)夾在上、下DBR之間，其特征在于:有源區(qū)勢皇中間位置采用δ摻雜方法，其中摻雜源選用碳(C)，δ摻雜結(jié)束后在As保護下停頓生長一段時間。
[0006]在本實施例中優(yōu)選，有源區(qū)由三個周期InaiGaa9AS/GaAS應(yīng)變量子阱層組成，其中:量子阱勢皇GaAs采用P型δ摻雜；上、下DBR由漸變AlGaAs/GaAs組成；氧化限制層為高鋁氧化限制層，采用濕法氧化形成氧化孔。
[0007]在本實施例中優(yōu)選，有源區(qū)的光學(xué)厚度為1.5 λ，λ為激射波長，其中:1.5 λ有源區(qū)厚度采用原位反射方法校正使得激射波長與光場匹配。
[0008]在本實施例中優(yōu)選，P型δ摻雜位置在勢皇層GaAs的正中間，兩側(cè)各一半厚度非摻雜勢皇層GaAs。
[0009]在本實施例中優(yōu)選，P型δ摻雜是采用C摻雜，當(dāng)δ摻雜時停止GaAs生長，δ摻雜后關(guān)閉C源，只打開As閥保護表面晶體再構(gòu)，停頓10-30秒后再打開Ga擋板繼續(xù)生長另一半GaAs勢皇層。
[0010]在本實施例中優(yōu)選，氧化孔采用濕法氧化方法，使孔徑直徑控制在10-20微米。
[0011]在本實施例中優(yōu)選，GaAs脫氧預(yù)處理步驟是GaAs襯底在190攝氏度的溫度條件下在進樣室烘烤2小時，在420攝氏度條件下加熱至制備室內(nèi)大氣壓力降至2.5X10 7Torr,傳入生長室并在有As保護的環(huán)境下對GaAs襯底脫氧處理，溫度為630-670攝氏度，時間為5-10分鐘ο
[0012]在本實施例中優(yōu)選，GaAs襯底在脫氧過程中，通過反射式高能電子衍射儀觀察襯底表面的原子再構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)2X4再構(gòu)時完成脫氧。
[0013]在本實施例中優(yōu)選，GaAs緩沖層厚度為300nm，生長速率為I μπι/h，V/III比控制在20左右。
[0014]在本實施例中優(yōu)選，上、下DBR、有源區(qū)及氧化限制層的生長溫度為600-620攝氏度之間，速率0.8-1.0 μπι/h，V/III比控制在20左右。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益的效果是:通過δ摻雜有源區(qū)降低閾值、增加差分增益以及降低非線性增益壓縮，本發(fā)明提出的有源區(qū)S摻雜能有效減少雜質(zhì)向量子阱的擴散，降低光學(xué)損耗和帶間吸收以及非輻射俄歇復(fù)合，能夠降低應(yīng)變帶來的非線性增益壓縮增加量，同時減少摻雜對有源區(qū)的影響，減小光學(xué)損耗以及線寬，增強輸出功率和本征帶寬。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖
[0017]圖2是本發(fā)明有源區(qū)摻雜示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明的技術(shù)方案，而不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的限制。
[0019]在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明而不是要求本發(fā)明必須以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的限制。
[0020]請參閱圖1并結(jié)合參閱圖2所示，本發(fā)明提供一種高速垂直腔面發(fā)射激光器的分子束外延生長方法，其包括的步驟是:先將GaAs襯底100在190攝氏度的溫度條件下在進樣室烘烤2小時后，在420攝氏度條件下加熱至制備室內(nèi)大氣壓力降到2.5X10 7Torr,然后傳入生長室在有As保護的情況下對GaAs襯底脫氧處理，溫度為660攝氏度，時間為5_10分鐘，在脫氧過程中，通過反射式高能電子衍射儀觀察襯底表面的原子再構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)2X4再構(gòu)時表明脫氧基本完成，再將溫度設(shè)為620攝氏度生長GaAs緩沖層300nm，生長速率為Ιμπι/h，V/III比控制在20左右，接著生長下布拉格反射鏡(DBR)、有源區(qū)、氧化限制層、上布拉格反射鏡，生長溫度600-620攝氏度，速率0.8-1.0 μπι/h，V/III比控制在20左右。
[0021]有源區(qū)10夾在上、下DBR30、20之間形成三明治結(jié)構(gòu)，其中:上DBR30由AlGaAs層32和GaAs層31交替組成漸變組，下DBR20由AlGaAs層22和GaAs層21交替組成漸變組。對應(yīng)光學(xué)波長為激光器激射波長λ的1/4，用于提供高的反射率，同時形成電流注入通道，下DBR20是N型摻雜，上DBR30是P型摻雜，P型的上DBR30在靠近有源區(qū)10位置包含一層高鋁組分Ala98GaaffiAs氧化限制層34，用于濕法氧化形成限制孔，限制電光的注入范圍，其直徑為10-20微米。有源區(qū)10由三個周期的InaiGaa9As勢阱12和GaAs勢皇11交替組成，有源區(qū)10的總厚度為1.5 λ，λ為激射波長，有源區(qū)10的總厚度由原位反射譜監(jiān)控，精確控制有源區(qū)10厚度能夠使激射波長與光場匹配更好，增大輸出功率，提高VCSEL的出光效率。每個勢皇層GaAs生長至一半厚度時，關(guān)閉Ga擋板且維持As保護，δ摻雜C，C源爐溫度對應(yīng)體摻雜濃度為2Χ 118Cm 3，摻雜時間為10-30秒，摻雜結(jié)束后，關(guān)閉C源爐閥門，暫停10-30秒后，待C濃度衰減至10%以下，開啟Ga擋板，生長另一半GaAs勢皇層。高溫生長時，P型雜質(zhì)的擴散系數(shù)較大，很容易進入量子阱勢阱中，形成非輻射復(fù)合中心，降低VCSEL的發(fā)光效率，增加功耗，同時降低了載流子的響應(yīng)速度，影響激光器的帶寬，而C的擴散系數(shù)比其他P型摻雜源的擴散系數(shù)要小很多，同時C的摻雜位置在勢皇層GaAs的正中間，采用S摻雜的方法能有效的抑制雜質(zhì)進入勢阱中，對于提高有源區(qū)出光效率和本征帶寬有很大幫助。
[0022]分子束外延生長結(jié)束后，通過標(biāo)準工藝刻蝕下臺面，濕法氧化形成氧化孔，直徑為
10-20微米，制作臺面?zhèn)缺诒Ｗo層和N型電極歐姆接觸23，再通過標(biāo)準工藝刻蝕上臺面制作P型電極歐姆接觸33。
【主權(quán)項】
1.一種高速垂直腔面發(fā)射激光器的分子束外延生長方法，所包括的步驟是:先將GaAs襯底脫氧預(yù)處理后，依次外延生長GaAs緩沖層、下DBR、有源區(qū)、氧化限制層及上DBR，其生長過程中，有源區(qū)夾在上、下DBR之間，其特征在于:有源區(qū)勢皇中間位置采用δ摻雜方法，其中摻雜源選用碳(C)，δ摻雜結(jié)束后在As保護下停頓生長一段時間。2.如權(quán)利要求1所述的分子束外延生長方法，其特征在于:有源區(qū)由三個周期InaiGaa9As/GaAs應(yīng)變量子阱層組成，其中:量子阱勢皇GaAs采用P型δ摻雜；上、下DBR由漸變AlGaAs/GaAs組成；氧化限制層為高鋁氧化限制層，采用濕法氧化形成氧化孔。3.如權(quán)利要求2所述的分子束外延生長方法，其特征在于:有源區(qū)的光學(xué)厚度為1.5λ，λ為激射波長，其中:1.5λ有源區(qū)厚度采用原位反射方法校正使得激射波長與光場匹配。4.如權(quán)利要求3所述的分子束外延生長方法，其特征在于:Ρ型δ摻雜位置在勢皇層GaAs的正中間，兩側(cè)各一半厚度非摻雜勢皇層GaAs。5.如權(quán)利要求4所述的分子束外延生長方法，其特征在于:P型δ摻雜是采用C摻雜，當(dāng)δ摻雜時停止GaAs生長，δ摻雜后關(guān)閉C源，只打開As閥保護表面晶體再構(gòu)，停頓10-30秒后再打開Ga擋板繼續(xù)生長另一半GaAs勢皇層。6.如權(quán)利要求5所述的分子束外延生長方法，其特征在于:氧化孔采用濕法氧化方法，使孔徑直徑控制在10-20微米。7.如權(quán)利要求6所述的分子束外延生長方法，其特征在于:GaAs脫氧預(yù)處理步驟是GaAs襯底在190攝氏度的溫度條件下在進樣室烘烤2小時，在420攝氏度條件下加熱至制備室內(nèi)大氣壓力降至2.5X 10 7Torr，傳入生長室并在有As保護的環(huán)境下對GaAs襯底脫氧處理，溫度為630-670攝氏度，時間為5-10分鐘。8.如權(quán)利要求7所述的分子束外延生長方法，其特征在于:GaAs襯底在脫氧過程中，通過反射式高能電子衍射儀觀察襯底表面的原子再構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)2X4再構(gòu)時完成脫氧。9.如權(quán)利要求8所述的分子束外延生長方法，其特征在于:GaAs緩沖層厚度為300nm，生長速率為1 ym/h，V/III比控制在20左右。10.如權(quán)利要求9所述的分子束外延生長方法，其特征在于:上、下DBR、有源區(qū)及氧化限制層的生長溫度為600-620攝氏度之間，速率0.8-1.0 μπι/h，V/III比控制在20左右。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高速垂直腔面發(fā)射激光器的分子束外延(MBE)生長方法，該方法包括先將GaAs襯底脫氧預(yù)處理后，依次外延生長GaAs緩沖層、下DBR、有源區(qū)、氧化限制層及上DBR，其生長過程中，有源區(qū)夾在上、下DBR之間，有源區(qū)勢壘中間位置采用δ摻雜方法，其中摻雜源選用碳(C)，δ摻雜結(jié)束后在As保護下停頓生長一段時間，藉由方法，解決了降低閾值、增加差分增益以及降低非線性增益壓縮的技術(shù)問題，達成了減小光學(xué)損耗以及線寬，增強輸出功率和本征帶寬的良好效果。
【IPC分類】H01S5/343, H01S5/183
【公開號】CN105337166
【申請?zhí)枴緾N201510856825
【發(fā)明人】李密鋒, 湯寶
【申請人】武漢電信器件有限公司
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月30日