本發(fā)明涉及一種近紅外vcsel激光器,特別涉及一種近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

垂直腔表面發(fā)射激光器(vcsel)通過布拉格反射器（dbr）形成諧振腔，光從垂直于半導(dǎo)體襯底表面方向出射。相比邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，vcsel不存在光學(xué)腔面損傷，具有低的閾值電流、動(dòng)態(tài)單模工作、遠(yuǎn)場發(fā)散角小、近圓形光斑和光方向垂直于襯底表面的特性，與光纖耦合效率高，易于集成二維陣列，所以vcsel在光互聯(lián)、光通訊、光信號(hào)處理以及wdm光纖通訊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)芯片中有著廣泛的應(yīng)用?；趘csel,3d人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、虹膜識(shí)別、無人駕駛激光雷達(dá)等等許多我們熟悉的應(yīng)用都能得到實(shí)現(xiàn)。對(duì)應(yīng)于上述應(yīng)用的vcsel要求具有這樣的特征，如高的有源層增益、高輻射功率、高可靠性和受控偏振等。例如，ieeephotonicstechnologyletters，1999，vol.11，no.12，pp.1539-1541(“非專利文獻(xiàn)”)公開一種采用algaas材料的vcsel，其輻射功率達(dá)到3mw以上。

一般地，vcsel由以下幾部分組成：襯底、n-dbr、有源區(qū)、氧化限制層、p-dbr、歐姆接觸層。n-dbr與p-dbr鏡面組成了vcsel激光器的光學(xué)諧振腔，有源區(qū)為載流子增益介質(zhì)，通過電泵浦實(shí)現(xiàn)vcsel激光器的連續(xù)激射。為了提高激射功率，需要提高dbr的反射率，減小光子的損失；另外，需要減小電流損失，通常的作法是在發(fā)光區(qū)外采用氫離子注入（inplant工藝），使對(duì)激光激射不產(chǎn)生作用的區(qū)域無載流子復(fù)合。

現(xiàn)有近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，包括包括gaas襯底01，在gaas襯底01上依次沉積有g(shù)aas緩沖層02、n型摻雜的dbr03、有源層04、氧化限制層05、p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07。如圖2所示，其中有源層04由限制層10、波導(dǎo)層11和量子阱12，對(duì)稱波導(dǎo)層13，對(duì)稱限制層14組成。其中，量子阱由6組量子壘/阱組成（圖示中，向右上方傾斜的是壘層，向左上方傾斜的是阱層），其中in0.12ga0.88as阱層厚度為4nm,al0.10ga0.90as壘層厚度為6nm。

采用這種工藝的缺陷是vcsel光功率比較小，難以滿足大部分近紅外傳感器的應(yīng)用需求。導(dǎo)致上述缺陷的原因是上述方法是有源區(qū)載流子增益不夠大，可能是有源區(qū)材料生長質(zhì)量造成，也可能是有源區(qū)mqw結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種能減小載流子的泄漏，增加有源區(qū)載流子的增益的近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)，包括gaas襯底，在gaas襯底上依次沉積有g(shù)aas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，所述有源層由下向上依次包括限制層，波導(dǎo)層、量子阱、對(duì)稱波導(dǎo)層和對(duì)稱限制層，所述量子阱由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設(shè)有厚壘層，所述厚壘層的厚度為大于50nm。

優(yōu)選的，所述厚壘層的厚度為50-100nm。

優(yōu)選的，所述量子阱內(nèi)插有1-5層厚壘層。

優(yōu)選的，所述量子阱中量子阱層的阱厚度為3nm，壘厚度為6nm。

優(yōu)選的，所述量子阱包括第一量子阱層、第一厚壘層、第二量子阱層、第二厚壘層及第三量子阱層，所述第一量子阱層包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘，所述第一厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第二量子阱層包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，所述第二厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第三量子阱層包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘。

優(yōu)選的，所述量子阱包括第一量子阱層、第一厚壘層、第二量子阱層、第二厚壘層及第三量子阱層，所述第一量子阱層包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，所述第一厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第二量子阱層包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，所述第二厚壘層包括100nm的al0.10ga0.90as壘，所述第三量子阱層包括包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱。

優(yōu)選的，gaas襯底需要具有7-15度的偏向角。

本發(fā)明還公開了一種近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括如下步驟：把生長襯底放入到aixtron公司的mocvd系統(tǒng)中生長，反應(yīng)室壓力為50mbar，生長溫度為720℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）為反應(yīng)源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層（02），si摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（03），in0.12ga0.88as/al0.1ga0.9as形成的mqw有源層（04），zn摻雜的al0.98ga0.02as氧化限制層（05）、zn摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（06），zn摻雜的gaas歐姆接觸層（07），其中有源層（04）由下向上依次包括限制層（10），波導(dǎo)層（11）、量子阱（12）、對(duì)稱波導(dǎo)層（13）和對(duì)稱限制層（14），所述量子阱（12）由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設(shè)有厚壘層，所述厚壘層的厚度為大于50nm。

優(yōu)選的，所述gaas襯底需要具有7-15度的偏向角。

優(yōu)選的，所述生長襯底采用電導(dǎo)率為2-8x¹⁰18cm^-2的n型gaas。

如上所述，本發(fā)明的近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)具有以下有益效果：該近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)通過在有源區(qū)量子阱中插入多層厚壘層來減小載流子的泄漏損失，提高有源區(qū)載流子的復(fù)合幾率，提高有源區(qū)的微分增益，從而提高vcsel激光器的輻射功率，同時(shí)增加了有源區(qū)光子的限制因子，提高了vcsel激光器的響應(yīng)速率。

附圖說明

圖1為典型的vcsel外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為傳統(tǒng)技術(shù)vcsel有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明第一實(shí)施例中vcsel有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明第二實(shí)施例中vcsel有源區(qū)的外延結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。

請(qǐng)參閱圖1至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)，包括gaas襯底01，在gaas襯底01上依次沉積有g(shù)aas緩沖層02、n型摻雜的dbr03、有源層04、氧化限制層05、p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07。其中有源層04由限制層10、波導(dǎo)層11和量子阱12，對(duì)稱波導(dǎo)層13，對(duì)稱限制層14組成。量子阱12由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設(shè)有厚壘層，厚壘層的厚度為大于50nm。作為一種優(yōu)選方式，厚壘層的厚度為50-100nm，量子阱12內(nèi)插有1-5層厚壘層，優(yōu)選1-3層。每層量子阱層的阱厚度為3nm，壘厚度為6nm。

該近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下步驟：把生長襯底放入到aixtron公司的mocvd系統(tǒng)中生長，反應(yīng)室壓力為50mbar，生長溫度為720℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）為反應(yīng)源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr，in0.12ga0.88as/al0.1ga0.9as形成的mqw有源層，zn摻雜的al0.98ga0.02as氧化限制層、zn摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr，zn摻雜的gaas歐姆接觸層，其中有源層由下向上依次包括限制層，波導(dǎo)層、量子阱、對(duì)稱波導(dǎo)層和對(duì)稱限制層，所述量子阱由多組量子阱層組成，相鄰兩組量子阱層之間設(shè)有厚壘層。

下面結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本專利的結(jié)構(gòu)和制備方法做進(jìn)一步的說明。

如圖3所示，作為本專利的一個(gè)具體實(shí)施例，以電導(dǎo)率為2-8x¹⁰18cm^-2的n型gaas作為生長襯底，為了提高材料的生長質(zhì)量，gaas襯底需要具有7-15度的偏向角。把15度襯底放入到aixtron公司的mocvd系統(tǒng)中生長，反應(yīng)室壓力為50mbar，生長溫度為720℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等為反應(yīng)源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（對(duì)數(shù)為42組）；in0.12ga0.88as/al0.1ga0.9as形成的mqw有源層,zn摻雜的al0.98ga0.02as氧化限制層、zn摻雜的al0.12ga0.82as/al0.82ga0.12asdbr（對(duì)數(shù)為28組），zn摻雜的gaas歐姆接觸層。有源區(qū)由以下外延層組成：

第10層：60nmal0.90ga0.10as限制層；

第11層：50nmal0.60ga0.40as到al0.10ga0.90as組分漸變的波導(dǎo)層；

第12層：多組組由in0.12ga0.88as阱和al0.10ga0.90as壘組成的量子阱；

本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，量子阱12包括依次生長的第一量子阱層121、第一厚壘層122、第二量子阱層123、第二厚壘層124及第三量子阱層125，第一量子阱層121包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘，第一厚壘層122包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第二量子阱層123包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，第二厚壘層124包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第三量子阱層125包括兩組3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘。

第13層：50nmal0.10ga0.90as到al0.60ga0.40as組分漸變的波導(dǎo)層；

第14層：60nmal0.90ga0.10as限制層.

外延層生長完成后，可利用公知的光刻與刻蝕工藝，形成vcsel臺(tái)面結(jié)構(gòu)，采用氧化工藝使氧化限制層氧化，形成10-14nm的氧化孔徑，然后在表面cap層上蒸鍍正面電極，并將gaas襯底減薄，在減薄的gaas襯底背面蒸鍍背面電極，即完成vcsel激光器的制作。

實(shí)施例二、

如圖4所示，該實(shí)施例中結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一的區(qū)別在于有源區(qū)12的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本實(shí)施例有源區(qū)由以下外延層組成：

第10層：45nmal0.90ga0.10as限制層；

第11層：30nmal0.60ga0.40as到al0.10ga0.90as組分漸變的波導(dǎo)層；

第12層：多組組由in0.12ga0.88as阱和al0.10ga0.90as壘組成的量子阱；

本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，量子阱12包括第一量子阱層1210、第一厚壘層1220、第二量子阱層1230、第二厚壘層1240及第三量子阱層1250，所述第一量子阱層1210包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，第一厚壘層1220包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第二量子阱層1230包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱，第二厚壘層1240包括100nm的al0.10ga0.90as壘，第三量子阱層1250包括包括3nmin0.12ga0.88as阱、6nm的al0.10ga0.90as壘、3nmin0.12ga0.88as阱。

第13層：50nmal0.10ga0.90as到al0.60ga0.40as組分漸變的波導(dǎo)層；

第14層：60nmal0.90ga0.10as限制層。

該近紅外vcsel激光器的外延結(jié)構(gòu)通過在有源區(qū)量子阱中插入多層厚壘層來減小載流子的泄漏損失，提高有源區(qū)載流子的復(fù)合幾率，提高有源區(qū)的微分增益，從而提高vcsel激光器的輻射功率，同時(shí)增加了有源區(qū)光子的限制因子，提高了vcsel激光器的響應(yīng)速率。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。