垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，尤其涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在日新月異的光存儲網(wǎng)絡(luò)和光纖通信系統(tǒng)領(lǐng)域，處于光纖零色散和低損耗窗口的1310nm和1550nm波段半導(dǎo)體激光器是不可替代的光源。在需求的牽引下，長波長半導(dǎo)體激光器正向高功率密度、高光束質(zhì)量、高轉(zhuǎn)換效率、大工作溫度范圍、長壽命、低成本方向發(fā)展。與邊發(fā)射激光器相比，垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser, VCSEL)具有低閾值電流、圓形激光光束、高調(diào)制帶寬、低發(fā)散角等優(yōu)點，已成為短距離數(shù)據(jù)通信及光學(xué)鼠標(biāo)等消費型電子產(chǎn)品的首選，在長距離與高速數(shù)據(jù)通信應(yīng)用上，也有取代邊發(fā)射激光器的趨勢。
[0003]目前，長波長垂直腔面發(fā)射激光器廣泛采用的是InGaAsP/InP材料體系作為有源區(qū)。該材料體系的導(dǎo)帶帶階比較小(AEc/Λ Eg?0.4)，不足以對載流子進(jìn)行有效限制，導(dǎo)致此類激光器溫度特性較差。一種改進(jìn)方法是采用導(dǎo)帶帶階比較大(AEc/AEg?0.72)的InGaAlAs/InP材料體系，目前已取得相當(dāng)進(jìn)展。另一種潛在的替代材料是InGaAsN/GaAs體系，其較大的導(dǎo)帶帶階比(AEc/AEg?0.79)也可獲得較佳的高溫器件工作特性，已報道在1310nm波段取得150K的特征溫度。然而，InGaAsN/GaAs激光器在1310nm以上波段的性能退化嚴(yán)重，其原因在于:對應(yīng)更長的波段，需要更大的N摩爾組分，而由于N原子的摻入易引入缺陷，難以獲得高質(zhì)量、高N組分的InGaAsN,因此限制了其在1550nm及更長波段的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述提到的現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種垂直腔面發(fā)射激光器，所述垂直腔面發(fā)射激光器可以有效地降低閾值電流，并提高輸出功率。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:
[0006]一種垂直腔面發(fā)射激光器，包括有源區(qū)，所述有源區(qū)為量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)包括至少一個勢阱層和多個勢壘層，勢阱層設(shè)置于勢壘層之間，其中，所述勢壘層的材料為InGaAlAs,所述勢阱層的材料為InGaAsN。
[0007]優(yōu)選地，所述量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為K，K的范圍是I?20。
[0008]優(yōu)選地，所述勢魚層的材料In1IyGaxAlyAs中，x+y=47%, x的范圍為12%?22%, y的范圍為25%?35% ;所述勢阱層的材料IrvxGaxAsyNh中，x的范圍為46%?60%，y的范圍為 97% ?99.9%ο
[0009]優(yōu)選地，所述多量子阱結(jié)構(gòu)的周期數(shù)為7。
[0010]優(yōu)選地，所述垂直腔面發(fā)射激光器包括依次疊層設(shè)置的襯底、第一布拉格反射鏡、第一限制層、有源區(qū)、第二限制層、第二布拉格反射鏡及歐姆接觸層。
[0011]優(yōu)選地，在所述第二限制層與所述第二布拉格反射鏡之間，按照遠(yuǎn)離第二限制層的方向依次設(shè)置有重?fù)诫s隧道結(jié)和第三限制層。
[0012]優(yōu)選地，所述重?fù)诫s隧道結(jié)位于所述激光器的光學(xué)諧振腔中的駐波節(jié)點位置。
[0013]優(yōu)選地，所述第二限制層包括下層和上層，按照遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的方向疊層設(shè)置，并且，下層與上層之間還設(shè)置有一氧化限制層。
[0014]優(yōu)選地，所述氧化限制層中設(shè)置有一窗口，所述窗口的孔徑為5?20微米。
[0015]優(yōu)選地，所述氧化限制層的數(shù)量為1，并且位于所述激光器的光學(xué)諧振腔中的駐波波腹位置。
[0016]優(yōu)選地，所述襯底的材料為N型摻雜的InP，所述第一布拉格反射鏡的材料包含N型摻雜的AlGaAsSb,所述第一限制層的材料為N型摻雜的InP，所述第二限制層的下層的材料為P型摻雜的InP，所述氧化限制層的材料為非摻雜的AlAsSb或InAlAs，所述第二限制層的上層的材料為N型摻雜的InP，所述重?fù)诫s隧道結(jié)包括按照遠(yuǎn)離所述第二限制層的方向疊層設(shè)置的P型摻雜的InAlAs層和N型摻雜的InP層，或者是P型摻雜的InGaAlAs層和N型摻雜的InGaAlAs層，所述第三限制層的材料為N型摻雜的InP，所述第二布拉格反射鏡的材料包含N型摻雜的AlGaAsSb,所述歐姆接觸層的材料為N型摻雜的InP。
[0017]優(yōu)選地，所述第一布拉格反射鏡包括交替疊層設(shè)置的具有不同折射率的A材料層和B材料層，所述A材料層和B材料層具有相同的光學(xué)厚度，所述光學(xué)厚度接近于激光器的工作波長的1/4 ;所述第一布拉格反射鏡對工作波長的反射率為99.7%?99.99% ;所述A材料層為AlGaAsSb材料層，所述B材料層為AlGaAsSb材料層或InP材料層；所述第二布拉格反射鏡包括交替疊層設(shè)置的具有不同折射率的C材料層和D材料層，所述C材料層和D材料層具有相同的光學(xué)厚度，所述光學(xué)厚度接近激光器的工作波長的1/4 ;所述第二布拉格反射鏡對工作波長的反射率為99%?99.7% ;所述C材料層為AlGaAsSb材料層，所述D材料層為AlGaAsSb材料層或InP材料層。
[0018]本發(fā)明的另一方面是提供了如上所述的垂直腔面發(fā)射激光器的制造方法，包括步驟:
[0019](一 )、采用MOCVD方法或MBE方法依次生長下列各結(jié)構(gòu)層:
[0020]a)在InP襯底上生長第一布拉格反射鏡；
[0021]b) InP 第一限制層；
[0022]c)有源區(qū):
[0023]cl) InGaAlAs 勢魚層；
[0024]c2) InGaAsN 勢講層；
[0025]d)重復(fù)步驟Cl)和步驟c2)，直至生長完成具有K個周期的量子阱結(jié)構(gòu)的有源區(qū)，其中K的范圍是I?20 ；
[0026]e)第二限制層:
[0027]el) InP第二限制層的下層；
[0028]e2)非摻雜的AlAsSb或InAlAs氧化限制層；
[0029]e3) InP第二限制層的上層；
[0030]f)重?fù)诫s隧道結(jié)，所述重?fù)诫s隧道結(jié)包括P型重?fù)诫s的InAlAs層和N型重?fù)诫s的InP層，或者是P型重?fù)诫s的InGaAlAs層和N型重?fù)诫s的InGaAlAs層；
[0031]g) InP第三限制層；
[0032]h)第二布拉格反射鏡；
[0033]i) InP歐姆接觸層；
[0034](二)、完成上述結(jié)構(gòu)后，首先通過光刻工藝形成掩膜，通過化學(xué)腐蝕第二布拉格反射鏡露出氧化限制層；然后通過氧化工藝使氧化限制層部分氧化，形成氧化限制窗口及絕緣區(qū)域，起到電流限制作用；接著在InP歐姆接觸層上蒸發(fā)Au/Zn/Au形成環(huán)形第一 N電極；最后對N型InP襯底減薄至約100 μ m后并拋光,再蒸發(fā)Au/Ge/Ni,形成第二 N型電極完成器件的制作，獲得目標(biāo)激光器。
[0035]優(yōu)選地，所述襯底的材料采用N型InP ;
[0036]所述第一布拉格反射鏡包括33個周期的交替疊層設(shè)置的具有不同折射率的A材料層和B材料層，所述A材料層和B材料層具有相同的光學(xué)厚度，所述光學(xué)厚度接近激光器的工作波長的1/4 ;所述第一布拉格反射鏡對工作波長的反射率為99.7%?99.99% ;所述A材料層為摻雜濃度約為2 X 118cnT3的AlGaAsSb材料層，所述B材料層為摻雜濃度約為2 X 11W3的AlGaAsSb材料層或摻雜濃度約為2 X 118CnT3的InP材料層；
[0037]所述第一限制層采用N型摻雜的InP層，摻雜濃度約為2X 118CnT3 ；
[0038]所述有源區(qū)為7個周期量子阱結(jié)構(gòu)，并且，勢壘層的材料In^yGaxAlyAs中，x=17%，y=30%,勢講層的材料 IrihGaxASyNhy 中，x=53%, y=99.8% ；
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