專利名稱：高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)以其光單色性好、發(fā)散角小、單縱模激射、低閾值電流、高調(diào)制帶寬、易于高密度集成、二維陣列、低成本等優(yōu)勢(shì)，在光通信、光互聯(lián)、光存貯、光顯示、光信息處理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是未來數(shù)字式光通信中光發(fā)射的關(guān)鍵器件。
傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器，如圖1所示，通常由襯底7上生長上分布布拉格反射鏡1、有源區(qū)部分8和下分布布拉格反射鏡6構(gòu)成，其中有源區(qū)部分8由p型限制層2、增益區(qū)3和n型限制層4組成。有源區(qū)部分提供增益，上、下分布布拉格反射鏡1和7形成共振腔，提供反饋。
然而，傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器普遍存在的問題是在光的傳播方向有源區(qū)薄(約10nm)，完全無法與邊發(fā)射激光器相比(有源區(qū)通常在500～1000μm)，這使得通常的垂直腔面發(fā)射激光器單程光增益極低，因此造成閾值電流密度高，且很難在小電流注入下，獲得大的輸出功率，同時(shí)需要高反射率的上、下分布布拉格反射鏡(通常反射率需要在99.95％以上)，才能夠?qū)崿F(xiàn)激射。目前人們提出的降低閾值電流密度，提高光輸出功率的主要方法有減小有源區(qū)體積，減小各種光、電損耗等，如目前最有效的進(jìn)行電學(xué)和光學(xué)限制的方法是AlGaAs濕氮氧化技術(shù)，同時(shí)利用復(fù)雜的生長技術(shù)和氧化技術(shù)改變AlGaAs氧化物的尖端形狀。這不僅增加了材料生長和器件制備的工藝難度，成本高，成品率低，而且隨著有源區(qū)體積減小，效率下降，空間燒孔和熱飽和現(xiàn)象嚴(yán)重，也不可能通過無限減小有源區(qū)體積來減小閾值電流密度，提高光輸出功率。這是目前傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器在理論和實(shí)驗(yàn)上存在的極限。
傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器的另一個(gè)問題是激射波長為單一波長，無法在同一只器件中獲得多個(gè)波長，因此，在某些應(yīng)用中，人們不得不使用多個(gè)不同波長的垂直腔面發(fā)射激光器來獲得多個(gè)波長，這樣，不僅增加了成本，而且不能夠很好的集成，降低密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提出一種高效、大功率、多波長、隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器層結(jié)構(gòu)，使得注入的一對(duì)載流子由于多個(gè)有源區(qū)的引入，在多個(gè)有源區(qū)中穿行，獲得多次光增益，在本發(fā)明提出的垂直腔面發(fā)射激光器中，光單程增益和光輸出功率隨有源區(qū)數(shù)目增加而成倍增加，從內(nèi)部物理機(jī)理上解決目前傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器存在的單程光增益低，效率低，光功率輸出低，上、下分布布拉格反射鏡制備要求高等問題，而且多有源區(qū)縱向光耦合結(jié)構(gòu)使光束質(zhì)量大為提高。通過改變本發(fā)明提出器件的有源區(qū)部分各層厚度或者材料組分等結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)獲得多個(gè)激射波長。該高效、大功率、多波長、隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器具有極高的量子效率、極高的單程光增益、低閾值電流密度、高光功率輸出、多激射波長和性能優(yōu)異的光束質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，如圖2所示，包括有依次縱向?qū)盈B的上分布布拉格反射鏡1，下分布布拉格反射鏡6，襯底7，其特征在于，還包括在上分布布拉格反射鏡1和下分布布拉格反射鏡6之間的N個(gè)依次順序重復(fù)排列的有源區(qū)部分8和(N-1)個(gè)反向隧道結(jié)5的重復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成大有源區(qū)部分10，其中N是傳統(tǒng)的有源區(qū)部分8的在本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器的數(shù)目，其中有源區(qū)部分8按公知技術(shù)由上而下依次排列的p型限制層2、增益區(qū)3、n型限制層4構(gòu)成。
本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器相同，按公知常識(shí)，通過調(diào)整有源區(qū)部分8各層的厚度和組分，使得大有源區(qū)部分10的光學(xué)厚度滿足λ/2的整數(shù)倍。
本發(fā)明提出的垂直腔面發(fā)射激光器的工作原理是注入到有源區(qū)部分的載流子復(fù)合發(fā)光產(chǎn)生光子，同時(shí)載流子隧穿過隧道結(jié)到下一個(gè)有源區(qū)的導(dǎo)帶獲得再生，繼續(xù)進(jìn)行復(fù)合發(fā)光，在設(shè)計(jì)上使各個(gè)有源區(qū)處于光場(chǎng)最大位置，從而當(dāng)光子縱向穿行時(shí)，在各個(gè)有源區(qū)依次得到光放大-反復(fù)受激，光增益倍增，使得本發(fā)明提出的高效、大功率、多波長、隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器的單程光增益和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器的增益和效率，因而效率倍增，光束質(zhì)量提高，在相同的注入電流下，光輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器。
本發(fā)明提出的垂直腔面發(fā)射激光器，除了在工作原理上與傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器明顯的不同，還有一個(gè)明顯的特征，就是本發(fā)明提出的垂直腔面發(fā)射激光器的量子效率隨著有源區(qū)數(shù)目的增加而增加，可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射激光器的量子效率最大為1。
本發(fā)明采用了由上而下依次排列的p型限制層2，單量子阱、多量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的增益區(qū)3，n型限制層4構(gòu)成有源區(qū)部分8。
本發(fā)明采用了反向隧道結(jié)5，為有利于減小光損耗，其材料的禁帶寬度大于發(fā)光波長對(duì)應(yīng)的禁帶寬度；為增加隧穿幾率，反向隧道結(jié)材料的厚度比耗盡寬度寬。
本發(fā)明中各個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)部分8和反向隧道結(jié)5構(gòu)成大有源區(qū)部分10，有源區(qū)部分8產(chǎn)生的光子在大有源區(qū)10中獲得多次光增益。
本發(fā)明中各個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)部分8和反向隧道結(jié)5結(jié)構(gòu)可以相同，也可以不同。按照現(xiàn)有技術(shù)改變有源區(qū)部分8包括的2，3，4各層厚度或者組分，使得各個(gè)有源區(qū)部分8結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，可以同時(shí)獲得多個(gè)激射波長。反向隧道結(jié)5厚度或者組分可以不同。
本發(fā)明中的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)可以為同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，也可以為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出的層結(jié)構(gòu)適合所有能夠制備垂直腔面發(fā)射激光器的材料，適合所有垂直腔面發(fā)射激光器的器件制備結(jié)構(gòu)。在圖2所示的基本層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，相應(yīng)的改變層結(jié)構(gòu)，獲得適合不同器件制備結(jié)構(gòu)的層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提出的層結(jié)構(gòu)是一個(gè)基本層結(jié)構(gòu)，在這個(gè)基本結(jié)構(gòu)上，可以有多種變化，即可以改變有源區(qū)部分8各層的厚度和組分，增加或者減少層數(shù)，但是基本工作原理相同，即載流子通過隧道結(jié)隧穿獲得再生，在下一個(gè)有源區(qū)繼續(xù)復(fù)合發(fā)光，和光子的上、下分布布拉格反射鏡中諧振獲得多次光增益。


圖1傳統(tǒng)的垂直腔面發(fā)射激光器器件層結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、上分布布拉格反射鏡，2、p型限制層，3、單量子阱、多量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的增益區(qū)，4、n型限制層，6、下分布布拉格反射鏡，7、襯底，8、有源區(qū)部分；圖2本發(fā)明中提出的高效、大功率、多波長、隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中1、上分布布拉格反射鏡，2、p型限制層，3、單量子阱、多量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的增益區(qū)，4、n型限制層，5、反向隧道結(jié)，6、下分布布拉格反射鏡，7、襯底，8、有源區(qū)部分，9、省略的有源區(qū)部分8和反向隧道結(jié)5層疊結(jié)構(gòu)，10、大有源區(qū)部分；圖3本發(fā)明實(shí)施方式的內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器層結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明實(shí)施方式的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器層結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式一、如圖3所示，本發(fā)明提出的內(nèi)腔接觸式AlGaAs濕氮氧化限制多波長垂直腔面發(fā)射激光器的實(shí)現(xiàn)方法如下1.采用普通金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在n+-GaAs襯底7上依次外延生長30對(duì)GaAs/AlAs下分布布拉格反射鏡6，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層4，In0.2Ga0.8As10nm/GaAs 10nm單量子阱增益區(qū)3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層2，n+-GaAs/p+-GaAs反向隧道結(jié)5，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層4，In0.15Ga0.85As 8nm/GaAs 10nm單量子阱增益區(qū)3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層2，n+-GaAs/p+-GaAs反向隧道結(jié)5，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層4，In0.2Ga0.8As 8nm/GaAs 10nm單量子阱增益區(qū)3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層2，Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層13，GaAs歐姆接觸層12，20對(duì)GaAs/AlAs上分布布拉格反射鏡1；2.采用卡爾休斯(Karl Suss)光刻機(jī)，光刻出掩膜圖形。采用H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1或者H3PO4∶H2O2∶CH3OH＝3∶1∶1腐蝕液，腐蝕上分布布拉格反射鏡1到與GaAs歐姆接觸層12的界面；3.按常規(guī)工藝光刻，采用H2SO4∶H2O2∶H2O＝3∶1∶1或者H3PO4∶H2O2∶CH3OH＝3∶1∶1腐蝕液，腐蝕歐姆接觸層12和Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層13到與AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層2的界面，暴露出Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層13側(cè)壁；4.進(jìn)行常規(guī)的AlGaAs濕氮氧化工藝步驟。為得到良好的器件性能，濕氮氧化限制垂直腔面發(fā)射激光器的氧化孔徑的尺寸，本領(lǐng)域一般采用2～50μm；5.按常規(guī)工藝，通過蒸發(fā)或?yàn)R射Ti/Pt/Au，制備出p型歐姆接觸電極11，再通過機(jī)械化學(xué)腐蝕的方法將樣品減薄至100μm，再在襯底7上蒸發(fā)或?yàn)R射上Au/Ge/Ni/Au n型歐姆接觸電極14。
6.將上述樣品放入500℃的高溫爐中，通入N2，5分鐘，將淀積的p型和n型歐姆接觸電極進(jìn)行常規(guī)工藝合金；7.按常規(guī)工藝，解理，得到本發(fā)明的高增益內(nèi)腔接觸式AlGaAs濕氮氧化限制多波長垂直腔面發(fā)射激光器。
二、如圖4所示，本發(fā)明提出的空氣柱型AlGaAs濕氮氧化限制單波長垂直腔面發(fā)射激光器的實(shí)現(xiàn)方法如下1.采用普通金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在n+-GaAs襯底7上依次外延生長28對(duì)GaAs/AlAs下分布布拉格反射鏡6，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層4，3對(duì)GaAs/InGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)增益區(qū)3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層2，n+-AlGaAs/p+-GaAs反向隧道結(jié)5，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層4，3對(duì)GaAs/InGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)增益區(qū)3，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層2，Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層13，GaAs歐姆接觸層12，20對(duì)GaAs/AlAs上分布布拉格反射鏡1；2.采用卡爾休斯(Karl Suss)光刻機(jī)，光刻出掩膜圖形。采用H2SO4、H2O2、H2O或者H3PO4、H2O2、CH3OH腐蝕液，腐蝕上分布布拉格反射鏡1直到下分布布拉格反射鏡6；3.進(jìn)行常規(guī)AlGaAs濕氮氧化工藝步驟，在有源區(qū)部分上方獲得氧化孔徑。為得到良好的器件性能，濕氮氧化限制垂直腔面發(fā)射激光器的氧化孔徑的尺寸，本領(lǐng)域一般采用2～50μm；4.按常規(guī)工藝通過蒸發(fā)或?yàn)R射Ti/Pt/Au，制備出p型歐姆接觸電極11，再通過機(jī)械化學(xué)腐蝕的方法將樣品減薄至100μm，再在襯底7上蒸發(fā)或?yàn)R射上Au/Ge/Ni/Au n型歐姆接觸電極14；5.將上述樣品放入500℃的高溫爐中，通入N2，5分鐘，將淀積的p型和n型歐姆接觸電極進(jìn)行常規(guī)的合金；6.按常規(guī)工藝，解理，得到本發(fā)明的高增益空氣柱型AlGaAs濕氮氧化限制單波長垂直腔面發(fā)射激光器。
權(quán)利要求
1.高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，如圖2所示，包括有依次縱向?qū)盈B的上分布布拉格反射鏡(1)，下分布布拉格反射鏡(6)，襯底(7)，其特征在于，還包括在上分布布拉格反射鏡(1)和下分布布拉格反射鏡(6)之間的N個(gè)依次順序重復(fù)排列的有源區(qū)部分(8)和N-1個(gè)反向隧道結(jié)(5)的重復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成大有源區(qū)部分(10)，其中N是傳統(tǒng)的有源區(qū)部分(8)的在本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器的數(shù)目，其中有源區(qū)部分(8)按公知技術(shù)由上而下依次排列的p型限制層(2)、增益區(qū)(3)、n型限制層(4)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，其中所述的大有源區(qū)部分(10)的光學(xué)厚度滿足λ/2的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，其中所述的反向隧道結(jié)(5)，其材料的禁帶寬度大于發(fā)光波長對(duì)應(yīng)的禁帶寬度；反向隧道結(jié)材料的厚度比耗盡寬度寬。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，其中所述的各個(gè)重復(fù)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)部分(8)的p型限制層(2)、增益區(qū)(3)、n型限制層(4)各層厚度或者組分可以相同，也可以不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，其中所述的反向隧道結(jié)(5)各層厚度或者組分可以相同，也可以不同。
全文摘要
高效大功率多波長隧道級(jí)聯(lián)多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射激光器，屬半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，如圖所示，包括有上分布布拉格反射鏡(1)，下分布布拉格反射鏡(6)，襯底(7)，特征在于還包括在上、下分布布拉格反射鏡(1)和(6)之間的N個(gè)重復(fù)排列的有源區(qū)部分(8)和N－1個(gè)反向隧道結(jié)(5)的重復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成大有源區(qū)部分(10)，其中N是傳統(tǒng)的有源區(qū)部分(8)的在本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器的數(shù)目，其中有源區(qū)部分(8)p型限制層(2)、增益區(qū)(3)、n型限制層(4)構(gòu)成。解決了統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器材料生長和器件制備的工藝難度，成本高，成品率低，且隨有源區(qū)體積減小，效率下降，，以及激射波長為單一波長，無法在同一只器件中獲得多個(gè)波長。
文檔編號(hào)H01S5/183GK1588717SQ20041006925
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者沈光地, 郭霞, 鄧軍, 鄒德恕, 董立閩, 韓軍 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)