一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法，属于光通信用激光器材料和半导体光电子材料及其制造技术领域。所述材料包括在单晶InP衬底上依次制备得到的下DBR结构、激光器外延材料结构和上DBR结构，所述的下DBR结构包括多层介质图形结构及在其中生长的InP缓冲层和InP侧向外延层。本发明专利技术将纳米尺度侧向外延方法与传统Si/SiO

【技术实现步骤摘要】
一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法
本专利技术属于光通信用激光器材料和半导体光电子材料及其制造
，涉及一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的材料和器件结构完全不同于边发射激光器，与边发射激光器相比VCSEL具有众多优点，主要有：晶片可以在位直接测试、不需解理面腔镜、便于制作大规模二维阵列、圆形对称光束输出、易于实现稳定动态单模工作、低功率消耗、高光纤耦合效率、高直接调制速率、低制作和封装成本。基于这些特点，垂直腔面发射激光器更适合于应用在光纤通信系统中。目前，商品化的850nmVCSEL已经在短距离光通信和光互连等领域获得广泛应用。近年来，以数据、视频为主的以太网业务每年都在爆炸性激增，并逐步超越语音业务成为干线链路中传送的主要信息流，这使得目前长途传输网络的业务总量迅速增长。但是由于光纤在850nm波段光损耗较大，使得技术成熟的850nmVCSEL无法应用于骨干网和城域网。因而，能够适用于长途光通信系统的1550nmVCSEL器件成为满足当前大容量、高速率城域网和骨干网的迫切需求。但是对于1550nmVCSEL器件，由于InP/InGaAsP的折射率差较小，没有合适的材料制作得到高反射率的InP基分布布拉格反射腔镜(DBR)，从而导致1550nmInP基VCSEL器件的光电性能一直无法达到实用化要求。为了解决1550nmVCSEL器件的DBR问题，目前采用的方法有：(1)将高反射性能的AlGaAs/GaAsDBR与InP基有源区键合；(2)使用光学介质DBR；(3)引入锑(Sb)化物材料制作高反射性能DBR；(4)发展GaAs基长波长量子点有源区结构VCSEL；(5)采用在InP衬底上异变外延AlGaAs/GaAsDBR方法，生长InP基VCSEL材料的上DBR结构。但是，到目前为止，上述方法均未取得满意的效果，如：(1)采用AlGaAs/GaAsDBR与InP基有源区键合的方法，其成品率低，且后续的器件制作工艺也会对键合的质量造成影响；(2)对于光学介质DBR方法，只能用作VCSEL的上DBR结构，而下DBR结构无法采用；(3)对于锑化物材料制作的高反射性能DBR，由于材料的热导率低，所需的反射层对数多，因而导致器件的热阻大，降低器件的光电性能；另外，锑化物材料与InP之间容易形成位错，从而严重影响有源区材料的晶体质量和光增益性能；(4)对于GaAs基长波长量子点有源区结构VCSEL，目前已经实现激射波长1310nm的GaAs基量子点有源区结构的材料生长，但是还很难实现激射波长1550nm的GaAs基量子点有源区结构；(5)对于在InP衬底上异变外延AlGaAs/GaAsDBR的方法，只是将上DBR结构改变为AlGaAs/GaAsDBR，而下DBR结构的问题还是存在。因此，如何解决1550nmVCSEL器件的上、下高反射率DBR结构，特别是高反射率下DBR结构和制备，成为提高其光电性能和实现实用化的关键。
技术实现思路
为了解决现有技术中波长1550nmVCSEL外延材料没有合适的材料制作高反射率下DBR的问题。本专利技术提供的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，由下到上依次为单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构，在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；所述的顶部反射腔镜结构为多层介质结构，作为上DBR结构。所述的多层介质图形结构由Si薄膜和SiO2薄膜交替生长组成，每层Si薄膜的厚度为280nm，每层SiO2薄膜的厚度为110nm，并且第一层SiO2薄膜生长在单晶InP衬底上。优选的，所述的多层介质图形结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成。本专利技术还提供一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：第一步，在单晶InP衬底上制备底部反射腔镜结构，即下DBR结构；具体包括：在单晶InP衬底上制作多层介质图形结构；在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层；第二步，在底部反射腔镜结构上制备激光器外延材料结构层；具体包括：在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层；在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区；在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层。第三步，在所述的激光器外延材料结构层上制备多层介质结构作为垂直腔面发射激光器VCSEL的顶部反射腔镜结构，即上DBR结构。所述的单晶InP衬底的晶面为<100>晶面，无偏角，单面抛光，掺杂类型为半绝缘(掺Fe)，厚度为375～675μm。在所述的单晶InP衬底上制作多层介质图形结构，具体为：在开盒即用的单晶InP衬底上采用电子束蒸发或等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法制备得到Si/SiO2多层介质。该Si/SiO2多层介质由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替组成，其中的第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底上，最后一层为SiO2薄膜；每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm。然后，采用干法刻蚀技术，如反应离子刻蚀法，在Si/SiO2多层介质上刻蚀制备得到多层介质图形结构。在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层，具体为：采用MOCVD方法，在655℃，应用选区外延方式，在多层介质图形结构的生长窗口区生长与多层介质图形结构掩膜等高的InP缓冲层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为50～70Torr；当InP缓冲层的厚度达到多层介质图形结构掩膜高度时，再应用合并外延条件，在655℃，生长800～1000nm的InP侧向外延层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr。在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层，具体为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，生长n型InP欧姆接触层的厚度为200nm，掺Si浓度为5×1018～1×1019cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，硅烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr。在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区，该多量子阱激光器有源区包括5层5nmInGaAs阱层和6层10nmInGaAsP(Eg＝1.25eV)垒层，所述阱层和垒层交替制备，第一层垒层制备在所述的n型InP欧姆接触层上，最后一层为垒层。具体制备方法为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，对于阱层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.3×10-5mol/min，砷烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100～150T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：由下到上依次为单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构，在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；所述的顶部反射腔镜结构为多层介质结构，作为上DBR结构。

【技术特征摘要】
1.一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：由下到上依次为单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构，在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；所述的顶部反射腔镜结构为多层介质结构，作为上DBR结构。2.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的多层介质图形结构由Si薄膜和SiO2薄膜交替生长组成，每层Si薄膜的厚度为280nm，每层SiO2薄膜的厚度为110nm，并且第一层SiO2薄膜生长在单晶InP衬底上。3.根据权利要求2所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的多层介质图形结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成。4.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的有源区为InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区，包括InGaAs阱层和InGaAsP垒层，每层InGaAs阱层的厚度为5nm，每层InGaAsP垒层的厚度为10nm，InGaAs阱层和InGaAsP垒层交替生长，第一层InGaAsP垒层生长在n型欧姆接触层上。5.根据权利要求4所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的有源区包括五层InGaAs阱层和六层InGaAsP垒层。6.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的InP缓冲层厚度等于生长窗口区的厚度即多层介质图形结构的掩膜高度；InP侧向外延层厚度800～1000nm；所述的n型欧姆接触层为n-InP欧姆接触层，所述的p型欧姆接触层为p-InGaAs欧姆接触层，所述的n-InP欧姆接触层厚度200nm，p-InGaAs欧姆接触层厚度为100nm。7.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的单晶InP衬底的晶面为<100>晶面，无偏角，单面抛光，掺杂类型为半绝缘，厚度为375～675μm。8.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的多层介质图形结构为一维条形结构，所述一维条形图形结构的周期和刻蚀槽的宽度分别为1000nm和100nm，刻蚀槽的深度直到InP衬底表面。9.一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法，其特征在于：第一步，在单晶InP衬底上制备底部反射腔镜结构，即下DBR结构；具体为：在所述的开盒即用单晶InP衬底上制备得到Si/SiO2多层介质结构；该Si/SiO2多层介质结构由Si薄膜和SiO2薄膜交替生长组成，其中的第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底上；然后，采用干法刻蚀技术，在Si/SiO2多层介质结构上刻蚀制备得到多层介质图形结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，成卓，胡海洋，马浩源，杨泽园，张然，马星，樊宜冰，黄永清，任晓敏，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11