一种高速VCSEL激光器外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高速VCSEL激光器外延结构，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次采用MOCVD沉积GaAs缓冲层、N型掺杂的DBR、有源层、氧化限制层、P型掺杂的DBR和欧姆接触层，所述氧化限制层由多个Ga组分可自由调节的Al1‑xGaxAs外延层组成，其中X为Ga元素的组分。该激光器外延结构采用一定厚度的组分跳变的多层Al1‑xGaxAs形成氧化限制层，氧化限制层前端的形状可通过调节各层Al1‑xGaxAs的组分改变，可在氧化限制层前端形成lens结构，减小光子的散射损失，从而提高VCSEL的调制带宽。本发明专利技术还具有以下优点：1）通过调节氧化限制层中Ga的比例，减小氧化限制层的氧化速率，使氧化易于控制，提高VCSEL芯片产品良率；2）本发明专利技术氧化限制层厚度大，本征寄生电容小。

High speed VCSEL laser epitaxial structure and preparation method thereof

The invention provides a high-speed VCSEL laser epitaxial structure, including GaAs substrate on the GaAs substrate followed by deposition of MOCVD GaAs buffer layer, N doped DBR, active layer, oxide confinement layer, P doped DBR and an ohmic contact layer, the oxide layer restricted by multiple Ga components Al1 xGaxAs the epitaxial layer can be adjusted freely, where X is the Ga element component. The laser with a certain thickness of the epitaxial structure component of multilayer Al1 xGaxAs jump to limit the formation of oxidation layer, oxide confinement layer at the front end of the shape can be changed by adjusting the layers of the Al1 xGaxAs components, can limit the front-end lens structure formed in the oxidation layer, reduce the loss of photon scattering loss, thereby improving the modulation bandwidth of VCSEL. The invention also has the following advantages: 1) by adjusting the oxide limiting layer in the proportion of Ga, reduce the oxidation rate of oxide confined layer, the oxide is easy to control, improve VCSEL chip product yield; 2) the oxidation layer thickness limit, the small parasitic capacitance.

【技术实现步骤摘要】
一种高速VCSEL激光器外延结构及其制备方法
本专利技术涉及一种半导体光电子
，特别涉及一种高速VCSEL激光器外延结构及其制备方法。
技术介绍
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是在垂直于激光器形成在其上的衬底的方向发光的半导体激光器，相比于边发射半导体激光器（FP,DFB等）具有温漂小、低阈值、光纤耦合效率高、易于集成,封装、高速(上升下降在100ps级别)等特性，是超高速短距离光互联设备中的首选光源，广泛用于大型数据中心、超级计算机内的连接，在数据分析需求不断攀升的带动下，预期VCSEL未来产值将超过十亿美元。如图1所示，典型的VCSEL外延结构包含一GaAs衬底01，在衬底上依次采用MOCVD沉积GaAs缓冲层02，N型掺杂的DBR03,有源层04，氧化限制层05，P型掺杂的DBR06和欧姆接触层07。不断增长的数据业务对网络带宽的需求不断提高，其核心在于提高作为通信光源的VCSEL激光器的带宽。提高VCSEL的带宽的方法有很多，例如采用InGaAs量子阱作为有源区，可以提高有源区载流子的微分增益，从而提高VCSEL的带宽；减小VCSEL的腔长，从而提高光子的限制因子，从而提高VCSEL的带宽；采用双氧化限制层来降低VCSEL的寄生电容，从而提高VCSEL的带宽等方法。另外，文献《ScatteringLossesfromDielectricAperturesinVertical-CavityLasers》报道了采用较薄的氧化限制层（小于15nm），氧化层前端会形成尖端结构，类似于棱镜（lens），可有效减小光腔内光子的散射损失，从而通过提高载流子的微分增益来提高VCSEL的带宽。上述传统技术均是提高带宽的方法，在实际应用中，采用InGaAs量子阱作为有源区的激光器可靠性存在问题，是目前VCSEL应用的瓶颈。另外，采用薄的AlAs氧化限制层（小于15nm），有3个缺点：1）氧化速率快，VCSEL的出光孔径难以控制，导致VCSEL成品率低；导致原因：传统技术的氧化限制层一般采用AlAs作为氧化限制层，AlAs层厚度越薄，氧化速率越快，而VCSEL的氧化孔径一般为6-8um,氧化孔径极难稳定重复控制，导致VCSEL制备良率偏低；2)寄生电容大，影响VCSEL的调制速率;导致原因：AlAs氧化限制层氧化后形成绝缘层使VCSEL的电流集中于出光区域从而对减小VCSEL的阈值电流，然而由于该绝缘层位于P-DBR与N-DBR之间，在VCSEL工作时，会首先对氧化限制层进行充放电，然后再注入到有源区产生光子，这是VCSEL的本征寄生电容。为了提高VCSEL的带宽，要尽可能的减小本征寄生电容。AlAs层厚度越薄，寄生电容越大，这是由于电容C=πε0εox/dox.公式中，ε0为真空介电常数，εox为绝缘层介电常数，dox为绝缘层的厚度;3)氧化层应力大，氧化后外延层易剥离;导致原因：采用AlAs氧化限制层，由于AlAs的晶格常数小于GaAs晶格常数，AlAs在生长时会产生较大张应力，氧化后易使外延层剥离，影响器件可靠性。上述传统技术采用薄的氧化限制层（小于15nm），在氧化层前端能形成lens结构，以减小光子的散射损失，但会造成上面所述的缺点。一旦氧化层的厚度加厚，氧化层前端会呈现圆弧形(如图2所示），光子的散射损失会增加，会影响VCSEL的调制带宽。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种能够提高VCSEL带宽的高速VCSEL激光器外延结构。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种高速VCSEL激光器外延结构，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次采用MOCVD沉积GaAs缓冲层、N型掺杂的DBR、有源层、氧化限制层、P型掺杂的DBR和欧姆接触层，氧化限制层由多个Ga组分可自由调节的Al1-xGaxAs外延层组成，其中X为Ga元素的组分。优选的，所述多个Al1-xGaxAs外延层的Ga组分跳变。优选的，所述多个Al1-xGaxAs外延层中中间层的Ga组分最小，最下层的Ga组分最大。优选的，所述氧化限制层由下至上包括Ga组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层、Ga组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层、Ga组分为2%的Al0.98Ga0.02As外延层、Ga组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层和Ga组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层。优选的，所述氧化限制层的中间外延层的Ga组分为2%、厚度为10nm，最下层、最上层的外延层的Ga组分为5%、厚度为5nm，中间外延层的Ga组分为组分为2-5%，厚度为3-8nm。优选的，所述氧化限制层由下至上包括5nmGa组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层、5nmGa组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层、10nmGa组分为2%的Al0.98Ga0.02As外延层、5nmGa组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层和5nmGa组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层。优选的，所述有源层采用GaAs/AlGaAsMQW。本专利技术还公开一种用于上述高速VCSEL激光器外延结构的制备方法，其包括如下步骤：以电导率为2-8×1018cm-2的N型GaAs作为生长衬底，放入MOCVD系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，三甲基铟（TMIn）、三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、二乙基锌（DEZn）、硅烷（SiH4）、砷烷（AsH3）和磷烷（PH3）等为反应源气体，依次生长Si掺杂的GaAs缓冲层，Si掺杂的Al0.1GaAs/Al0.9GaAsDBR，对数为26组；GaAs/Al0.3GaAs形成的MQW有源层,Zn掺杂的氧化限制层，Zn掺杂的Al0.1GaAs/Al0.9GaAsDBR，对数为16组，Zn掺杂的GaAs欧姆接触层；所述氧化限制层（05）由多个Ga组分可自由调节的Al1-xGaxAs外延层组成，其中X为Ga元素的组分。优选的，所述多个Al1-xGaxAs外延层中中间层的Ga组分最小，最下层的Ga组分最大。优选的，多个Ga组分跳变的外延层包括：第一层：5nmGa组分为5%的Al0.95Ga0.05As、第二层：5nmGa组分为3%的Al0.97Ga0.03As、第三层：10nmGa组分为2%的Al0.98Ga0.02As、第四层：5nmGa组分为3%的Al0.97Ga0.03As、第五层：5nmGa组分为5%的Al0.95Ga0.05As。如上所述，本专利技术的高速VCSEL激光器外延结构具有以下有益效果：该激光器外延结构采用一定厚度的组分跳变的AlGaAs氧化限制层，可在氧化限制层前端形成lens结构，减小光子的散射损失，从而提高VCSEL的调制带宽。同时，可以克服上述缺点：1）通过在氧化限制层中掺杂一定比例的Ga，减小氧化限制层的氧化速率，使氧化易于控制，提高VCSEL芯片产品良率；2）通过增加厚度来减小VCSEL的本征寄生电容；3）通过在氧化限制层中掺杂一定比例的Ga，减小氧化限制层与衬底的失配度，从而减小应力。附图说明图1为传统VCSEL外延结构示意图。图2为传统技术外延结构制作为芯片后氧化限制层结构示意图。图3为本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速VCSEL激光器外延结构，包括GaAs衬底（01），在GaAs衬底（01）上依次采用MOCVD沉积GaAs 缓冲层（02）、N型掺杂的DBR（03）、有源层（04）、氧化限制层（05）、P型掺杂的DBR（06）和欧姆接触层（07），其特征在于：所述氧化限制层（05）由多个Ga组分可自由调节的Al1‑xGaxAs外延层组成，其中X为Ga元素的组分。

【技术特征摘要】
1.一种高速VCSEL激光器外延结构，包括GaAs衬底（01），在GaAs衬底（01）上依次采用MOCVD沉积GaAs缓冲层（02）、N型掺杂的DBR（03）、有源层（04）、氧化限制层（05）、P型掺杂的DBR（06）和欧姆接触层（07），其特征在于：所述氧化限制层（05）由多个Ga组分可自由调节的Al1-xGaxAs外延层组成，其中X为Ga元素的组分。2.根据权利要求1所述的一种高速VCSEL激光器外延结构，其特征在于：所述多个Al1-xGaxAs外延层的Ga组分跳变。3.根据权利要求1所述的一种高速VCSEL激光器外延结构，其特征在于：所述多个Al1-xGaxAs外延层中中间层的Ga组分最小，最下层的Ga组分最大。4.根据权利要求3所述的一种高速VCSEL激光器外延结构，其特征在于：所述氧化限制层（05）由下至上包括Ga组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层（10）、Ga组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层（11）、Ga组分为2%的Al0.98Ga0.02As外延层（12)、Ga组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层（13）和Ga组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层（14）。5.根据权利要求1所述的一种高速VCSEL激光器外延结构，其特征在于：所述氧化限制层（05）的中间外延层的Ga组分为2%、厚度为10nm，最下层、最上层的外延层的Ga组分为5%、厚度为5nm，中间外延层的Ga组分为2-5%，厚度为3-8nm。6.根据权利要求4所述的一种高速VCSEL激光器外延结构，其特征在于：所述氧化限制层（05）由下至上包括5nmGa组分为5%的Al0.95Ga0.05As外延层（10）、5nmGa组分为3%的Al0.97Ga0.03As外延层（11）、10nmGa组分为2%的Al0.98Ga0.02As外延层（12)、5...

【专利技术属性】
技术研发人员：单智发，
申请(专利权)人：苏州全磊光电有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32