垂直腔表面发射激光器制造技术

本发明专利技术的实施例涉及一种垂直腔表面发射激光器，包括：第一反射器；第二反射器，该第二反射器包括半导体或隔离层的层堆叠；有源区，该有源区被布置在第一与第二反射器之间；以及在光输出侧的层堆叠的顶部上的附加层，所述附加层形成了激光器的输出界面，其中附加层的折射率小于所述层堆叠的折射率中的最小折射率。

Vertical Cavity Surface Emission Laser

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】垂直腔表面发射激光器
技术介绍
光学数据通信领域中的研究和开发的基本目标是以最大的比特率下在最大距离上进行能量效率和无差错的数据传输。对于基于小于2km的多模光纤长度的传统数据传输系统，就超级计算机或数据中心的服务器之间而言，高调制带宽VCSEL是必不可少的。为了优化VCSEL带宽，使差分增益δg/δN最大化，使活动容量Vg最小化(例如通过将光学腔长度减小到λ/2)，并且通过使电阻和导热率[1,2]最小化来实现较大的泵电流。迄今为止一直被忽视的一个另外的自由度是对腔光子寿命的优化，其基本上由镜面反射率控制。在这里我们描述一种用于调节镜面反射率以使腔光子寿命最优的低成本方法。以前的用于调节腔光子寿命的方法是使用对顶部镜面[3,4]的干蚀刻。为此需要非常低的蚀刻速率和非常浅的深度以及对蚀刻进度及整个表面均匀性的极其精确的控制。然而，干蚀刻期间的蚀刻速率在时间上不是恒定的。作为替代，已经研究了若干湿化学蚀刻过程。频繁使用的湿化学溶液使GaAs层暴露于酸(通常为硫酸H2SO4、磷酸H3PO4、或柠檬酸C6H8O7)与过氧化氢(H2O2)以及还有纯净水(H2O)的混合物以稀释溶液并且从而降低蚀刻速率。还可以使用盐酸(HCl)以及硝酸(HNO3)，作为氧化剂。过氧化氢或硝酸具有氧化半导体表面的任务。氧化物被酸蚀刻掉。根据溶液的浓度，可实现所需的蚀刻速率。然而，由于其pH值(氢的电位或功率)及其移动，蚀刻速率随溶液的浓度和温度而非常敏感地变化。典型地，蚀刻速率是与时间有关的并且在整个表面上是不均匀的，除非连续混合大量溶液以在蚀刻表面上获得恒定值[5]。湿蚀刻也会受到VCSEL的表面特征(诸如顶部金属环触点和任何表面缺陷)的负面影响，因而通常导致不适合大批量制造的不令人满意的结果。通过使用数字蚀刻[6]，要求对蚀刻深度进行特别精确的控制。在这里，氧化和对氧化物的蚀刻通过两个交替的可重复步骤彼此分离。用过氧化氢对表面进行氧化而无需存在酸。该过程受到扩散的限制并且在使用基于GaAs的顶镜的针对VCSEL的GaAs表面上或者其它类型的VCSEL的任何其它表面上导致精确的氧化物厚度。对于暴露于过氧化氢的非常宽的时间窗口(例如在5秒和120秒之间)，实现了限制为约15nm的氧化深度[6]。此后在不存在过氧化氢的情况下通过酸除去氧化物。酸除去氧化GaAs，这留下新鲜的GaAs表面，该新鲜的GaAs表面此后可以再次被氧化。必须将用酸的处理与用过氧化氢的处理严格地分开，以便逐步地去除氧化的GaAs层。为了确保此，在每个步骤之后用超纯去离子水冲洗该结构并使用晶片旋转器使其干燥。使用HCl会导致金属触点出现问题。与其它酸相比，认为使用C6H8O7更温和。必须对H2SO4：H2O2：H2O的温度进行监测，因为初始混合物导致放热反应(温度升高)。据报道这种数字蚀刻方法导致可靠的蚀刻深度。然而，任何表面粗糙度、表面缺陷、或几何邻近效应都会使该技术不可靠。露出的GaAs镜面受到强烈侵蚀，而与所使用的酸或蚀刻溶液以及应用的方法无关。作为示例，图1非常清楚地示出了此。更具体地，图1示出了在使用在[6]中所描述的技术进行数字湿蚀刻之后完全处理的VCSEL的GaAs镜面的扫描电子显微照片。在顶部金属环触点内，GaAs有凹痕，蚀刻不均匀，并且表面缺陷导致严重的破裂。另外，残留的光致抗蚀剂在金属环的内边缘附近导致明显不希望的特征。数字技术不稳定并且不适合批量生产。因而通过湿或干蚀刻改变腔光子寿命至少是复杂和/或不可控制的，典型地会导致对VCSEL表面的意外破坏，这引起可靠性问题。如下所述的本专利技术提出了一种用于解决上述问题的简单且非破坏性的方法。本专利技术的目的本专利技术的目的是提供一种垂直腔表面发射激光器，该垂直腔表面发射激光器与现有技术设备相比具有改进的性能。本专利技术的又一目的是提供一种制造垂直腔表面发射激光器的方法，该垂直腔表面发射激光器与现有技术设备相比具有改进的性能。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施例涉及一种垂直腔表面发射激光器，该垂直腔表面发射激光器包括：-第一反射器，-第二反射器，该第二反射器包括半导体或隔离层的层堆叠，-有源区，该有源区被布置在第一与第二反射器之间；以及-在光输出侧的层堆叠的顶部上的附加层，所述附加层形成了激光器的输出界面，-其中附加层的折射率小于所述层堆叠的折射率中的最小折射率。根据设计参数，示例性实施例可以示出改进的激光器特性，尤其是关于小信号调制带宽、用于以给定比特率进行数据传输的能量消耗、和/或可实现的激光二极管输出功率。如上所述的实施例可以具有但不是必须具有以下特征中的一个或多个，这些特征被认为是进一步改善激光器的性能但不是强制性的：在激光的发射波长下附加层的传输优选地大于99％。根据优选实施例，选择附加层的厚度以使得设计参数H(fr)在2.5与3.2dB之间的范围中，其中设计参数H(fr)通过以下来确定：-通过激光器施加产生预定偏置电流和小正弦电流信号的电压，-对给定频率范围内的正弦信号的频率进行扫描，-测量在输出界面处离开激光器的辐射的小信号响应，-将所测量的小信号响应拟合到下面的传输函数H(f)：并且确定参数fR、γ、A、以及fp，其中fR描述弛豫共振频率，γ是阻尼参数，A是偏移量，并且fP是激光器的寄生效应的3dB频率，并且-通过根据如上所述所确定的参数计算传输函数H(f)在弛豫共振频率fR处的值来计算设计参数H(fR)。电接触被优选地布置在所述层堆叠的高掺杂层的至少一部分上。所述高掺杂层的掺杂浓度优选地超过5*1018cm-3。附加层可以部分地覆盖电接触。附加层可以是隔离层(例如介电层)或导电层。优选地，附加层是氮化硅层、氧化硅层、氧化钛层、氧化铟锡层、或者GaAs层。附加层的厚度优选地在(0.02*λ与0,24*λ)+n*0.5*λ之间或者在(0.26*λ与0,48*λ)+n*0.5*λ之间，其中n是整数。换句话说，附加层的厚度d优选地位于以下范围之一中：0.02*λ+n*0.5*λ≤d≤0,24*λ+n*0.5*λ或者0.26*λ+n*0.5*λ≤d≤0,48*λ+n*0.5*λ。λ是给定材料中的发射辐射的波长。本专利技术的另一示例性实施例涉及一种制造垂直腔表面发射激光器的方法，该方法包括以下步骤：-制造第一反射器，-在第一反射器顶部上制造有源区，-在有源区顶部上制造第二反射器，第二反射器包括半导体层或隔离层的层堆叠，并且-在层堆叠的顶部上沉积附加层，-其中附加层的折射率小于所述层堆叠的折射率中的最小折射率。如上所述的方法可以包括但不是必须包括以下特征中的一个或多个，这些特征被认为是进一步改善激光器的性能但不是强制性的：当设计参数H(fR)在2.5与3.2dB之间的范围中时，优选地沉积附加层的步骤完成，其中设计参数H(fR)是通过以下来确定的：-通过激光器施加产生预定偏置电流和小正弦电流信号的电压，-对给定频率范围内的正弦信号的频率进行扫描，-测量在输出界面处离开激光器的辐射的小信号响应，-将所测量的小信号响应拟合到下面的传输函数H(f)：并且确定参数fR、γ、A、以及fp,其中fR描述弛豫共振频率，γ是阻尼参数，A是偏移量，并且fP是激光器的寄生效应的3dB频率，并且-通过根据上述步骤所确定的参数计算传输函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直腔表面发射激光器，包括：‑第一反射器，‑第二反射器，所述第二反射器包括半导体或隔离层的层堆叠，‑有源区，所述有源区被布置在所述第一反射器与所述第二反射器之间；以及‑在光输出侧的所述层堆叠的顶部上的附加层，所述附加层形成所述激光器的输出界面，‑其中所述附加层的折射率小于所述层堆叠的折射率中的最小折射率，其中选择所述附加层的厚度，使得设计参数H(fr)在2.5与3.2dB之间的范围中，并且其中所述设计参数H(fr)是通过以下来确定的：‑通过所述激光器施加产生预定偏置电流和小正弦电流信号的电压，‑对给定频率范围内的所述正弦信号的频率进行扫描，‑测量在所述输出界面处离开所述激光器的辐射的小信号响应，‑将测量的所述小信号响应拟合到下面的传输函数H(f)：

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.01.12 US 15/404,7861.一种垂直腔表面发射激光器，包括：-第一反射器，-第二反射器，所述第二反射器包括半导体或隔离层的层堆叠，-有源区，所述有源区被布置在所述第一反射器与所述第二反射器之间；以及-在光输出侧的所述层堆叠的顶部上的附加层，所述附加层形成所述激光器的输出界面，-其中所述附加层的折射率小于所述层堆叠的折射率中的最小折射率，其中选择所述附加层的厚度，使得设计参数H(fr)在2.5与3.2dB之间的范围中，并且其中所述设计参数H(fr)是通过以下来确定的：-通过所述激光器施加产生预定偏置电流和小正弦电流信号的电压，-对给定频率范围内的所述正弦信号的频率进行扫描，-测量在所述输出界面处离开所述激光器的辐射的小信号响应，-将测量的所述小信号响应拟合到下面的传输函数H(f)：并且确定参数fR、γ、A以及fp,其中fR描述弛豫共振频率，γ是阻尼参数，A是偏移量，并且fP是激光器的寄生效应的3dB频率，并且-通过基于如上所述确定的所述参数计算所述传输函数H(f)在所述弛豫共振频率fR处的值，来计算所述设计参数H(fR)。2.根据权利要求1所述的激光器，其中所述附加层的所述折射率比所述层堆叠的所述折射率中的最小折射率小至少25％。3.根据在前权利要求中的任何一项所述的激光器，其中在所述层堆叠的高掺杂层的至少一部分上布置电接触，所述高掺杂层的掺杂浓度超过5*1018cm-3。4.根据权利要求3所述的激光器，其中所述附加层部分地覆盖所述电接触。5.根据在前权利要求中的任何一项所述的激光器，其中所述附加层是隔离层。6.根据在前权利要求中的任何一项所述的激光器，其中所述附加层是氮化硅层或氧化硅层或氧化钛层。7.根据在前权利要求中的任何一项所述的激光器，其中所述附加层是导电层。8.根据在前权利要求中的任何一项所述的激光器，其中所述附加层是氧化铟锡或者GaAs层。9.根据在前权利要求中的任何一项所述的激光器，其中所述附加层的厚度在(0.02*λ与0,24*λ)+n*0.5*λ之间或者在(0.26*λ与0,48*λ)+n*0.5*λ之间，其中n是整数。10.一种制造垂直腔表面发射激光器的方法，所述方法包括以下步骤：-制造第一反射器，-在所述第一反射器的顶部上制造有源区，-在所述有源区的顶部上制造第二反射器，所述第二反射器包括半导体层或隔离层的层堆叠，并且-在所述层堆叠的顶部上沉积附加层，-其中所述附加层的折射率小于所述层堆叠的折射率中的最小折射率。11.根据权利要求10所述的方法，其中当设计参数H(fR)在2.5与3.2dB之间的范围中时，沉积所述附加层的步骤完成，其中所述设计参数H(fR)是通过以下来确定的：-通过所述激光器施加产生预定偏置电流和小正弦电流信号的电压，-对给定频率范围内的所述正弦信号的频率进行扫描，-测量在输出界面处离开所述激光器的辐射的所述小信号响应，-将测量的所述小信号响应拟合到...

【专利技术属性】
技术研发人员：迪特尔·比姆伯格，京特·拉里基，詹姆斯·A·洛特，
申请(专利权)人：柏林工业大学，
类型：发明
国别省市：德国,DE