本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

垂直腔表面發(fā)射激光器(vcsel)是在垂直于激光器形成在其上的襯底的方向發(fā)光的半導(dǎo)體激光器，相比于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器（fp,dfb等）具有溫漂小、低閾值、光纖耦合效率高、易于集成,封裝、高速(上升下降在100ps級(jí)別)等特性，是超高速短距離光互聯(lián)設(shè)備中的首選光源，廣泛用于大型數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)內(nèi)的連接，在數(shù)據(jù)分析需求不斷攀升的帶動(dòng)下，預(yù)期vcsel未來產(chǎn)值將超過十億美元。如圖1所示，典型的vcsel外延結(jié)構(gòu)包含一gaas襯底01，在襯底上依次采用mocvd沉積gaas緩沖層02，n型摻雜的dbr03,有源層04，氧化限制層05，p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07。

不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求不斷提高，其核心在于提高作為通信光源的vcsel激光器的帶寬。提高vcsel的帶寬的方法有很多，例如采用ingaas量子阱作為有源區(qū)，可以提高有源區(qū)載流子的微分增益，從而提高vcsel的帶寬；減小vcsel的腔長(zhǎng)，從而提高光子的限制因子，從而提高vcsel的帶寬；采用雙氧化限制層來降低vcsel的寄生電容，從而提高vcsel的帶寬等方法。另外，文獻(xiàn)《scatteringlossesfromdielectricaperturesinvertical-cavitylasers》報(bào)道了采用較薄的氧化限制層（小于15nm），氧化層前端會(huì)形成尖端結(jié)構(gòu)，類似于棱鏡（lens），可有效減小光腔內(nèi)光子的散射損失，從而通過提高載流子的微分增益來提高vcsel的帶寬。

上述傳統(tǒng)技術(shù)均是提高帶寬的方法，在實(shí)際應(yīng)用中，采用ingaas量子阱作為有源區(qū)的激光器可靠性存在問題，是目前vcsel應(yīng)用的瓶頸。另外，采用薄的alas氧化限制層（小于15nm），有3個(gè)缺點(diǎn)：

1）氧化速率快，vcsel的出光孔徑難以控制，導(dǎo)致vcsel成品率低；

導(dǎo)致原因：傳統(tǒng)技術(shù)的氧化限制層一般采用alas作為氧化限制層，alas層厚度越薄，氧化速率越快，而vcsel的氧化孔徑一般為6-8um,氧化孔徑極難穩(wěn)定重復(fù)控制，導(dǎo)致vcsel制備良率偏低；

2)寄生電容大，影響vcsel的調(diào)制速率;

導(dǎo)致原因：alas氧化限制層氧化后形成絕緣層使vcsel的電流集中于出光區(qū)域從而對(duì)減小vcsel的閾值電流，然而由于該絕緣層位于p-dbr與n-dbr之間，在vcsel工作時(shí)，會(huì)首先對(duì)氧化限制層進(jìn)行充放電，然后再注入到有源區(qū)產(chǎn)生光子，這是vcsel的本征寄生電容。為了提高vcsel的帶寬，要盡可能的減小本征寄生電容。alas層厚度越薄，寄生電容越大，這是由于電容c=πε0εox/dox.公式中，ε0為真空介電常數(shù)，εox為絕緣層介電常數(shù)，dox為絕緣層的厚度;

3)氧化層應(yīng)力大，氧化后外延層易剝離;

導(dǎo)致原因：采用alas氧化限制層，由于alas的晶格常數(shù)小于gaas晶格常數(shù)，alas在生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大張應(yīng)力，氧化后易使外延層剝離，影響器件可靠性。

上述傳統(tǒng)技術(shù)采用薄的氧化限制層（小于15nm），在氧化層前端能形成lens結(jié)構(gòu)，以減小光子的散射損失，但會(huì)造成上面所述的缺點(diǎn)。一旦氧化層的厚度加厚，氧化層前端會(huì)呈現(xiàn)圓弧形(如圖2所示），光子的散射損失會(huì)增加，會(huì)影響vcsel的調(diào)制帶寬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高vcsel帶寬的高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)，包括gaas襯底，在gaas襯底上依次采用mocvd沉積gaas緩沖層、n型摻雜的dbr、有源層、氧化限制層、p型摻雜的dbr和歐姆接觸層，氧化限制層由多個(gè)ga組分可自由調(diào)節(jié)的al1-xgaxas外延層組成，其中x為ga元素的組分。

優(yōu)選的，所述多個(gè)al1-xgaxas外延層的ga組分跳變。

優(yōu)選的，所述多個(gè)al1-xgaxas外延層中中間層的ga組分最小，最下層的ga組分最大。

優(yōu)選的，所述氧化限制層由下至上包括ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、ga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

優(yōu)選的，所述氧化限制層的中間外延層的ga組分為2%、厚度為10nm，最下層、最上層的外延層的ga組分為5%、厚度為5nm，中間外延層的ga組分為組分為2-5%，厚度為3-8nm。

優(yōu)選的，所述氧化限制層由下至上包括5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

優(yōu)選的，所述有源層采用gaas/algaasmqw。

本發(fā)明還公開一種用于上述高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括如下步驟：以電導(dǎo)率為2-8×10¹⁸cm^-2的n型gaas作為生長(zhǎng)襯底，放入mocvd系統(tǒng)中生長(zhǎng)，反應(yīng)室壓力為50mbar，生長(zhǎng)溫度為670℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等為反應(yīng)源氣體，依次生長(zhǎng)si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對(duì)數(shù)為26組；gaas/al0.3gaas形成的mqw有源層,zn摻雜的氧化限制層，zn摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對(duì)數(shù)為16組，zn摻雜的gaas歐姆接觸層；所述氧化限制層（05）由多個(gè)ga組分可自由調(diào)節(jié)的al1-xgaxas外延層組成，其中x為ga元素的組分。

優(yōu)選的，所述多個(gè)al1-xgaxas外延層中中間層的ga組分最小，最下層的ga組分最大。

優(yōu)選的，多個(gè)ga組分跳變的外延層包括：第一層：5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as、第二層：5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as、第三層：10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as、第四層：5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as、第五層：5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as。

如上所述，本發(fā)明的高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)具有以下有益效果：該激光器外延結(jié)構(gòu)采用一定厚度的組分跳變的algaas氧化限制層，可在氧化限制層前端形成lens結(jié)構(gòu)，減小光子的散射損失，從而提高vcsel的調(diào)制帶寬。同時(shí)，可以克服上述缺點(diǎn)：1）通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層的氧化速率，使氧化易于控制，提高vcsel芯片產(chǎn)品良率；2）通過增加厚度來減小vcsel的本征寄生電容；3）通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層與襯底的失配度，從而減小應(yīng)力。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)vcsel外延結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為傳統(tǒng)技術(shù)外延結(jié)構(gòu)制作為芯片后氧化限制層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例氧化限制層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例制作為芯片后氧化限制層結(jié)構(gòu)示意圖。

元件標(biāo)號(hào)說明

01、gaas襯底；02、gaas緩沖層；03、n型摻雜的dbr；04、有源層；05、氧化限制層；06、p型摻雜的dbr；07、歐姆接觸層；10、al0.95ga0.05as外延層；11、al0.97ga0.03as外延層；12、al0.98ga0.02as外延層（12)；13、al0.97ga0.03as外延層；14、al0.95ga0.05as外延層。

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。

請(qǐng)參閱圖1至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。

實(shí)施例一、

如圖1、3所示，本發(fā)明提供一種高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)，其包括gaas襯底01，在gaas襯底01上依次采用mocvd沉積gaas緩沖層02、n型摻雜的dbr03、有源層04、氧化限制層05、p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07，其中有源層4采用gaas/algaasmqw，氧化限制層05由多個(gè)ga組分可自由調(diào)節(jié)的al1-xgaxas外延層組成，其中x為ga元素的組分。多個(gè)al1-xgaxas外延層的ga組分最好采用跳變方式，所謂跳變，就是相鄰兩層外延層的ga組分不是連續(xù)變化的，而是采用類似階梯函數(shù)的方式進(jìn)行變化的。最為一種較優(yōu)的方式，多個(gè)al1-xgaxas外延層中中間層的ga組分應(yīng)最小，最下層的ga組分最大，最上層的外延層應(yīng)具有一定厚度，這樣更容易在氧化限制層前端形成lens結(jié)構(gòu)。

作為一種具有實(shí)施例algaas氧化限制層由下至上包括ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層10、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層11、ga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層12、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層14和ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層14。其中g(shù)a組分為5%的al0.95ga0.05as外延層10的厚度為5nm，ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層11的厚度為5nm，組分為2%的al0.98ga0.02as外延層12的厚度為10nm，ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層3的厚度為5nm，ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層14的厚度為5nm。

實(shí)施例二、

作為一種優(yōu)選方式，氧化限制層的中間外延層的ga組分為2%、厚度為10nm，最下層、最上層的外延層的ga組分為5%、厚度為5nm，中間外延層的ga組分為組分為2-5%，厚度為3-8nm。在本實(shí)施例中，氧化限制層由下至上包括5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、3nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、3nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

實(shí)施例三、

該實(shí)施例中，氧化限制層由下至上包括5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、8nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、8nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

氧化限制層05采用一定厚度的組分跳變結(jié)構(gòu)，由于不同ga組分的氧化速率不同，制作為vcsel芯片后，其氧化層形貌如圖4所示。

在芯片工藝中，algaas的氧化速率隨ga組份的減小而增加，氧化限制層采用algaas，應(yīng)力小，氧化速率可控因此，相比于傳統(tǒng)的30nm的algaas或alas氧化限制層，氧化限制層厚度為30nm,采用組分跳變結(jié)構(gòu)，氧化層前端可形成lens結(jié)構(gòu)，從而減小光子的散射，提高vcsel的調(diào)制帶寬。

上述高速vcsel激光器外延結(jié)構(gòu)的制備方法包括如下步驟：以電導(dǎo)率為2-8×1⁰¹⁸cm^-2的n型gaas作為生長(zhǎng)襯底，放入mocvd系統(tǒng)中生長(zhǎng)，反應(yīng)室壓力為50mbar，生長(zhǎng)溫度為670℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等為反應(yīng)源氣體，依次生長(zhǎng)si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對(duì)數(shù)為26組；gaas/al0.3gaas形成的mqw有源層,zn摻雜的氧化限制層，zn摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對(duì)數(shù)為16組，zn摻雜的gaas歐姆接觸層；其中，氧化限制層由多個(gè)ga組分跳變的外延層組成。

其中氧化限制層的結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要按上述實(shí)施例一、實(shí)施例二或?qū)嵤├慕Y(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。外延層生長(zhǎng)完成后，可利用公知的光刻與刻蝕工藝，形成vcsel臺(tái)面結(jié)構(gòu)，采用氧化工藝使氧化限制層氧化，形成6-8nm的氧化孔徑，然后在表面cap層上蒸鍍正面電極，并將gaas襯底減薄，在減薄的gaas襯底背面蒸鍍背面電極，即完成vcsel激光器的制作。

該激光器外延結(jié)構(gòu)具有如下有益效果：1）、通過采用5組組份跳變的氧化限制層結(jié)構(gòu)，在氧化層前端形成lens結(jié)構(gòu)，從而減少光子的散射損失，從而提高vcsel的微分增益從而提高調(diào)制帶寬；2）、通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層的氧化速率，使氧化易于控制，提高vcsel芯片產(chǎn)品良率；3）、通過增加氧化限制層厚度來減小vcsel的本征寄生電容；4）、通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層與襯底的失配度，從而減小應(yīng)力，避免在氧化過程中外延層剝離的現(xiàn)象。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。