本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種進(jìn)一步降低光通訊面發(fā)射激光器動(dòng)態(tài)能耗的小臺(tái)面頂發(fā)射共面電極結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

自1996年honeywell推出垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)產(chǎn)品以來(lái)，vcsel已經(jīng)廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如激光鼠標(biāo)、激光打印、原子鐘等，其中最廣泛的一項(xiàng)應(yīng)用是短距離光纖鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。vcsel因其高調(diào)制速度、低能耗、高光束質(zhì)量、低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)取代邊發(fā)射激光器成為短距離數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)的首選光源。vcsel被譽(yù)為數(shù)據(jù)中心與云計(jì)算“血液”，是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器集群和千萬(wàn)億次規(guī)模的超級(jí)計(jì)算機(jī)的短距離光互連的關(guān)鍵技術(shù)，直到40g、100g，多模技術(shù)（多模光纖和vcsel相結(jié)合的技術(shù)）一直是數(shù)據(jù)中心光互連的主要技術(shù)。隨著數(shù)據(jù)分析和云端辦公所需數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，數(shù)據(jù)通信對(duì)vcsel的需求迅猛增長(zhǎng)，使數(shù)據(jù)中心的能耗已成為一個(gè)緊迫的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，基于低能耗vcsel的綠色光互聯(lián)是解決能耗問(wèn)題的關(guān)鍵，但是vcsel能耗的進(jìn)一步降低受到調(diào)制帶寬的限制。

根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(itrs)的評(píng)估和預(yù)測(cè)，通訊光源的能耗要減小~100fj/bit才能維持互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算服務(wù)的經(jīng)濟(jì)生態(tài)可行性。報(bào)道的最低能耗是室溫下850nm-vcsel進(jìn)行50gb/s無(wú)誤碼傳輸時(shí)的耗能僅為95fj/bit。在高溫下，臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)的jin-weishi教授課題組在2015年報(bào)道了850nm-vcsel在41gb/s傳輸速率下的能耗為213fj/bit。申請(qǐng)人報(bào)道了高溫下最低能耗的980nm-vcsel，在85°c的高溫工作環(huán)境下進(jìn)行35gb/s無(wú)誤碼傳輸需要的能耗僅為139fj/bit，目前仍為在任意波段上85°c高溫工作環(huán)境下能耗最低的器件。和常溫情況相比，高溫工作下的能耗仍然過(guò)高，高于下一代數(shù)據(jù)傳輸要求，因此對(duì)高溫條件下能耗降低就提出了更高的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種降低光通訊面發(fā)射激光器動(dòng)態(tài)能耗的小臺(tái)面頂發(fā)射共面電極結(jié)構(gòu)，提出隧道結(jié)-氧化限制層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，降低能耗，以解決小尺寸高速低能耗光通訊面發(fā)射激光器能耗的進(jìn)一步降低受到調(diào)制帶寬限制的難題。

和常溫情況相比，高溫工作下的發(fā)射激光器能耗仍然過(guò)高，高于下一代數(shù)據(jù)傳輸要求，這是由于器件在高溫工作環(huán)境下性能下降引起的，能耗的進(jìn)一步降低受到了器件調(diào)制帶寬的限制。

本發(fā)明的工作原理：

減小vcsel器件氧化孔徑尺寸是最有效最直接的降低器件能耗的方法，但是隨著氧化孔徑尺寸的減小，其p-導(dǎo)電層區(qū)域與電流路徑隨之縮小，形成極大的電阻，容易引起器件發(fā)熱，增大耗能，同時(shí)造成相當(dāng)大的rc延遲，寄生截止頻率限制了調(diào)制速度。因此，降低寄生參數(shù)值是進(jìn)一步提高vcsel器件高速調(diào)制性能和低能耗性能的有效手段。為此，將隧道結(jié)-氧化限制層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)引入高速面發(fā)射激光器的小臺(tái)面頂發(fā)射共面電極結(jié)構(gòu)中，此結(jié)構(gòu)通過(guò)低電阻的gaas基隧道結(jié)改變電流方向，以實(shí)現(xiàn)將大部分高電阻的p型dbr用低電阻的n型dbr取代的目的，大幅降低寄生電阻，實(shí)現(xiàn)寄生截止帶寬的提高，解決小尺寸高速低能耗vcsels器件目前面臨的寄生限制難題。

同時(shí)，上述隧道結(jié)-氧化限制層結(jié)構(gòu)采用氧化限制層限制電流和模式，避免了二次外延，降低了器件生長(zhǎng)和加工的難度，保證了成品率。隧道結(jié)結(jié)構(gòu)在vcsels中已有應(yīng)用，主要是用在inp基vcsels實(shí)現(xiàn)電流限制，以及用于實(shí)現(xiàn)多有源區(qū)隧道再生結(jié)構(gòu)。此gaas基隧道結(jié)-氧化限制層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)與inp基vcsel器件中只用于電流限制的隧道結(jié)結(jié)構(gòu)不同的是，此結(jié)構(gòu)結(jié)合了氧化限制層，在降低寄生電阻，提高了調(diào)制帶寬的同時(shí)，采用gaas基成熟的algaas氧化限制層用于電流限制，避免inp基隧道結(jié)器件的二次外延，降低了器件生長(zhǎng)和加工的難度，保證了成品率。

另外，上述隧道結(jié)-氧化限制層結(jié)構(gòu)與采用隧道結(jié)多有源區(qū)再生結(jié)構(gòu)不同的是本結(jié)構(gòu)關(guān)注器件的動(dòng)態(tài)高速低能耗性能，采用高效高增益的量子阱單有源區(qū)，不同于將隧道結(jié)置于多個(gè)有源區(qū)中間的多有源區(qū)再生結(jié)構(gòu)，此gaas基隧道結(jié)-氧化限制層相結(jié)合的結(jié)構(gòu)位于有源區(qū)上部。

基于所述原理，以及為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的具體技術(shù)方案為：

一種低能耗光通訊面發(fā)射激光器的小臺(tái)面頂發(fā)射共面電極結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括gaas基襯底、下n型布拉格反射鏡、有源區(qū)、一對(duì)上p型布拉格反射鏡、低電阻gaas基隧道結(jié)、氧化限制層和上n型布拉格反射鏡；其中，所述上p型布拉格反射鏡、所述低電阻gaas基隧道結(jié)、所述氧化限制層和所述上n型布拉格反射鏡共同構(gòu)成成圓形小尺寸臺(tái)面，即第一臺(tái)面；所述下n型布拉格反射鏡和所述有源區(qū)共同構(gòu)成圓形較大尺寸臺(tái)面，即第二臺(tái)面；所述gaas基襯底上部鍍有下電極，在所述上n型布拉格反射鏡上部鍍有圓環(huán)式上電極，光從頂部的上n型布拉格反射鏡上部發(fā)出，為頂面發(fā)光結(jié)構(gòu)；所述的圓形小尺寸臺(tái)面和圓形較大尺寸臺(tái)面組成的雙臺(tái)面填充bcb填充層，以實(shí)現(xiàn)共面電極結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述第一臺(tái)面和第二臺(tái)面均采用icp-rie刻蝕形成；其中，icp-rie刻蝕形成第二臺(tái)面后，通過(guò)濕法氧化工藝形成小的氧化限制孔徑，氧化限制孔徑小于7μm，以實(shí)現(xiàn)面發(fā)射激光器的高速低能耗性能。

進(jìn)一步的，所述第一臺(tái)面的臺(tái)面尺寸<30μm，以盡可能的提高相同驅(qū)動(dòng)電流下的調(diào)制帶寬。

進(jìn)一步的，所述第二臺(tái)面尺寸大于第一臺(tái)面尺寸，尺寸約為第一臺(tái)面尺寸+30μm，以提高器件熱耗散能力，此結(jié)構(gòu)不需要額外的熱沉和散熱片。

進(jìn)一步的，所述低電阻gaas基隧道結(jié)和第一臺(tái)面尺寸相同。

進(jìn)一步的，所述低電阻gaas基隧道結(jié)優(yōu)選為四組分ingaassb/ingaas第二類異質(zhì)隧道結(jié)，能夠降低寄生電阻，提高寄生截止帶寬，解決小尺寸高速器件的寄生限制難題。

進(jìn)一步的，所述上n型布拉格反射鏡上方設(shè)有出光窗口頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述上p型布拉格反射鏡和上n型布拉格反射鏡采用組分漸變的alxga1-xas布拉格反射鏡以降低寄生電阻，提高寄生提高帶寬。

進(jìn)一步的，所述有源區(qū)上部的除隧道結(jié)下方的一對(duì)p型布拉格反射鏡以外的高電阻的p型布拉格反射鏡全部用低電阻的n型布拉格反射鏡取代了，此結(jié)構(gòu)能夠解決小尺寸高速低能耗器件的寄生限制問(wèn)題，進(jìn)一步降低高速器件的能耗。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：本發(fā)明采用了將低電阻gaas基隧道結(jié)和氧化限制層相結(jié)合的小尺寸圓形臺(tái)面的頂發(fā)射共面電極結(jié)構(gòu)用于高速低能耗光通訊面發(fā)射激光器，以提高光通訊激光器的高速低能耗性能。本發(fā)明提供的共面電極的頂發(fā)射結(jié)構(gòu)，選用的bcb填充，不僅能夠提供平坦的gsg電極平面，還能降低器件的寄生，提高器件的調(diào)制帶寬；該頂發(fā)射結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)器件的直接高速共面探針測(cè)試，且可以避免底發(fā)射的減薄倒置，降低加工難度。

本發(fā)明能夠大幅降低寄生電阻，提高寄生截止帶寬，解決小尺寸高速器件的寄生限制難題，避免了器件過(guò)度發(fā)熱的現(xiàn)象，也不需要熱沉和散熱片；同時(shí)此結(jié)構(gòu)采用氧化限制層限制電流，隧道結(jié)和氧化限制層共存，能夠避免二次外延，提高成品率，降低外延和工藝的難度。

另外，本發(fā)明可以避免底發(fā)射的減薄倒置，降低加工難度，以實(shí)現(xiàn)器件在高溫下的高速低能耗工作，這對(duì)實(shí)現(xiàn)高效，低成本的光通訊具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-gaas基襯底，2-下n型布拉格反射鏡，3-有源區(qū)，4-上p型布拉格反射鏡，5-低電阻gaas基隧道結(jié)，6-氧化限制層，7-上n型布拉格反射鏡，8-下電極，9-上電極，10-bcb填充層。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步解釋和說(shuō)明。

如圖1所示，一種低能耗光通訊面發(fā)射激光器的小臺(tái)面頂發(fā)射共面電極結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括gaas基襯底1、下n型布拉格反射鏡2、有源區(qū)3、一對(duì)上p型布拉格反射鏡4、低電阻gaas基隧道結(jié)5、氧化限制層6和上n型布拉格反射鏡7；其中，所述上p型布拉格反射鏡4、所述低電阻gaas基隧道結(jié)5、所述氧化限制層6和所述上n型布拉格反射鏡7共同構(gòu)成成圓形小尺寸臺(tái)面，即第一臺(tái)面；所述下n型布拉格反射鏡2和所述有源區(qū)3共同構(gòu)成圓形較大尺寸臺(tái)面，即第二臺(tái)面；所述gaas基襯底1上部鍍有下電極8，在所述上n型布拉格反射鏡7上部鍍有圓環(huán)式上電極9，光從頂部的上n型布拉格反射鏡7上部發(fā)出，為頂面發(fā)光結(jié)構(gòu)；所述的圓形小尺寸臺(tái)面和圓形較大尺寸臺(tái)面組成的雙臺(tái)面填充bcb填充層10，以實(shí)現(xiàn)共面電極結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述第一臺(tái)面和第二臺(tái)面均采用icp-rie刻蝕形成；其中，icp-rie刻蝕形成第二臺(tái)面后，通過(guò)濕法氧化工藝形成小的氧化限制孔徑，氧化限制孔徑小于7μm，以實(shí)現(xiàn)面發(fā)射激光器的高速低能耗性能。

進(jìn)一步的，所述第一臺(tái)面的臺(tái)面尺寸<30μm，以盡可能的提高相同驅(qū)動(dòng)電流下的調(diào)制帶寬。

進(jìn)一步的，所述第二臺(tái)面尺寸大于第一臺(tái)面尺寸，尺寸約為第一臺(tái)面尺寸+30μm，以提高器件熱耗散能力，此結(jié)構(gòu)不需要額外的熱沉和散熱片。

進(jìn)一步的，所述低電阻gaas基隧道結(jié)5和第一臺(tái)面尺寸相同。

進(jìn)一步的，所述低電阻gaas基隧道結(jié)5優(yōu)選為四組分ingaassb/ingaas第二類異質(zhì)隧道結(jié)，能夠降低寄生電阻，提高寄生截止帶寬，解決小尺寸高速器件的寄生限制難題。

進(jìn)一步的，所述上n型布拉格反射鏡7上方設(shè)有出光窗口頂發(fā)射結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述上p型布拉格反射鏡4和上n型布拉格反射鏡7采用組分漸變的alxga1-xas布拉格反射鏡以降低寄生電阻，提高寄生提高帶寬。

進(jìn)一步的，所述有源區(qū)3上部的除隧道結(jié)下方的一對(duì)p型布拉格反射鏡以外的高電阻的p型布拉格反射鏡全部用低電阻的n型布拉格反射鏡取代了，此結(jié)構(gòu)能夠解決小尺寸高速低能耗器件的寄生限制問(wèn)題，進(jìn)一步降低高速器件的能耗。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非是對(duì)本發(fā)明作其他形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實(shí)施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化和改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。