垂直腔面發射激光器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電子領域，尤其涉及一種垂直腔面發射激光器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]在日新月異的光存儲網絡和光纖通信系統領域，處于光纖零色散和低損耗窗口的1310nm和1550nm波段半導體激光器是不可替代的光源。在需求的牽引下，長波長半導體激光器正向高功率密度、高光束質量、高轉換效率、大工作溫度范圍、長壽命、低成本方向發展。與邊發射激光器相比，垂直腔面發射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser, VCSEL)具有低閾值電流、圓形激光光束、高調制帶寬、低發散角等優點，已成為短距離數據通信及光學鼠標等消費型電子產品的首選，在長距離與高速數據通信應用上，也有取代邊發射激光器的趨勢。
[0003]目前，長波長垂直腔面發射激光器廣泛采用的是InGaAsP/InP材料體系作為有源區。該材料體系的導帶帶階比較小(AEc/Λ Eg?0.4)，不足以對載流子進行有效限制，導致此類激光器溫度特性較差。一種改進方法是采用導帶帶階比較大(AEc/AEg?0.72)的InGaAlAs/InP材料體系，目前已取得相當進展。另一種潛在的替代材料是InGaAsN/GaAs體系，其較大的導帶帶階比(AEc/AEg?0.79)也可獲得較佳的高溫器件工作特性，已報道在1310nm波段取得150K的特征溫度。然而，InGaAsN/GaAs激光器在1310nm以上波段的性能退化嚴重，其原因在于:對應更長的波段，需要更大的N摩爾組分，而由于N原子的摻入易引入缺陷，難以獲得高質量、高N組分的InGaAsN,因此限制了其在1550nm及更長波段的應用。
【發明內容】
[0004]針對上述提到的現有技術的不足，本發明提出了一種垂直腔面發射激光器，所述垂直腔面發射激光器可以有效地降低閾值電流，并提高輸出功率。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:
[0006]一種垂直腔面發射激光器，包括有源區，所述有源區為量子阱結構，所述量子阱結構包括至少一個勢阱層和多個勢壘層，勢阱層設置于勢壘層之間，其中，所述勢壘層的材料為InGaAlAs,所述勢阱層的材料為InGaAsN。
[0007]優選地，所述量子阱結構的周期數為K，K的范圍是I?20。
[0008]優選地，所述勢魚層的材料In1IyGaxAlyAs中，x+y=47%, x的范圍為12%?22%, y的范圍為25%?35% ;所述勢阱層的材料IrvxGaxAsyNh中，x的范圍為46%?60%，y的范圍為 97% ?99.9%ο
[0009]優選地，所述多量子阱結構的周期數為7。
[0010]優選地，所述垂直腔面發射激光器包括依次疊層設置的襯底、第一布拉格反射鏡、第一限制層、有源區、第二限制層、第二布拉格反射鏡及歐姆接觸層。
[0011]優選地，在所述第二限制層與所述第二布拉格反射鏡之間，按照遠離第二限制層的方向依次設置有重摻雜隧道結和第三限制層。
[0012]優選地，所述重摻雜隧道結位于所述激光器的光學諧振腔中的駐波節點位置。
[0013]優選地，所述第二限制層包括下層和上層，按照遠離所述有源區的方向疊層設置，并且，下層與上層之間還設置有一氧化限制層。
[0014]優選地，所述氧化限制層中設置有一窗口，所述窗口的孔徑為5?20微米。
[0015]優選地，所述氧化限制層的數量為1，并且位于所述激光器的光學諧振腔中的駐波波腹位置。
[0016]優選地，所述襯底的材料為N型摻雜的InP，所述第一布拉格反射鏡的材料包含N型摻雜的AlGaAsSb,所述第一限制層的材料為N型摻雜的InP，所述第二限制層的下層的材料為P型摻雜的InP，所述氧化限制層的材料為非摻雜的AlAsSb或InAlAs，所述第二限制層的上層的材料為N型摻雜的InP，所述重摻雜隧道結包括按照遠離所述第二限制層的方向疊層設置的P型摻雜的InAlAs層和N型摻雜的InP層，或者是P型摻雜的InGaAlAs層和N型摻雜的InGaAlAs層，所述第三限制層的材料為N型摻雜的InP，所述第二布拉格反射鏡的材料包含N型摻雜的AlGaAsSb,所述歐姆接觸層的材料為N型摻雜的InP。
[0017]優選地，所述第一布拉格反射鏡包括交替疊層設置的具有不同折射率的A材料層和B材料層，所述A材料層和B材料層具有相同的光學厚度，所述光學厚度接近于激光器的工作波長的1/4 ;所述第一布拉格反射鏡對工作波長的反射率為99.7%?99.99% ;所述A材料層為AlGaAsSb材料層，所述B材料層為AlGaAsSb材料層或InP材料層；所述第二布拉格反射鏡包括交替疊層設置的具有不同折射率的C材料層和D材料層，所述C材料層和D材料層具有相同的光學厚度，所述光學厚度接近激光器的工作波長的1/4 ;所述第二布拉格反射鏡對工作波長的反射率為99%?99.7% ;所述C材料層為AlGaAsSb材料層，所述D材料層為AlGaAsSb材料層或InP材料層。
[0018]本發明的另一方面是提供了如上所述的垂直腔面發射激光器的制造方法，包括步驟:
[0019](一 )、采用MOCVD方法或MBE方法依次生長下列各結構層:
[0020]a)在InP襯底上生長第一布拉格反射鏡；
[0021]b) InP 第一限制層；
[0022]c)有源區:
[0023]cl) InGaAlAs 勢魚層；
[0024]c2) InGaAsN 勢講層；
[0025]d)重復步驟Cl)和步驟c2)，直至生長完成具有K個周期的量子阱結構的有源區，其中K的范圍是I?20 ；
[0026]e)第二限制層:
[0027]el) InP第二限制層的下層；
[0028]e2)非摻雜的AlAsSb或InAlAs氧化限制層；
[0029]e3) InP第二限制層的上層；
[0030]f)重摻雜隧道結，所述重摻雜隧道結包括P型重摻雜的InAlAs層和N型重摻雜的InP層，或者是P型重摻雜的InGaAlAs層和N型重摻雜的InGaAlAs層；
[0031]g) InP第三限制層；
[0032]h)第二布拉格反射鏡；
[0033]i) InP歐姆接觸層；
[0034](二)、完成上述結構后，首先通過光刻工藝形成掩膜，通過化學腐蝕第二布拉格反射鏡露出氧化限制層；然后通過氧化工藝使氧化限制層部分氧化，形成氧化限制窗口及絕緣區域，起到電流限制作用；接著在InP歐姆接觸層上蒸發Au/Zn/Au形成環形第一 N電極；最后對N型InP襯底減薄至約100 μ m后并拋光,再蒸發Au/Ge/Ni,形成第二 N型電極完成器件的制作，獲得目標激光器。
[0035]優選地，所述襯底的材料采用N型InP ;
[0036]所述第一布拉格反射鏡包括33個周期的交替疊層設置的具有不同折射率的A材料層和B材料層，所述A材料層和B材料層具有相同的光學厚度，所述光學厚度接近激光器的工作波長的1/4 ;所述第一布拉格反射鏡對工作波長的反射率為99.7%?99.99% ;所述A材料層為摻雜濃度約為2 X 118cnT3的AlGaAsSb材料層，所述B材料層為摻雜濃度約為2 X 11W3的AlGaAsSb材料層或摻雜濃度約為2 X 118CnT3的InP材料層；
[0037]所述第一限制層采用N型摻雜的InP層，摻雜濃度約為2X 118CnT3 ；
[0038]所述有源區為7個周期量子阱結構，并且，勢壘層的材料In^yGaxAlyAs中，x=17%，y=30%,勢講層的材料 IrihGaxASyNhy 中，x=53%, y=99.8% ；
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