CN100377456C - 垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，包括(100)砷化镓衬底；生长的单层砷化镓过渡层；生长的多层外部N型布拉格反射层；生长的多层内部N型布拉格反射层；生长的多层量子阱结构；生长的单层内部P型布拉格反射层；生长的多层P型氧化层；生长的多层内部P型布拉格反射层；生长的多层外部P型布拉格反射层；生长的单层高掺杂的P型电流扩展层；生长的单层超高掺杂的P型表面覆盖层。本发明逐层生长所需要的多层布拉格反射层加量子阱结构，重复性高和稳定性好，制造工艺简单、可靠，并大大提高了外延生长的成品率。

Description

垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构
技术领域
本发明涉及光通信领域中半导体激光器材料，具体说是一种垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构。
背景技术
垂直腔面发射半导体激光器是光从垂直于半导体衬底表面方向发射的一种半导体激光器，具有模式好、阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成高、发散角小、耦合效率高、价格便宜等很多优点。因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性能价格比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用。由于垂直腔面发射半导体激光器价格非常低廉，一般各大公司不会推出单独的垂直腔面发射半导体激光器模块，而是应用在自己的光收发器产品上。但垂直腔面发射半导体激光器工艺制备的瓶颈很多，想要进一步大量生产，仍需克服材料、工艺和成品率等问题，提供新的垂直腔面发射半导体激光器材料。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，提高产品的成品率。
为解决上述技术问题，本发明的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，包括：
第一层为(100)砷化镓衬底；
第二层为生长的单层砷化镓过渡层；
第三层为生长的多层外部N型布拉格反射层；
第四层为生长的多层内部N型布拉格反射层；
第五层为生长的多层量子阱结构；
第六层为生长的单层内部P型布拉格反射层；
第七层为生长的多层P型氧化层；
第八层为生长的多层内部P型布拉格反射层；
第九层为生长的多层外部P型布拉格反射层；
第十层为生长的单层碳掺杂浓度在0.1-3×1019/cc的高掺杂的P型电流扩展层；
第十一层为生长的单层碳掺杂浓度在1-3×1019/cc的超高掺杂的P型表面覆盖层。
所述的生长的单层砷化镓过渡层，厚度为3000-7000，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。
所述的生长的多层外部N型布拉格反射层为30-40层外部N型布拉格反射层，反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。
所述的生长的多层内部N型布拉格反射层为生长的5-10层内部N型布拉格反射层，反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，硅掺杂浓度在0.3-1×1018/cc。
所述的生长的多层量子阱结构为生长的5-10层量子阱结构，由不掺杂的铝镓砷和砷化镓交替构成，总厚度为50-100。
所述的单层内部P型布拉格反射层，由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在1-6×1018/cc。
所述的生长的多层P型氧化层为生长的3-8层P型氧化层，氧化层由铝镓砷构成，铝含量由低向高生长，主氧化层的铝含量达到98％，总厚度是2000-4000，碳掺杂浓度在0.5-4×1018/cc。
所述的多层内部P型布拉格反射层为生长的5-10层内部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在0.5-6×1018/cc。
所述的多层外部P型布拉格反射层为生长的15-25层外部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在1-7×1018/cc。
采用上述结构的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，采用MOCVD系统，经合适的升温和降温控制，逐层生长所需要的多层布拉格反射层加量子阱结构，其重复性高和稳定性好，制造工艺简单、可靠，并大大提高了外延生长的成品率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：
附图为本发明纵剖面的结构示意图。
具体实施方式
参照附图，该垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，包括以下十一部分，每一部分作为一个层结构，第(1)部分是(100)砷化镓衬底，晶向偏差角度0.8-8度，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。第(2)部分是生长的单层砷化镓过渡层，厚度3000-7000，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。第(3)部分是生长的30-40层外部N型布拉格反射层，反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。第(4)部分是生长的5-10层内部N型布拉格反射层，反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，硅掺杂浓度在0.3-1×1018/cc。第(5)部分是生长的5-10层量子阱结构，由不掺杂的铝镓砷和砷化镓交替构成，总厚度50-100。第(6)部分是生长的单层内部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在1-6×1018/cc。第(7)部分是生长的3-8层P型氧化层，氧化层由铝镓砷构成，铝含量由低向高生长，主氧化层的铝含量达到98％，总厚度是2000-4000，碳掺杂浓度在0.5-4×1018/cc。第(8)部分是生长的5-10层内部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在0.5-6×1018/cc。第(9)部分是生长的1525层外部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在1-7×1018/cc。第(10)部分是生长的单层高掺杂的P型电流扩展层，电流扩展层由铝镓砷构成，铝含量由高向低生长，主电流扩展层的铝含量在15-35％，厚度是150-500，碳掺杂浓度在0.1-3×1019/cc。第(11)部分是生长的单层超高掺杂的P型表面覆盖层，表面覆盖层由砷化镓构成，厚度是150-500，碳掺杂浓度在1-3×1019/cc。
该垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构采用以下工艺方法制造：利用MOCVD系统，经合适的升温和降温控制，逐层生长所需要的多层布拉格反射层加量子阱结构。工艺开始后，把砷化镓衬底放置在的MOCVD炉体内的石墨盘上，密封炉体以达到工艺所要求的气密性，反应气体由高纯氢气夹带进入炉体，加热炉体到650-750℃停留3-10分钟，继续加热到第(2)部分的生长温度停留660-760℃，在同一温度依次进行第(2)部分单层砷化镓过渡层、第(3)部分3040层外部N型布拉格反射层、第(4)部分5-10层内部N型布拉格反射层、第(5)部分5-10层量子阱结构、第(6)部分单层内部P型布拉格反射层、第(7)部分3-8层P型氧化层、第(8)部分5-10层内部P型布拉格反射层和第(9)部分15-25层外部P型布拉格反射层的生长。接着快速降温到550-650℃，进行第(10)部分单层高掺杂的P型电流扩展层的生长。然后降温到500-600℃，进行第(11)部分单层超高掺杂的P型表面覆盖层的生长。最后切断生长气体，关闭加热器电源，在氢气中自然降温到室温，关闭氢气，打开炉体，取出生长后的砷化镓晶片，至此整个工艺过程结束。

Claims (9)

1.一种垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是包括：
第一层为(100)砷化镓衬底；
第二层为生长的单层砷化镓过渡层；
第三层为生长的多层外部N型布拉格反射层；
第四层为生长的多层内部N型布拉格反射层；
第五层为生长的多层量子阱结构；
第六层为生长的单层内部P型布拉格反射层；
第七层为生长的多层P型氧化层；
第八层为生长的多层内部P型布拉格反射层；
第九层为生长的多层外部P型布拉格反射层；
第十层为生长的单层碳掺杂浓度在0.1-3×1019/cc的高掺杂的P型电流扩展层；
第十一层为生长的单层碳掺杂浓度在1-3×1019/cc的超高掺杂的P型表面覆盖层。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的生长的单层砷化镓过渡层，厚度为3000-7000，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的生长的多层外部N型布拉格反射层为30-40层外部N型布拉格反射层，反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，硅掺杂浓度在0.5-3×1018/cc。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的生长的多层内部N型布拉格反射层为生长的5-10层内部N型布拉格反射层，反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，硅掺杂浓度在0.3-1×1018/cc。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的生长的多层量子阱结构为生长的5-10层量子阱结构，由不掺杂的铝镓砷和砷化镓交替构成，总厚度为50-100。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的单层内部P型布拉格反射层，由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在1-6×1018/cc。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的生长的多层P型氧化层为生长的3-8层P型氧化层，氧化层由铝镓砷构成，铝含量由低向高生长，主氧化层的铝含量达到98％，总厚度是2000-4000，碳掺杂浓度在0.5-4×1018/cc。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的多层内部P型布拉格反射层为生长的5-10层内部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在0.5-6×1018/cc。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光二极管的外延结构，其特征是所述的多层外部P型布拉格反射层为生长的15-25层外部P型布拉格反射层，布拉格反射层由铝镓砷构成，厚度符合布拉格反射定义，碳掺杂浓度在1-7×1018/cc。
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