CN104319626A - 一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，该缓冲层生长在所述衬底上；下分布布拉格反射镜层生长在所述缓冲层上；该下相位匹配层生长在所述下分布布拉格反射镜层上；亚集电极层生长在所述下相位匹配层上；集电极层生长在所述亚集电极层上；基极及量子阱有源区层生长在所述集电极层上；发射极层生长在所述基极及量子阱有源区层上；上相位匹配层生长在所述发射极层上；氧化限制层生长在所述上相位匹配层上；上分布布拉格反射镜层生长在所述氧化限制层上。本发明提供的微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，将VCSEL的优异光学性能与异质结晶体管的高速电学性能相结合，可以应用在光学互联和OEIC等领域。

Description

一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及微波及半导体激光器领域，特别涉及一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器。
背景技术
2005年，美国伊利诺依大学的一个研究小组在世界上首次报道了一种称为异质结双极型晶体管激光器的半导体器件(Appl.Phys.Lett.87，131103)，仅利用较为简单的外延及制作工艺，该器件同时实现了激光器的发光功能和晶体管的放大功能。与普通晶体管的不同之处在于，晶体管的基区中引入了一个量子阱。在一定的基极-发射极电压下，电子会由发射区注入基区，部分电子在量子阱区与空穴复合发光，另一部分电子则由反向偏置的基极-集电极电压快速扫出基区。由于具有将基区电子快速扫出的功能，与传统的激光二极管相比，晶体管激光器基区的电子寿命要小得多，因而有望得到更高的直接调制速率。目前，传统的半导体激光器的直接调制速率很难超过10Ghz，一般都需要利用电光调制器提高频率，而晶体管激光器的直接调制速率可超过40Ghz。另外，晶体管激光器的结构和制作工艺与微波电子学器件兼容，很容易实现HBT调制驱动电路和激光器的集成。正因有此特点，晶体管激光器将有可能在光子互联、光电子集成(OEIC)以及光信号处理等方面发挥巨大作用。
在上述所报道的晶体管激光器结构中，激光出光方式为边发射，而垂直腔面发射激光器作为一种新型光源，具有如下优点：(1)谐振腔小，易产生微腔效应，低阈值(亚毫安量级)激射；(2)谐振腔比较短，因而纵模间隔很大，动态调制频率高；(3)有源区截面呈圆对称型，光束方向性好，易耦合；(4)出光方向垂直于衬底平面，适合于并行光互连和信息处理；(5)器件体积小，可高密度地形成二维阵列激光器；(6)单片外延生长形成，便于对生长材料的质量检查与筛选，成品率高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，为光子互联、OEIC提供性能优良的直接调制光源。
为达到上述目的，本发明提供了一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，包括衬底1、缓冲层2、下分布布拉格反射镜层3、下相位匹配层4、亚集电极层5、集电极层6、基极及量子阱有源区层7、发射极层8、上相位匹配层9、氧化限制层10、上分布布拉格反射镜层11。
该缓冲层2生长在所述衬底1上；
下分布布拉格反射镜层3，该下分布布拉格反射镜层3生长在所述缓冲层2上；
下相位匹配层4，该下相位匹配层4生长在所述下分布布拉格反射镜层3上；
亚集电极层5，该亚集电极层5生长在所述下相位匹配层4上；
集电极层6，该集电极层6生长在所述亚集电极层5上；
基极及量子阱有源区层7，该基极及量子阱有源区层7生长在所述集电极层6上；
发射极层8，该发射极层8生长在所述基极及量子阱有源区层7上；
上相位匹配层9，该上相位匹配层9生长在所述发射极层8上；
氧化限制层10，该氧化限制层10生长在所述上相位匹配层9上；
上分布布拉格反射镜层11，该上分布布拉格反射镜层11生长在所述氧化限制层10上；
上述方案中，所述衬底1可以是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底。
上述方案中，所述基极及量子阱有源区层7中，有源区量子阱的个数为3-6个。
上述方案中，由发射极层8注入的电子一部分在基极及量子阱有源区层7中辐射复合发光，另一部分被亚集电极层5快速收集，形成集电极电流。
上述方案中，所述下相位匹配层4、亚集电极层5、集电极层6、基极及量子阱有源区层7、发射极层8、上相位匹配层9组成垂直腔面发射激光器的光学腔，整个腔的光学厚度为激光波长的整数倍。
上述方案中，所述亚集电极层5的厚度为30-70nm，所述集电极层6的厚度为30-70nm，所述基极及量子阱有源区层7的厚度为60-120nm，所述发射极层8的厚度为40-120nm。
上述方案中，所述氧化限制层10为高铝组分材料，利用湿法氧化工艺可以形成电流注入通道，厚度为20-40nm。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果。
本发明提供的这种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，将VCSEL的优异光学性能与异质结晶体管的高速电学性能相结合，有望实现直接调制频率大于40GHz的高性能光源，可以应用在光学互联和OEIC等领域。
附图说明
图1是本发明提供的微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器的结构示意图。
图中：1、衬底，2、缓冲层，3、下分布布拉格反射镜层，4、下相位匹配层，5、亚集电极层，6、集电极层，7、基极及量子阱有源区层，8、发射极层，9、上相位匹配层，10、氧化限制层，11、上分布布拉格反射镜层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
以GaAs为衬底，介绍本发明的生长过程。
步骤1：在GaAs衬底上生长200-500nm的GaAs缓冲层；
步骤2：在缓冲层上生长30对Al0.9Ga0.1As/GaAs下分布布拉格反射镜，Al0.9Ga0.1As厚度为80nm，GaAs厚度为70nm，布拉格中心波长为980nm；
步骤3：在下分布布拉格反射镜上生长下相位匹配层，材料为AlGaAs渐变结构，Al组分从0.6-0.3，厚度为27nm；
步骤4：在下相位匹配层上生长n+亚集电极层，材料为GaAs，厚度为30nm；
步骤5：在亚集电极层上生长非掺杂集电极层，材料为GaAs，厚度为30nm；
步骤6：在集电极层上生长基极及量子阱有源区层，从下到上依次为30nmp+GaAs，3个In0.17GaAs0.83/GaAs量子阱，阱宽6nm，垒宽7nm，然后是30nmp+GaAs；
步骤7：在基极及量子阱有源区层上生长n+发射极层，材料为In0.49Ga0.51P，厚度为60nm；
步骤8：在发射极层上生长上相位匹配层，材料为AlGaAs渐变结构，Al组分从0.3-0.6，厚度为33nm；
步骤9：在上相位匹配层上生长氧化限制层，材料为Al0.98Ga0.02As，厚度为30nm；
步骤10：在氧化限制层上24对Al0.9Ga0.1As/GaAs上分布布拉格反射镜，Al0.9Ga0.1As厚度为80nm，GaAs厚度为70nm，布拉格中心波长为980nm；
本发明提供的微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器的材料结构，考虑到外延生长和器件性能两方面的实际要求，各层厚度、组分可在一定范围内，根据具体材料和器件指标进行调整。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：该激光器包括衬底(1)、缓冲层(2)、下分布布拉格反射镜层(3)、下相位匹配层(4)、亚集电极层(5)、集电极层(6)、基极及量子阱有源区层(7)、发射极层(8)、上相位匹配层(9)、氧化限制层(10)、上分布布拉格反射镜层(11)；该缓冲层(2)生长在所述衬底(1)上；下分布布拉格反射镜层(3)生长在所述缓冲层(2)上；该下相位匹配层(4)生长在所述下分布布拉格反射镜层(3)上；亚集电极层(5)生长在所述下相位匹配层(4)上；集电极层(6)生长在所述亚集电极层(5)上；基极及量子阱有源区层(7)生长在所述集电极层(6)上；发射极层(8)生长在所述基极及量子阱有源区层(7)上；上相位匹配层(9)生长在所述发射极层(8)上；氧化限制层(10)生长在所述上相位匹配层(9)上；上分布布拉格反射镜层(11)生长在所述氧化限制层(10)上。
2.根据权利要求1所述的一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底(1)可以是InP衬底，或是GaAs衬底，或是GaN衬底，或是SiC衬底，或是Si衬底。
3.根据权利要求1所述的一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述基极及量子阱有源区层(7)中，有源区量子阱的个数为3-6个。
4.根据权利要求1所述的一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：由发射极层(8)注入的电子一部分在基极及量子阱有源区层(7)中辐射复合发光，另一部分被亚集电极层(5)快速收集，形成集电极电流。
5.根据权利要求1所述的一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述下相位匹配层(4)、亚集电极层(5)、集电极层(6)、基极及量子阱有源区层(7)、发射极层(8)、上相位匹配层(9)组成垂直腔面发射激光器的光学腔，整个腔的光学厚度为激光波长的整数倍。
6.根据权利要求1所述的一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述氧化限制层(10)为高铝组分材料，利用湿法氧化工艺可以形成电流注入通道，厚度为20-40nm。
7.根据权利要求1所述的一种微波载流子直接调制的垂直腔面发射激光器，其特征在于：该激光器的生长过程如下，
步骤1：在GaAs衬底上生长200-500nm的GaAs缓冲层；
步骤2：在缓冲层上生长30对Al0.9Ga0.1As/GaAs下分布布拉格反射镜，Al0.9Ga0.1As厚度为80nm，GaAs厚度为70nm，布拉格中心波长为980nm；
步骤3：在下分布布拉格反射镜上生长下相位匹配层，材料为AlGaAs渐变结构，Al组分从0.6-0.3，厚度为27nm；
步骤4：在下相位匹配层上生长n+亚集电极层，材料为GaAs，厚度为30nm；
步骤5：在亚集电极层上生长非掺杂集电极层，材料为GaAs，厚度为30nm；
步骤6：在集电极层上生长基极及量子阱有源区层，从下到上依次为30nmp+GaAs，3个In0.17GaAs0.83/GaAs量子阱，阱宽6nm，垒宽7nm，然后是30nmp+GaAs；
步骤7：在基极及量子阱有源区层上生长n+发射极层，材料为In0.49Ga0.51P，厚度为60nm；
步骤8：在发射极层上生长上相位匹配层，材料为AlGaAs渐变结构，Al组分从0.3-0.6，厚度为33nm；
步骤9：在上相位匹配层上生长氧化限制层，材料为Al0.98Ga0.02As，厚度为30nm；
步骤10：在氧化限制层上24对Al0.9Ga0.1As/GaAs上分布布拉格反射镜，Al0.9Ga0.1As厚度为80nm，GaAs厚度为70nm，布拉格中心波长为980nm。
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