CN105337166B - 一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 - Google Patents
一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105337166B CN105337166B CN201510856825.8A CN201510856825A CN105337166B CN 105337166 B CN105337166 B CN 105337166B CN 201510856825 A CN201510856825 A CN 201510856825A CN 105337166 B CN105337166 B CN 105337166B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gaas
- active area
- growth
- molecular beam
- beam epitaxy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
本发明提供了一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延(MBE)生长方法,该方法包括先将GaAs衬底脱氧预处理后,依次外延生长GaAs缓冲层、下DBR、有源区、氧化限制层及上DBR,其生长过程中,有源区夹在上、下DBR之间,有源区势垒中间位置采用δ掺杂方法,其中掺杂源选用碳(C),δ掺杂结束后在As保护下停顿生长一段时间,藉由方法,解决了降低阈值、增加差分增益以及降低非线性增益压缩的技术问题,达成了减小光学损耗以及线宽,增强输出功率和本征带宽的良好效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域,尤指提供一种高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)的分子束外延生长方法。
背景技术
在移动终端急速扩张的今天,通信技术不断地往短距离数据传输领域拓展以应对数据中心和超级计算机数据传输量剧增的要求,而数据中心所需的数据传输量极大,面临着提高数据传输和处理速率以及降低能耗的巨大压力。垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有很短的谐振腔,易于实现动态单纵模工作,同时也因为微腔效应能实现极低阈值电流激射;圆形或方形有源区截面能获得良好的光束分布,具有发散射角小易于与光纤耦合的特点;垂直于衬底平面的出光方式便于面阵排列,可用于二维面阵集成以及与其他光电子器件进行空间光互联集成,在光计算和信息处理等方面都有着广泛的应用前景。
压应力VCSEL激光器能破坏价带的简并度,降低空穴的有效质量,使得类费米能级下移,对载流子的响应速度更快,更容易实现粒子数反转,从而降低激光器阈值、减少带间吸收及俄歇复合、降低线宽增强因子等。但是压应力会增加非线性增益压缩,反而会抑制差分增益,抑制了压应力激光器的本征带宽。为了补偿这种效应,有源区P型调制掺杂能增加带内散射,降低非线性增益压缩,减小K因子,起到增加带宽的作用。但有源区调制掺杂会引起带间吸收增强,非辐射复合增多的问题,造成较大的光学损耗,使得调制掺杂的作用大打折扣。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的主要目的在于提供一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法。
为达成上述目的,本发明应用的技术方案是:提供一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法,该方法包括先将GaAs衬底脱氧预处理后,依次外延生长GaAs缓冲层、下DBR、有源区、氧化限制层及上DBR,其生长过程中,有源区夹在上、下DBR之间,其特征在于:有源区势垒中间位置采用δ掺杂方法,其中掺杂源选用碳,δ掺杂结束后在砷保护下停顿生长一段时间。
在本实施例中优选,有源区由三个周期In0.1Ga0.9As/GaAs应变量子阱层组成,其中:量子阱势垒GaAs采用P型δ掺杂;上、下DBR由渐变AlGaAs/GaAs组成;氧化限制层为高铝氧化限制层,采用湿法氧化形成氧化孔。
在本实施例中优选,有源区的光学厚度为1.5λ,λ为激射波长,其中:1.5λ有源区厚度采用原位反射方法校正使得激射波长与光场匹配。
在本实施例中优选,P型δ掺杂位置在势垒层GaAs的正中间,两侧各一半厚度非掺杂势垒层GaAs。
在本实施例中优选,P型δ掺杂是采用碳掺杂,当δ掺杂时停止GaAs生长,δ掺杂后关闭碳源,只打开砷阀保护表面晶体再构,停顿10-30秒后再打开镓挡板继续生长另一半GaAs势垒层。
在本实施例中优选,氧化孔采用湿法氧化方法,使孔径直径控制在10-20微米。
在本实施例中优选,GaAs脱氧预处理步骤是GaAs衬底在190摄氏度的温度条件下在进样室烘烤2小时,在420摄氏度条件下加热至制备室内大气压力降至2.5×10-7Torr,传入生长室并在有砷保护的环境下对GaAs衬底脱氧处理,温度为630-670摄氏度,时间为5-10分钟。
在本实施例中优选,GaAs衬底在脱氧过程中,通过反射式高能电子衍射仪观察衬底表面的原子再构,当出现2×4再构时完成脱氧。
在本实施例中优选,GaAs缓冲层厚度为300nm,生长速率为1μm/h,V/III比控制在20。
在本实施例中优选,上、下DBR、有源区及氧化限制层的生长温度为600-620摄氏度之间,速率0.8-1.0μm/h,V/III比控制在20。
本发明与现有技术相比,其有益的效果是:通过δ掺杂有源区降低阈值、增加差分增益以及降低非线性增益压缩,本发明提出的有源区δ掺杂能有效减少杂质向量子阱的扩散,降低光学损耗和带间吸收以及非辐射俄歇复合,能够降低应变带来的非线性增益压缩增加量,同时减少掺杂对有源区的影响,减小光学损耗以及线宽,增强输出功率和本征带宽。
附图说明
图1是本发明垂直腔面发射激光器的结构示意图
图2是本发明有源区掺杂示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明的技术方案,而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作,因此不应当理解为对本发明的限制。
请参阅图1并结合参阅图2所示,本发明提供一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法,其包括的步骤是:先将GaAs衬底100在190摄氏度的温度条件下在进样室烘烤2小时后,在420摄氏度条件下加热至制备室内大气压力降到2.5×10-7Torr,然后传入生长室在有As(砷)保护的情况下对GaAs衬底脱氧处理,温度为660摄氏度,时间为5-10分钟,在脱氧过程中,通过反射式高能电子衍射仪观察衬底表面的原子再构,当出现2×4再构时表明脱氧基本完成,再将温度设为620摄氏度生长GaAs缓冲层300nm,生长速率为1μm/h,V/III比控制在20,接着生长下布拉格反射镜(DBR)、有源区、氧化限制层、上布拉格反射镜,生长温度600-620摄氏度,速率0.8-1.0μm/h,V/III比控制在20。
有源区10夹在上、下DBR30、20之间形成三明治结构,其中:上DBR30由AlGaAs层32和GaAs层31交替组成渐变组,下DBR20由AlGaAs层22和GaAs层21交替组成渐变组。对应光学波长为激光器激射波长λ的1/4,用于提供高的反射率,同时形成电流注入通道,下DBR20是N型掺杂,上DBR30是P型掺杂,P型的上DBR30在靠近有源区10位置包含一层高铝组分Al0.98Ga0.02As氧化限制层34,用于湿法氧化形成限制孔,限制电光的注入范围,其直径为10-20微米。有源区10由三个周期的In0.1Ga0.9As势阱12和GaAs势垒11交替组成,有源区10的总厚度为1.5λ,λ为激射波长,有源区10的总厚度由原位反射谱监控,精确控制有源区10厚度能够使激射波长与光场匹配更好,增大输出功率,提高VCSEL的出光效率。每个势垒层GaAs生长至一半厚度时,关闭Ga(镓)挡板且维持As(砷)保护,δ掺杂C(碳),碳源炉温度对应体掺杂浓度为2×1018cm-3,掺杂时间为10-30秒,掺杂结束后,关闭碳源炉阀门,暂停10-30秒后,待碳浓度衰减至10%以下,开启镓挡板,生长另一半GaAs势垒层。高温生长时,P型杂质的扩散系数较大,很容易进入量子阱势阱中,形成非辐射复合中心,降低VCSEL的发光效率,增加功耗,同时降低了载流子的响应速度,影响激光器的带宽,而碳的扩散系数比其他P型掺杂源的扩散系数要小很多,同时碳的掺杂位置在势垒层GaAs的正中间,采用δ掺杂的方法能有效的抑制杂质进入势阱中,对于提高有源区出光效率和本征带宽有很大帮助。
分子束外延生长结束后,通过标准工艺刻蚀下台面,湿法氧化形成氧化孔,直径为10-20微米,制作台面侧壁保护层和N型电极欧姆接触23,再通过标准工艺刻蚀上台面制作P型电极欧姆接触33。
Claims (6)
1.一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法,所包括的步骤是:先将GaAs衬底脱氧预处理后,依次外延生长GaAs缓冲层、下DBR、有源区、氧化限制层及上DBR,其生长过程中,有源区夹在上、下DBR之间,其特征在于:有源区势垒中间位置采用δ掺杂方法,其中掺杂源选用碳,δ掺杂结束后在砷保护下停顿生长一段时间;有源区由三个周期In0.1Ga0.9As/GaAs应变量子阱层组成,其中:量子阱势垒GaAs采用P型δ掺杂;上、下DBR由渐变AlGaAs/GaAs组成;氧化限制层为高铝氧化限制层,采用湿法氧化形成氧化孔;有源区的光学厚度为1.5λ,λ为激射波长,其中:1.5λ有源区厚度采用原位反射方法校正使得激射波长与光场匹配;P型δ掺杂位置在势垒层GaAs的正中间,两侧各一半厚度非掺杂势垒层GaAs;P型δ掺杂是采用碳掺杂,当δ掺杂时停止GaAs生长,δ掺杂后关闭碳源,只打开砷阀保护表面晶体再构,停顿10-30秒后,待碳浓度衰减至10%以下再打开镓挡板继续生长另一半GaAs势垒层,其中,碳源炉温度对应体掺杂浓度为2×1018cm-3。
2.如权利要求1所述的分子束外延生长方法,其特征在于:氧化孔采用湿法氧化方法,使孔径直径控制在10-20微米。
3.如权利要求2所述的分子束外延生长方法,其特征在于:GaAs脱氧预处理步骤是GaAs衬底在190摄氏度的温度条件下在进样室烘烤2小时,在420摄氏度条件下加热至制备室内大气压力降至2.5×10-7Torr,传入生长室并在有砷保护的环境下对GaAs衬底脱氧处理,温度为630-670摄氏度,时间为5-10分钟。
4.如权利要求3所述的分子束外延生长方法,其特征在于:GaAs衬底在脱氧过程中,通过反射式高能电子衍射仪观察衬底表面的原子再构,当出现2×4再构时完成脱氧。
5.如权利要求4所述的分子束外延生长方法,其特征在于:GaAs缓冲层厚度为300nm,生长速率为1μm/h,V/III比控制在20。
6.如权利要求5所述的分子束外延生长方法,其特征在于:上、下DBR、有源区及氧化限制层的生长温度为600-620摄氏度之间,速率0.8-1.0μm/h,V/III比控制在20。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510856825.8A CN105337166B (zh) | 2015-11-30 | 2015-11-30 | 一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 |
PCT/CN2015/098541 WO2017092093A1 (zh) | 2015-11-30 | 2015-12-24 | 一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510856825.8A CN105337166B (zh) | 2015-11-30 | 2015-11-30 | 一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105337166A CN105337166A (zh) | 2016-02-17 |
CN105337166B true CN105337166B (zh) | 2019-01-11 |
Family
ID=55287542
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510856825.8A Active CN105337166B (zh) | 2015-11-30 | 2015-11-30 | 一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105337166B (zh) |
WO (1) | WO2017092093A1 (zh) |
Families Citing this family (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107240857B (zh) * | 2017-06-28 | 2019-09-24 | 聊城大学 | 一种垂直腔面发射激光器及其制作方法 |
CN111542978A (zh) * | 2018-01-03 | 2020-08-14 | 厦门市三安集成电路有限公司 | 消费型半导体激光装置 |
CN108923253B (zh) * | 2018-07-05 | 2020-07-28 | 扬州乾照光电有限公司 | 一种vcsel芯片及制作方法 |
CN108666867B (zh) * | 2018-07-31 | 2023-05-05 | 西安工业大学 | 一种输出空心光束的激光器及其制作方法 |
JP7095498B2 (ja) * | 2018-08-31 | 2022-07-05 | 住友電気工業株式会社 | 垂直共振型面発光レーザ、垂直共振型面発光レーザを作製する方法 |
CN109193341B (zh) * | 2018-09-28 | 2020-07-24 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 垂直腔面发射激光器及其制作方法 |
CN109616871B (zh) * | 2018-12-04 | 2020-06-26 | 扬州乾照光电有限公司 | 一种vcsel芯片及其制作方法 |
CN110808535A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-18 | 江苏索尔思通信科技有限公司 | 一种高可靠性的应变量子阱激光器的外延片生长方法 |
CN114552383B (zh) * | 2020-11-27 | 2023-07-18 | 山东华光光电子股份有限公司 | 一种无铝有源区的红光半导体激光器及其制备方法 |
CN113725728B (zh) * | 2021-08-31 | 2023-05-26 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 垂直腔面发射激光器及其制备方法 |
CN113809637B (zh) * | 2021-09-14 | 2023-09-08 | 苏州长瑞光电有限公司 | 氧化孔生成方法及垂直腔面发射激光器 |
CN114614340B (zh) * | 2022-05-12 | 2022-07-29 | 山东大学 | 一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法 |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6898215B2 (en) * | 2001-04-11 | 2005-05-24 | Optical Communication Products, Inc. | Long wavelength vertical cavity surface emitting laser |
JP2005252032A (ja) * | 2004-03-04 | 2005-09-15 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 面発光レーザ素子およびそれを用いたレーザモジュール |
JP5444248B2 (ja) * | 2007-12-28 | 2014-03-19 | アギア システムズ インコーポレーテッド | デルタドープされた活性領域を有する導波路装置 |
CN101685942A (zh) * | 2008-09-27 | 2010-03-31 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔面发射激光器及方法 |
KR101376976B1 (ko) * | 2012-06-29 | 2014-03-21 | 인텔렉추얼디스커버리 주식회사 | 반도체 발광 디바이스 |
-
2015
- 2015-11-30 CN CN201510856825.8A patent/CN105337166B/zh active Active
- 2015-12-24 WO PCT/CN2015/098541 patent/WO2017092093A1/zh active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105337166A (zh) | 2016-02-17 |
WO2017092093A1 (zh) | 2017-06-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105337166B (zh) | 一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法 | |
US6674778B1 (en) | Electrically pumped edge-emitting photonic bandgap semiconductor laser | |
Bakonyi et al. | High-gain quantum-dot semiconductor optical amplifier for 1300 nm | |
US9318872B2 (en) | VCSEL with integrated electrically modulated intra-cavity graphene absorber | |
CN102684069B (zh) | 基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器 | |
CN100391069C (zh) | 单模f-p腔量子级联激光器的器件结构 | |
CN101888056B (zh) | 采用光陷阱超小发散角高功率半导体激光器外延材料结构 | |
US20110081109A1 (en) | Nanoparticle array photonic waveguide | |
Chen et al. | Hybrid quantum well/quantum dot structure for broad spectral bandwidth emitters | |
CN104538839A (zh) | 平面波导型石墨烯被动锁模激光器 | |
Su et al. | Elimination of bimodal size in InAs/GaAs quantum dots for preparation of 1.3-μm quantum dot lasers | |
CN108233179A (zh) | 一种无铝波导层的红光半导体激光器结构 | |
EP0025749A1 (fr) | Procédé de fabrication d'un laser à semiconducteur à confinements transverses optique et électrique et laser obtenu par ce procédé | |
Butté et al. | Room temperature polariton lasing in III-nitride microcavities: a comparison with blue GaN-based vertical cavity surface emitting lasers | |
Kwoen et al. | E‐band InAs quantum dot laser on InGaAs metamorphic buffer layer with filter layer | |
CN114006268B (zh) | 一种多有源区半导体结构及其制备方法 | |
Miyamoto et al. | Surface emitting lasers grown by chemical beam epitaxy | |
CN204361476U (zh) | 808nm平顶光场大功率激光器 | |
CN107147005B (zh) | 非对称波导980nm单模激光器 | |
US10069274B2 (en) | Tunable optical device | |
Dou et al. | Optically pumped GeSn-edge-emitting laser with emission at 3 μm for Si photonics | |
Wan et al. | Quantum dot lasers grown on (001) Si substrate for integration with amorphous Si waveguides | |
CN104600562A (zh) | 808nm平顶光场大功率激光器 | |
CN106329311B (zh) | 一种含侧边可调增益/吸收区的半导体锁模激光器 | |
JP2005136371A (ja) | ストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |