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

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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

一种高速垂直腔面发射激光器的分子束外延生长方法
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。
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