CN106654860A - 一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法 - Google Patents

一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法，属于光通信用激光器材料和半导体光电子材料及其制造技术领域。所述材料包括在单晶InP衬底上依次制备得到的下DBR结构、激光器外延材料结构和上DBR结构，所述的下DBR结构包括多层介质图形结构及在其中生长的InP缓冲层和InP侧向外延层。本发明将纳米尺度侧向外延方法与传统Si/SiO2多层介质结构相结合，同时实现高反射率的下DBR结构与InP晶格匹配的虚拟衬底功能的方法；采用MOCVD方法解决了InP基长波长VCSEL外延材料的高反射率下DBR结构的材料制备问题，且省去了复杂的下DBR结构外延过程，减少VCSEL外延材料制备的成本，更适合于产业化的材料制备要求。

Description

一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法
技术领域
本发明属于光通信用激光器材料和半导体光电子材料及其制造技术领域，涉及一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的材料和器件结构完全不同于边发射激光器，与边发射激光器相比VCSEL具有众多优点，主要有：晶片可以在位直接测试、不需解理面腔镜、便于制作大规模二维阵列、圆形对称光束输出、易于实现稳定动态单模工作、低功率消耗、高光纤耦合效率、高直接调制速率、低制作和封装成本。基于这些特点，垂直腔面发射激光器更适合于应用在光纤通信系统中。目前，商品化的850nm VCSEL已经在短距离光通信和光互连等领域获得广泛应用。
近年来，以数据、视频为主的以太网业务每年都在爆炸性激增，并逐步超越语音业务成为干线链路中传送的主要信息流，这使得目前长途传输网络的业务总量迅速增长。但是由于光纤在850nm波段光损耗较大，使得技术成熟的850nm VCSEL无法应用于骨干网和城域网。因而，能够适用于长途光通信系统的1550nm VCSEL器件成为满足当前大容量、高速率城域网和骨干网的迫切需求。但是对于1550nm VCSEL器件，由于InP/InGaAsP的折射率差较小，没有合适的材料制作得到高反射率的InP基分布布拉格反射腔镜(DBR)，从而导致1550nm InP基VCSEL器件的光电性能一直无法达到实用化要求。
为了解决1550nm VCSEL器件的DBR问题，目前采用的方法有：(1)将高反射性能的AlGaAs/GaAs DBR与InP基有源区键合；(2)使用光学介质DBR；(3)引入锑(Sb)化物材料制作高反射性能DBR；(4)发展GaAs基长波长量子点有源区结构VCSEL；(5)采用在InP衬底上异变外延AlGaAs/GaAs DBR方法，生长InP基VCSEL材料的上DBR结构。但是，到目前为止，上述方法均未取得满意的效果，如：(1)采用AlGaAs/GaAs DBR与InP基有源区键合的方法，其成品率低，且后续的器件制作工艺也会对键合的质量造成影响；(2)对于光学介质DBR方法，只能用作VCSEL的上DBR结构，而下DBR结构无法采用；(3)对于锑化物材料制作的高反射性能DBR，由于材料的热导率低，所需的反射层对数多，因而导致器件的热阻大，降低器件的光电性能；另外，锑化物材料与InP之间容易形成位错，从而严重影响有源区材料的晶体质量和光增益性能；(4)对于GaAs基长波长量子点有源区结构VCSEL，目前已经实现激射波长1310nm的GaAs基量子点有源区结构的材料生长，但是还很难实现激射波长1550nm的GaAs基量子点有源区结构；(5)对于在InP衬底上异变外延AlGaAs/GaAs DBR的方法，只是将上DBR结构改变为AlGaAs/GaAs DBR，而下DBR结构的问题还是存在。因此，如何解决1550nm VCSEL器件的上、下高反射率DBR结构，特别是高反射率下DBR结构和制备，成为提高其光电性能和实现实用化的关键。
发明内容
为了解决现有技术中波长1550nm VCSEL外延材料没有合适的材料制作高反射率下DBR的问题。
本发明提供的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，由下到上依次为单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构，在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；所述的顶部反射腔镜结构为多层介质结构，作为上DBR结构。所述的多层介质图形结构由Si薄膜和SiO2薄膜交替生长组成，每层Si薄膜的厚度为280nm，每层SiO2薄膜的厚度为110nm，并且第一层SiO2薄膜生长在单晶InP衬底上。
优选的，所述的多层介质图形结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成。
本发明还提供一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
第一步，在单晶InP衬底上制备底部反射腔镜结构，即下DBR结构；
具体包括：在单晶InP衬底上制作多层介质图形结构；
在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层；
第二步，在底部反射腔镜结构上制备激光器外延材料结构层；
具体包括：在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层；在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区；在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层。
第三步，在所述的激光器外延材料结构层上制备多层介质结构作为垂直腔面发射激光器VCSEL的顶部反射腔镜结构，即上DBR结构。
所述的单晶InP衬底的晶面为<100>晶面，无偏角，单面抛光，掺杂类型为半绝缘(掺Fe)，厚度为375～675μm。
在所述的单晶InP衬底上制作多层介质图形结构，具体为：在开盒即用的单晶InP衬底上采用电子束蒸发或等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法制备得到Si/SiO2多层介质。该Si/SiO2多层介质由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替组成，其中的第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底上，最后一层为SiO2薄膜；每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm。然后，采用干法刻蚀技术，如反应离子刻蚀法，在Si/SiO2多层介质上刻蚀制备得到多层介质图形结构。
在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层，具体为：采用MOCVD方法，在655℃，应用选区外延方式，在多层介质图形结构的生长窗口区生长与多层介质图形结构掩膜等高的InP缓冲层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为50～70Torr；当InP缓冲层的厚度达到多层介质图形结构掩膜高度时，再应用合并外延条件，在655℃，生长800～1000nm的InP侧向外延层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr。
在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层，具体为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，生长n型InP欧姆接触层的厚度为200nm，掺Si浓度为5×1018～1×1019cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，硅烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr。
在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区，该多量子阱激光器有源区包括5层5nm InGaAs阱层和6层10nm InGaAsP(Eg＝1.25eV)垒层，所述阱层和垒层交替制备，第一层垒层制备在所述的n型InP欧姆接触层上，最后一层为垒层。具体制备方法为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，对于阱层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.3×10-5mol/min，砷烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr；对于垒层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为7.3×10-6mol/min，砷烷的流量为3.0×10-4mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr。
在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层，该p型欧姆接触层为p型重掺杂InGaAs材料，厚度为100nm，具体制备方法为：采用MOCVD方法，生长温度为530℃，掺Zn浓度为1019～1020cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.5×10-5mol/min，砷烷的流量为2.2×10-3mol/min，二乙基锌的流量为2.5×10- 6mol/min，反应室压力为100～150Torr。
在所述的激光器外延材料结构层的p型欧姆接触层上制备多层介质结构，具体为：采用普通电子束蒸发或PECVD等方法制备得到Si/SiO2多层介质结构。该Si/SiO2多层介质结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替组成，每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm，其中的第一层SiO2薄膜制备在所述的p型欧姆接触层上，最后一层为SiO2薄膜。
本发明的优点和积极效果在于：
(1)本发明将纳米尺度侧向外延方法与传统Si/SiO2多层介质结构DBR结构相结合，同时实现高反射率的下DBR结构与InP晶格匹配的虚拟衬底功能的方法。
(2)本发明采用MOCVD选区外延方法解决了InP基长波长VCSEL外延材料的高反射率下DBR结构的材料制备问题，且省去了复杂的下DBR结构外延过程，由相对低成本的电子束蒸发或PECVD等方法和刻蚀工艺代替，减少VCSEL外延材料制备的成本，更适合于产业化的材料制备要求。
附图说明
图1是本发明提出的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法流程图。
图2是本发明提供的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构示意图。
图3是本发明实施例制备的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构示意图。
图4是本发明实施例中一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的底部反射腔镜生长过程示意图。
图5(a)是本发明实施例制备的垂直面发射激光器的顶部反射腔镜即上DBR结构的反射率图。
图5(b)是本发明实施例垂直面发射激光器的新型底部反射腔镜即下DBR结构与传统多层介质结构的反射率对比图。
图6是发明实施例制备的新型下DBR结构在1.55微米波长光垂直入射条件下的光场分布图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例的详细描述，进一步说明本发明提出的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法，所述的制备方法流程如图1所示，具体步骤如下：
步骤101：在单晶InP衬底上制作多层介质图形结构，具体为：
在开盒即用的单晶InP衬底，采用电子束蒸发或PECVD等方法制备得到Si/SiO2多层介质结构。该多层介质结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替组成，其中的第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底上，每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm。在实际制备过程中，该Si/SiO2多层介质结构的层数可以根据实际情况适当增加或减少。然后，采用干法刻蚀技术，如反应离子刻蚀法，在Si/SiO2多层介质结构上刻蚀图案制备得到多层介质图形结构。所述的单晶InP衬底用于进行新型底部反射腔镜结构和垂直面发射激光器材料结构外延结构的生长。该单晶InP衬底为<100>晶面的InP单晶片，无偏角，单面抛光，掺杂类型为半绝缘(掺Fe)，厚度为350μm。
步骤102：在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层，具体为：
采用MOCVD方法，在655℃，应用选区外延方式，在多层介质图形结构的生长窗口区生长与多层介质图形结构掩膜等高的InP缓冲层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为70Torr；当InP缓冲层的厚度达到多层介质图形结构掩膜高度时，再应用合并外延方式，在655℃，生长800nm的InP侧向外延层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100Torr。
步骤103：在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层。
该n型欧姆接触层为Si掺杂InP材料，采用MOCVD方法，生长温度为655℃，厚度为200nm，掺Si浓度为5×1018～1×1019cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，硅烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100Torr。
步骤104：在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区。
采用MOCVD方法，生长温度为655℃。该多量子阱激光器有源区包括5层厚度为5nmInGaAs阱层和6层厚度为10nm InGaAsP(Eg＝1.25eV)垒层，所述每一层阱层和每一层垒层交替制备，第一层垒层制备在所述的n型欧姆接触层上。对于阱层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.3×10-5mol/min，砷烷的流量为4.5×10- 3mol/min，反应室压力为100Torr；对于垒层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10- 5mol/min，三甲基镓的流量为7.3×10-6mol/min，砷烷的流量为3.0×10-4mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100Torr。
步骤105：在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层。
该p型欧姆接触层为p型重掺杂InGaAs材料，采用MOCVD方法，厚度为100nm，掺Zn浓度为1019～1020cm-3，生长温度为530℃，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.5×10-5mol/min，砷烷的流量为2.2×10-3mol/min，二乙基锌的流量为2.5×10-6mol/min，反应室压力为100Torr。
步骤106：在所述的p型欧姆接触层上制备多层介质结构。
采用普通电子束蒸发或PECVD等方法制备得到Si/SiO2多层介质结构。该Si/SiO2多层介质结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替组成，每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm，其中的第一层SiO2薄膜制备在所述的p型欧姆接触层上。
通过以上步骤，本发明制备得到一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，如图2所示，包括单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层。所述的单晶InP衬底厚度325～375μm；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构和InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长有InP侧向外延层。所述的InP缓冲层厚度等于生长窗口区的厚度即多层介质图形结构的掩膜高度。InP侧向外延层厚度500nm。所述的n型欧姆接触层为n-InP欧姆接触层，所述的有源区为InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区，所述的p型欧姆接触层为p-InGaAs欧姆接触层，所述的n-InP欧姆接触层厚度200nm，InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区厚度85nm，p-InGaAs欧姆接触层厚度为100nm。所述的顶部反射腔镜结构为上DBR结构。所述的下DBR结构和上DBR结构均由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜组成，每层Si薄膜的厚度为280nm，每层SiO2薄膜的厚度为110nm，Si薄膜和SiO2薄膜交替生长；所述的InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区包括5层InGaAs阱层和6层InGaAsP垒层，每层阱层的厚度为5nm，每层垒层的厚度为10nm，阱层和垒层交替生长。
实施例1
本实施例提供一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法，主要采用MOCVD方法完成材料生长制备过程。这里仅以Thomas Swan 3×2″LP-MOCVD外延生长系统为例，详细介绍各层材料的制备工艺条件和作用。
MOCVD生长工艺过程中，载气为高纯氢气(99.999％)，Ⅲ族有机源为高纯度(99.999％)三甲基镓和三甲基铟，Ⅴ族源为高纯(99.999％)砷烷和磷烷，n型掺杂源为硅烷，p型掺杂源为二乙基锌，反应室压力为70～100Torr，生长温度范围为530～655℃。
具体制备步骤如下：
步骤201：
在单晶InP衬底上制作多层介质图形结构，如图4中(I)所示，具体为：在开盒即用的单晶InP衬底，采用电子束蒸发或PECVD等方法制备得到Si/SiO2多层介质结构。该多层介质结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成，其中的第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底上，每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm。在实际制备过程中，该Si/SiO2多层介质结构的层数可以根据实际情况适当增加或减少。
然后，采用干法刻蚀技术，如反应离子刻蚀法，在Si/SiO2多层介质结构上刻蚀制备得到一维条型图形结构，如图4中(II)所示。所述一维条形图形结构的周期和刻蚀槽的宽度分别为1000nm和100nm。刻蚀槽的深度即掩膜高度一直到InP衬底表面。所述周期和刻蚀槽的宽度可以适当改变，只要保证足够的反射率即可。所述的单晶InP衬底，其晶面为无偏角的<100>晶面，厚度为375～675μm，单面抛光，为半绝缘InP衬底。选用目前商业化的外延用掺Fe半绝缘InP衬底即可。
步骤202：
在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层，具体为：采用MOCVD方法，在655℃，应用选区外延方式，如图4中(III)在多层介质图形结构的生长窗口区(即刻蚀槽内)生长与多层介质图形结构掩膜(即刻蚀槽深度)等高的InP缓冲层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为70Torr；当InP缓冲层的厚度达到多层介质图形结构掩膜高度时，再应用合并外延方式，在655℃，生长800nm的InP侧向外延层，如图4(IV)，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100Torr。
所述的InP侧向外延层，用以形成虚拟InP衬底，同时保证该层的晶体质量良好，作为生长InP材料系的有源区。
所述的多层介质图形结构用以形成一个InP的虚拟衬底，同时实现99.5％的高反射率，作为垂直面发射激光器有源区的底部反射腔镜结构，以代替传统的下DBR结构。
所述的Si/SiO2多层介质图形结构的层数、纳米图形的周期、刻蚀槽的宽度，可以根据需要实现的宽带高反特性进行优化调整。
步骤203：
在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层，具体为：该n型欧姆接触层为Si掺杂InP材料，采用MOCVD方法，生长温度为655℃，厚度为200nm，掺Si浓度为5×1018～1×1019cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，硅烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100Torr。
所述的n型欧姆接触层，用来制作负电极，根据对激光器光学模式的设计，该n型欧姆接触层位置处于光场最小值处。
步骤204：
在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区，具体为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，该多量子阱激光器有源区包括5层5nm InGaAs阱层和6层10nmInGaAsP(Eg＝1.25eV)垒层，所述每一层阱层和每一层垒层交替制备，第一层垒层制备在所述的n型欧姆接触层上。对于阱层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.3×10-5mol/min，砷烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100Torr；对于垒层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为7.3×10-6mol/min，砷烷的流量为3.0×10-4mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100Torr。
所述的多量子阱有源区，该部分是主要的发光区，根据对激光器光学模式的设计，该多量子阱有源区位置处于光场分布的最大值处。
步骤205：
在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层，具体为：该p型欧姆接触层为p型重掺杂InGaAs材料，采用MOCVD方法，生长温度为530℃，厚度为100nm，掺Zn浓度为1019～1020cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.5×10-5mol/min，砷烷的流量为2.2×10-3mol/min，二乙基锌的流量为2.5×10-6mol/min，反应室压力为100Torr。
所述的p型欧姆接触层，用来制作正电极，根据对激光器光学模式的设计，该p型欧姆接触层位置处于光场最小值处。
步骤206：
在所述的p型欧姆接触层上制备多层介质结构，具体为：采用电子束蒸发或PECVD等方法制备得到Si/SiO2多层介质结构。该Si/SiO2多层介质结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成，每层Si薄膜厚度为280nm，每层SiO2薄膜厚度为110nm，其中的第一层SiO2薄膜制备在所述的p型欧姆接触层上。所述的多层介质结构，用来作为垂直面发射激光器的上DBR结构。
通过以上步骤，本实施例制备得到一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，如图3所示，具体包括单晶InP衬底、底部反射腔镜(下DBR结构)、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜(上DBR结构)。所述的单晶InP衬底厚度375～675μm；所述的底部反射腔镜包括多层介质图形结构和InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；在所述的多层介质图形结构的生长窗口区即刻蚀槽内生长InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，所述的InP缓冲层厚度等于生长窗口区的厚度，即刻蚀槽的深度；InP侧向外延层厚度800nm。所述的激光器外延材料结构由下到上依次包括n型欧姆接触层、InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区和p型欧姆接触层，所述的n型欧姆接触层厚度200nm，InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区厚度85nm，p型欧姆接触层厚度为100nm。所述的顶部反射腔镜为多层介质结构，作为上DBR结构。所述的多层介质图形结构和多层介质结构均由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成，所述的Si薄膜每层的厚度为280nm，所述的SiO2薄膜每层的厚度为110nm，第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底或p型欧姆接触层；所述的InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区为发光区材料结构，包括5层InGaAs阱层和6层InGaAsP垒层，所述的阱层和垒层交替生长，第一层垒层制备在n型欧姆接触层；所述阱层每层厚度为5nm，所述垒层每层厚度为10nm。由于底部反射腔镜结构的采用，本发明提供的激光器材料结构具有双内电极结构。有源区采用了5周期的InGaAs/InGaAsP的多量子阱。
图5(a)为实施例制备的垂直面发射激光器的上DBR结构的反射率图。在5对Si/SiO2介质结构的条件下，从1.29微米到1.94微米的波段范围内，上DBR结构的反射率都超过99％，可以满足对上DBR结构的要求。
图5(b)为本发明实施例制备的垂直面发射激光器的新型下DBR结构(实线)与传统的介质DBR结构(虚线)的反射率对比图。对比可以看出，本发明设计的新型下DBR结构的反射特性完全可以达到与传统介质DBR相同的水平。
图6为通过计算仿真得到的新型下DBR结构在波长1.55微米波长光垂直入射条件下的截面光场分布图。该分布图是在结构周期为1微米、InP填充槽宽度为100纳米、Si/SiO2的对数为5对时计算的磁场Hy分布图。该图画出了2个周期的结果。其中Z<0的区域为光入射区域，0<Z<2.22微米的区域为反射结构的区域，Z>2.22微米的区域为光透射区域。从图可以明显地看出入射光几乎都被反射回去，通过反射结构的透射光基本消失。这一结果可以说明本发明设计的这一新型反射结构在1.55微米波长处具有很高的反射率。

Claims (10)

1.一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：由下到上依次为单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构，在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；所述的顶部反射腔镜结构为多层介质结构，作为上DBR结构。
2.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的多层介质图形结构由Si薄膜和SiO2薄膜交替生长组成，每层Si薄膜的厚度为280nm，每层SiO2薄膜的厚度为110nm，并且第一层SiO2薄膜生长在单晶InP衬底上。
3.根据权利要求2所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的多层介质图形结构由5层Si薄膜和6层SiO2薄膜交替生长组成。
4.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的有源区为InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源区，包括InGaAs阱层和InGaAsP垒层，每层InGaAs阱层的厚度为5nm，每层InGaAsP垒层的厚度为10nm，InGaAs阱层和InGaAsP垒层交替生长，第一层InGaAsP垒层生长在n型欧姆接触层上。
5.根据权利要求4所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的有源区包括五层InGaAs阱层和六层InGaAsP垒层。
6.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的InP缓冲层厚度等于生长窗口区的厚度即多层介质图形结构的掩膜高度；InP侧向外延层厚度800～1000nm；所述的n型欧姆接触层为n-InP欧姆接触层，所述的p型欧姆接触层为p-InGaAs欧姆接触层，所述的n-InP欧姆接触层厚度200nm，p-InGaAs欧姆接触层厚度为100nm。
7.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的单晶InP衬底的晶面为<100>晶面，无偏角，单面抛光，掺杂类型为半绝缘，厚度为375～675μm。
8.根据权利要求1所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，其特征在于：所述的多层介质图形结构为一维条形结构，所述一维条形图形结构的周期和刻蚀槽的宽度分别为1000nm和100nm，刻蚀槽的深度直到InP衬底表面。
9.一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法，其特征在于：
第一步，在单晶InP衬底上制备底部反射腔镜结构，即下DBR结构；
具体为：在所述的开盒即用单晶InP衬底上制备得到Si/SiO2多层介质结构；该Si/SiO2多层介质结构由Si薄膜和SiO2薄膜交替生长组成，其中的第一层SiO2薄膜制备在单晶InP衬底上；然后，采用干法刻蚀技术，在Si/SiO2多层介质结构上刻蚀制备得到多层介质图形结构；
在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层，具体为：采用MOCVD方法，在655℃，应用选区外延方式，在多层介质图形结构的生长窗口区生长与多层介质图形结构掩膜等高的InP缓冲层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为50～70Torr；当InP缓冲层的厚度达到多层介质图形结构掩膜高度时，再应用合并外延方式，在655℃，生长800～1000nm的InP侧向外延层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr；
第二步，在底部反射腔镜结构上制备激光器外延材料结构层；
具体包括：在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层；在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区；在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层；
第三步，在所述的激光器外延材料结构层上制备多层介质结构作为垂直腔面发射激光器的顶部反射腔镜结构，即上DBR结构。
10.根据权利要求9所述的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法，其特征在于：在所述的InP侧向外延层上外延生长n型欧姆接触层，具体为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，生长n型InP欧姆接触层的厚度为200nm，掺Si浓度为5×1018～1×1019cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.4×10-5mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，硅烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr；
在所述的n型欧姆接触层上外延生长多量子阱激光器有源区，该多量子阱激光器有源区包括5层5nm InGaAs阱层和6层10nm InGaAsP垒层，所述阱层和垒层交替制备，第一层垒层制备在所述的n型InP欧姆接触层上；具体制备方法为：采用MOCVD方法，生长温度为655℃，对于阱层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.3×10-5mol/min，砷烷的流量为4.5×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr；对于垒层，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为7.3×10-6mol/min，砷烷的流量为3.0×10-4mol/min，磷烷的流量为6.7×10-3mol/min，反应室压力为100～150Torr；
在所述的多量子阱激光器有源区上外延生长p型欧姆接触层，该p型欧姆接触层为p型重掺杂InGaAs材料，厚度为100nm，具体制备方法为：采用MOCVD方法，生长温度为530℃，掺Zn浓度为1019～1020cm-3，源流量分别为：三甲基铟的流量为1.6×10-5mol/min，三甲基镓的流量为1.5×10-5mol/min，砷烷的流量为2.2×10-3mol/min，二乙基锌的流量为2.5×10- 6mol/min，反应室压力为100～150Torr。
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