CN106981822B - 低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构 - Google Patents

低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构，由下至上依次包括GaAs基衬底、下N型布拉格反射镜、有源区、一对上P型布拉格反射镜、低电阻GaAs基隧道结、氧化限制层和上N型布拉格反射镜。本发明采用了将低电阻GaAs基隧道结和氧化限制层相结合的小尺寸圆形台面的顶发射共面电极结构，以提高光通讯激光器的高速低能耗性能。该结构选用的BCB填充，不仅能够提供平坦的GSG电极平面，还能降低器件的寄生，提高器件的调制带宽；该结构采用不同尺寸的双台面结构提高器件热耗散能力，此结构不需要额外的热沉和散热片，且能够实现器件的直接高速共面探针测试，且可以避免底发射的减薄倒置，降低加工难度。

Description

低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种进一步降低光通讯面发射激光器动态能耗的小台面顶发射共面电极结构。
背景技术
自1996年Honeywell推出垂直腔面发射激光器(VCSEL)产品以来，VCSEL已经广泛应用于很多领域，如激光鼠标、激光打印、原子钟等，其中最广泛的一项应用是短距离光纤链路的数据传输。VCSEL因其高调制速度、低能耗、高光束质量、低生产成本等优势，已经取代边发射激光器成为短距离数据通信传输系统的首选光源。VCSEL被誉为数据中心与云计算“血液”，是现代数据中心、服务器集群和千万亿次规模的超级计算机的短距离光互连的关键技术，直到40G、100G，多模技术（多模光纤和VCSEL相结合的技术）一直是数据中心光互连的主要技术。随着数据分析和云端办公所需数据中心的建设，数据通信对VCSEL的需求迅猛增长，使数据中心的能耗已成为一个紧迫的生态和经济问题，基于低能耗VCSEL的绿色光互联是解决能耗问题的关键，但是VCSEL能耗的进一步降低受到调制带宽的限制。
根据国际半导体技术发展路线图(ITRS)的评估和预测，通讯光源的能耗要减小~100fJ/bit才能维持互联网和云计算服务的经济生态可行性。报道的最低能耗是室温下850nm-VCSEL进行50Gb/s无误码传输时的耗能仅为95fJ/bit。在高温下，Jin-Wei Shi教授课题组在2015年报道了850nm-VCSEL在41Gb/s传输速率下的能耗为213fJ/bit。申请人报道了高温下最低能耗的980nm-VCSEL，在85°C的高温工作环境下进行35Gb/s无误码传输需要的能耗仅为139fJ/bit，目前仍为在任意波段上85°C高温工作环境下能耗最低的器件。和常温情况相比，高温工作下的能耗仍然过高，高于下一代数据传输要求，因此对高温条件下能耗降低就提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低光通讯面发射激光器动态能耗的小台面顶发射共面电极结构，提出隧道结-氧化限制层相结合的结构，降低能耗，以解决小尺寸高速低能耗光通讯面发射激光器能耗的进一步降低受到调制带宽限制的难题。
和常温情况相比，高温工作下的发射激光器能耗仍然过高，高于下一代数据传输要求，这是由于器件在高温工作环境下性能下降引起的，能耗的进一步降低受到了器件调制带宽的限制。
本发明的工作原理：
减小VCSEL器件氧化孔径尺寸是最有效最直接的降低器件能耗的方法，但是随着氧化孔径尺寸的减小，其p-导电层区域与电流路径随之缩小，形成极大的电阻，容易引起器件发热，增大耗能，同时造成相当大的RC延迟，寄生截止频率限制了调制速度。因此，降低寄生参数值是进一步提高VCSEL器件高速调制性能和低能耗性能的有效手段。为此，将隧道结-氧化限制层相结合的结构引入高速面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构中，此结构通过低电阻的GaAs基隧道结改变电流方向，以实现将大部分高电阻的P型DBR用低电阻的N型DBR取代的目的，大幅降低寄生电阻，实现寄生截止带宽的提高，解决小尺寸高速低能耗VCSELs器件目前面临的寄生限制难题。
同时，上述隧道结-氧化限制层结构采用氧化限制层限制电流和模式，避免了二次外延，降低了器件生长和加工的难度，保证了成品率。隧道结结构在VCSELs中已有应用，主要是用在InP基VCSELs实现电流限制，以及用于实现多有源区隧道再生结构。此GaAs基隧道结-氧化限制层相结合的结构与InP基VCSEL器件中只用于电流限制的隧道结结构不同的是，此结构结合了氧化限制层，在降低寄生电阻，提高了调制带宽的同时，采用GaAs基成熟的AlGaAs氧化限制层用于电流限制，避免InP基隧道结器件的二次外延，降低了器件生长和加工的难度，保证了成品率。
另外，上述隧道结-氧化限制层结构与采用隧道结多有源区再生结构不同的是本结构关注器件的动态高速低能耗性能，采用高效高增益的量子阱单有源区，不同于将隧道结置于多个有源区中间的多有源区再生结构，此GaAs基隧道结-氧化限制层相结合的结构位于有源区上部。
基于所述原理，以及为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构，由下至上依次包括GaAs基衬底、下N型布拉格反射镜、有源区、一对上P型布拉格反射镜、低电阻GaAs基隧道结、氧化限制层和上N型布拉格反射镜；其中，所述上P型布拉格反射镜、所述低电阻GaAs基隧道结、所述氧化限制层和所述上N型布拉格反射镜共同构成成圆形小尺寸台面，即第一台面；所述下N型布拉格反射镜和所述有源区共同构成圆形较大尺寸台面，即第二台面；所述GaAs基衬底上部镀有下电极，在所述上N型布拉格反射镜上部镀有圆环式上电极，光从顶部的上N型布拉格反射镜上部发出，为顶面发光结构；所述的圆形小尺寸台面和圆形较大尺寸台面组成的双台面填充BCB填充层，以实现共面电极结构。
进一步的，所述第一台面和第二台面均采用ICP-RIE刻蚀形成；其中，ICP-RIE刻蚀形成第二台面后，通过湿法氧化工艺形成小的氧化限制孔径，氧化限制孔径小于7μm，以实现面发射激光器的高速低能耗性能。
进一步的，所述第一台面的台面尺寸<30μm，以尽可能的提高相同驱动电流下的调制带宽。
进一步的，所述第二台面尺寸大于第一台面尺寸，尺寸约为第一台面尺寸+30μm，以提高器件热耗散能力，此结构不需要额外的热沉和散热片。
进一步的，所述低电阻GaAs基隧道结和第一台面尺寸相同。
进一步的，所述低电阻GaAs基隧道结优选为四组分InGaAsSb/InGaAs第二类异质隧道结，能够降低寄生电阻，提高寄生截止带宽，解决小尺寸高速器件的寄生限制难题。
进一步的，所述上N型布拉格反射镜上方设有出光窗口顶发射结构。
进一步的，所述上P型布拉格反射镜和上N型布拉格反射镜采用组分渐变的AlxGa1-xAs布拉格反射镜以降低寄生电阻，提高寄生提高带宽。
进一步的，所述有源区上部的除隧道结下方的一对P型布拉格反射镜以外的高电阻的P型布拉格反射镜全部用低电阻的N型布拉格反射镜取代了，此结构能够解决小尺寸高速低能耗器件的寄生限制问题，进一步降低高速器件的能耗。
本发明的优点和有益效果：本发明采用了将低电阻GaAs基隧道结和氧化限制层相结合的小尺寸圆形台面的顶发射共面电极结构用于高速低能耗光通讯面发射激光器，以提高光通讯激光器的高速低能耗性能。本发明提供的共面电极的顶发射结构，选用的BCB填充，不仅能够提供平坦的GSG电极平面，还能降低器件的寄生，提高器件的调制带宽；该顶发射结构能够实现器件的直接高速共面探针测试，且可以避免底发射的减薄倒置，降低加工难度。
本发明能够大幅降低寄生电阻，提高寄生截止带宽，解决小尺寸高速器件的寄生限制难题，避免了器件过度发热的现象，也不需要热沉和散热片；同时此结构采用氧化限制层限制电流，隧道结和氧化限制层共存，能够避免二次外延，提高成品率，降低外延和工艺的难度。
另外，本发明可以避免底发射的减薄倒置，降低加工难度，以实现器件在高温下的高速低能耗工作，这对实现高效，低成本的光通讯具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的整体剖面结构示意图。
其中，1- GaAs基衬底，2-下N型布拉格反射镜，3-有源区，4-上P型布拉格反射镜，5-低电阻GaAs基隧道结，6-氧化限制层，7-上N型布拉格反射镜，8-下电极，9-上电极，10-BCB填充层。
具体实施方式
以下通过具体实施例并结合附图对本发明进一步解释和说明。
如图1所示，一种低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构，由下至上依次包括GaAs基衬底1、下N型布拉格反射镜2、有源区3、一对上P型布拉格反射镜4、低电阻GaAs基隧道结5、氧化限制层6和上N型布拉格反射镜7；其中，所述上P型布拉格反射镜4、所述低电阻GaAs基隧道结5、所述氧化限制层6和所述上N型布拉格反射镜7共同构成成圆形小尺寸台面，即第一台面；所述下N型布拉格反射镜2和所述有源区3共同构成圆形较大尺寸台面，即第二台面；所述GaAs基衬底1上部镀有下电极8，在所述上N型布拉格反射镜7上部镀有圆环式上电极9，光从顶部的上N型布拉格反射镜7上部发出，为顶面发光结构；所述的圆形小尺寸台面和圆形较大尺寸台面组成的双台面填充BCB填充层10，以实现共面电极结构。
进一步的，所述第一台面和第二台面均采用ICP-RIE刻蚀形成；其中，ICP-RIE刻蚀形成第二台面后，通过湿法氧化工艺形成小的氧化限制孔径，氧化限制孔径小于7μm，以实现面发射激光器的高速低能耗性能。
进一步的，所述第一台面的台面尺寸<30μm，以尽可能的提高相同驱动电流下的调制带宽。
进一步的，所述第二台面尺寸大于第一台面尺寸，尺寸约为第一台面尺寸+30μm，以提高器件热耗散能力，此结构不需要额外的热沉和散热片。
进一步的，所述低电阻GaAs基隧道结5和第一台面尺寸相同。
进一步的，所述低电阻GaAs基隧道结5优选为四组分InGaAsSb/InGaAs第二类异质隧道结，能够降低寄生电阻，提高寄生截止带宽，解决小尺寸高速器件的寄生限制难题。
进一步的，所述上N型布拉格反射镜7上方设有出光窗口顶发射结构。
进一步的，所述上P型布拉格反射镜4和上N型布拉格反射镜7采用组分渐变的AlxGa1-xAs布拉格反射镜以降低寄生电阻，提高寄生提高带宽。
进一步的，所述有源区3上部的除隧道结下方的一对P型布拉格反射镜以外的高电阻的P型布拉格反射镜全部用低电阻的N型布拉格反射镜取代了，此结构能够解决小尺寸高速低能耗器件的寄生限制问题，进一步降低高速器件的能耗。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种低能耗光通讯面发射激光器的小台面顶发射共面电极结构，其特征在于，该共面电极结构由下至上依次包括GaAs基衬底（1）、下N型布拉格反射镜（2）、有源区（3）、一对上P型布拉格反射镜（4）、低电阻GaAs基隧道结（5）、氧化限制层（6）和上N型布拉格反射镜（7）；其中，所述上P型布拉格反射镜（4）、所述低电阻GaAs基隧道结（5）、所述氧化限制层（6）和所述上N型布拉格反射镜（7）共同构成圆形小尺寸台面，即第一台面；所述下N型布拉格反射镜（2）和所述有源区（3）共同构成圆形较大尺寸台面，即第二台面；所述GaAs基衬底（1）上部镀有下电极（8），在所述上N型布拉格反射镜（7）上部镀有圆环式上电极（9），光从顶部的上N型布拉格反射镜（7）上部发出，为顶面发光结构；所述的圆形小尺寸台面和圆形较大尺寸台面组成的双台面填充BCB填充层（10），以实现共面电极结构；所述第一台面和第二台面均采用ICP-RIE刻蚀形成；其中，ICP-RIE刻蚀形成第二台面后，通过湿法氧化工艺形成小的氧化限制孔径，氧化限制孔径小于7μm，以实现面发射激光器的高速低能耗性能。
2.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述第一台面的台面尺寸<30μm，以提高相同驱动电流下的调制带宽。
3.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述第二台面尺寸大于第一台面尺寸，尺寸为第一台面尺寸+30μm，以提高器件热耗散能力，此结构不需要额外的热沉和散热片。
4.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述低电阻GaAs基隧道结（5）和第一台面尺寸相同。
5.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述低电阻GaAs基隧道结（5）为四组分InGaAsSb/InGaAs第二类异质隧道结，能够降低寄生电阻，提高寄生截止带宽，解决小尺寸高速器件的寄生限制难题。
6.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述上N型布拉格反射镜（7）上方设有出光窗口顶发射结构。
7.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述上P型布拉格反射镜（4）和上N型布拉格反射镜（7）采用组分渐变的AlxGa1-xAs布拉格反射镜以降低寄生电阻，提高寄生提高带宽。
8.如权利要求1所述的共面电极结构，其特征在于，所述有源区（3）上部的除隧道结下方的一对P型布拉格反射镜以外的高电阻的P型布拉格反射镜全部用低电阻的N型布拉格反射镜取代了，此结构能够解决小尺寸高速低能耗器件的寄生限制问题，降低高速器件的能耗。
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