CN111435781B - 垂直腔面发射半导体激光器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直腔面发射半导体激光器结构,包括:光学氧化限制层,位于激光器驻波波腹处,起光学限制的作用;电学氧化限制层,位于激光器驻波波节处,起到电流限制的作用;质子注入层,位于电学氧化限制层和光学氧化限制层上,提高激光器信息传输速率;以及衬底上外延生长缓冲层、N面电极、N型DBR、N型空间层、有源区、P型空间层、P型DBR层和P面电极构成激光器谐振腔。该垂直腔面发射激光器采用质子注入和分离限制氧化结构,此结构提高了电流注入的均匀性,减小了器件的寄生电容,具有低的阈值电流、稳定的单横模或多横模输出,提高了器件的高速性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域,尤其涉及一种垂直腔面发射半导体激光器结构。
背景技术
高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)是下一代光通信和光互联网中最有前途的光源之一。随着信息化的发展,光通信对速度和带宽都提出了更高的要求,IEEE于2002年就提出了速度为10Gb/s的802.3ae以太网标准。尤其是在高速局域网中,具有众多优点的垂直腔面发射激光器极具市场前景和重大社会意义。在光通信网络中,信号经过主干网的长距离传输后,主要是通过短距离或甚短距离的局域网再到达用户终端。这种短距离可以使机房到机房之间、机架到机架之间、机盘到机盘之间、机盘内部或计算机内部的连接,其传输速率一般都超过10Gb/s传送距离一般不超过600m。对于这样高速率传输的信息,用电连接已经不适应,采用光传输技术是解决这一问题的首选。这种背景下产生了甚短距离光传输,甚短距离光传输的目的是采用最经济的光通信技术在短距离光传输上占据市场,其最关键的技术就是垂直腔面发射激光器(VCSEL),一般采用850nm的VCSEL作光源。另外,在光互联中,数字通信光开关、路由器、高性能的多处理器系统、芯片间的数据传输等对带宽的要求持续增长,廉价、高速、低功耗和高可靠性的VCSEL已成为首选光源。此外,VCSEL可密集集成阵列的特性使其可以很方便的应用于并行光互联中,该技术将有可能代替电连接应用于总线技术,这将极大地提高芯片、系统间的数据传输,使得超高级计算机的实现成为可能。因此,高速VCSEL的研究具有重要意义。
通过氧化物对器件的载流子和光子的限制作用来制备的VCSEL器件在阈值电流密度、电光转换效率、激光的模式控制以及偏振的选择等方面有比较大的优势。传统的氧化限制VCSEL只有一个氧化孔径,同时起到电学和光学限制的作用。器件的寄生电容为氧化物电容与来自氧化物孔下面有源区电容的串联,单氧化层厚度薄,电容大,影响器件的高速性能。另一方面,单氧化层影响电流注入的均匀性,产生空间烧孔现象和热透镜效应,从而降低VCSEL的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提出了一种垂直腔面发射半导体激光器结构,该激光器通过光学和电学分离限制氧化和质子注入相结合的方法,解决上述的一个或多个技术问题。
(二)技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种垂直腔面发射半导体激光器结构,包括:
电学氧化限制层,为AlGaAs结构,位于激光器驻波波节处,起到电流限制的作用;
光学氧化限制层,为AlGaAs结构,位于激光器驻波波腹处,起光学限制的作用;
进一步的,光学氧化限制层的孔径为8-10μm,且大于电学氧化限制层的孔径大小。
质子注入层,位于电学氧化限制层和光学氧化限制层上,提高激光器信息传输速率;
进一步的,质子注入层的孔径与电学氧化限制层及光学氧化限制层的孔径对准,且质子注入层的孔径不大于电学氧化限制层的孔径。
以及衬底层,该衬底为GaAs材料。
N面电极,材料为Au/Ge/Ni金属。
N型DBR层,为GaAs/AlGaAs结构,每层DBR的厚度为λ/4,λ为激光器的波长。
N型空间层,材料为InGaAs,其中In的组分小于有源区量子阱InGaAs中的In组分。
有源区,为InGaAs/AlGaAs应变量子阱结构。
P型空间层,材料为InGaAs,其中In的组分小于有源区量子阱InGaAs中的In组分。
其中,在有源区下端N型空间层下设置上述光学氧化限制层,在有源区上端P型空间层上设置上述电学氧化限制层。
P型DBR层,为GaAs/AlGaAs结构,且该P型DBR层的GaAs/AlGaAs对数少于N型DBR层的GaAs/AlGaAs对数。
其中,在P型DBR层上设置质子注入层。P面电极,材料为Ti/Au金属。
其中,N面电极和P面电极位于衬底同侧。
进一步的,N面电极和P面电极通过欧姆接触实现电极引出,该欧姆接触使用Cr/Au金属。其中,N型Pad欧姆接触为矩形形状,P型Pad欧姆接触类似乒乓球拍形状。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明高速垂直腔面发射激光器具有以下有益效果:
a、在驻波波节处设置微氧化孔提高了电流注入的均匀性,从而降低了空间烧孔现象和热透镜效应发生的几率,提高了VCSEL器件的性能;
b、采用质子注入,增加了氧化孔径上面非导电区域的有效厚度,降低了器件的寄生电容,提高了器件的高速特性。
附图说明
图1是本发明实施例中垂直腔面发射半导体激光器的剖面结构图;
图2是本发明实施例中垂直腔面发射半导体激光器的俯视结构图。
图中;
衬底1 N面电极2 N型DBR层3 SiO2绝缘层4
光学氧化限制层5 空间层6 有源区7
电学氧化限制层8 BCB填充层9 质子注入层10
P型DBR层11 P面电极12 欧姆接触层13
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,对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明提供的垂直腔面发射半导体激光器结构,本发明一实施例提供了一种850nm高速垂直腔面发射激光器,图1示出了本发明实施例中850nm高速垂直腔面发射激光器的剖面结构图,图2为其俯视结构图。参阅图1和图2,本发明实施例提供的该850nm高速垂直腔面发射激光器,包括:
衬底1,材料为GaAs。
N面电极2,材料为Au/Ge/Ni金属,为半圆环结构。
N型DBR层3,为GaAs/AlGaAs结构,每层DBR的厚度为λ/4,为λ/4光学膜厚的低折射率膜层L和λ/4光学膜厚的高折射率膜层H依次交替生长的多层膜系结构,λ为激光器的波长。
在N型DBR层上为光学氧化限制层,为AlGaAs结构,位于激光器驻波波腹处,起光学限制的作用;
一些实施例中,光学氧化限制层的孔径为8-10μm,且大于电学氧化限制层的孔径大小。
本实施例中,光学氧化限制层5,优选的,其材料为Al0.96Ga0.04As,其用于光场的限制,其中的光学氧化限制孔径的大小约为电学氧化限制孔径的2倍。且,氧化孔径的位置和孔径大小需经过优化设计,使光损耗和电流扩散最小,同时有利于获得单横模输出。
有源区7,为GaAs/AlGaAs应变量子阱结构,量子阱个数为3个或5个,其激射波长为850nm。
空间层6,包括N型空间层和P型空间层,其材料为InGaAs,其中In的组分小于有源区量子阱InGaAs中的In组分。其中,N型空间层与有源区下端相接触,同时在N型空间层下连接光学氧化限制层,P型空间层与有源区上端相接触。
在P型空间层上连接电学氧化限制层,为AlGaAs结构,位于激光器驻波波节处,起到电流限制的作用;
本实施例中,电学氧化限制层8,优选的,其材料为Al0.98Ga0.02As,用于电流的限制,有助于提高电流注入的均匀性。
P型DBR层11,为GaAs/AlGaAs结构,且该P型DBR层的GaAs/AlGaAs对数少于N型DBR层的GaAs/AlGaAs对数。
在P型DBR层11上连接质子注入层10,增加了氧化孔径上面非导电区域的厚度,从而降低了器件的寄生电容,有利于提高器件的高速特性,同时,该质子注入层的孔径与电学氧化限制层及光学氧化限制层的孔径对准,且质子注入层的孔径不大于电学氧化限制层的孔径。
P面电极12,其材料为Ti/Au金属,呈圆环状结构。
其中,N面电极和P面电极位于衬底同侧。
其中,通过欧姆接触层13使N面电极和P面电极实现电极引出,Pad欧姆接触13,其材料为Cr/Au,本实施例中,N型Pad欧姆接触为矩形形状,长度240μm,宽度120μm;P型Pad欧姆接触类似乒乓球拍形状,圆形直径90μm。
在激光器周围使用BCB填充层9进行填充,其材料为苯并环丁烯树脂,激光器谐振腔与BCB填充层之间使用SiO2绝缘层4隔离,保证激光器的高效输出。
以及一出光孔14,其孔径大于质子注入孔径,最终实现激光器光源输出。
基于上述激光器结构,电极欧姆接触层生长在BCB之上,其中P型DBR层、光学氧化限制层、电学氧化限制层和有源区构成第一个圆柱台面,N型DBR层、GaAs缓冲层构成第二个圆柱台面,激光器实现效果请参照图1。
本发明所提供的垂直腔面发射半导体激光器结构,有源区上端电学氧化限制层位于驻波波节处,起到电流限制的作用,提高了电流注入的均匀性。有源区下端光学氧化限制层位于驻波波腹处,起到光学限制的作用。同时,质子注入增加了氧化孔径上面非导电区域的有效厚度,减小了器件的电容,通过优化质子注入孔径,从而获得单模输出,提高了器件的高速特性。
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,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 (8)
1.一种垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,包括:
衬底;
在衬底上外延生长缓冲层、N面电极、N型DBR层、N型空间层、有源区、P型空间层、P型DBR层和P面电极构成激光器谐振腔;
电学氧化限制层,位于激光器驻波波节处,起到电流限制的作用,其中,所述电学氧化限制层,位于所述有源区上端;
光学氧化限制层,位于激光器驻波波腹处,起光学限制的作用,其中,所述光学氧化限制层,位于所述有源区下端;
所述的光学氧化限制层的孔径为8-10μm,且大于电学氧化限制层的孔径大小,所述电学氧化限制层的孔径为4-5μm;
质子注入层,位于所述电学氧化限制层和所述光学氧化限制层上,提高激光器信息传输速率,其中,所述质子注入层位于所述P型DBR层上。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述的电学氧化限制层和光学氧化限制层均为AlGaAs结构,实现电流和光的横向限制。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述的质子注入层的孔径与电学氧化限制层及光学氧化限制层的孔径对准,且质子注入层的孔径不大于电学氧化限制层的孔径。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述的P型DBR层和N型DBR层均为GaAs/AlGaAs结构,N型DBR层的GaAs/AlGaAs对数比P型DBR层多,每对DBR层的厚度为λ/4,λ为激光器的波长。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述的有源区为InGaAs/AlGaAs应变量子阱结构,量子阱个数为3个或5个。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述的N型空间层和P型空间层的材料为InGaAs,其中In的组分小于有源区量子阱InGaAs中的In的组分。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述P面电极为Ti/Au金属,所述N面电极为Au/Ge/Ni金属。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器结构,其特征在于,所述P面电极和N面电极通过欧姆接触实现电极引出,所述欧姆接触使用Cr/Au。
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