CN117638640A - 一种垂直腔面发射激光器外延结构 - Google Patents

一种垂直腔面发射激光器外延结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种垂直腔面发射激光器外延结构。所述外延结构从下到上依次包括:衬底、缓冲层、第一高折射率差AlGaAsDBR层、第一低折射率差AlGaAsDBR层、下AlGaAsP过渡层、下AlGaInPDBR层,下AlGaInP垒层、GaInP/AlGaInP多量子阱垒层、上AlGaInP垒层,上AlGaInPDBR层、上AlGaAsP过渡层、第二低折射率差AlGaAsDBR层、第二高折射率差AlGaAsDBR层、GaAs帽层。本发明通过组合DBR、分段掺杂,及P‑DBR组分渐变等方式,同时利用AlGaAsP过渡层,减少在有源区界面引入的位错等缺陷,实现650nmVSCEL的高效稳定工作。

Description

一种垂直腔面发射激光器外延结构
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域,具体涉及一种垂直腔面发射激光器外延结构。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
塑胶光纤成本低、中心核线半径大、易结合及操作,在短程光纤通信领域正取代石英光纤,成为光纤通信最后一米。塑料光纤在650nm波长左右存在一个最低损失窗,与常规边发射半导体激光器相比,垂直腔面发射激光器(VCSEL)的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直,能够实现芯片表面的激光发射,均匀的圆形光束可以极大地降低光场的复杂性,也可以减小光束后期的应用成本,有阈值电流低、稳定单波长工作、易二维集成、无腔面阈值损伤、圆形对称光斑和光纤耦合效率高等优点,因此650nm VSCEL具有较强的应用前景。
目前,市面常见的VSCEL器件主要集中在808-1550nm波段,650nm VSCEL应用研究难度较大,其原因在于:(1)由于650nm波段吸收损耗,AlGaAs DBR中Al组分限制在0.5-1.0范围,热阻较大,特别是P型DBR由于空穴有效质量大,同型异质结在较大的势垒形成较高的串联电阻。(2)650nm VSCEL的发光区主要由AlGaInP材料组成,由于AlGaAs/AlGaInP晶格常数及热膨胀系数不同,晶体生长方向上的In原子的表面偏析会导致晶体表面的In原子浓度大于下表面和晶体内部的浓度,增加了表面粗糙度,导致生长方式由二维向三维岛状生长模式转变,生长界面易出现岛状生长、高位错、高缺陷水平的问题,严重影响激光器光电特性,特别是F-P谐振腔表面形貌的粗化导致光吸收增大,效率降低。
发明内容
本发明提供一种垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构,其通过对VSCEL结构、组分的设计有效克服了650nm VSCEL存在的诸多缺陷,有助于促进650nm VSCEL的实际应用。为实现上述目的,本发明公开如下所示的技术方案。
一种垂直腔面发射激光器外延结构,其从下到上依次包括:衬底1、缓冲层2、第一高折射率差AlGaAs DBR层3、第一低折射率差AlGaAs DBR层4、下AlGaAsP过渡层5、下AlGaInP DBR层6,下AlGaInP垒层7、GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8、上AlGaInP垒层9,上AlGaInP DBR层10、上AlGaAsP过渡层11、第二低折射率差AlGaAs DBR层12、第二高折射率差AlGaAs DBR层13、GaAs帽层14。其中:
所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3从下到上为交替分布的Alx1Ga1-x1As层、Alx2Ga1-x2As层,其中,0.9≤x1≤1、0≤x2≤0.3。所述DBR层3折射率差越大,越容易得到高反射率DBR。
所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4从下到上为交替分布的Alx3Ga1-x3As层、Alx4Ga1-x4As层,其中,0.9≤x3≤1、0.5≤x4≤0.7。本发明的这种DBR层可有效减少650nm光吸收损耗。
所述下AlGaAsP过渡层5的组分为Alx7Ga1-x7Asy3P1-y3,其中,0.5≤x7≤0.7、0.85≤y3≤0.99。本发明的这种下AlGaAsP过渡层5,可以实现AlGaAs中As气氛到AlGaInP中P气氛切换,避免界面无序相,减少有源区缺陷密度,提高可靠性。
所述下AlGaInP DBR层6从下到上为交替分布的(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层和(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P层,两者对数为5-15对。其中,0.9≤x5≤1、0.4≤y1≤0.6、0≤x6≤0.3、0.4≤y2≤0.6。可选地,所述(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层、(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P厚度均为λ/4n,所述n为相应材料层的650nm波长光学折射率,λ为相应材料层的波长。本发明利用所述下AlGaInP DBR层6有效避免了AlGaAs DBR后直接生长AlGaInP有源区容易在有源区界面形成As/P复合物的问题,避免了对激光器件可靠性的影响。
所述下AlGaInP DBR层6中,利用TMAl、TMGa流量变化,实现Al组分渐变生长,由渐变层实现不同Al组分的生长,渐变层厚度10-30nm,降低不同材料界面势垒高度差。
所述下AlGaInP垒层7的材质为(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P,其中,0.4≤x8≤0.7、0.4≤y4≤0.6。可选地,所述下AlGaInP垒层7的厚度小于λ/4,所述λ为量子阱发光波长。本发明利用所述下AlGaInP垒层7与多量子阱垒组合形成谐振腔。
所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒8从下到上为交替分布的Gax10In1-x10P层、(Alx9Ga1-x9)y5In1-y5P层,其中,0.4≤x10≤0.5、0.1≤x9≤0.5、0.4≤y5≤0.6。可选地,所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒8的总厚度小于λ/4,所述λ为该多量子阱垒8的波长。本发明的GaInP/AlGaInP多量子阱垒8的激射波长为650nm,其能够与所述下AlGaInP垒层7组成谐振腔,实现势垒层应变补偿,减少有源区应力累积,提高阈值增益,减少位错等缺陷产生。
所述上AlGaInP DBR层10与下AlGaInP DBR层6相同。所述上AlGaAsP过渡层11与下AlGaAsP过渡层5相同。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12与第一低折射率差AlGaAs DBR层4相同。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13与第一高折射率差AlGaAs DBR层3相同。
进一步地,所述缓冲层2中掺杂有Si原子。优选地,所述掺杂浓度为2E18-7E18个原子/cm3。所述GaAs缓冲层2的厚度为0.1-0.5μm。
进一步地,所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3中掺杂有Si原子。优选地,所述掺杂浓度为1E18-7E18个原子/cm3。Alx1Ga1-x1As层、Alx2Ga1-x2As层的对数为3-15对。采用高掺杂有利于降低势垒高度差,减少电阻。
进一步地,所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4中掺杂有Si原子。优选地,所述掺杂浓度为1E18-7E18个原子/cm3,对数为20-35对。采用高掺杂有利于降低势垒高度差,减少电阻。
进一步地,所述下AlGaAsP过渡层5中掺杂有Si原子。优选地,所述掺杂浓度为1E18-7E18个原子/cm3
进一步地,所述下AlGaInP DBR层6中掺杂有Si原子。优选地,所述掺杂浓度为2E17-1E18/cm3,对数为5-15对。所述下AlGaInP DBR层6靠近有源区,采用低掺杂有利于降低吸收损耗,避免掺杂剂扩散导致阈值电流上升、斜率效率下降。
进一步地,所述下AlGaInP垒层7的厚度为50-150nm。
进一步地,所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8的阱宽厚度为3-7nm。优选地,该多量子阱垒层8的厚度为4-8nm。
进一步地,所述上AlGaInP垒层9的厚度为50-150nm。
进一步地,所述上AlGaInP DBR层10中掺杂有Mg原子。优选地,所述掺杂浓度为2E17-1E18/cm3,对数为5-15对。所述上AlGaInP DBR层10靠近有源区,采用低掺杂有利于降低吸收损耗,避免掺杂剂扩散导致阈值电流上升、斜率效率下降。
进一步地,所述上AlGaAsP过渡层11中掺杂有Mg原子。优选地,所述掺杂浓度为7E17-5E18/cm3
进一步地,所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12中掺杂有C原子。优选地,所述掺杂浓度为7E17-5E18个原子/cm3,对数为15-30对。
进一步地,所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13中掺杂有C原子。优选地,所述掺杂浓度为7E17-5E18个原子/cm3,对数为3-10对。
进一步地,所述帽层14中掺杂有Zn原子。优选地,所述掺杂浓度为3E19-7E19个原子/cm3。可选地所述帽层14的厚度为0.1-0.5μm。
与现有技术相比,本发明至少具有以下方面的有益效果:
(1)本发明利用Alx15Ga1-x15As、Alx16Ga1-x16As组成的低折射率差DBR、Alx17Ga1-x17As、Alx18Ga1-x18As组成的高折射率差DBR,采用组分渐变层,减少势垒突变,降低P-DBR串联电阻。
(2)本发明通过组合高折射率差DBR、低折射率差DBR、AlGaInP DBR,即远端采高折射率差材料降低热阻,中段采用低折射率差AlGaAs/AlGaAs DBR的方式,能够有效减少650nm光吸收损耗,近端采用AlGaInP/AlGaInP DBR能够有效减少与AlGaInP有源区形成的岛状位错,实现650nm垂直腔面发射激光器的高效稳定工作。
(3)本发明采用AlGaAsP作为过渡层,能够有效抑制AlGaAs和AlGaInP界面In偏析导致表面粗糙,缺陷增多。
(4)本发明采用下AlGaInP DBR层高掺的方式有助于降低势垒高度,减小串联电阻,减提高载流子迁移率,采用上AlGaInP DBR层低掺的方式减少吸收损耗,提高转换效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1制备的垂直腔面发射激光器外延结构的示意图。
图2是本发明实施例1制备的垂直腔面发射激光器外延结构的光斑图。
图3是现有的常规边发射激光器外延结构的光斑图。
图4是本发明实施例1制备的垂直腔面发射激光器外延结构的PIV曲线图。
图5是现有的常规边发射激光器外延结构的PIV曲线图。
其中数字标记分别代表:1-GaAs衬底、2-GaAs缓冲层、3-第一高折射率差AlGaAsDBR层、4-第一低折射率差AlGaAs DBR层、5-下AlGaAsP过渡层、6-下AlGaInP DBR层,7-下AlGaInP垒层、8-GaInP/AlGaInP多量子阱垒层、9-上AlGaInP垒层,10-上AlGaInP DBR层、11-上AlGaAsP过渡层、12-第二低折射率差AlGaAs DBR层、13-第二高折射率差AlGaAs DBR层、14-GaAs帽层。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了方便叙述,本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样,仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致,并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位,以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得,如无特殊说明,本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
下列实施例中的AsH3、PH3纯度≥99.9999%。其他原料纯度为99.99995%。
实施例1
一种垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构(参考图1)的制备方法,包括如下步骤:
S1,将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内,H2环境升温到740℃烘烤,并通入AsH3,对GaAs衬底进行表面热处理。
S2,将温度缓降到680℃,降温速度不高于30℃/min,继续通入TMGa和AsH3,在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2,所述GaAs缓冲层2的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为5E18个原子/cm3,GaAs缓冲层的厚度为0.3μm。GaAs缓冲层2的目的是防止缺陷从衬底蔓延进入限制层,提供新鲜的生长界面,提高材料生长质量。
S3,将温度缓升到730℃,升温速度不高于50℃/min,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在GaAs缓冲层2上生长第一高折射率差AlGaAs DBR层3。所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3由下到上为交替分布的厚度为42.7nm的Alx1Ga1-x1As层、50.8nm的Alx2Ga1-x2As层,所述x1=0.98,x2=0.05,所述Alx1Ga1-x1As层、Alx2Ga1-x2As层的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为3E18个原子/cm3,对数为5对。利用所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3的高折射率提高反射率。
S4,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在第一高折射率差AlGaAsDBR层3上生长第一低折射率差AlGaAs DBR层4。所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4由下到上为交替分布的厚度42.7nm的Alx3Ga1-x3As、42.7nm的Alx4Ga1-x4As组成,所述x3=0.98,x4=0.5。所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为3E18个原子/cm3,对数为30对。采用Al组分大于0.5的第一低折射率差AlGaAs DBR层4可有效减少对650nm光的吸收损耗。
S5,将温度缓变至640℃,降温速度不高于50℃/min,继续通入TMAl、TMGa和AsH3、PH3,在所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4上生长厚度为23.7nm的下AlGaAsP过渡层5。所述下AlGaAsP过渡层5的组分为Alx7Ga1-x7Asy3P1-y3,所述x7=0.5,y3=0.9。所述下AlGaAsP过渡层5的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为3E18个原子/cm3。通过该下AlGaAsP过渡层5的设置实现As/P组分切换,避免在有源区界面形成AsP复合物,影响表面粗糙度及器件可靠性。
S6,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaAsP过渡层5上生长下AlGaInP DBR层6。所述下AlGaInP DBR层6由下到上为交替分布的厚度为47.9nm的(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层、54.6nm的(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P层,所述x5=0.95,y1=0.5,x6=0.1,y2=0.5。所述下AlGaInP DBR层6的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为4E17个原子/cm3,对数为7对。通过所述下AlGaInP DBR层6可以有效减少Alx4Ga1-x4As DBR与有源区(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P垒层结合时形成的界面位错,提高激光器可靠性。
S7,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaInP DBR层6上生长厚度为77.5nm的下AlGaInP垒层7。所述下AlGaInP垒层7的组分为(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P,所述x8=0.45,y4=0.5,所述下AlGaInP垒层7为非故意掺杂。通过该下AlGaInP垒层7为所述有源区光提供谐振腔,实现光激射。
S8,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaInP垒层7上生长厚度为5nm的GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8。所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8由下到上为交替分布的Gax10In1-x10P层、(Alx9Ga1-x9)y5In1-y5P层,所述x10=0.46,x9=0.2,y4=0.5。所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8的阱宽4nm,发光波长为650nm,非故意掺杂。通过该GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8实现650nm光激射,同时还能够抑制载流子溢出,限制光场。
S9,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8上生长厚度为77.5nm的上AlGaInP垒层9。所述上AlGaInP垒层9的组分为(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P,所述x11=0.45,y6=0.5,非故意掺杂。通过该上AlGaInP垒层9为所述有源区光提供谐振腔,实现光激射。
S10,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述上AlGaInP垒层9上生长上AlGaInP DBR层10。所述上AlGaInP DBR层10由下到上为交替分布的厚度为47.9nm的(Alx12Ga1-x12)y7In1-y7P层、54.6nm的(Alx13Ga1-x13)y8In1-y8P层。所述上AlGaInP DBR层10的掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为4E17个原子/cm3,对数为7对。通过该上AlGaInP DBR层10实现了减少DBRAlx15Ga1-x15As与有源区内(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P垒层形成的岛状位错的目的,从而有效提高VSCEL的可靠性。
S11,将温度缓变至730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3、PH3,在所述上AlGaInP DBR层10上生长厚度为23.7nm的上AlGaAsP过渡层11。所述上AlGaAsP过渡层11的组分为Alx14Ga1-x14Asy9P1-y9,所述x14=0.5,y9=0.9。所述上AlGaAsP过渡层11的掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为1E18个原子/cm3。通过所述上AlGaAsP过渡层11实现了DBR(Alx13Ga1-x13)y8In1-y8P与DBRAlx15Ga1-x15As中As/P组分切换,避免由于在有源区内(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P垒层与DBRAlx15Ga1-x15As界面形成AsP复合物而影响表面粗糙度及器件可靠性的问题。
S12,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在上AlGaAsP过渡层11上生长第二低折射率差AlGaAs DBR层12。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12由下到上为交替分布的Alx15Ga1-x15As层、Alx16Ga1-x16As层,所述x15=0.98,x16=0.5。Alx15Ga1-x15As层厚度为42.7nm、Alx16Ga1-x16As层厚度为46.8nm,其中,所述Al15Ga1-x15As层变至Alx16Ga1-x16As层时,两者间的渐变层的Al组分由0.98渐变至0.5,该渐变层厚度为21.4nm,Alx16Ga1-x16As层渐变至Alx15Ga1-x15As层时,两者间的渐变层中Al组分由0.5渐变至0.98,该渐变层厚度为23.4nm。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12的掺杂源为C,掺杂浓度为2E18个原子/cm3,对数为26对。所述Alx15Ga1-x15As层及Alx16Ga1-x16As层中Al组分大于0.5,有助于减少对量子阱650nm光吸收导致的损耗。
S13,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12上生长第二高折射率差AlGaAs DBR层13。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13由下到上为交替分布的Alx17Ga1-x17As层、Alx18Ga1-x18As层,所述x17=0.98,x18=0.05。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13掺杂源为C,掺杂浓度为2E18个原子/cm3,对数为5.5对。所述Alx17Ga1-x17As层厚度42.7nm,Alx18Ga1-x18As层厚度为50.8nm,对数为5.5对,其中Alx17Ga1-x17As层生长完成后,Alx18Ga1-x18As层生长前,先在所述Alx17Ga1-x17As层上生长Al组分渐变层,该Al组分由0.98渐变至0.05,厚度为21.4nm,Alx18Ga1-x18As层生长后,Alx17Ga1- x17As层生长前也在所述Alx17Ga1-x17As层上生长Al组分组分渐变层,该Al组分由0.05渐变至0.98,厚度为25.4nm,即每当所述Alx17Ga1-x17As层、Alx18Ga1-x18As层进行切换时,两者之间均生长一层Al组分渐变层,且最后一层Alx17Ga1-x17As层为AlAs材料,目的是为湿法氧化形成绝缘层提供高Al组分区域。另外,通过调整TMAl流量,实现Al渐变。该第二高折射率差AlGaAsDBR层13实现了P侧650nm反射率大于99.9%的目的。通过利用高折射率DBR,提高反射率。
S14,停止通入TMAl、TMGa,利用停止生长,将温度降低至530℃,降温速度不高于50℃/min。将温度保持在530℃,继续通入TMGa和AsH3,在所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13上生长GaAs帽层14。所述GaAs帽层14的厚度为0.2μm,掺杂源为DEZn,掺杂浓度为4E19个原子/cm3。完成后即得垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构。
实施例2
一种垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构的制备方法,包括步骤:
S1,将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内,H2环境升温到740℃烘烤,并通入AsH3,对GaAs衬底进行表面热处理。
S2,将温度缓降到680℃,降温速度不高于30℃/min,继续通入TMGa和AsH3,在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2,所述GaAs缓冲层2的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为7E18个原子/cm3,GaAs缓冲层的厚度为0.1μm。GaAs缓冲层2的目的是防止缺陷从衬底蔓延进入限制层,提供新鲜的生长界面,提高材料生长质量。
S3,将温度缓升到730℃,升温速度不高于50℃/min,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在GaAs缓冲层2上生长第一高折射率差AlGaAs DBR层3。所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3由下到上为交替分布的厚度为50.7nm的Alx1Ga1-x1As层、42.1nm的Alx2Ga1-x2As层,所述x1=0.9,x2=0,所述Alx1Ga1-x1As层、Alx2Ga1-x2As层的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为7E18个原子/cm3,对数为15对。利用所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3的高折射率提高反射率。
S4,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在第一高折射率差AlGaAsDBR层3上生长第一低折射率差AlGaAs DBR层4。所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4由下到上为交替分布的厚度50.7nm的Alx3Ga1-x3As、46.1nm的Alx4Ga1-x4As组成,所述x3=0.9,x4=0.5。所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为1E18个原子/cm3,对数为35对。采用Al组分大于0.5的第一低折射率差AlGaAs DBR层4可有效减少对650nm光的吸收损耗。
S5,将温度缓变至640℃,降温速度不高于50℃/min,继续通入TMAl、TMGa和AsH3、PH3,在所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4上生长厚度为25.6nm的下AlGaAsP过渡层5。所述下AlGaAsP过渡层5的组分为Alx7Ga1-x7Asy3P1-y3,所述x7=0.7,y3=0.99。所述下AlGaAsP过渡层5的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为1E18个原子/cm3。通过该下AlGaAsP过渡层5的设置实现As/P组分切换,避免在有源区界面形成AsP复合物,影响表面粗糙度及器件可靠性。
S6,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaAsP过渡层5上生长下AlGaInP DBR层6。所述下AlGaInP DBR层6由下到上为交替分布的厚度为53.9nm的(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层、47.4nm的(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P层,所述x5=0.9,y1=0.5,x6=0,y2=0.5。所述下AlGaInP DBR层6的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为2E17个原子/cm3,对数为5对。通过所述下AlGaInP DBR层6可以有效减少DBRAlx4Ga1-x4As与有源区(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P垒层结合时形成的界面位错,提高激光器可靠性。
S7,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaInP DBR层6上生长厚度为51.3nm的下AlGaInP垒层7。所述下AlGaInP垒层7的组分为(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P,所述x8=0.7,y4=0.5,所述下AlGaInP垒层7为非故意掺杂。通过该下AlGaInP垒层7为所述有源区光提供谐振腔,实现光激射。
S8,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaInP垒层7上生长GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8。所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8由下到上为交替分布的Gax10In1-x10P层、(Alx9Ga1-x9)y5In1-y5P层,所述x10=0.43,x9=0.7,y4=0.5。所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8的阱宽3nm,垒层厚度8nm,发光波长为650nm,非故意掺杂。通过该GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8实现650nm光激射,同时还能够抑制载流子溢出,限制光场。
S9,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8上生长厚度为51.3nm的上AlGaInP垒层9。所述上AlGaInP垒层9的组分为(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P,所述x11=0.7,y6=0.5,非故意掺杂。通过该上AlGaInP垒层9为所述有源区光提供谐振腔,实现光激射。
S10,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述上AlGaInP垒层9上生长上AlGaInP DBR层10。所述上AlGaInP DBR层10由下到上为交替分布的厚度为53.9nm的(Alx12Ga1-x12)y7In1-y7P层、47.4nm的(Alx13Ga1-x13)y8In1-y8P层。所述上AlGaInP DBR层10的掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为2E17个原子/cm3,对数为5对。通过该上AlGaInP DBR层10实现了减少DBRAlx15Ga1-x15As与与AlGaInP有源区内(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P垒层形成的岛状位错的目的,从而有效提高VSCEL的可靠性。
S11,将温度缓变至730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3、PH3,在所述上AlGaInP DBR层10上生长厚度为25.6nm的上AlGaAsP过渡层11。所述上AlGaAsP过渡层11的组分为Alx14Ga1-x14Asy9P1-y9,所述x14=0.7,y9=0.99。所述上AlGaAsP过渡层11的掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为1E18个原子/cm3。通过所述上AlGaAsP过渡层11实现了DBR(Alx13Ga1-x13)y8In1-y8P与DBRAlx15Ga1-x15As中As/P组分切换,避免由于在有源区内(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P垒层与DBRAlx15Ga1-x15As界面形成AsP复合物而影响表面粗糙度及器件可靠性的问题。
S12,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在上AlGaAsP过渡层11上生长第二低折射率差AlGaAs DBR层12。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12由下到上为交替分布的Alx15Ga1-x15As层、Alx16Ga1-x16As层,所述x15=0.9,x16=0.5。Alx15Ga1-x15As层厚度为50.7nm、Alx16Ga1-x16As层厚度为46.1nm,其中,所述Alx15Ga1-x15As渐变到Alx16Ga1-x16As层时,两者间渐变层的Al组分由0.9渐变至0.5,渐变层厚度为25.3nm,所述Alx16Ga1-x16As层渐变至Alx15Ga1-x15As层时,两者间渐变层的Al组分由0.5渐变至0.98时,渐变层厚度为23.1nm。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12的掺杂源为C,掺杂浓度为2E18个原子/cm3,对数为30对。所述Alx15Ga1-x15As层及Alx16Ga1-x16As层中Al组分大于0.5有助于减少对量子阱650nm光吸收导致的损耗。
S13,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12上生长第二高折射率差AlGaAs DBR层13。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13由下到上为交替分布的Alx17Ga1-x17As层、Alx18Ga1-x18As层,所述x17=0.9,x18=0。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13掺杂源为C,掺杂浓度为7E18个原子/cm3,对数为10对。Alx17Ga1-x17As层厚度50.7nm,Alx18Ga1-x18As层厚度为42.7nm,其中Alx17Ga1-x17As层生长完成后,Alx18Ga1-x18As层生长前,在所述Alx17Ga1-x17As层上设置Al组分渐变层,该渐变层的Al组分由0.9渐变至0.05,该渐变层的厚度为25.4nm。所述Alx18Ga1-x18As层生长后,Alx17Ga1-x17As层生长前,也在所述Alx18Ga1-x18As层上生长Al组分渐变层,该渐变层中Al组分由0.05渐变至0.9,该渐变层的厚度为21.4nm,即每当所述Alx17Ga1-x17As层、Alx18Ga1-x18As层进行切换时,两者之间均生长一层Al组分渐变层,且最后一层Alx17Ga1-x17As层为AlAs材料,目的是为湿法氧化形成绝缘层提供高Al组分区域。另外,通过调整TMAl流量,实现Al渐变。该第二高折射率差AlGaAs DBR层13实现了P侧650nm反射率大于99.9%的目的。通过利用高折射率DBR,提高反射率。
S14,停止通入TMAl、TMGa,利用停止生长,将温度降低至530℃,降温速度不高于50℃/min。将温度保持在530℃,继续通入TMGa和AsH3,在所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13上生长GaAs帽层14。所述GaAs帽层14的厚度为0.1μm,掺杂源为DEZn,掺杂浓度为7E19个原子/cm3。完成后即得垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构。
实施例3
一种垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构的制备方法,包括步骤:
S1,将GaAs衬底1放在MOCVD设备生长室内,H2环境升温到740℃烘烤,并通入AsH3,对GaAs衬底进行表面热处理。
S2,将温度缓降到680℃,降温速度不高于30℃/min,继续通入TMGa和AsH3,在GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层2,所述GaAs缓冲层2的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为2E18个原子/cm3,GaAs缓冲层的厚度为0.5μm。GaAs缓冲层2的目的是防止缺陷从衬底蔓延进入限制层,提供新鲜的生长界面,提高材料生长质量。
S3,将温度缓升到730℃,升温速度不高于50℃/min,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在GaAs缓冲层2上生长第一高折射率差AlGaAs DBR层3。所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3由下到上为交替分布的厚度为51.9nm的Alx1Ga1-x1As层、44.3nm的Alx2Ga1-x2As层,所述x1=1,x2=0.3,所述Alx1Ga1-x1As层、Alx2Ga1-x2As层的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为1E18个原子/cm3,对数为3对。利用所述第一高折射率差AlGaAs DBR层3的高折射率提高反射率。
S4,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在第一高折射率差AlGaAsDBR层3上生长第一低折射率差AlGaAs DBR层4。所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4由下到上为交替分布的厚度51.9nm的Alx3Ga1-x3As、48.6nm的Alx4Ga1-x4As组成,所述x3=1,x4=0.7。所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为1E18个原子/cm3,对数为20对。采用Al组分大于0.5的第一低折射率差AlGaAs DBR层4可有效减少对650nm光的吸收损耗。
S5,将温度缓变至640℃,降温速度不高于50℃/min,继续通入TMAl、TMGa和AsH3、PH3,在所述第一低折射率差AlGaAs DBR层4上生长厚度为19.4nm的下AlGaAsP过渡层5。所述下AlGaAsP过渡层5的组分为Alx7Ga1-x7Asy3P1-y3,所述x7=0.5,y3=0.85。所述下AlGaAsP过渡层5的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为1E18个原子/cm3。通过该下AlGaAsP过渡层5的设置实现As/P组分切换,避免在有源区界面形成AsP复合物,影响表面粗糙度及器件可靠性。
S6,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaAsP过渡层5上生长下AlGaInP DBR层6。所述下AlGaInP DBR层6由下到上为交替分布的厚度为55.3nm的(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层、48.8nm的(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P层,所述x5=1,y1=0.5,x6=0.3,y2=0.5。所述下AlGaInP DBR层6的掺杂源为Si2H6,掺杂浓度为1E18个原子/cm3,对数为15对。通过所述下AlGaInP DBR层6可以有效减少DBRAlx4Ga1-x4As与有源区(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P垒层结合时形成的界面位错,提高激光器可靠性。
S7,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaInP DBR层6上生长厚度为49.5nm的下AlGaInP垒层7。所述下AlGaInP垒层7的组分为(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P,所述x8=0.4,y4=0.5,所述下AlGaInP垒层7为非故意掺杂。通过该下AlGaInP垒层7为所述有源区光提供谐振腔,实现光激射。
S8,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述下AlGaInP垒层7上生长GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8。所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8由下到上为交替分布的Gax10In1-x10P层、(Alx9Ga1-x9)y5In1-y5P层,所述x10=0.46,x9=0.4,y4=0.5。所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8的阱宽5nm,垒层厚度6nm,发光波长为650nm,非故意掺杂。通过该GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8实现650nm光激射,同时还能够抑制载流子溢出,限制光场。
S9,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8上生长厚度为49.5nm的上AlGaInP垒层9。所述上AlGaInP垒层9的组分为(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P,所述x11=0.4,y6=0.5,非故意掺杂。通过该上AlGaInP垒层9为所述有源区光提供谐振腔,实现光激射。
S10,将温度保持在640℃,继续通入TMAl、TMGa、TMIn和PH3,在所述上AlGaInP垒层9上生长上AlGaInP DBR层10。所述上AlGaInP DBR层10由下到上为交替分布的厚度为55.3nm的(Alx12Ga1-x12)y7In1-y7P层、48.8nm的(Alx13Ga1-x13)y8In1-y8P层。所述上AlGaInP DBR层10的掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为1E18个原子/cm3,对数为15对。通过该上AlGaInP DBR层10实现了减少DBRAlx15Ga1-x15As与与AlGaInP有源区内(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P垒层形成的岛状位错的目的,从而有效提高VSCEL的可靠性。
S11,将温度缓变至730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3、PH3,在所述上AlGaInP DBR层10上生长厚度为19.4nm的上AlGaAsP过渡层11。所述上AlGaAsP过渡层11的组分为Alx14Ga1-x14Asy9P1-y9,所述x14=0.5,y9=0.85。所述上AlGaAsP过渡层11的掺杂源为Cp2Mg,掺杂浓度为1E18个原子/cm3。通过所述上AlGaAsP过渡层11实现了DBR(Alx13Ga1-x13)y8In1-y8P与DBRAlx15Ga1-x15As中As/P组分切换,避免由于在有源区内(Alx11Ga1-x11)y6In1-y6P垒层与DBRAlx15Ga1-x15As界面形成AsP复合物而影响表面粗糙度及器件可靠性的问题。
S12,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在上AlGaAsP过渡层11上生长第二低折射率差AlGaAs DBR层12。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12由下到上为交替分布的Alx15Ga1-x15As层、Alx16Ga1-x16As层,所述x15=1,x16=0.7。Alx15Ga1-x15As层厚度为51.9nm、Alx16Ga1-x16As层厚度为48.6nm,其中,所述Alx15Ga1-x15As渐变到Alx16Ga1-x16As层时,两者间渐变层的Al组分由1渐变至0.7时,该渐变层厚度为25.9nm,所述Alx16Ga1-x16As层渐变至Alx15Ga1-x15As层时,两者间渐变层的Al组分由0.7渐变至1时,该渐变层厚度为24.3nm。所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12的掺杂源为C,掺杂浓度为7E17个原子/cm3,对数为15对。Alx15Ga1-x15As层及Alx16Ga1-x16As层中Al组分大于0.5,减少对量子阱650nm光吸收导致的损耗。
S13,将温度保持在730℃,继续通入TMAl、TMGa和AsH3,在所述第二低折射率差AlGaAs DBR层12上生长第二高折射率差AlGaAs DBR层13。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13由下到上为交替分布的Alx17Ga1-x17As层、Alx18Ga1-x18As层,所述x17=1,x18=0.3。所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13掺杂源为C,掺杂浓度为7E17个原子/cm3,对数为3对。Alx17Ga1-x17As层厚度51.9nm,Alx18Ga1-x18As层厚度为44.3nm,其中,所述Alx17Ga1-x17As层生长完成后,Alx18Ga1-x18As层生长前,在所述Alx17Ga1-x17As层上设置Al组分渐变层,该渐变层的Al组分由1渐变至0.3,该渐变层厚度为25.9nm;在所述Alx18Ga1-x18As层生长后,Alx17Ga1- x17As层生长前,也在所述Alx18Ga1-x18As层上生长Al组分渐变层,该渐变层中Al组分由0.3渐变至1,厚度为22.2nm。即每当所述Alx17Ga1-x17As层、Alx18Ga1-x18As层进行切换时,两者之间均生长一层Al组分渐变层,且最后一层Alx17Ga1-x17As层为AlAs材料,目的是为湿法氧化形成绝缘层提供高Al组分区域。另外,通过调整TMAl流量,实现Al渐变。该第二高折射率差AlGaAs DBR层13实现了P侧650nm反射率大于99.9%的目的。通过利用高折射率DBR,提高反射率。
S14,停止通入TMAl、TMGa,利用停止生长,将温度降低至530℃,降温速度不高于50℃/min。将温度保持在530℃,继续通入TMGa和AsH3,在所述第二高折射率差AlGaAs DBR层13上生长GaAs帽层14。所述GaAs帽层14的厚度为0.5μm,掺杂源为DEZn,掺杂浓度为3E19个原子/cm3。完成后即得垂直腔面发射激光器(VSCEL)外延结构。
性能测试
上述实施例制备的面发射的垂直腔面发射激光器(参考图1)外延结构与常规的边发射激光器外延结构明显不同。例如,所述垂直腔面发射激光器有上下两层DBR(第一低折射率差AlGaAs DBR层4和下AlGaAsP过渡层5,第二低折射率差AlGaAs DBR层12和第二高折射率差AlGaAs DBR层13),利用反射率差异实现光激射,利用所述下AlGaInP垒层7和GaInP/AlGaInP多量子阱垒层8组成谐振腔。而边发射激光器通常不含DBR层,而是利用解离后腔长镀膜形成谐振腔。边发射激光器输出光束的发散角比较大,需要提高光源与波导的光耦合效率,还需要采用其他器件辅助。而上述实施例的垂直腔面发射激光器则是从垂直于谐振腔表面的方向发射,光斑基本呈圆形,还可以应用在制造二维通信阵列上,尤其适合用于板对板的网路传输或二维光纤束的传输端,这是传统的边发射半导体激光器所无法做到的,在光纤应用领域具有无可比拟的优势。
图2和图3分别为上述实施例1制备的垂直腔面发射激光器外延结构和常规边发射激光器外延结构的光斑图。可以看出,所述垂直腔面发射激光器外延结构的光斑为原型,而边常规边发射激光器外延结构的光斑为椭圆形,在光纤通信领域应用时需额外聚焦,工艺难度大。
图4和图5分别为上述实施例1制备的垂直腔面发射激光器外延结构和常规边发射激光器外延结构的PIV曲线图。可以看出,所述垂直腔面发射激光器外延结构的阈值电流为3mA,最大输出功率为6mW。而常规边发射650nm阈值电流为11.6mA,最大输出功率大于为7mW。由于所述垂直腔面发射激光器外延结构的面发射上下DBR反射镜设计,阈值电流较小,因此所述垂直腔面发射激光器外延结构可以在650nm稳定工作。
最后,需要说明的是,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器外延结构,其中,所述外延结构从下到上依次包括:衬底、缓冲层、第一高折射率差AlGaAs DBR层、第一低折射率差AlGaAs DBR层、下AlGaAsP过渡层、下AlGaInP DBR层,下AlGaInP垒层、GaInP/AlGaInP多量子阱垒层、上AlGaInP垒层,上AlGaInP DBR层、上AlGaAsP过渡层、第二低折射率差AlGaAs DBR层、第二高折射率差AlGaAsDBR层、GaAs帽层;其中:
所述第一高折射率差AlGaAs DBR层从下到上为交替分布的Alx1Ga1-x1As层、Alx2Ga1-x2As层,0.9≤x1≤1、0≤x2≤0.3;
所述第一低折射率差AlGaAs DBR层从下到上为交替分布的Alx3Ga1-x3As层、Alx4Ga1-x4As层,0.9≤x3≤1、0.5≤x4≤0.7;
所述下AlGaAsP过渡层的组分为Alx7Ga1-x7Asy3P1-y3,0.5≤x7≤0.7、0.85≤y3≤0.99;
所述下AlGaInP DBR层从下到上为交替分布的(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层和(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P层,0.9≤x5≤1、0.4≤y1≤0.6、0≤x6≤0.3、0.4≤y2≤0.6;
所述下AlGaInP垒层的材质为(Alx8Ga1-x8)y4In1-y4P,0.4≤x8≤0.7、0.4≤y4≤0.6;
所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒8从下到上为交替分布的Gax10In1-x10P层、(Alx9Ga1-x9)y5In1-y5P层,0.4≤x10≤0.5、0.1≤x9≤0.5、0.4≤y5≤0.6;
所述上AlGaInP DBR层与下AlGaInP DBR层相同;所述上AlGaAsP过渡层与下AlGaAsP过渡层相同;所述第二低折射率差AlGaAs DBR层与第一低折射率差AlGaAs DBR层相同;所述第二高折射率差AlGaAs DBR层与第一高折射率差AlGaAs DBR层相同。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述下AlGaInPDBR层中,(Alx5Ga1-x5)y1In1-y1P层、(Alx6Ga1-x6)y2In1-y2P层厚度均为λ/4n,所述n为相应材料层的650nm波长光学折射率,λ为相应材料层的波长;
优选地,所述下AlGaInP垒层的厚度小于λ/4,所述λ为下AlGaInP垒层的波长;
优选地,所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒8的总厚度小于λ/4,所述λ为该多量子阱垒8的波长。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述第一高折射率差AlGaAs DBR层中掺杂有Si原子;优选地,所述掺杂浓度为1E18-7E18个原子/cm3;对数为3-15对。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述第一低折射率差AlGaAs DBR层中掺杂有Si原子;优选地,所述掺杂浓度为1E18-7E18个原子/cm3,对数为20-35对;
或者,所述下AlGaAsP过渡层中掺杂有Si原子;优选地,所述掺杂浓度为1E18-7E18个原子/cm3
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述下AlGaInPDBR层中掺杂有Si原子;优选地,所述掺杂浓度为2E17-1E18/cm3,对数为5-15对;
或者,所述下AlGaInP垒层的厚度为50-150nm;
或者,所述上AlGaInP垒层的厚度为50-150nm。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述GaInP/AlGaInP多量子阱垒层的阱宽厚度为3-7nm;优选地,该多量子阱垒层的厚度为4-8nm。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述上AlGaInPDBR层中掺杂有Mg原子;优选地,所述掺杂浓度为2E17-1E18/cm3,对数为5-15对;
或者,所述上AlGaAsP过渡层中掺杂有Mg原子;优选地,所述掺杂浓度为7E17-5E18/cm3
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述第二低折射率差AlGaAs DBR层中掺杂有Mg原子;优选地,所述掺杂浓度为7E17-5E18个原子/cm3,对数为15-30对。
9.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述第二高折射率差AlGaAs DBR层中掺杂有Mg原子;优选地,所述掺杂浓度为7E17-5E18个原子/cm3,对数为3-10对。
10.根据权利要求1-9任一项所述的垂直腔面发射激光器外延结构,其特征在于,所述GaAs缓冲层中掺杂有Si原子;优选地,所述掺杂浓度为2E18-7E18个原子/cm3;优选地,所述GaAs缓冲层的厚度为0.1-0.5μm;
或者,所述帽层中掺杂有Zn原子;优选地,所述掺杂浓度为3E19-7E19个原子/cm3;优选地,所述帽层的厚度为0.1-0.5μm。
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