CN117791305A - 一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开具有横向结构的垂直腔表面发射激光器及其制造方法。包括主腔以及环绕在主腔外围的N个反馈腔，N≥2。主腔所具有的上布拉格发射镜与每一反馈腔所具有的上布拉格发射镜的纵向交接处均具有高阻层，高阻层用于电隔离主腔和反馈腔，高阻层还用于提高主腔与反馈腔交接处的反波导折射率，以及用于确定对于激光所具有的横模的模式选择力。具有横向结构的垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜与有源区之间具有横向光场限制层。其中，主腔用于产生激光，激光分为纵模和横模。横模在高阻层和横向光场限制层的共同作用下耦合进入反馈腔，并沿横向光场限制层再次反馈至主腔，而后与主腔内的横模发生光子‑光子谐振效应，从而提升‑3dB带宽。

Description

一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器及其制造方法。

背景技术

垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称为VCSEL)凭借其光束质量好、调制速率高、单纵模、低功耗、易于实现片上测试和二维集成等众多优点，成为数据中心光互连的首选光源。近年来，基于VCSEL的光互连从数据中心之间的长距离数据传输到包括机房间、机架间、机框间、板级间等的近距离传输，以及片间的超近距离传输的各类网络中起着越来越重要的作用。

随着全球数据量爆发对带宽的要求持续增加，以太网速度由400GbE向800GbE推进，预计到2025年突破1TbE以太网技术壁垒。为实现超高速以太网，单信道传输速率从100Gbit/s向200Gbit/s演进成为趋势，这也对VCSEL激光器的调制速率提出了更高的要求。

常规直调VCSEL激光器的调制速率主要由内部固有光子-载流子的弛豫振荡频率、阻尼因子、外部电学寄生截止频率以及热效应等因素决定。围绕上述因素研究人员提出了大量的优化方案。例如，针对本征弛豫振荡频率和调制带宽，国外研究者提出在有源区采用InGaAs应变量子阱替代无应变的GaAs量子阱，使得量子阱的微分增益增大两倍，并采用半波长腔、减少光子体积以及在靠近量子阱的位置放置氧化孔增强载流子限制等方法实现了29GHz的调制带宽。针对VCSEL激光器的寄生效应和阻抗特性，有研究者提出采用分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，简称为DBR)调制掺杂和双氧化光电限制结构将寄生截止频率提高至20GHz。这些研究使得VCSEL的高速调制特性得以大幅提升。然而，由于载流子-光子谐振频率的本征限制，以及弛豫振荡频率与阻尼对调制带宽的影响相互制约等因素，常规结构VCSEL的调制频率难以突破30GHz。电路方面，尽管通过高阶光信号调制模式(如脉冲振幅调制PAM-4，PAM8)或短波分复用技术结合均衡技术，使28GHz带宽VCSEL实现了200Gb/s传输速率，然而，这些技术的实现需要光器件(VCSEL，PD)与驱动、放大电路的完美匹配，以及复杂的PCB板设计,无疑增加了光传输链的复杂性和成本。

因此，如何在不增加光传输链的复杂性和成本的情况下，进一步高效提升VCSEL激光器的调制频率或调制带宽以满足下一代光互连的应用，是VCSEL激光器面临的巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器及其制造方法，以实现在不增加光传输链的复杂性和成本的情况下，有效提升VCSEL激光器的调制频率/调制带宽，从而满足下一代光互连的应用。

第一方面，本发明提供一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，包括主腔以及环绕在主腔外围的N个反馈腔，N≥2。主腔所具有的上布拉格发射镜与每一反馈腔所具有的上布拉格发射镜的纵向交接处均具有高阻层，高阻层用于电隔离主腔与每一反馈腔。高阻层还用于提高主腔与反馈腔交接处的反波导折射率，以及用于确定对于激光所具有的横模的模式选择力。具有横向结构的垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜与有源区之间具有横向光场限制层。其中，主腔用于产生激光，激光分为纵模和横模。横模在高阻层以及横向光场限制层的作用下，一部分耦合进入反馈腔，在反馈腔内经放大、反射后再次沿横向光场限制层反馈至主腔，而后与主腔内的横模发生光子-光子谐振效应，从而提升-3dB带宽。

与现有技术相比，本发明提供的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器可以突破常规结构电直调VCSEL中载流子光子谐振的本征限制。其关键在于运用主腔与反馈腔之间的光耦合效应，以提升调制带宽、传输速率。即主腔内产生的激光所包括的横模一部分在高阻层和横向光场限制层的共同作用下沿横向光场限制层横向泄露至反馈腔，在反馈腔所对应的横向光场限制层横模发生多次反射后，沿与横向泄露方向相反的方向再次反向反馈至主腔。即相对于主腔内原有的横模，从反馈腔反馈回来的横模可以被看做外来光源或注入光源。当弛豫振荡频率和反馈腔的频率差接近调制频率附近时，在小信号频率响应图上会出现另外一个PPR峰，从而使VCSEL激光器的调制带宽大幅度提升。

第二方面，本发明还提供一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法，包括以下步骤：

提供外延晶片；

刻蚀外延晶片，以形成主腔以及绕环在主腔外围的N个反馈腔，N≥2；

氧化位于具有横向结构的垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜以及有源区之间的结构以形成横向光场限制层；

定义质子注入区域，质子注入区域位于主腔所具有的上布拉格反射镜与每一反馈腔所具有的上布拉格发射井的纵向交接处；

向质子注入区域内注入质子以形成高阻层。

与现有技术相比，本发明提供的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法的有益效果与第一方面和/或第一方面任一种实现方式提供的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。在附图中：

图1为本发明实施例提供的第一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第二种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的结构示意图；

图3至13为本发明实施例提供的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器在制造过程中的结构变化图。

附图标记：

a-主腔，b-反馈腔；

100-下电极，101-衬底，102-下缓冲层，

103-下布拉格反射镜，104-下包层，105-下异质结限制层，

106-有源区，107-上异质结限制层，108-上包层，

109-横向光场限制层，110-上布拉格反射镜，111-上电极，

112-高阻层，113-光刻胶，114-保护层，

115-金属镍，116-BCB树脂材料。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1和图2，本发明实施例提供一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，包括主腔a以及环绕在主腔a外围的N个反馈腔b，N≥2，N为正整数。主腔a所具有的上布拉格发射镜与每一反馈腔b所具有的上布拉格发射镜的纵向交接处均具有高阻层112，高阻层112用于电隔离主腔a与每一反馈腔b。高阻层112还用于提高主腔a与反馈腔b交接处的反波导折射率，以及用于确定对于激光所具有的横模的模式选择力。具有横向结构的垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜与有源区106之间具有横向光场限制层109。其中，主腔a用于产生激光，激光分为纵膜和横模。横模在高阻层112以及横向光场限制层109的作用下，一部分横向泄露至反馈腔b，在反馈腔b内经放大、反射后再次沿横向光场限制层109反向反馈至主腔a，而后与主腔a内的横模发生光子-光子谐振效应，从而提升-3dB带宽。

上述高阻层112可以实现主腔a与反馈腔b的电隔离和光导通。即当向主腔a施加一定频率的激励信号时，该激励信号仅施加在主腔a所具有的有源区106，在高阻层112的阻挡下，上述激励信号不会施加至反馈腔b所具有的有源区106。即反馈腔b所具有的有源区106不会在上述激励信号的作用向产生激光。上述高阻层112在实现主腔a和反馈腔b电隔离的情况下，还可以提高主腔a与反馈腔b纵向交接处的反波导折射率，也就是说，横向泄露的横模可以在高阻层112以及横向光场限制层109的共同作用下折射入反馈腔b，且在反馈腔b内限制横模在横向光场限制层109内不断的发生反射。上述高阻层112还用于确定对于横模的模式选择力，即通过高阻层112确定横向泄露至反馈腔b内的横模的波长。换言之，高阻层112选择具有一定波长的横模横向泄露至反馈腔b内，同时配合有源区106内量子阱的设置，使得激光器最终出射的激光波长满足预设要求。

在具体应用中，主腔a所具有的有源区106在激励信号的作用下，发生粒子反转以产生激光。此时，激光的寿命短、强度低、光波模式多且方向性差。基于此，在主腔a所具有的上布拉格反射镜110和下布拉格反射镜103的作用下，激光被反复振荡以及放大，并耦合成一束沿纵向传播的纵向激光。在主腔a的有源区106产生激光后，由于横向光场限制层109具有相对较高的折射率，因此，激光会在横向光场限制层109发生横向泄露，为了便于描述，将其定义为横模。此时，横模沿横向光场限制层109并横向泄露至各反馈腔b，在反馈腔b内通过诱导反馈使得横模不断的发生反射后，会再次沿横向光场限制层109并反向反馈至主腔a。基于此，使主腔a中原有的横模与通过反馈腔b反馈的变频横模之间发生干涉。当激励信号的频率接近这两个模间拍频(即主腔a原有横模和从反馈腔b反馈至主腔a内的横模)频率时，发生显著的光子-光子谐振效应，在小信号频率响应图上会出现另外一个PPR峰，从而使VCSEL激光器的调制带宽大幅度提升。

另外，为了上述横向耦合(激光横向泄露)，本发明采用横向光场限制结合高阻层112形成主腔a与反馈腔b的反波导耦合结构，使腔体间实现耦合效率高。同时，具有模式选择力的横向反波导泄露波耦合，在降低器件阈值的同时，选择合适的模式实现最大的带宽扩展，并且利用布拉格反射镜慢光波导作为侧向光反馈腔b，可大幅缩短反馈光腔长，从而提高VCSEL激光器的紧凑性和集成度。总结来看，采用多反馈腔b与主发光腔的反波导耦合结构，可以降低阈值、增大光子-光子谐振强度，提升器件调制特性，即提高器件调制带宽。

再者，在实际应用中，可以采用一体成型的方式在主腔a的外围一并形成多个反馈腔b，以利用反馈腔b实现光路的反馈，相较于现有技术，具有光传输链简单以及成本低的优点。

一个具有横向结构的垂直腔表面发射激光器可以包括一个主腔a，该主腔a可以具有四个侧面(即该主腔a可以是六面体结构)，且两两对称。此时，反馈腔b的个数可以是两个、三个或四个。

当反馈腔b的个数是两个时，两个反馈腔b对称分布在主腔a的两个侧面，此时，由主腔a和两个反馈腔b构成的垂直腔表面发射激光器可以定义为方形垂直腔表面发射激光器(参见图1)。

当反馈腔b的个数为三个时，其中两个反馈腔b对称分布在主腔a的两个侧面，第三个反馈腔b分布在主腔a所具有的剩余两个侧面中的任意一个侧面，此时可以定义为方形结构。

当反馈腔b的个数为四个时，四个反馈腔b分别分布在主腔a的四个侧面(参见图2)。

由三个反馈腔b和一个主腔a，或由四个反馈腔b和一个主腔a构成的具有横截结构的垂直腔表面发射激光器可以定义为花瓣形结构。

采用多个反馈腔b的情况下，一方面多个反馈腔b可以接收不同方向的横模，另一方面，可以利用多个反馈腔b向主腔a出射多个反馈横模，多个反馈横模在主腔a内可以叠加，使得实现PPR带宽扩展所需的反馈强度不需要很高。

参见图1，主腔a的长度可以小于或等于反馈腔b的长度，而多个反馈腔b的长度可以相等。主腔a和反馈腔b的具体长度可以根据实际需要确定，在此不做具体限定。作为一种示例，主腔a的长度可以是4um～7um，例如，4um、5um、6um、7um；反馈腔b的长度可以是4um～15um，例如，4um、5um、6um、7um、8um、9um、10um、11um、12um、13um、14um、15um。

参见图1和图2，多个反馈腔b可以具有相等的宽度，主腔a的宽度可以较反馈腔b的宽度小。如此设置，主腔a为短腔时，单模出光，单向性好，因为Δν＝c/2nL，即L越短，模式之间的间隔越大，越有利于单模出光。多反馈腔b长度相等的情况下，方便版图设计，以及后面的工艺条件匹配。

参见图1和图2，为了进一步增强反馈腔b对于横模的反馈强度，还可以在每一反馈腔b与主腔a相对的一端均设置反射镜层，反射镜层包括氧化限制层层和增反膜层。其中，增反模的作用是为了使进入反馈腔b的横模能够完全反馈回至主腔a内。氧化限制层可以是横向光场限制层109的一种选择，其具体的材料是AlGaAs层，该层的Al的含量相对其他层结构它的Al含量很高，在后续进行湿法氧化时更容易先被氧化，形成Al₂O₃。

参见图1和图2，上述高阻层112可以是通过质子注入工艺形成的高阻层112，注入的质子可以是H⁺。前文述及，高阻层112设置在主腔a所具有的上布拉格发射镜与每一反馈腔b所具有的上布拉格反射镜110的纵向交接处。上布拉格反射镜110可以是由两种具有不同折射率且具有导电性的AlxHGaAs/AlxLGaAs对层叠排列形成。实际应用中，可以先利用掩膜定义出质子注入区域，然后应用质子注入工艺在质子注入区域注入H⁺，以在质子注入区域形成高阻层112，该高阻层112具有较高的电阻以及一定的反光折射率，以实现主腔a与每一反馈腔b之间的电绝缘和光的相干耦合。

参见图1和图2，上述横向光场限制层109具体可以是氧化限制层，氧化限制层可以是采用湿法氧化工艺形成的氧化限制层。氧化限制层具有较高的有效反射率，以使得横向泄露激光可以沿着氧化限制层在横向上实现反射，以形成从主腔a发射、经反馈腔b反射、重新射入主腔a的光传输链路，并且增强主腔a和反馈腔b的耦合强度。具体的，反馈腔b内的横模在氧化限制层横向耦合进入至主腔a，此时，横模在主腔a与反馈腔b的横向交接处的有效折射率主腔a为3％～8％，例如，3％、4％、5％、6％、7％、8％。经湿法氧化形成的氧化限制层的材料可以是AlxGa1-x As，其中，0.97≤x≤1。

为了更清楚的了解本发明实施例提供的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的具体结构，下面将以具体的实施例为例进行说明，应理解，以下说明仅作为解释，不做限定。

参见图1和图2，本发明实施例提供的垂直腔表面发射激光器自下而上可以依次包括下电极100、衬底101、下缓冲层102、下布拉格反射镜103、下包层104、下异质结限制层105、有源区106、上异质结限制层107、上包层108、横向光场限制层109、上布拉格反射镜110、上电极111以及高阻层112。由上述结构形成方形具有横向结构的垂直腔表面发射激光器或花瓣形具有横向结构的垂直腔表面发射激光器。即在上述结构靠近中间的位置制造形成主腔a，主腔a的外围形成反馈腔b。

具体的，下电极100可以采用电子束蒸发沉积技术形成的一体式下电极100，即下电极100覆盖主腔a区域以及反馈腔b区域处的衬底101。换言之，主腔a和反馈腔b共用下电极100。下电极100的材料可以是Ni-Ge-Au，下电极100的厚度可以是100nm～500nm，例如，100nm、200nm、300nm、400nm或500nm。

衬底101可以是N-型掺杂衬底或者半绝缘GaAs衬底，当衬底101是N-型掺杂衬底时，下电极100可以是N电极，而上电极111可以是P电极。

当衬底101为N-型掺杂衬底时，下缓冲层102可以是N-型掺杂缓冲层，具体可以采用金属有机物化学气相沉积在N-型掺杂衬底101上沉积形成N-型掺杂缓冲层。

下布拉格反射镜103也可以采用金属有机物化学气相沉积在N-型掺杂缓冲层依次交替生长形成。当衬底101为N-型掺杂衬底时，下布拉格反射镜103是N-型掺杂布拉格反射镜。下布拉格反射镜103的层数根据实际需要确定，在此不做限定。

当衬底101为N-型掺杂衬底时，下包层104为N-型掺杂层，上包层108则为P-型掺杂层。下包层104和上包层108均采用铝组分渐变的AlxGaAs材料，AlxGaAs材料中铝组分的选择使其在低能带带隙端接近异质结限制层带隙，高能带带隙端接近氧化限制高铝层带隙。

上异质结限制层107和下异质结限制层105的结构相同，所述上异质结限制层107和下异质结限制层105的材料均与势垒层的材料相同，或，能带带隙大于所述势垒层的材料，且所述上异质结限制层107和下异质结限制层105的材料均没有掺杂。

有源区106可以采用3～9个层叠设置的压缩应变量子阱结构，压缩应变量子阱结构设置在主腔a内所具有的驻波的中心波腹上，以提高VCSEL激光器的微分增益，进而提升本证频率。

当衬底101为N-型掺杂衬底时，横向光场限制层109可以是采用湿法氧化工艺对P-型掺杂氧化限制层处理后形成的横向光场限制层109。

当衬底101为N-型掺杂衬底时，上布拉格反射镜110可以是P-型掺杂布拉格反射镜。下布拉格反射镜103的层数根据实际需要确定，在此不做限定。需要进一步解释的是，下布拉格反射镜103的反射率高于上布拉格反射镜110的反射率，以利于激光从垂直腔表面发射激光器的顶部射出。

当衬底101为N-型掺杂衬底时，上电极111可以是采用电子束蒸发技术形成的P电极，P电极的材料为Ti-Pt-Au，上电极111的厚度为300nm～700nm，例如，300nm、400nm、500nm、600nm或700nm。上电极111可以是分离式上电极111，即主腔a的顶部、反馈腔b的顶部分别形成相互独立且绝缘的P电极。此时，分离式电极可以分别控制主腔a和反馈腔b，基于此，可以有效的解决注入电流均匀性和反馈腔b内光波导损失问题，实现各单元之间的相位控制，形成反向耦合模式。

第二方面，本发明实施例还提供一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法，包括以下步骤：

S10、提供外延晶片，参见3，以N-型掺杂的GaAs衬底为例(后续步骤中的衬底均为N-型掺杂的GaAs衬底)，在衬底101上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)依次生长N-型掺杂缓冲层(下缓冲102中的一种)、N-型掺杂下布拉格反射镜层(下布拉格反射镜103中的一种)、下包层104、非掺杂下异质结限制层(下异质结限制层105中的一种)、有源层(后续成为有源区106的结构)、非掺杂上异质结限制层(上异质结限制层107中的一种)、上包层108、P-型掺杂氧化限制层(横向光场限制层109中的一种)、P-型掺杂上布拉格反射镜层(上布拉格反射镜110中的一种)以及P-型重掺杂电极接触层(图中未示出)。

S11、刻蚀所述外延晶片，以形成主腔a以及绕环在所述主腔外围N个反馈腔b，N≥2。参见图4，在外圆晶片的顶端涂覆光刻胶，并对光刻胶进行图形化处理以形成掩膜层，利用该掩膜层可以定义出具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的结构形成，例如，前文述及的方形或花瓣形等。在掩膜层的掩蔽下自上而下依次刻蚀P-型重掺杂电极接触层、P-型掺杂上布拉格反射镜层、P-型掺杂氧化限制层、上包层、非掺杂上异质结限制层、有源层，并进一步过刻蚀到N-型掺杂下布拉格反射镜层中高铝层的Al组分为85％-90％的三对N-型掺杂下布拉格反射镜层中的靠近有源区的第一对，露出N-型掺杂下布拉格反射镜层的部分表面。作为另外一种示例，可以刻蚀到衬底，以形成图1和图2所述的结构。此时，便于具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的散热，

S12、氧化位于所述垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜以及有源区之间的横向光场限制层109。参见图5，例如，对P-型掺杂氧化限制层进行湿法氧化，制作出氧化限制层，即前文述及的横向光场限制层109。

S13、定义质子注入区域，质子注入区域位于主腔所具有的上布拉格反射镜与每一反馈腔所具有的上布拉格发射井的纵向交接处。参见图6和图7，可以利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)在上外延片表面生长一层3.5μm的二氧化硅(可以定义为保护层114)，并溅射一层3000金属镍115作为掩模，用电子束光刻技术定义质子注入区域，剥离掉质子注入区域的镍，利用ICP刻蚀去除质子注入区域的二氧化硅，以定义出质子注入区域。

S14、向所述质子注入区域内注入质子以形成高阻层112。参见图8，采用质子注入法在反馈腔和VCSEL主腔之间(质子注入区域)进行H+注入。注入时，采用多能量叠加注入方法，例如，第一次注入能量为315keV，第二次注入能量为250keV，两次注入剂量均为1E15cm-2，减少对有源区106(量子阱)和表面电导层损伤，注入完成后用湿法腐蚀法去除二氧化硅和镍，此时，在质子注入区域形成高阻层112。

在步骤S14之后，所述垂直腔表面发射激光器的制造方法还包括：

S15、在所述上布拉格反射镜的表面沉积形成保护层114。参见图9，在P-型重掺杂电极接触层的表面沉积形成二氧化硅保护层。

S16、旋涂以形成BCB树脂层116。参见图10，采用台阶仪测定台面的高度，约3.5-3.8um。采用黏附剂AP3000结合3022-57BCB材料对上述所得的片子进行旋涂，放入烘箱进行固化，实现器件的平坦化。

S17、在BCB树脂层116的表面涂覆光刻胶113，去除位于所述上布拉格反射镜表面的光刻胶，去除位于所述上布拉格反射镜表面的BCB树脂层和保护层。参见图11和图12，用光刻胶113做掩膜，利用ICP刻蚀上台面的BCB，刻蚀过程后用台阶仪测量高度，保证台面的高度差<500nm，从而确保后续引出的所述上电极111(可以是P电极)接触良好。

S18、在所述主腔和反馈腔所对应的所述上布拉格反射镜的位置形成分离式上电极。参见图13，采用电子束蒸发技术，在圆柱形台体的顶部制作上电极111，上电极111的材料为Ti-Pt-Au，厚度为500nm。随后，采用PECVD技术在所述圆柱形台体侧壁和周围围绕的第一分布布拉格反射镜表面沉积SiN钝化层，钝化层的厚度为300nm。

S19、减薄所述衬底层的背面，在所述衬底层的背面形成一体式下电极。参见图13，对衬底进行减薄，衬底减薄至100μm，在减薄后的GaAs衬底上，采用电子束蒸发技术沉积厚度为300nm Ni-Ge-Au，在经过350℃快速热退火处理后，形成下电极100。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，包括主腔以及环绕在所述主腔外围的N个反馈腔，N≥2；所述主腔所具有的上布拉格发射镜与每一所述反馈腔所具有的上布拉格发射镜的纵向交接处均具有高阻层，所述高阻层用于电隔离主腔与每一所述反馈腔；所述高阻层还用于提高所述主腔与反馈腔交接处的反波导折射率，以及用于确定对于激光所具有的横模的模式选择力；

所述具有横向结构的垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜与有源区之间具有横向光场限制层；

其中，所述主腔用于产生激光，所述激光分为纵模和横模；所述横模在所述高阻层以及横向光场限制层的作用下，一部分耦合至所述反馈腔，在所述反馈腔内经放大、反射后再次沿所述横向光场限制层并反向反馈至所述主腔，而后与所述主腔内的横模发生光子-光子谐振效应，从而提升-3dB带宽。

2.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述具有横向结构的垂直表面发射激光器为方形结构或花瓣形结构中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述主腔为六面体结构，当所述具有横向结构的垂直表面发射激光器为方形结构时，包括两个反馈腔，两个所述反馈腔对称分布在所述主腔的两侧面；

当所述具有横向结构的垂直表面发射激光器为花瓣形结构时，包括三个反馈腔，其中两个所述反馈腔对称分布在所述主腔的两侧面，第三个所述反馈腔分布在所述主腔剩余两侧面的任意一侧面；或，包括四个反馈腔，四个所述反馈腔分别分布在所述主腔的四个侧面。

4.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述高阻层是通过质子注入工艺形成的高阻层，注入的质子为H⁺；和/或，所述横向光场限制层为氧化限制层，所述氧化限制层是通过湿法氧化工艺形成的氧化限制层。

5.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，当所述横向光场限制层为氧化限制层时，所述氧化限制层的材料为AlxGa1-x As，其中，0.97≤x≤1；和/或，

所述反馈腔内的横模在所述横向光场限制层横向反馈进入至所述主腔，此时，所述横模在所述主腔与反馈腔的横向交接处的有效反射率为3％～8％。

6.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述主腔、反馈腔所具有的底部电极为一体式电极；所述主腔、反馈腔所具有的顶部电极为分离式电极。

7.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述主腔的长度小于或等于所述反馈腔的长度，多个所述反馈腔的长度相等；所述主腔的长度为4um～7um；所述反馈腔的强度为4um～15um。

8.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，每一所述反馈腔与所述主腔相对的一端均设置有反射镜层；所述反射镜层包括氧化层和增反膜层。

9.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述主腔和反馈腔为一体式结构，自下而上依次包括下电极、衬底、下布拉格反射镜、有源区、横向光场限制层、上布拉格反射镜和上电极，所述高阻层设置在所述上布拉格反射镜的纵切面且位于所述主腔与每一反馈腔的纵向交接处。

10.根据权利要求9所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述衬底和下布拉格反射镜之间还包括下缓冲层；和/或，所述下布拉格反射镜和所述有源区之间且自下而上依次包括下包层和下异质结限制层；和/或，所述有源区和上布拉格反射镜之间且自下而上依次包括上异质结限制层和上包层；和/或，所述上电极的材料为Ti-Pt-Au，上电极的厚度为300nm～700nm；和/或，所述下电极的材料为Ni-Ge-Au，所述下电极的厚度为100nm～500nm；和/或，所述衬底成为N-型掺杂衬底层或半绝缘GaAs衬底层中的任意一种。

11.根据权利要求10所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述下布拉格反射镜的反射率大于或等于所述上布拉格反射镜的反射率；所述下布拉格反射镜和上布拉格反射镜均由两种具有不同折射率的AlxHGaAs/AlxLGaAs对层叠排列形成；

所述上异质结限制层和下异质结限制层的结构相同，所述上异质结限制层和下异质结限制层的材料均与势垒层的材料相同，或，能带带隙大于所述势垒层的材料，且所述上异质结限制层和下异质结限制层的材料均没有掺杂；

此时，所述下包层和上包层均采用铝组分渐变的AlxGaAs材料，AlxGaAs材料中铝组分的选择使其在低能带带隙端接近异质结限制层带隙，高能带带隙端接近氧化限制高铝层带隙。

12.根据权利要求1所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器，其特征在于，所述有源区采用3～9个层叠设置的压缩应变量子阱结构，所述压缩应变量子阱结构设置在所述主腔内所具有的驻波的中心波腹上。

13.一种具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供外延晶片；

刻蚀所述外延晶片，以形成主腔以及绕环在所述主腔外围的N个反馈腔，N≥2；

氧化位于所述具有横向结构的垂直腔表面发射激光器所具有的上布拉格发射镜以及有源区之间的结构以形成横向光场限制层；

定义质子注入区域，所述质子注入区域位于所述主腔所具有的上布拉格反射镜与每一所述反馈腔所具有的上布拉格发射井的纵向交接处；

向所述质子注入区域内注入质子以形成高阻层。

14.根据权利要求13所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述外延晶片自下而上至少包括衬底层、下缓冲层、下布拉格反射镜层、下包层、下异质结限制层、有源层、上异质结限制层、上包层、横向光束限制层、上布拉格反射镜层；

刻蚀所述外延晶片，以形成主腔以及绕环在所述主腔外围的N个反馈腔，N≥2，包括：

确定所述主腔以及反馈腔的结构形状，按照所述结构形状自上而下刻蚀所述上布拉格反射镜层、横向光场限制层、上包层、上异质结限制层、有源层、下异质结限制层以及部分下包层。

15.根据权利要求14所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法，其特征在于，定义质子注入区域包括：在刻蚀所述上布拉格反射镜层形成的上布拉格反射镜的顶层形成掩膜层；

图案化掩膜层以定义质子注入区域；

向所述质子注入其余内注入质子以形成高阻层，包括：

多能量叠加注入方法向所述质子注入区域注入H⁺，第一次注入能量为315keV，第二次注入能量为250keV，两次注入剂量均为1E15cm-2。

16.根据权利要求13所述的具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法，其特征在于，向所述质子注入区域内注入质子以形成高阻层后，所述具有横向结构的垂直腔表面发射激光器的制造方法还包括：

在所述上布拉格反射镜的表面沉积形成保护层；

旋涂以形成BCB树脂层；

在所述BCB树脂层的表面涂覆光刻胶层；

去除位于所述上布拉格反射镜表面的光刻胶层；

去除位于所述上布拉格反射镜表面的BCB树脂层和保护层；

在所述主腔和反馈腔所对应的所述上布拉格反射镜的位置形成分离式上电极；

在所述上电极的表面沉积形成保护层；

减薄所述衬底的背面，在所述衬底的背面形成一体式下电极。