本發明涉及一種半導體光電子技術領域，特別涉及一種高速vcsel激光器外延結構及其制備方法。

背景技術：

垂直腔表面發射激光器(vcsel)是在垂直于激光器形成在其上的襯底的方向發光的半導體激光器，相比于邊發射半導體激光器（fp,dfb等）具有溫漂小、低閾值、光纖耦合效率高、易于集成,封裝、高速(上升下降在100ps級別)等特性，是超高速短距離光互聯設備中的首選光源，廣泛用于大型數據中心、超級計算機內的連接，在數據分析需求不斷攀升的帶動下，預期vcsel未來產值將超過十億美元。如圖1所示，典型的vcsel外延結構包含一gaas襯底01，在襯底上依次采用mocvd沉積gaas緩沖層02，n型摻雜的dbr03,有源層04，氧化限制層05，p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07。

不斷增長的數據業務對網絡帶寬的需求不斷提高，其核心在于提高作為通信光源的vcsel激光器的帶寬。提高vcsel的帶寬的方法有很多，例如采用ingaas量子阱作為有源區，可以提高有源區載流子的微分增益，從而提高vcsel的帶寬；減小vcsel的腔長，從而提高光子的限制因子，從而提高vcsel的帶寬；采用雙氧化限制層來降低vcsel的寄生電容，從而提高vcsel的帶寬等方法。另外，文獻《scatteringlossesfromdielectricaperturesinvertical-cavitylasers》報道了采用較薄的氧化限制層（小于15nm），氧化層前端會形成尖端結構，類似于棱鏡（lens），可有效減小光腔內光子的散射損失，從而通過提高載流子的微分增益來提高vcsel的帶寬。

上述傳統技術均是提高帶寬的方法，在實際應用中，采用ingaas量子阱作為有源區的激光器可靠性存在問題，是目前vcsel應用的瓶頸。另外，采用薄的alas氧化限制層（小于15nm），有3個缺點：

1）氧化速率快，vcsel的出光孔徑難以控制，導致vcsel成品率低；

導致原因：傳統技術的氧化限制層一般采用alas作為氧化限制層，alas層厚度越薄，氧化速率越快，而vcsel的氧化孔徑一般為6-8um,氧化孔徑極難穩定重復控制，導致vcsel制備良率偏低；

2)寄生電容大，影響vcsel的調制速率;

導致原因：alas氧化限制層氧化后形成絕緣層使vcsel的電流集中于出光區域從而對減小vcsel的閾值電流，然而由于該絕緣層位于p-dbr與n-dbr之間，在vcsel工作時，會首先對氧化限制層進行充放電，然后再注入到有源區產生光子，這是vcsel的本征寄生電容。為了提高vcsel的帶寬，要盡可能的減小本征寄生電容。alas層厚度越薄，寄生電容越大，這是由于電容c=πε0εox/dox.公式中，ε0為真空介電常數，εox為絕緣層介電常數，dox為絕緣層的厚度;

3)氧化層應力大，氧化后外延層易剝離;

導致原因：采用alas氧化限制層，由于alas的晶格常數小于gaas晶格常數，alas在生長時會產生較大張應力，氧化后易使外延層剝離，影響器件可靠性。

上述傳統技術采用薄的氧化限制層（小于15nm），在氧化層前端能形成lens結構，以減小光子的散射損失，但會造成上面所述的缺點。一旦氧化層的厚度加厚，氧化層前端會呈現圓弧形(如圖2所示），光子的散射損失會增加，會影響vcsel的調制帶寬。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種能夠提高vcsel帶寬的高速vcsel激光器外延結構。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高速vcsel激光器外延結構，包括gaas襯底，在gaas襯底上依次采用mocvd沉積gaas緩沖層、n型摻雜的dbr、有源層、氧化限制層、p型摻雜的dbr和歐姆接觸層，氧化限制層由多個ga組分可自由調節的al1-xgaxas外延層組成，其中x為ga元素的組分。

優選的，所述多個al1-xgaxas外延層的ga組分跳變。

優選的，所述多個al1-xgaxas外延層中中間層的ga組分最小，最下層的ga組分最大。

優選的，所述氧化限制層由下至上包括ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、ga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

優選的，所述氧化限制層的中間外延層的ga組分為2%、厚度為10nm，最下層、最上層的外延層的ga組分為5%、厚度為5nm，中間外延層的ga組分為組分為2-5%，厚度為3-8nm。

優選的，所述氧化限制層由下至上包括5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

優選的，所述有源層采用gaas/algaasmqw。

本發明還公開一種用于上述高速vcsel激光器外延結構的制備方法，其包括如下步驟：以電導率為2-8×10¹⁸cm^-2的n型gaas作為生長襯底，放入mocvd系統中生長，反應室壓力為50mbar，生長溫度為670℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等為反應源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對數為26組；gaas/al0.3gaas形成的mqw有源層,zn摻雜的氧化限制層，zn摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對數為16組，zn摻雜的gaas歐姆接觸層；所述氧化限制層（05）由多個ga組分可自由調節的al1-xgaxas外延層組成，其中x為ga元素的組分。

優選的，所述多個al1-xgaxas外延層中中間層的ga組分最小，最下層的ga組分最大。

優選的，多個ga組分跳變的外延層包括：第一層：5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as、第二層：5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as、第三層：10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as、第四層：5nmga組分為3%的al0.97ga0.03as、第五層：5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as。

如上所述，本發明的高速vcsel激光器外延結構具有以下有益效果：該激光器外延結構采用一定厚度的組分跳變的algaas氧化限制層，可在氧化限制層前端形成lens結構，減小光子的散射損失，從而提高vcsel的調制帶寬。同時，可以克服上述缺點：1）通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層的氧化速率，使氧化易于控制，提高vcsel芯片產品良率；2）通過增加厚度來減小vcsel的本征寄生電容；3）通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層與襯底的失配度，從而減小應力。

附圖說明

圖1為傳統vcsel外延結構示意圖。

圖2為傳統技術外延結構制作為芯片后氧化限制層結構示意圖。

圖3為本發明實施例氧化限制層結構示意圖。

圖4為本發明實施例制作為芯片后氧化限制層結構示意圖。

元件標號說明

01、gaas襯底；02、gaas緩沖層；03、n型摻雜的dbr；04、有源層；05、氧化限制層；06、p型摻雜的dbr；07、歐姆接觸層；10、al0.95ga0.05as外延層；11、al0.97ga0.03as外延層；12、al0.98ga0.02as外延層（12)；13、al0.97ga0.03as外延層；14、al0.95ga0.05as外延層。

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點及功效。

請參閱圖1至圖4。須知，本說明書所附圖式所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的范圍內。同時，本說明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。

實施例一、

如圖1、3所示，本發明提供一種高速vcsel激光器外延結構，其包括gaas襯底01，在gaas襯底01上依次采用mocvd沉積gaas緩沖層02、n型摻雜的dbr03、有源層04、氧化限制層05、p型摻雜的dbr06和歐姆接觸層07，其中有源層4采用gaas/algaasmqw，氧化限制層05由多個ga組分可自由調節的al1-xgaxas外延層組成，其中x為ga元素的組分。多個al1-xgaxas外延層的ga組分最好采用跳變方式，所謂跳變，就是相鄰兩層外延層的ga組分不是連續變化的，而是采用類似階梯函數的方式進行變化的。最為一種較優的方式，多個al1-xgaxas外延層中中間層的ga組分應最小，最下層的ga組分最大，最上層的外延層應具有一定厚度，這樣更容易在氧化限制層前端形成lens結構。

作為一種具有實施例algaas氧化限制層由下至上包括ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層10、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層11、ga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層12、ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層14和ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層14。其中ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層10的厚度為5nm，ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層11的厚度為5nm，組分為2%的al0.98ga0.02as外延層12的厚度為10nm，ga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層3的厚度為5nm，ga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層14的厚度為5nm。

實施例二、

作為一種優選方式，氧化限制層的中間外延層的ga組分為2%、厚度為10nm，最下層、最上層的外延層的ga組分為5%、厚度為5nm，中間外延層的ga組分為組分為2-5%，厚度為3-8nm。在本實施例中，氧化限制層由下至上包括5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、3nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、3nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

實施例三、

該實施例中，氧化限制層由下至上包括5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層、8nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層、10nmga組分為2%的al0.98ga0.02as外延層、8nmga組分為3%的al0.97ga0.03as外延層和5nmga組分為5%的al0.95ga0.05as外延層。

氧化限制層05采用一定厚度的組分跳變結構，由于不同ga組分的氧化速率不同，制作為vcsel芯片后，其氧化層形貌如圖4所示。

在芯片工藝中，algaas的氧化速率隨ga組份的減小而增加，氧化限制層采用algaas，應力小，氧化速率可控因此，相比于傳統的30nm的algaas或alas氧化限制層，氧化限制層厚度為30nm,采用組分跳變結構，氧化層前端可形成lens結構，從而減小光子的散射，提高vcsel的調制帶寬。

上述高速vcsel激光器外延結構的制備方法包括如下步驟：以電導率為2-8×1⁰¹⁸cm^-2的n型gaas作為生長襯底，放入mocvd系統中生長，反應室壓力為50mbar，生長溫度為670℃，以h2為載氣，三甲基銦（tmin）、三甲基鎵（tmga）、三甲基鋁（tmal）、二乙基鋅（dezn）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷烷（ph3）等為反應源氣體，依次生長si摻雜的gaas緩沖層，si摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對數為26組；gaas/al0.3gaas形成的mqw有源層,zn摻雜的氧化限制層，zn摻雜的al0.1gaas/al0.9gaasdbr，對數為16組，zn摻雜的gaas歐姆接觸層；其中，氧化限制層由多個ga組分跳變的外延層組成。

其中氧化限制層的結構可根據需要按上述實施例一、實施例二或實施例三的結構生長。外延層生長完成后，可利用公知的光刻與刻蝕工藝，形成vcsel臺面結構，采用氧化工藝使氧化限制層氧化，形成6-8nm的氧化孔徑，然后在表面cap層上蒸鍍正面電極，并將gaas襯底減薄，在減薄的gaas襯底背面蒸鍍背面電極，即完成vcsel激光器的制作。

該激光器外延結構具有如下有益效果：1）、通過采用5組組份跳變的氧化限制層結構，在氧化層前端形成lens結構，從而減少光子的散射損失，從而提高vcsel的微分增益從而提高調制帶寬；2）、通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層的氧化速率，使氧化易于控制，提高vcsel芯片產品良率；3）、通過增加氧化限制層厚度來減小vcsel的本征寄生電容；4）、通過在氧化限制層中摻雜一定比例的ga，減小氧化限制層與襯底的失配度，從而減小應力，避免在氧化過程中外延層剝離的現象。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。