[发明专利]一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光通信用激光器材料和半导体光电子材料及其制造技术领域，涉及一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)的材料和器件结构完全不同于边发射激光器，与边发射激光器相比VCSEL具有众多优点，主要有：晶片可以在位直接测试、不需解理面腔镜、便于制作大规模二维阵列、圆形对称光束输出、易于实现稳定动态单模工作、低功率消耗、高光纤耦合效率、高直接调制速率、低制作和封装成本。基于这些特点，垂直腔面发射激光器更适合于应用在光纤通信系统中。目前，商品化的850nm VCSEL已经在短距离光通信和光互连等领域获得广泛应用。

近年来，以数据、视频为主的以太网业务每年都在爆炸性激增，并逐步超越语音业务成为干线链路中传送的主要信息流，这使得目前长途传输网络的业务总量迅速增长。但是由于光纤在850nm波段光损耗较大，使得技术成熟的850nm VCSEL无法应用于骨干网和城域网。因而，能够适用于长途光通信系统的1550nm VCSEL器件成为满足当前大容量、高速率城域网和骨干网的迫切需求。但是对于1550nm VCSEL器件，由于InP/InGaAsP的折射率差较小，没有合适的材料制作得到高反射率的InP基分布布拉格反射腔镜(DBR)，从而导致1550nm InP基VCSEL器件的光电性能一直无法达到实用化要求。

为了解决1550nm VCSEL器件的DBR问题，目前采用的方法有：(1)将高反射性能的AlGaAs/GaAs DBR与InP基有源区键合；(2)使用光学介质DBR；(3)引入锑(Sb)化物材料制作高反射性能DBR；(4)发展GaAs基长波长量子点有源区结构VCSEL；(5)采用在InP衬底上异变外延AlGaAs/GaAs DBR方法，生长InP基VCSEL材料的上DBR结构。但是，到目前为止，上述方法均未取得满意的效果，如：(1)采用AlGaAs/GaAs DBR与InP基有源区键合的方法，其成品率低，且后续的器件制作工艺也会对键合的质量造成影响；(2)对于光学介质DBR方法，只能用作VCSEL的上DBR结构，而下DBR结构无法采用；(3)对于锑化物材料制作的高反射性能DBR，由于材料的热导率低，所需的反射层对数多，因而导致器件的热阻大，降低器件的光电性能；另外，锑化物材料与InP之间容易形成位错，从而严重影响有源区材料的晶体质量和光增益性能；(4)对于GaAs基长波长量子点有源区结构VCSEL，目前已经实现激射波长1310nm的GaAs基量子点有源区结构的材料生长，但是还很难实现激射波长1550nm的GaAs基量子点有源区结构；(5)对于在InP衬底上异变外延AlGaAs/GaAs DBR的方法，只是将上DBR结构改变为AlGaAs/GaAs DBR，而下DBR结构的问题还是存在。因此，如何解决1550nm VCSEL器件的上、下高反射率DBR结构，特别是高反射率下DBR结构和制备，成为提高其光电性能和实现实用化的关键。

发明内容

为了解决现有技术中波长1550nm VCSEL外延材料没有合适的材料制作高反射率下DBR的问题。

本发明提供的一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构，由下到上依次为单晶InP衬底、底部反射腔镜结构、激光器外延材料结构和顶部反射腔镜结构，所述的激光器外延材料结构包括n型欧姆接触层、有源区和p型欧姆接触层；所述的底部反射腔镜结构包括多层介质图形结构，在所述的多层介质图形结构的生长窗口区生长有InP缓冲层，并侧向外延生长InP侧向外延层，作为激光器外延材料结构的下DBR结构；所述的顶部反射腔镜结构为多层介质结构，作为上DBR结构。所述的多层介质图形结构由Si薄膜和SiO₂薄膜交替生长组成，每层Si薄膜的厚度为280nm，每层SiO₂薄膜的厚度为110nm，并且第一层SiO₂薄膜生长在单晶InP衬底上。

优选的，所述的多层介质图形结构由5层Si薄膜和6层SiO₂薄膜交替生长组成。

本发明还提供一种1.55微米波长垂直面发射激光器材料结构的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：

第一步，在单晶InP衬底上制备底部反射腔镜结构，即下DBR结构；

具体包括：在单晶InP衬底上制作多层介质图形结构；

在所述的多层介质图形结构上生长InP侧向外延层；

第二步，在底部反射腔镜结构上制备激光器外延材料结构层；