[发明专利]一种晶格匹配的硅基GaInNP垂直腔面发射激光器

说明书

本发明提供一种晶格匹配的硅基GaInNP垂直腔面发射激光器，涉及半导体激光器的技术领域，包括Si衬底，为n型Si单晶片，在Si衬底的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有n型GaNP缓冲层、n型DBR结构层、GaNP/GaInNP/GaNP多量子阱有源区和p型DBR结构层，在所述Si衬底下表面制备有下电极，在所述p型DBR结构层上表面制备有上电极。本发明可基于晶硅衬底制备得到激射波长在730～950nm之间的垂直腔面发射激光器，可推进硅光子集成技术的发展，加快垂直腔面发射激光器的应用。

技术领域

本发明涉及半导体激光器的技术领域，尤其涉及一种晶格匹配的硅基GaInNP垂直腔面发射激光器。

背景技术

近年来，半导体激光器产业获得较大发展，随着通信、3D传感、AR/VR等领域的开发驱动，半导体垂直腔面发射激光器（VCSEL）引起了广泛关注。激射波长为808nm的VCSEL可应用于激光焊接、切割、医疗和军事领域等，850nm的VCSEL可广泛应用于高速光纤通信以及短距离数据通信，而940nm的VCSEL可应用于3D传感，实现人脸识别等功能，目前已经在手机领域得到应用，市场前景十分看好。

然而上述VCSEL材料大多是基于GaAs衬底制作而成，在应用过程中与晶硅集成电路的结合技术较为复杂。如果能开发出基于晶硅衬底的VCSEL材料，将能大大促进硅光子技术的发展，使得半导体激光器技术能够快速在晶硅集成电路中得到应用。半导体激光器在材料制备过程中的关键技术就是提高材料的晶体质量，而提高晶体质量的重要前提是保持材料与衬底的晶格匹配。半导体化合物GaP、AlP与Si的晶格常数非常接近，研究者发现在GaP、AlP材料中掺入约2%的N原子形成GaNP和AlNP材料后，晶格常数与晶硅衬底完美匹配（W. Shan, W. Walukiewicz, K. M. Yu, et al., Applied Physics Letters 76 (22),3251-3253 (2000)）。同时还有研究表明，如果在GaNP合金中掺入In原子可形成GaInNP四元合金材料，其材料带隙可以通过改变N组分而实现在1.3～1.7eV之间连续可调（激射波长可实现的范围为730～950nm），同时还能与Si材料保持晶格匹配（S. Almosni, C. Robert,T. Nguyen Thanh, et al., Journal of Applied Physics 113 (12), 123509 (2013)），非常适合与晶硅材料结合来制备半导体激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种晶格匹配的硅基GaInNP垂直腔面发射激光器，以解决上述技术问题。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：一种晶格匹配的硅基GaInNP垂直腔面发射激光器，包括Si衬底，其特征在于：所述Si衬底为n型Si单晶片，在所述Si衬底的上表面按照层状叠加结构从上至下依次设置有n型GaNP缓冲层、n型DBR结构层、GaNP/GaInNP/GaNP多量子阱有源区和p型DBR结构层，在所述Si衬底下表面制备有下电极，在所述p型DBR结构层上表面制备有上电极。

优选的，所述n型GaNP缓冲层、n型DBR结构层、GaNP/GaInNP/GaNP多量子阱有源区和p型DBR结构层的所有材料层晶格常数与Si衬底保持相同。

优选的，所述n型DBR结构层由多层n型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为20～30对。

优选的，所述GaNP/GaInNP/GaNP多量子阱有源区中GaInNP材料的光学带隙为1.3～1.7eV，量子阱数目为1～5个。

优选的，所述p型DBR结构层由p型掺杂的GaNP/AlNP组成，GaNP/AlNP对数为15～25对。

本发明的有益效果是：