[实用新型]一种高速VCSEL激光器外延结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种半导体光电子技术领域，特别涉及一种高速VCSEL激光器外延结构。

背景技术

垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 是在垂直于激光器形成在其上的衬底的方向发光的半导体激光器，相比于边发射半导体激光器（FP,DFB等）具有温漂小、低阈值、光纤耦合效率高、易于集成,封装、高速(上升下降在100ps级别)等特性，是超高速短距离光互联设备中的首选光源，广泛用于大型数据中心、超级计算机内的连接，在数据分析需求不断攀升的带动下，预期VCSEL未来产值将超过十亿美元。如图1所示，典型的VCSEL外延结构包含一GaAs衬底01，在衬底上依次采用MOCVD沉积GaAs 缓冲层02，N型掺杂的DBR 03,有源层04，氧化限制层05，P型掺杂的DBR 06和欧姆接触层07。

不断增长的数据业务对网络带宽的需求不断提高，其核心在于提高作为通信光源的VCSEL激光器的带宽。提高VCSEL的带宽的方法有很多，例如采用InGaAs量子阱作为有源区，可以提高有源区载流子的微分增益，从而提高VCSEL的带宽；减小VCSEL的腔长，从而提高光子的限制因子，从而提高VCSEL的带宽；采用双氧化限制层来降低VCSEL的寄生电容，从而提高VCSEL的带宽等方法。另外，文献《Scattering Losses from DielectricApertures in Vertical-Cavity Lasers》报道了采用较薄的氧化限制层（小于15nm），氧化层前端会形成尖端结构，类似于棱镜（lens），可有效减小光腔内光子的散射损失，从而通过提高载流子的微分增益来提高VCSEL的带宽。

上述传统技术均是提高带宽的方法，在实际应用中，采用InGaAs量子阱作为有源区的激光器可靠性存在问题，是目前VCSEL应用的瓶颈。另外，采用薄的AlAs氧化限制层（小于15nm），有3个缺点：

1）氧化速率快，VCSEL的出光孔径难以控制，导致VCSEL成品率低；

导致原因：传统技术的氧化限制层一般采用AlAs作为氧化限制层，AlAs层厚度越薄，氧化速率越快，而VCSEL的氧化孔径一般为6-8um,氧化孔径极难稳定重复控制，导致VCSEL制备良率偏低；

2)寄生电容大，影响VCSEL的调制速率;

导致原因：AlAs氧化限制层氧化后形成绝缘层使VCSEL的电流集中于出光区域从而对减小VCSEL的阈值电流，然而由于该绝缘层位于P-DBR与N-DBR之间，在VCSEL工作时，会首先对氧化限制层进行充放电，然后再注入到有源区产生光子，这是VCSEL的本征寄生电容。为了提高VCSEL的带宽，要尽可能的减小本征寄生电容。AlAs层厚度越薄，寄生电容越大，这是由于电容C=πε₀ε_ox/d_ox.公式中，ε₀为真空介电常数，ε_ox为绝缘层介电常数，d_ox为绝缘层的厚度;

3)氧化层应力大，氧化后外延层易剥离;

导致原因：采用AlAs氧化限制层，由于AlAs的晶格常数小于GaAs晶格常数，AlAs在生长时会产生较大张应力，氧化后易使外延层剥离，影响器件可靠性。

上述传统技术采用薄的氧化限制层（小于15nm），在氧化层前端能形成lens结构，以减小光子的散射损失，但会造成上面所述的缺点。一旦氧化层的厚度加厚，氧化层前端会呈现圆弧形(如图2所示），光子的散射损失会增加，会影响VCSEL的调制带宽。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种能够提高VCSEL带宽的高速VCSEL激光器外延结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种高速VCSEL激光器外延结构，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次采用MOCVD沉积GaAs 缓冲层、N型掺杂的DBR、有源层、氧化限制层、P型掺杂的DBR和欧姆接触层，氧化限制层由多个Ga组分跳变的Al_1-xGa_xAs外延层组成，其中X为Ga元素的组分。

优选的，所述多个Al_1-xGa_xAs外延层中中间层的Ga组分最小，最下层的Ga组分最大。