CN101093931B - 集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器，包括：一衬底；一下布拉格反射镜制作在衬底上；一下限制层制作在下布拉格反射镜上；一下波导层制作在下限制层上，该下波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；一有源区制作在下波导层上；一上波导层制作在有源区上，该上波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；一上限制层制作在上波导层上；一上布拉格反射镜制作在上限制层上面的中间；一欧姆接触层制作在上限制层上，位于上布拉格反射镜的两侧；一上电极制作在欧姆接触层上，位于上布拉格反射镜的两侧；一下电极制作在衬底的下面。

Description

集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器及制作方法

技术领域

本发明是一种垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)，尤其是集成了泵浦光源(边发射激光器)的长波长垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是一种很有前途的半导体激光器，它具有许多优点：

1)可以做成密集排列的二维激光阵列。

2)可从与衬底垂直方向发出细的圆形光束，与光纤的耦合效率高。

3)可以在未理解芯片之前进行测试，使成本大大降低。

4)动态单模特性好，调制带宽较宽。由于垂直腔面发射激光器具有如此多优于传统边发射激光器的特点，很快就成为了研究的焦点，在光网络、光信息处理、传感以及其他领域产生了巨大影响。

日本的Iga教授在1977年首先提出垂直腔面发射激光器的构思，到了20世纪90年代，许多研究机构开发出了各种类型、各种波段的面发射激光器，并且积极推进各波段面发射激光器的商品化。目前为止，激射波长为0.85μm的GaAs/AlGaAs VCSEL已经成功地实现了商业应用，而长波长的面发射激光器在商品化方面遇到巨大的困难。长波长面发射激光器的无法商品化的原因，主要是长波长激光器所常用的InGaAsP/InP材料有以下缺点：

1)InGaAsP/InP材料作为半导体布拉格反射镜使用时，InGaAsP和InP的折射率相差较小。为使半导体布拉格反射镜达到99％以上的反射率，必须生长InGaAsP/InP 40对左右，这对外延生长来说是不小的难题。

2)InGaAsP/InP材料的俄歇吸收以及价带吸收较大。

3)InGaAsP和InP系在导带上的势垒很小，特别是在载流子浓度较高的时候很难有较好的温度特性。

4)InGaAsP材料的热传导系数比较低，散热较困难，这导致激光器功率不高。

5)InGaAsP/InP材料目前还没有很好的电流限制方法。InGaAsP/InP材料的这些缺点使长波长面发射激光器的单模输出功率很低，无法满足光通讯***的要求。

为了克服垂直腔面发射激光器的单模输出功率低的问题，研究人员采用光取代电来泵浦长波长面发射激光器。光泵浦垂直面发射激光器的发热显著小于电泵浦垂直腔面发射激光器，因此能够得到较高的单模输出功率，但是一个外部泵浦光源的引入使器件的成本、封装难度大为提高，难以大规模推广。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器及制作方法，具有泵浦光源和垂直腔面发射激光器之间无反射界面、成本小、出光功率大等优点。

本发明一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，该结构包括：

一衬底，该衬底是磷化铟衬底；

一下布拉格反射镜，该下布拉格反射镜制作在衬底上；

一下限制层，该限制层制作在下布拉格反射镜上，该下限制层是磷化铟材料；

一下波导层，该下波导层制作在下限制层上，该下波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；

一有源区，该有源区制作在下波导层上；

一上波导层，该上波导层制作在有源区上，该上波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；

一上限制层，该上限制层制作在上波导层上，该上限制层是磷化铟材料；

一上布拉格反射镜，该上布拉格反射镜制作在上限制层上面的中间；

一欧姆接触层，该欧姆接触层制作在上限制层上，位于上布拉格反射镜的两侧，该欧姆接触层是铟镓砷材料；

一上电极，该上电极制作在欧姆接触层上，位于上布拉格反射镜的两侧，该上电极是金锌金材料；

一下电极，该下电极制作在衬底的下面，该下电极是金锗镍材料。

其中所述下布拉格反射镜由40对组合材料组成，每一对组合材料包括铝镓铟砷层和磷化铟层；该铝镓铟砷层/磷化铟层的材料与磷化铟晶格匹配，在磷化铟衬底上生长出来。

其中所述的有源区由两部分构成，一部分是垂直腔面发射激光器的有源区，另一部分是泵浦激光器的有源区。

其中所述的上布拉格反射镜由3对组合材料组成，每一对组合材料包括氧化镁和硅。

本发明提供一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)使用金属有机化学气相沉积设备在衬底上依次生长下布拉格反射镜、下限制层、下波导层，所述下限制层是磷化铟材料，所述下波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；

(2)在外延片的表面通过光刻工艺形成二氧化硅掩模图形，腐蚀掉下波导层；

(3)采用选择区域生长技术，在外延片上依次生长出下波导层，B区、A区的有源区，上波导层和上限制层，该有源区由两部分构成，一部分是垂直腔面发射激光器的有源区，另一部分是泵浦激光器的有源区，该两部分有源区是通过选择区域生长技术生长形成，使用选择区域生长技术生长出B区带隙波长为1.55微米、而A区带隙波长为1.45微米的铟镓砷磷多量子阱有源区；B区带隙波长为1.55微米的有源区是垂直腔面发射激光器的有源区，而A区带隙波长为1.45微米的有源区是泵浦激光器的有源区，该上波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料，该上限制层是磷化铟材料；

(4)采用量子阱混杂技术使A区的带隙波长进一步蓝移，其中上限制层作为离子注入缓冲层，通过量子阱混杂技术使A区泵浦激光器有源区的带隙波长从1.45微米蓝移到1.3微米；

(5)腐蚀掉上限制层，使用金属有机化学气相沉积设备第三次依次外延生长上限制层和欧姆接触层；

(6)使用光刻工艺在B区表面开一个无胶窗口；

(7)腐蚀无胶窗口内的欧姆接触层；

(8)采用带胶剥离工艺制作上布拉格反射镜；

(9)制作上电极；

(10)将衬底减薄、抛光；

(11)在衬底的下面制作下电极。

其中所述下布拉格反射镜由40对组合材料组成，每一对组合材料包括铝镓铟砷层和磷化铟层；该铝镓铟砷层/磷化铟层的材料与磷化铟晶格匹配，在磷化铟衬底上生长出来。

其中所述的上布拉格反射镜由3对组合材料组成，每一对组合材料包括氧化镁和硅。

其中所述的步骤(3)使用选择区域生长技术生长出B区带隙波长为1.55微米，而A区带隙波长为1.45微米的铟镓砷磷多量子阱有源区；B区带隙波长为1.55微米的有源区是垂直腔面发射激光器的有源区，而A区带隙波长为1.45微米的有源区是泵浦激光器的有源区。

其中所述的步骤(4)，通过量子阱混杂技术使A区泵浦激光器有源区的带隙波长从1.45微米蓝移到1.3微米。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的剖面示意图；

图2是本发明集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的俯视示意图；

图3是金属有机化学气相沉积(MOCVD)选择区域生长时的掩模图形；

图4是采用量子阱混杂技术后有源区带隙波长蓝移和光荧光强度的变化；

具体实施方式

本发明提出了一种新型的长波长垂直腔面发射激光器结构，这种结构把泵浦光源和垂直腔面发射激光器集成在一起，不但能输出较大的光功率，满足中长距离光通信的要求，而且能够显著减少光泵浦垂直腔面发射激光器的成本。

请参阅图1及图2，本发明一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器，其特征在于，该结构包括：

一衬底2，该衬底是磷化铟衬底；

一下布拉格反射镜3，该下布拉格反射镜3制作在衬底2上；其中所述下布拉格反射镜3由40对组合材料组成，每一对组合材料包括铝镓铟砷层和磷化铟层；该铝镓铟砷层/磷化铟层的材料与磷化铟晶格匹配，在磷化铟衬底2上生长出来；

一下限制层4，该限制层4制作在下布拉格反射镜3上，该下限制层4是磷化铟材料；

一下波导层5，该下波导层5制作在下限制层4上，该下波导层5是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；

一有源区6，该有源区6制作在下波导层5上；其中所述的有源区6由两部分构成，一部分是垂直腔面发射激光器的有源区，另一部分是泵浦激光器的有源区；

一上波导层7，该上波导层7制作在有源区6上，该上波导层7是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；

一上限制层8，该上限制层8制作在上波导层7上，该上限制层8是磷化铟材料；

一上布拉格反射镜11，该上布拉格反射镜11制作在上限制层8上面的中间；其中所述的上布拉格反射镜11由3对组合材料组成，每一对组合材料包括氧化镁和硅；

一欧姆接触层9，该欧姆接触层9制作在上限制层8上，位于上布拉格反射镜11的两侧，该欧姆接触层9是铟镓砷材料；

一上电极10，该上电极10制作在欧姆接触层9上，位于上布拉格反射镜11的两侧，该上电极10是金锌金材料；

一下电极1，该下电极1制作在衬底2的下面，该下电极1是金锗镍材料。

请再参阅图1及图2，本发明一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)使用金属有机化学气相沉积设备在衬底2上依次生长下布拉格反射镜3、下限制层4、下波导层5；

(2)在外延片的表面通过光刻工艺形成二氧化硅掩模图形，腐蚀掉下波导层5；

(3)采用选择区域生长技术，在外延片上依次生长出下波导层5，B区、而A区的有源区6，上波导层7和上限制层8；其中所述的步骤(3)使用选择区域生长技术生长出B区带隙波长为1.55微米，而A区带隙波长为1.45微米的铟镓砷磷多量子阱有源区6；B区带隙波长为1.55微米的有源区是垂直腔面发射激光器的有源区，而A区带隙波长为1.45微米的有源区是泵浦激光器的有源区；

(4)采用量子阱混杂技术使A区的带隙波长进一步蓝移，其中上限制层8作为离子注入缓冲层；其中所述的步骤(4)采用然后，通过量子阱混杂技术使A区泵浦激光器有源区的带隙波长从1.45微米蓝移到1.3微米。这样，就实现了使用1.3微米的激光去泵浦1.55微米的垂直腔面发射激光器的目的；

(5)腐蚀掉上限制层8，使用金属有机化学气相沉积设备第三次依次外延生长上限制层8和欧姆接触层9；

(6)使用光刻工艺在B区表面开一个无胶窗口；

(7)腐蚀无胶窗口内的欧姆接触层9；

(8)采用带胶剥离工艺制作上布拉格反射镜11；

(9)制作上电极10；

(10)将衬底2减薄，抛光；

(11)在衬底2的下面制作下电极1；

图1是本发明集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器结构的剖面示意图，图中A区对应的是边发射激光器，也就是泵浦光源，B区所对应的就是垂直腔面发射激光器。本结构的特点是泵浦光源的有源区和垂直腔面发射激光器的有源区在同一个平面上，没有明显的边界，这样泵浦激光器发出的光可以直接被垂直腔面发射激光器有源区吸收，泵浦效率高。要使垂直腔面发射激光器的有源区能够有效吸收泵浦激光器发出的光，就必须使泵浦激光器有源区的带隙波长小于垂直腔面发射激光器有源区的带隙波长，而求两者相差不能太小，否则吸收效率很低。本发明通过两种技术来达到较大带隙波长差的要求，一种是选择区域生长(SAG)技术，另外一种是量子阱混杂(QWI)技术。首先，本发明通过选择区域生长出垂直腔面发射激光器有源区带隙波长为1.55微米，而泵浦激光器有源区带隙波长为1.45微米的InGaAsP材料。然后，通过量子阱混杂技术使泵浦激光器有源区带隙波长从1.45微米蓝移到1.3微米。也就是说，最终本发明使用1.3微米的激光去泵浦1.55微米的垂直腔面发射激光器有源区。另外，在设计过程中，本结构使VCSEL有源区势垒的带隙波长略小于1.3微米，这样确保势垒也参与泵浦光的吸收，它产生的载流子会被量子阱收集，从而提高泵浦效率。

实施例

请参阅图1及图2，本发明的集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器结构，包括：一个下电极1、衬底2、下布拉格反射镜(DBR)3、下限制层4、下波导层5、有源区6、上波导层7、上限制层8、欧姆接触层9、上电极10和上布拉格反射镜(DBR)11。

下电极1是Au-Ge-Ni；

衬底2是n型InP衬底；

下布拉格反射镜(DBR)3是与InP晶格匹配的40对的AlGaInAs/InP，掺杂成n型。它有较大的折射率差，较低的导带电势差和较高的热传导系数；

下限制层4是n型的InP；

下波导层5是带隙波长为1.2微米的InGaAsP，不掺杂；

有源区6分为两部分，A区是垂直腔面发射激光器的有源区，材料是带隙波长为1.55微米的InGaAsP量子阱，B区是泵浦激光器的有源区，材料是带隙波长为1.3微米的InGaAsP量子阱；

上波导层7带隙波长为1.2微米的InGaAsP，不掺杂；

上限制层8是p型的InP；

欧姆接触层9是p型的InGaAs；

上电极10是Au-Zn-Au；

上布拉格反射镜(DBR)11是3对MgO/Si介质膜DBR，MgO/Si介质膜DBR热传导率高，采用它有利于散热。

请参阅图1及图2，本发明的该集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，主要包括11个步骤。

步骤一，使用金属有机化学气相沉积设备在衬底2上依次生长下布拉格反射镜3、下限制层4和下波导层5。

步骤二，在外延片的表面淀积一层二氧化硅，然后通过光刻工艺形成为选择区域生长用的掩模图形，图3给出了金属有机化学气相沉积(MOCVD)选择区域生长时的掩模图形。接着，腐蚀掉下波导层5，露出新鲜的下限制层4表面，这么做有利于在其表面长出良好的晶体。

步骤三，采用选择区域生长技术，在外延片上生长出下波导层5，B区带隙波长为1.55微米、而A区带隙波长为1.45微米的有源区6，上波导层7和上限制层8。

下面介绍一下选择区域生长(SAG)技术。

使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行晶体生长时，通过用SiO₂等掩膜，使衬底的某些部分不生长晶体，而没有掩膜的地方进行晶体生长，这就是选择性晶体生长方法。图3是本结构SAG生长的示意图。通常在进行选择区域生长前，在半导体衬底表面生长一定厚度的介质膜(一般为SiO2，或SiNx)，然后利用常规的光刻技术形成介质掩膜对，掩膜对之间的区域(称之为gap区)即为选择生长区域。汽相反应物在掩膜对之间的半导体表面容易成核，而在介质掩膜上面不能成核。除了在半导体表面上面存在的控制MOCVD生长的反应物垂直浓度梯度外，还存在着从掩膜对上方排斥过来的侧向的浓度梯度。这样就使得掩膜对之间的选择生长区域的生长速度增加，同时这个增加随着掩膜对的宽度的增加而增加，随着选择区域面积的增加而减小。当使用SAG方法生长量子阱结构时，在gap区的量子阱的厚度较大，具有长的带隙波长；而平面区域的量子阱的厚度较小，具有短的带隙波长。在生长压力和生长温度一定的条件下，通过控制掩膜的宽度和gap的宽度，可以改变gap区的厚度增强因子，从而实现在同一衬底上局部地控制量子阱的波长。实验表明，选择区域生长(SAG)技术可以生长出带隙波长相差多于100nm的材料。本发明通过选择区域生长出垂直腔面发射激光器有源区带隙波长为1.55μm，而泵浦激光器有源区带隙波长为1.45μm的InGaAsP多量子阱材料。

步骤四，采用量子阱混杂技术使A区的带隙波长近一步蓝移，其中上限制层8作为离子注入缓冲层；

下面介绍一下量子阱混杂(QWI)技术。

量子阱混杂技术(QWI)是一种后处理技术，通常包括三个步骤：1、在量子阱材料的表层产生大量的点缺陷；2、在某种激励条件下，例如快速热退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)，促使点缺陷向量子阱区域移动；3、点缺陷的移动，诱导量子阱/垒材料的组份原子在界面处发生互混杂，导致材料组份发生变化，从而改变带隙波长。其物理过程如下所示：在快速热退火过程(Rapid Thermal Annealing，RTA)中，点缺陷的扩散可以诱导量子阱中阱/垒材料组份的互混杂，改变量子阱的形状，从原来的矩形变化为抛物线形，量子阱带隙波长发生蓝移。通过局部地控制不同区域的点缺陷浓度，能够改变不同区域的量子阱的混杂程度，从而控制带隙波长的蓝移量。基于点缺陷的产生方法的不同，有多种途径可以实现QWI。这其中包括无杂质空位扩散(Impurity free vacancy diffusion，IFVD)、光吸收诱导混杂(Photo-absorption induced intermixing，PAID)、离子注入诱导混杂(Ion implantation induce disordering，IIID)、低温生长InP诱导混杂等。为了定义集成器件的不同区域，通常采用某种保护技术，使外延片上选定的区域产生一定浓度的点缺陷，而其它区域中没有点缺陷存在。RTA过程促进点缺陷扩散、诱导混杂后，在不同区域分别形成不同带隙波长的材料。QWI技术的主要优点是采用传统的平面外延生长技术，无需再生长过程。另外，QWI并不改变材料的组分，而只是改变量子阱的形状，因此在相邻的器件之间并不存在折射率的不连续性，光耦合效率很高，不会增加器件之间额外的光吸收或光散射损耗。在该集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器中，本发明使用低能磷离子注入在A区上限制层7产生点缺陷，注入过程中淀积厚的SiO₂(约4500nm)来保护B区，并使用热耙离子注入，即注入前把衬底加热到200摄氏度。注入能量为50kev，注入剂量为5×10¹³/cm³。离子注入后的实验片表面生长200nm厚的SiO₂层进行保护以免随后的退火过程外延片表面裂解。然后把晶片送入退火炉中加热到700摄氏度，保温一定的时间，然后快速退火(rapidthermal annealing，RTA)。图4给出了一张QWI技术的实验图，表示退火温度为700摄氏度，在不同退火时间下，InGaAsP量子阱带隙波长的蓝移和光荧光(PL)强度的变化情况。采用QWI技术可以使InGaAsP量子阱带隙波长的蓝移100nm以上，并且发光强度没有明显的减弱。本发明通过优化量子阱混杂技术中的各项参数，使泵浦激光器有源区带隙波长从1.45μm蓝移到1.3μm。

步骤五，因为上限制层8经过离子注入后有很多缺陷，必须去掉重现长。腐蚀掉上限制层8和退火中防止表面裂解的SiO₂，使用金属有机化学气相沉积设备第三次外延生长上限制层8和欧姆接触层9。

步骤六，涂胶，曝光，在B区表面开一个窗口，即窗口内没有光刻胶，而窗口外有光刻胶；

步骤七，腐蚀无胶窗口内的欧姆接触层9；

步骤八，使用电子束蒸发设备淀积上布拉格反射镜(DBR)11，即3对MgO/Si介质膜DBR，MgO/Si介质膜DBR热传导率高，采用它有利于散热。然后放入丙酮，有胶的区域介质膜随胶一起掉了，而无胶的区域介质膜仍旧留下。这个工艺就是介质膜的带胶剥离工艺。

步骤九，制作上电极10，上电极是Au-Zn-Au，制作在A区。

步骤十，将衬底2减薄，抛光。

步骤十一，在衬底2的下面制作下电极1，下电极是n型电极，材料为Au-Ge-Ni。

至此完成整个器件的制作。

尽管参照其特定的实施例详细地展示和描述了本发明，但还应该指出，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变，而不脱离所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (3)

1.一种集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)使用金属有机化学气相沉积设备在衬底上依次生长下布拉格反射镜、下限制层、下波导层，所述下限制层是磷化铟材料，所述下波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料；

(2)在外延片的表面通过光刻工艺形成二氧化硅掩模图形，腐蚀掉下波导层；

(3)采用选择区域生长技术，在外延片上依次生长出下波导层，B区、A区的有源区，上波导层和上限制层，该有源区由两部分构成，一部分是垂直腔面发射激光器的有源区，另一部分是泵浦激光器的有源区，该两部分有源区是通过选择区域生长技术生长形成，使用选择区域生长技术生长出B区带隙波长为1.55微米、而A区带隙波长为1.45微米的铟镓砷磷多量子阱有源区；B区带隙波长为1.55微米的有源区是垂直腔面发射激光器的有源区，而A区带隙波长为1.45微米的有源区是泵浦激光器的有源区，该上波导层是带隙波长为1.2微米的铟镓砷磷材料，该上限制层是磷化铟材料；

(4)采用量子阱混杂技术使A区的带隙波长进一步蓝移，其中上限制层作为离子注入缓冲层，通过量子阱混杂技术使A区泵浦激光器有源区的带隙波长从1.45微米蓝移到1.3微米；

(5)腐蚀掉上限制层，使用金属有机化学气相沉积设备第三次依次外延生长上限制层和欧姆接触层；

(6)使用光刻工艺在B区表面开一个无胶窗口；

(7)腐蚀无胶窗口内的欧姆接触层；

(8)采用带胶剥离工艺制作上布拉格反射镜；

(9)制作上电极；

(10)将衬底减薄、抛光；

(11)在衬底的下面制作下电极。

2.根据权利要求1所述的集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，其中所述下布拉格反射镜由40对组合材料组成，每一对组合材料包括铝镓铟砷层和磷化铟层；该铝镓铟砷层/磷化铟层的材料与磷化铟晶格匹配，在磷化铟衬底上生长出来。

3.根据权利要求1所述的集成泵浦光源的长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，其中所述的上布拉格反射镜由3对组合材料组成，每一对组合材料包括氧化镁和硅。

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