垂直腔面发射激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其是涉及一种垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器包括依次设置的n-dbr（布拉格反射层）、空间层、有源区、空间层、氧化限制层和p-dbr。其中，有源区具备量子点、缓冲层和势垒层。
3.然而， dbr折射率的自然属性造成gaas基材料为最优方案，有源区内材料为gaas的势垒层和量子点之间的能带间隔差别太大，载流子的驰豫困难，造成出光效率低的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器，以缓解了势垒层和量子点之间的能带间隔差别太大，载流子的驰豫困难，造成出光效率低的技术问题。
5.第一方面，本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器，包括：有源区结构以及位于有源区结构相对两侧的材料为al
x
ga
(1-x)
as/ alyga
(1-y)
as的n-dbr和almga
(1-m)
as/ alnga
(1-n)
as的p-dbr；所述有源区结构包括发光单元，所述发光单元包括材料为inas的量子点和材料为inega
(1-e)
as/infga
(1-f)
as的短周期超晶格层，所述量子点的上侧和/或下侧设置有所述短周期超晶格层，其中，x、y、m、n、e和f均为组分系数。
6.进一步的，位于p-dbr与所述量子点之间的短周期超晶格层的周期数多于位于n-dbr和所述量子点之间的短周期超晶格层的周期数。
7.进一步的，所述发光单元的数量为多个。
8.进一步的，所述短周期超晶格层包括d个周期的inega
(1-e)
as/infga
(1-f)
as；所述d的取值范围为5-10；所述e的取值范围为0.1-0.4；所述f的取值范围为0.2-0.5。
9.进一步的，多个所述发光单元中，至少存在两个发光单元的量子点的厚度不同，且量子点的厚度不同的两个所述发光单元中的同侧的短周期超晶格层的周期数不同。
10.进一步的，至少存在一个发光单元，该发光单元的量子点的厚度的取值范围为2.65-2.74mls，短周期超晶格层设置6个周期，以发出波长为1270-1350nm的激光；和/或，至少存在一个发光单元，该发光单元的量子点的厚度的取值范围为2.7-2.84mls，短周期超晶格层设置8个周期，以发出波长为1390-1470nm的激光；和/或，至少存在一个发光单元，该发光单元的量子点的厚度的取值范围为2.8-2.94mls，短周期超晶格层设置10个周期，以发出波长为1500-1580nm的激光。
11.进一步的， 所述发光单元还包括缓冲层，所述缓冲层的材料为ingga
1-g
as，所述缓冲层设置于其中一个所述短周期超晶格层背向量子点的一侧；多个所述发光单元中，至少存在两个发光单元的缓冲层的in和ga的组分配比不同。
12.进一步的，至少存在一个发光单元，该发光单元的缓冲层中g的取值范围为：0≤g
≤0.05，以发出波长为1270-1350nm的激光；和/或，至少存在一个发光单元，该发光单元的缓冲层中g的取值范围为：0.1＜g≤0.25，以发出波长为1510-1590nm的激光。
13.进一步的，所述n-dbr的周期数为a，a的取值范围为25-50；x的取值范围为0-0.2；y的取值范围为0.8-0.95；所述p-dbr的周期数为b， b的取值范围为10-20；m的取值范围为0-0.2；n的取值范围为0.8-0.95。
14.本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器，包括：有源区结构以及位于有源区结构相对两侧的材料为al
x
ga
(1-x)
as/ alyga
(1-y)
as的n-dbr和almga
(1-m)
as/ alnga
(1-n)
as的p-dbr；所述有源区结构包括发光单元，所述发光单元包括材料为inas的量子点和材料为inega
(1-e)
as/infga
(1-f)
as的短周期超晶格层，所述量子点的上侧和/或下侧设置有所述短周期超晶格层。由于有源区增加了短周期超晶格层，短周期超晶格层可以产生多纵向光子-声子，在多纵向光子-声子散射辅助载流子驰豫的过程中，有源区两侧的载流子的驰豫速率提高了。短周期超晶格层有助于增强垂直腔面发射激光器的载流子驰豫，减轻光子-声子瓶颈效应的影响。最终将导致垂直腔面发射激光器具有较快的响应速度、较高的发光效率、较好的温度稳定性和可靠性。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的有源区结构的示意图；图2为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的有源区结构中量子点的厚度为2.7mls时的gain谱图；图3为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的有源区结构中量子点的厚度为2.9mls时的gain谱图；图4为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的有源区结构中量子点的厚度为3.1mls时的gain谱图；图5为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的示意图；图6为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的中p-dbr中b=24、m=0.1、n=0.9时的波长和反射率的示意图；图7为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的中p-dbr中b=22、m=0.1、n=0.9时的波长和反射率的示意图；图8为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的中p-dbr中b=20、m=0.1、n=0.9时的波长和反射率的示意图；图9为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的中p-dbr中b=24、m=0、n=0.9时的波长和反射率的示意图；图10为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的中p-dbr中b=21、m
=0、n=0.9时的波长和反射率的示意图；图11为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的外延结构的中n-dbr中a=42、x=0、y=0.9时的波长和反射率的示意图。
17.图标：1-n-dbr；2-空间层；3-有源区结构；31-量子点；32-短周期超晶格层；33-缓冲层；34-势垒层；4-氧化限制层；5-p-dbr。
具体实施方式
18.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.如图1所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器包括：有源区结构3以及位于有源区结构3相对两侧的材料为al
x
ga
(1-x)
as/ alyga
(1-y)
as的n-dbr1和almga
(1-m)
as/ alnga
(1-n)
as的p-dbr5；所述有源区结构3包括发光单元，所述发光单元包括材料为inas的量子点31和材料为inega
(1-e)
as/infga
(1-f)
as的短周期超晶格层32，所述量子点31的上侧和/或下侧设置有所述短周期超晶格层32。由于在垂直腔面发射激光器中有源区增加了短周期超晶格层32，从而使短周期超晶格层32可以产生多纵向光子-声子，在多纵向光子-声子散射辅助载流子驰豫的过程中，有源区两侧的载流子的驰豫速率提高了。短周期超晶格层32有助于增强垂直腔面发射激光器的载流子驰豫，减轻光子-声子瓶颈效应的影响。最终将导致带有本技术提供的有源区结构3的垂直腔面发射激光器具有较快的响应速度、较高的发光效率、较好的温度稳定性和可靠性。
20.垂直腔面发射激光器与边发射激光器是完全不相同的，边发射激光器中谐振腔可以做的足够长，因而边发射激光器的谐振腔可以提供很大的增益，谐振腔反射镜的反射率可以较低。而垂直腔面发射激光器一直存在谐振腔较短，运行时谐振腔反射镜的反射率需要达到99%以上的问题。现有的垂直腔面发射激光器都是dbr 有源区结构的结构体系，并不能解决目前一直存在的inp（磷化铟）基1550nm长波长垂直腔面发射激光的谐振腔反射镜需要的99%反射率的问题。而本技术中dbr 有源区结构 短周期超晶格层的体系结构，首次将高反射率的gaas基dbr和gaas基应变量子点结合起来，同时又增加了短周期超晶格层。因此能够解决inp基1550nm长波长垂直腔面发射激光器一直存在的dbr反射镜的反射率低的问题，短周期超晶格层又确保了较高的内量子效率。需要说明的，gaas基dbr和gaas基应变量子点的结合，虽然解决了1550nm 垂直腔面发射激光器的谐振腔反射率低的问题。但是又引入了一个新的问题，就是内量子效率偏低，但是，通过增加超晶格层，辅助载流子驰豫，可以提高内量子效率。
21.发光单元可以包括依次连接的量子点31、短周期超晶格层32、缓冲层33和势垒层34，还可以包括依次连接的短周期超晶格层32、量子点31、缓冲层33和势垒层34，又可以包括依次连接的短周期超晶格层32、量子点31、短周期超晶格层32、缓冲层33和势垒层34。其中，短周期超晶格层32能够提高载流子的弛豫速率，使得载流子更容易注入量子点。量子点31作为势阱层，材料inas其中in的含量为100%，量子点的温度稳定性好，特征温度高，光谱宽度窄，进而使本技术中的垂直腔面发射激光器形成优秀的单模激光器。
1580nm的激光。图2中gain谱（增益谱）显示量子点31厚度为2.7mls时，激光器可以发出1290nm的光。图3中gain谱显示量子点31厚度为2.9mls时，激光器可以发出1425nm的光。图4中gain谱显示量子点31厚度为3.1mls时，激光器可以发出1520nm的光。其中，gain谱中的横坐标表示波长，纵坐标表示增益量，material gain表示材料增益，legend表示图例。
32.量子点31的凸起形态可以是inas（量子点）和ingga
1-g
as（缓冲层）之间的晶格失配产生的应力达到临界点后产生inas（量子点）形变而形成的。在特定的in
0.18
ga
0.82
as缓冲层33上生长的不同厚度的inas，厚度不同，应力不同，从而量子点31大小不同。量子点31的尺寸和应力不同，则量子点31的带隙不同，带隙不同出射波长就会有差异。
33.量子点31材料越厚，形成的量子点31尺寸和应力越大，则激射波长越长，设激光器的出射波长λ=1550nm，设有源区结构3折射率=n。有源区结构3的发光单元数目=n1。有源区的整体厚度=λ/2n。一个发光单元的厚度为λ/（2n*n1），根据λ/（2n*n1）关系，其中，则有源区结构厚度越厚，对应的量子点31的凸起顶部接触的短周期超晶格层32厚度也要越厚。
34.激射波长越长，需要驰豫的能量越大，则需要量子点31的凸起顶部接触的短周期超晶格层32周期数越多。更具体的：激射波长1550nm：0.8ev，gaas：1.424ev，1550nm需要驰豫能量0.624ev。激射波长1310nm：0.947ev，gaas：1.424ev，1310nm需要驰豫能量0.477ev。
35.在另一种实施方式中，所述量子点31的材料为inas；所述发光单元还包括缓冲层33，所述缓冲层33的材料为ingga
1-g
as，所述缓冲层33可以设置于其中一个所述短周期超晶格层32背向量子点31的一侧，即发光单元包括短周期超晶格层32、量子点31、短周期超晶格层32、缓冲层33和势垒层34；多个所述发光单元中，至少存在两个发光单元的缓冲层33的in和ga的组分配比不同。量子点尺寸和应力会影响出射波长，而量子点的尺寸和应力又会受到缓冲层的in组分和量子点厚度的影响。不改变量子点31的厚度和缓冲层33的厚度，只改变ingga
1-g
as缓冲层33中的in和ga的组分配比。对于相同的量子点31厚度，理论上在较小的范围内，ga组分越高，量子点31的尺寸和应力越大，出射波长越长。
36.具体的，在一种可以实施的方案中，至少存在一个发光单元，该发光单元的缓冲层33中g的取值范围为：0≤g≤0.05，以发出波长为1270-1350nm的激光。还可以至少存在一个发光单元，该发光单元的缓冲层33中g的取值范围为：0.1＜g≤0.25，以发出波长为1510-1590nm的激光。其中，需要注意的是，当g=0时，缓冲层33的材料为gaas。
37.如图5所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器包括上述的有源区结构3，具体的，垂直腔面发射激光器的外延结构包括依次连接的n-dbr1、空间层2、有源区结构3、空间层2、氧化限制层4、p-dbr5和欧姆接触层（图上未画）。
38.所述垂直腔面发射激光器还包括位于有源区结构3相对两侧的n-dbr1和p-dbr5，n-dbr1的周期数为a，p-dbr5的周期数为b；且所述n-dbr1的材质为al
x
ga
(1-x)
as/ alyga
(1-y)
as，其中，a的取值范围为25-50，例如a=37；x的取值范围为0-0.2，例如x=0；y的取值范围为0.8-0.95，例如y=0.9。
39.所述p-dbr5的材质为almga
(1-m)
as/ alnga
(1-n)
as，其中，b的取值范围为10-30，例如b=15；m的取值范围为0-0.2，例如，m=0；n的取值范围为0.8-0.95，例如n=0.9。dbr的周期数不能太多，太多会导致成本增加以及散热困难（发热严重，器件寿命降低）；dbr的周期数也不能太少，过少则会导致激光器性能受损，如功率降低。
40.如图6-图10所示，经过实验对比，对于p-dbr5而言，当m=0.1，n=0.9时，周期为24，
能够实现反射率99%。当m=0，n=0.9时，周期为21能够实现反射率99%。
41.如图11所示，经过实验对比，对于n-dbr1而言，当x=0，y=0.9时，周期为42能够实现反射率99.99%。
42.垂直腔面发射激光器的外延结构的制备方法包括如下步骤：把生长衬底放入到aixtron公司的mocvd系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为720℃，以h2为载气，三甲基铟（tmin）、三甲基镓（tmga）、三甲基铝（tmal）、四氯化碳（ccl4）或四溴化碳（cbr4）、硅烷（sih4）、砷烷（ash3）和磷化氢ph3为反应源气体，依次生长si掺杂的gaas缓冲层33，si掺杂的al
0.1
gaas/al
0.85
gaas的dbr，inas/al
0.18
gaas/gaas形成有源层，c掺杂的al
0.98
gaas氧化限制层4、c掺杂的al
0.10
gaas/al
0.85
gaas的dbr，c掺杂的gaas欧姆接触层，其中有源层由上向下依次包括限制层、短周期超晶格层32、量子点31、短周期超晶格层32、缓冲层33和对称限制层，有源区由多组发光单元组成。
43.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。