CN118630576A - 一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法。垂直腔面发射激光器包括外延片、氧化层、电绝缘区、介质层以及P、N金属层。垂直腔面发射激光器结构满足:1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上。2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下。3、在出光孔附近设置上述实施例所述的浮雕结构；以上三种结构特性的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构，相互之间间隔设置的介质区域和非介质区域提供了整体不同的反射率，实现对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片技术领域，尤其是涉及一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)，为垂直腔面发射激光器的英文缩写。自1977年由日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)等人首次提出这一理念，至今已历经四十余年的技术沉淀与革新。由于它具有阈值低、远场发散角小、调制速率高、易于实现单纵模工作以及优越的二维集成性等诸多显著优势，VCSEL经过多年的技术发展，已经在宽带以太网、高速数据通信、光互联、三维传感以及光集成元件等多个领域展现出了广泛的应用前景和实用价值。
和边发射半导体激光器相比，由于VCSEL的激光器谐振腔短，出光面大，使得长期以来将VCSEL作为多模激光器进行使用。其谐振腔短，故而形成的FP腔纵模间距大，一般只有一个纵模激射。由于出光面大，横向激射的模式多，故而为多横模。而一般简称的所谓“多模”指的是多横模。
单模激光器在一些特殊领域具有需求，譬如传感领域中可以提供更好的信噪比，在远距离数据传输中可以具有更小的传输色散引起的误码。故而单模VCSEL一直是VCSEL的诸多演进方向之一。传统上，可以通过将发光区域直径减小到3-4微米以下来获得单模VCSEL，然而其会大大降低器件的出光功率，过小的发光孔带来的电阻快速增加不利于高频调制，同时过小的发光孔径也给批量制作提出了巨大挑战。
为了减少横模数量，可通过增加VCSEL谐振腔腔长的方式去实现。增长的激光腔会增加每个模式在形成谐振过程中遇到的损耗，而基膜所遇到的损耗最小，在模式竞争中胜出，从而实现单模输出。然而在高速数据通信VCSEL中，过长的谐振腔会增加光子寿命，从而大大限制器件的频率带宽和调制速率。采用缩短的谐振腔可以提高速率，然而按照正常的工艺加工，则会形成多模，不利于长距离传输。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器及其制备方法。本发明中提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，通过外延和工艺同时进行改进，形成具有单模输出且可用于高速通信的VCSEL器件，有利于拓展VCSEL在数据通信领域的应用。本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于400G/800G/1.6T的高速光模块的发射光源。且相较于传统短距离数据通信小于500米传输距离，本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于500-2000米以上的高速光互联。
第一方面，本发明提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器。用于高速通信的垂直腔面发射激光器包括：
外延片，所述外延片包括：自下而上依次设置的衬底、N型布拉格反射镜、谐振腔、形成于所述谐振腔中的有源区、P型布拉格反射镜；
形成于所述谐振腔中所述有源区之上的氧化层；
离子注入后形成的电绝缘区，所述电绝缘区自上而下形成至所述谐振腔中所述有源区之下；
形成于所述外延片之上的介质层；以及，
形成于所述外延片之上的P金属层；
其中，所述谐振腔的总厚度为1/2倍光学波长；
其中，所述垂直腔面发射激光器还包括出光孔，所述出光孔形成于所述P型布拉格反射镜之上，所述出光孔的直径大于所述氧化孔的直径；
所述出光孔设置有浮雕结构，所述浮雕结构通过部分刻蚀所述介质层的表面形成，所述浮雕结构具有非介质区域和介质区域；
所述介质区域包括：第一介质区、第二介质区和第三介质区；
所述非介质区域包括：第一非介质区和第二非介质区；
所述第一介质区和所述第二介质区之间设置所述第一非介质区；所述第二介质区和所述第三介质区之间设置所述第二非介质区；
所述第一介质区为实心圆形，所述第一介质区的中心与所述氧化孔的中心连接形成的直线与所述衬底所在的延伸平面垂直；所述第一介质区的直径小于所述氧化孔的直径；
所述第二介质区为环形，所述第二介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第二介质区的环宽为第一宽度；
所述第三介质区为环形，所述第三介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第三介质区的环宽为第二宽度；
所述第一宽度大于所述第二宽度；
所述第一介质区的直径大于所述第一宽度。
进一步地，所述第一非介质区和所述第二非介质区均为环形；
所述第一非介质区的环宽为第三宽度；
所述第二非介质区的环宽为第四宽度；
所述第三宽度大于所述第四宽度。
进一步地，所述氧化孔的直径6微米-10微米。
进一步地，所述氧化孔的直径7微米，所述第一介质区的直径为5微米；
所述第一宽度为3微米，所述第二宽度为2微米。
进一步地，所述介质区域的材料为氮化硅。
进一步地，所述电绝缘区自所述P型布拉格反射镜开始，向下进行离子注入至所述谐振腔，所述电绝缘区的注入深度抵达所述有源区之下，所述电绝缘区用于将通过P面注入到所述垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，所述中央区域为所述氧化孔和所述出光孔所在的区域。
第二方面，本发明提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
S1，在晶圆上形成外延片，所述外延片包括：自下而上依次设置的衬底、N型布拉格反射镜、谐振腔、形成于所述谐振腔中的有源区、P型布拉格反射镜；其中，所述谐振腔的总厚度为1/2倍光学波长；
S2，完成所述外延片的生长后，进行P金属层沉积；
S3，采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积介质层，所述介质层用于保护所述P金属层和所述外延片；
S4，采用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀的方法形成深坑，所述深坑将需要进行湿法氧化的侧壁露出；
S5，在所述有源区的上方湿法氧化形成氧化层，所述氧化层中包括氧化孔，所述氧化孔的直径为D0；所述谐振腔中，在所述有源区的上方的外延材料为AlxGa1-xAs材料，其中x＝0.98～0.99，6微米≤D0≤10微米；
S6，采用光刻胶保护发光区域和部分金属接触区域后，进行离子注入，以形成电绝缘区，所述电绝缘区在所述外延片中自上而下形成至所述谐振腔中所述有源区之下；
S7，采用等离子体增强化学气相沉积的方法向所述深坑的侧壁沉积介质层；
S8，在所述介质层定义出所述垂直腔面发射激光器的出光孔，并通过光刻定义浮雕结构的刻蚀图案，进一步刻蚀所述出光孔处的所述介质层，以形成所述浮雕结构；
其中，所述出光孔的直径大于所述氧化孔的直径；所述浮雕结构具有非介质区域和介质区域；
所述介质区域包括：第一介质区、第二介质区和第三介质区；
所述非介质区域包括：第一非介质区和第二非介质区；
所述第一介质区和所述第二介质区之间设置所述第一非介质区；所述第二介质区和所述第三介质区之间设置所述第二非介质区；
所述第一介质区为实心圆形，所述第一介质区的中心与所述氧化孔的中心连接形成的直线与所述衬底所在的延伸平面垂直；所述第一介质区的直径小于所述氧化孔的直径；
所述第二介质区为环形，所述第二介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第二介质区的环宽为第一宽度；
所述第三介质区为环形，所述第三介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第三介质区的环宽为第二宽度；
所述第一宽度大于所述第二宽度；
所述第一介质区的直径大于所述第一宽度；
S9，制作N金属层，及裂片形成多个垂直腔面发射激光器。
进一步地，S6中，所述离子注入的种类和剂量包括：
注入能量为410keV且剂量为5E+13的H+离子、注入能量为360keV且剂量为4E+13的H+离子、注入能量为300keV且剂量为3.5E+14的H+离子、注入能量为230keV且剂量为3.5E+14的H+离子、注入能量为100keV且剂量为4E+14的H+离子以及注入能量为20keV且剂量为4E+14的H+离子。
进一步地，S1中，形成所述外延片的步骤包括：
S11，在N型衬底上利用有机金属化学气相沉积法或分子束外延法生长N型布拉格反射镜，其包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的AlxGa(1-x)As材料，其中，高折射率材料中x＝x1，且满足0.05<x1<0.2，低折射率材料中x＝x2，且满足0.8<x2<0.95，每层AlxGa(1-x)As材料的厚度为四分之一的光学厚度；
S12，在所述N型布拉格反射镜的表面形成所述谐振腔，所述谐振腔包括一个铝组分渐变的Al GaAs体材料；
S13，在所述谐振腔形成大于1微米厚度之后，沉积所述有源区，所述有源区包括多组含I nGaAs和Al GaAs的应变量子阱，用于产生激光所需的增益，所述有源区形成于所述谐振腔中1/2处位置；在所述有源区沉积完成之后，进一步生长剩余厚度的所述谐振腔；
S14，在所述谐振腔的上方形成P型布拉格反射镜，以完成外延片的生长；其中所述P型布拉格反射镜包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的AlyGa(1-y)As材料，其中，高折射率材料中y＝y1，且满足0.05<y1<0.2，低折射率材料中y＝y2，且满足0.8<y2<0.9，每层AlyGa(1-y)As材料的厚度为四分之一的光学厚度。
进一步地，在S6中形成所述电绝缘区之后，S9的步骤包括：
S91，制作聚合物材料层，以及在所述聚合物材料层制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层；所述聚合物材料层位于所述P金属层的下方；
S92，进行P面开孔，并进行正面镀金，以形成P金属层之上的金电极；
S93，刻蚀N面台阶，蒸发合金材料，以形成正面N金属层，以及在所述正面N金属层制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层；
S94，对所述衬底远离所述N型布拉格反射镜的表面进行减薄，进一步实施背面合金蒸镀，以形成背面N金属层；
S95，对所述晶圆进行裂片，以形成多个出射光功率不同的所述垂直腔面发射激光器。
本发明的至少具备以下优点或有益效果：
1、本发明在用于高速通信的垂直腔面发射激光器的谐振腔中，利用总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔，通过将谐振腔缩短到1/2倍光学波长，降低光子寿命，增加垂直墙面激光器的响应带宽，从而提高速率。
2、本发明的电绝缘区采用离子注入的方法形成。电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下，可以有效的限制电流的注入直径，从而减少高阶模式的激发。另外电绝缘区的大小也会一定程度的影响用于高速通信的垂直腔面发射激光器的电流注入。电绝缘区用于将通过P面注入到垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，所述中央区域为所述氧化孔和所述出光孔所在的区域。将通过P面注入到所述垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，电流与LP01基模在空间上重合度最高，可以减少高阶模式的激发。
3、本发明通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构，对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。浮雕结构包括了相互之间间隔设置的介质区域和非介质区域提供了整体不同的反射率，实现模式选择。具体的介质区域包括设置在出光孔中央的第一介质区，第一介质区可以提供最佳的反射率，第一介质区与用于高速通信的垂直腔面激光器的基模出射光的重合度高，能够很好的激发基模光。
4、本发明中上述的主要结构特点包括1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上；2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下；3、在出光孔附近设置上述实施例所述的浮雕结构；以上三种结构特征的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。
5、本发明还提供一种用于高速通信的垂直腔面激光器的制备方法，用于高速通信的垂直腔面激光器具有以下三种结构特性：1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上；2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下；3、在出光孔附近设置上述实施例所述的浮雕结构；以上三种结构特性的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。经过实验证明采用本发明技术方案中的特殊的浮雕结构，搭配缩短的谐振腔，辅助离子注入才能实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。具体的，通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构，相互之间间隔设置的介质区域和非介质区域提供了整体不同的反射率，实现对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。
以上，本发明中形成的用于高速通信的垂直腔面发射激光器本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于400G/800G/1.6T的高速光模块的发射光源。且相较于传统短距离数据通信小于500米传输距离，本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于500-2000米以上的高速光互联。
附图说明
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。
图1为本发明实施例提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器的浮雕结构的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器与现有技术中的器件性能测试对比图；
图4为现有技术中的垂直腔面发射激光器的的光谱测试效果图；
图5为本发明实施例提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器的的光谱测试效果图。
图标说明
用于高速通信的垂直腔面发射激光器100：
外延片110：衬底10、N型布拉格反射镜20、谐振腔30、有源区31、P型布拉格反射镜40；
氧化层50、电绝缘区60、介质层70、聚合物材料层80；
浮雕结构90：
介质区域91:第一介质区91a、第二介质区91b、第三介质区91c；
非介质区域92:第一非介质区92a、第二非介质区92b；
P金属层120；正面N金属层131；背面N金属层132。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
请参阅图1，本发明提供一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器100可用于高速通信的光模块。用于高速通信的垂直腔面发射激光器100包括：外延片110、氧化层50、电绝缘区60、介质层70、聚合物材料层80、P金属层120、正面N金属层131以及背面N金属层132。用于高速通信的垂直腔面发射激光器100还包括浮雕结构90，一个实施例中浮雕结构90的具体结构如图2所示。图2中示意了用于高速通信的垂直腔面发射激光器100的出光孔附近的俯视图。
其中，氧化层50形成于谐振腔30中有源区31之上。电绝缘区60采用离子注入的方法形成。电绝缘区60自上而下形成至谐振腔30中有源区31之下，可以有效的限制电流的注入直径，从而减少高阶模式的激发。另外电绝缘区60的大小也会一定程度的影响用于高速通信的垂直腔面发射激光器的电流注入。本实施例中，电绝缘区60用于将通过P面注入到垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，中央区域为氧化孔和出光孔所在的区域。将通过P面注入到垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，电流与LP01基模空间上重合度最高，可以减少高阶模式的激发。
介质层70形成于外延片110之上，比如形成于P型布拉格反射镜40的顶表面、外延片110的部分结构层的侧面、衬底10的部分表面。介质层70的材料可以选择氮化硅、碳化硅或者二氧化硅。P金属层120形成于外延片110之上，P金属层120可以进一步包括：p型接触金属和镀金层。P金属层120作为用于高速通信的垂直腔面发射激光器的P电极。
其中，谐振腔30的总厚度为1/2倍光学波长。典型的VCSEL器件包含1个光学波长厚的谐振腔。本发明技术方案中利用总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔30，通过将谐振腔30缩短到1/2倍光学波长，降低光子寿命，增加垂直墙面激光器的响应带宽，从而提高速率。
其中，用于高速通信的垂直腔面激光器100还包括在间隔设置的P金属层120之间设置的用于出光的出光孔。出光孔形成于P型布拉格反射镜40之上，如图1所示出光孔的直径大于氧化孔的直径。
出光孔设置有浮雕结构90，浮雕结构90通过部分刻蚀介质层的表面形成，具体可参阅图2，浮雕结构90具有介质区域91和非介质区域92。介质区域91包括：第一介质区91a、第二介质区91b和第三介质区91c。非介质区域92包括：第一非介质区92a和第二非介质区92b。
第一介质区91a和第二介质区91b之间设置第一非介质区92a。第二介质区91b和第三介质区91c之间设置第二非介质区92b。第一介质区91a为实心圆形，第一介质区91a的中心与氧化孔的中心连接形成的直线与衬底所在的延伸平面垂直。第一介质区91a的直径D1小于氧化孔的直径D0。第二介质区91b为环形，第二介质区91b的内圆中心和外圆中心均与第一介质区91a的中心重合。第二介质区91b的环宽为第一宽度。第一宽度为第二介质区91b的外圆直径D22减去第二介质区91b的内圆直径D21得到。第三介质区91c为环形，第三介质区91c的内圆中心和外圆中心均与第一介质区91a的中心重合。第三介质区91c的环宽为第二宽度。第二宽度由第三介质区91c的外圆直径D32减去第三介质区91c的内圆直径D31得到。
第一宽度大于第二宽度。第一介质区91a的直径大于第一宽度。
本实施例中，通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构90，对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。浮雕结构90包括了相互之间间隔设置的介质区域91和非介质区域92提供了整体不同的反射率，实现模式选择。具体的介质区域91包括设置在出光孔中央的第一介质区91a，第一介质区91a可以提供最佳的反射率，第一介质区91a与用于高速通信的垂直腔面激光器100的基模出射光的重合度高，能够很好的激发基模光。
在第一介质区91a和第二介质区91b之间的第一非介质区92a，以及在第二介质区91b和第三介质区91c之间的第二非介质区92b均具有较低的反射率。次高阶模式LP11/LP12/LP21以及更高阶模式的激射光主要光强分布于第一介质区91a之外，会在具有较低的反射率的第一非介质区92a和第二非介质区92b遭遇较大的损耗，故而在激光腔的模式竞争中衰减，最终只有基模能获得激射。其中，第一介质区91a的直径大于第一宽度，第一宽度大于第二宽度，可以在介质区域91和非介质区域92的子结构满足上述结构设计的同时，更好的促进基模的激射，更好的抑制次高阶模式和更高阶模式的激射。
本发明实施例中，通过1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上；2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下；3、在出光孔附近设置上述实施例的浮雕结构90；以上3种方式的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。
现有技术中有一些在出光孔附近做细节结构的，但该些现有技术所改善的效果是降低发散角，主要用在三维传感领域。本发明要实现的是用于高速调制的单模垂直腔面激光器，仅仅靠在出光孔附近做细节结构是无法实现的(虽然器件可能拥有小发散角，但是速率低)。因此，必须采用本发明技术方案中的特殊的浮雕结构90，搭配缩短的谐振腔，辅助离子注入才能实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。
本发明实施例中，通过在用于高速通信的垂直腔面激光器100的出光面刻蚀特定的表面浮雕结构90，可以增加高阶模式的损耗，促进基模的激射。本实施例中所涉及的浮雕结构90使得位于第一非介质区92a和第二非介质区92b附近的高阶模式的镜面反射率相对降低。通过引入浮雕结构90，可以提高高阶模式的阈值增益。相比而言，基膜对于浮雕结构90引入的低反射率的第一非介质区92a和第二非介质区92b不敏感，而次高阶模式和更高阶模式的光对于浮雕结构90引入的低反射率的第一非介质区92a和第二非介质区92b敏感，从而实现模式选择，获得基模输出。换句话说，由于基模主要位于中央(第一介质区91a)，基模与第一非介质区92a和第二非介质区92b不重合，所以基模受浮雕结构90的影响较小。高阶模式的光场在非中央(非第一介质区91a)的部分，与第一非介质区92a和第二非介质区92b重合较大，故而高阶模式的光受浮雕结构90的影响大，衰减大，高阶模式的光不能激发。
在一个实施例中，第一非介质区92a和第二非介质区92b均为环形。第一非介质区92a的环宽为第三宽度。第二非介质区92b的环宽为第四宽度。第三宽度大于第四宽度。
本实施例中，第一非介质区92a和第二非介质区92b的具体结构设置，可以更好的抑制次高阶模式和更高阶模式的激射，使得用于高速通信的垂直腔面发射激光器100中只有基模能够获得激射。
在一个实施例中，氧化层50中的氧化孔的直径在6微米-10微米之间，光场通过氧化孔径，基膜到表面浮雕结构90的位置直径在4微米-7微米左右，高阶模直径则会更大，可能达到8微米-11微米，本发明中设置浮雕结构90是为了提供整体不同的反射率，从而实现模式选择。
在一个实施例中，氧化孔的直径D0可设置为7微米。在另一个实施例中，氧化孔的直径D0可设置为8微米。在又一个实施例中，氧化孔的直径D0可设置为9微米。在又一个实施例中，氧化孔的直径D0可设置为10微米。
在一个实施例中，氧化孔的直径7微米，第一介质区91a的直径为5微米。第一宽度为3微米，第二宽度为2微米。第一介质区91a的直径D1(比如可设置为5微米)小于氧化孔的直径D0(可设置为7微米)。第二介质区91b为环形，第二介质区91b的内圆中心和外圆中心均与第一介质区91a的中心重合。第二介质区91b的环宽为第一宽度。第一宽度为第二介质区91b的外圆直径D22(比如可设置为11微米)减去第二介质区91b的内圆直径D21(比如可设置为8微米)得到。第三介质区91c为环形，第三介质区91c的内圆中心和外圆中心均与第一介质区91a的中心重合。第三介质区91c的环宽为第二宽度。第二宽度由第三介质区91c的外圆直径D32(比如可设置为15微米)减去第三介质区91c的内圆直径D31(比如可设置为13微米)得到。以第一介质区91a的中心为圆心，直径为12um以外的地方为离子注入的区域，即电绝缘区60。
在一个实施例中，介质层70的材料为氮化硅。
在一个实施例中，电绝缘区60自P型布拉格反射镜40开始，向下进行离子注入至谐振腔30，电绝缘区60的注入深度抵达有源区31之下，电绝缘区60用于将通过P面注入到用于高速通信的垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，中央区域为氧化孔和出光孔所在的区域。中央区域包括设置在背面N金属层132和P金属层120之间的、氧化孔和出光孔所在区域的层叠结构。
本实施例中，电绝缘区60用于将通过P面注入到垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，中央区域为氧化孔和出光孔所在的区域。将通过P面注入到垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，电流与LP01基模空间上重合度最高，可以减少高阶模式的激发。
在一个实施例中，有源区31位于谐振腔30中1/2处的位置，有助于光激射。
本发明的另一个方面，一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器100的制备方法，包括：
S1，在晶圆上形成外延片110，外延片110包括：自下而上依次设置的衬底10、N型布拉格反射镜20、谐振腔30、形成于谐振腔30中的有源区31、P型布拉格反射镜40；其中，谐振腔30的总厚度为1/2倍光学波长。
本步骤中，设置总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔，通过将谐振腔30缩短到1/2倍光学波长，降低光子寿命，增加垂直墙面激光器的响应带宽，从而提高速率。
S2，完成外延片110的生长后，进行P金属层120沉积，P金属层120的材料可以为Ti/Pt/Au。
S3，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法沉积介质层70，介质层70的材料可以为氮化硅。介质层70用于保护P金属层120和外延片110。
S4，采用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀(I CP-RI E刻蚀)形成深坑，深坑将需要进行湿法氧化的侧壁露出。深坑用于后续步骤中的湿法氧化。
S5，在湿法氧化炉中通入高温水蒸气通过深坑侧壁进行湿法氧化：在有源区31的上方湿法氧化形成氧化层50。氧化层50中包括氧化孔，氧化孔的直径为D0。谐振腔30中，在有源区31的上方的外延材料为AlxGa1-xAs材料，其中x＝0.98～0.99，6微米≤D0≤10微米。
S6，采用光刻胶保护发光区域和部分金属接触区域后，进行离子注入，以形成电绝缘区60。电绝缘区60在外延片110中自上而下形成至谐振腔30中有源区31之下。离子注入区域为电绝缘区60，以提供更好的电流限制区域，有助于抑制高阶模。
S7，采用等离子体增强化学气相沉积的方法向深坑的侧壁沉积介质层70。介质层70的材料可以选用氮化硅，保护侧壁。
S8，在介质层70定义出垂直腔面发射激光器的出光孔，并通过光刻定义浮雕结构90的刻蚀图案，进一步刻蚀出光孔处的介质层70，以形成浮雕结构90。其中，浮雕结构90包括介质区域91和非介质区域92。介质区域91包括间隔设置的第一介质区91a、第二介质区91b和第三介质区91c。非介质区域92包括间隔设置的第一非介质区92a和第二非介质区92b。
第一介质区91a和第二介质区91b之间设置第一非介质区92a。第二介质区91b和第三介质区91c之间设置第二非介质区92b。第一介质区91a为实心圆形，第一介质区91a的中心与氧化孔的中心连接形成的直线与衬底所在的延伸平面垂直。第一介质区91a的直径D1小于氧化孔的直径D0。第二介质区91b为环形，第二介质区91b的内圆中心和外圆中心均与第一介质区91a的中心重合。第二介质区91b的环宽为第一宽度。第一宽度为第二介质区91b的外圆直径D22减去第二介质区91b的内圆直径D21得到。第三介质区91c为环形，第三介质区91c的内圆中心和外圆中心均与第一介质区91a的中心重合。第三介质区91c的环宽为第二宽度。第二宽度由第三介质区91c的外圆直径D32减去第三介质区91c的内圆直径D31得到。
第一宽度大于第二宽度。第一介质区91a的直径大于第一宽度。
S9，制作N金属层，及裂片形成多个用于高速通信的垂直腔面发射激光器100。
本实施例中，提供一种用于高速通信的垂直腔面激光器100的制备方法，用于高速通信的垂直腔面激光器100具有以下三种结构特性：1、外延片包括总厚度为1/2倍光学波长的谐振腔。氧化层形成于谐振腔中有源区之上；2、电绝缘区采用离子注入形成，并且电绝缘区自上而下形成至谐振腔中有源区之下；3、在出光孔附近设置上述实施例的浮雕结构90；以上三种结构特性的配合能够实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。经过实验证明采用本发明技术方案中的特殊的浮雕结构90，搭配缩短的谐振腔，辅助离子注入才能实现用于高速调制的单模垂直腔面激光器。本实施例中，通过出光孔表面刻蚀出浮雕结构90，相互之间间隔设置的介质区域91和非介质区域92提供了整体不同的反射率，实现对高阶模进行过滤，从而形成单模输出。
在一个实施例中，S6中，离子注入的种类和剂量包括：
注入能量为410keV且剂量为5E+13的H+离子、注入能量为360keV且剂量为4E+13的H+离子、注入能量为300keV且剂量为3.5E+14的H+离子、注入能量为230keV且剂量为3.5E+14的H+离子、注入能量为100keV且剂量为4E+14的H+离子以及注入能量为20keV且剂量为4E+14的H+离子。
本实施例中，采用特殊种类和剂量的离子注入有助于形成深度至谐振腔中有源区之下的电绝缘区。电绝缘区用于将通过P面注入到垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，中央区域为氧化孔和出光孔所在的区域。将通过P面注入到垂直腔面发射激光器100的电流限制在中央区域，电流与LP01基模空间上重合度最高，可以减少高阶模式的激发。
在一个实施例中，S1中，形成外延片110的步骤包括：
S11，在N型衬底10上利用有机金属化学气相沉积法(MOCVD,Meta l-Organ icChemica l Vapor Depos it ion)或分子束外延法(MBE,Mo l ecu l ar Beam Epitaxy)生长N型布拉格反射镜20，其包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的AlxGa(1-x)As材料。其中，高折射率材料中x＝x1，且满足0.05<x1<0.2，低折射率材料中x＝x2，且满足0.8<x2<0.95，每层AlxGa(1-x)As材料的厚度为四分之一的光学厚度。
S12，在N型布拉格反射镜20的表面形成谐振腔30，谐振腔30包括一个铝组分渐变的Al GaAs体材料。谐振腔30用于过滤高阶模式的光。谐振腔30有利于形成单模器件。有源区31位于谐振腔30中上部位置。有源区31上面的谐振腔30的厚度更薄一些，有源区31下面的谐振腔30的厚度更厚一些。
S13，在谐振腔30形成大于1微米厚度之后，沉积有源区31，有源区31包括多组含InGaAs和Al GaAs的应变量子阱，用于产生激光所需的增益，有源区31形成于谐振腔30中1/2处位置。在有源区31沉积完成之后，进一步生长剩余厚度的谐振腔30。
S14，在谐振腔30的上方形成P型布拉格反射镜40(P-DBR)，以完成外延片110的生长。其中P型布拉格反射镜40包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的AlyGa(1-y)As材料，其中，高折射率材料中y＝y1，且满足0.05<y1<0.2，低折射率材料中y＝y2，且满足0.8<y2<0.9，每层AlyGa(1-y)As材料的厚度为四分之一的光学厚度。
本实施例中提供了外延片110的制备方法，具有良好性质的外延片110更有助于用于高速通信的垂直腔面发射激光器100的形成。
在一个实施例中，在S6中形成电绝缘区60之后，S9的步骤包括：
S91，制作聚合物材料层80，以及在聚合物材料层80制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层70。聚合物材料层80位于P金属层120的下方。聚合物材料层80的材料为苯并环丁烯BCB(英名称：Benzocyc l obutene)，BCB的分子式为C8H8，是一种新型的活性树脂，既可形成热塑性聚合物，也可形成热固性聚合物。聚合物材料层80具有低介电常数和介电损耗，有助于降低器件电容。
S92，进行P面开孔，并进行正面镀金，以形成P金属层120之上的金电极。
S93，刻蚀N面台阶，蒸发Ge/Au合金材料，以形成正面N金属层131，以及在正面N金属层131制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层70。
S94，对衬底10远离N型布拉格反射镜20的表面进行减薄，进一步实施背面合金蒸镀，以形成背面N金属层132。
S95，对晶圆进行裂片，以形成多个出射光功率不同的用于高速通信的垂直腔面发射激光器100。至此完成所有工艺，形成如图1所示的用于高速通信的垂直腔面发射激光器100。
在一个具体的实施例中，采用上述任一项的实施例中的制备方法，制备具有缩短的谐振腔、特殊的离子注入和特殊的浮雕结构90的用于高速通信的垂直腔面激光器。浮雕结构90的具体结构如下：其中氧化孔的直径为7微米。浮雕结构90的第一介质区91a(中央部分)为圆形，圆形的直径为5微米。浮雕结构90的第二介质区91b(外围的第一层结构)的内径和外径分别为8微米和11微米。浮雕结构90的第三介质区91c(外围的第二层结构)的内径和外径分别为13微米和15微米。
其中浮雕结构90中央部分即第一介质区91a能提供最佳的反射率，基模LP01模的半径约7.5微米，其主要能量集中在中央，与浮雕结构90中央部分(第一介质区91a)重合度高，故而基模LP01模能得到很好的激发。而次高阶模式LP11/LP12/LP21以及更高阶模式主要光强分布于半径5微米之外，则会遭遇在第一介质区91a、第二介质区91b和第三介质区91c之间的低反射率区域(第一非介质区92a和第二非介质区92b)，形成较大的损耗，故而在激光腔的模式竞争中衰减，最终只有基模能获得激射。
具体的效果如图3和图5所示。如图3所示，由于采用了本发明上述实施例中的缩短的谐振腔、特殊的离子注入和浮雕结构90，激光器调制频率(S21参数的3dB带宽)从常规器件的16.2GHz带宽提高到20.1GHz。
如图4和图5所示，由于采用了本发明上述实施例中的缩短的谐振腔、特殊的离子注入和浮雕结构90，从光谱上观测，其器件的光谱从常规器件(图4所示)多模变成了本发明中器件(图5)的单模输出。
本发明中形成的用于高速通信的垂直腔面发射激光器本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于400G/800G/1.6T的高速光模块的发射光源。且相较于传统短距离数据通信小于500米传输距离，本发明提供的用于高速通信的垂直腔面发射激光器可用于500-2000米以上的高速光互联。
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。
Claims (10)
1.一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
外延片，所述外延片包括：自下而上依次设置的衬底、N型布拉格反射镜、谐振腔、形成于所述谐振腔中的有源区、P型布拉格反射镜；
形成于所述谐振腔中所述有源区之上的氧化层；
离子注入后形成的电绝缘区，所述电绝缘区自上而下形成至所述谐振腔中所述有源区之下；
形成于所述外延片之上的介质层；以及，
形成于所述外延片之上的P金属层；
其中，所述谐振腔的总厚度为1/2倍光学波长；
其中，所述垂直腔面发射激光器还包括出光孔，所述出光孔形成于所述P型布拉格反射镜之上，所述出光孔的直径大于所述氧化孔的直径；
所述出光孔设置有浮雕结构，所述浮雕结构通过部分刻蚀所述介质层的表面形成，所述浮雕结构具有非介质区域和介质区域；
所述介质区域包括：第一介质区、第二介质区和第三介质区；
所述非介质区域包括：第一非介质区和第二非介质区；
所述第一介质区和所述第二介质区之间设置所述第一非介质区；所述第二介质区和所述第三介质区之间设置所述第二非介质区；
所述第一介质区为实心圆形，所述第一介质区的中心与所述氧化孔的中心连接形成的直线与所述衬底所在的延伸平面垂直；所述第一介质区的直径小于所述氧化孔的直径；
所述第二介质区为环形，所述第二介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第二介质区的环宽为第一宽度；
所述第三介质区为环形，所述第三介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第三介质区的环宽为第二宽度；
所述第一宽度大于所述第二宽度；
所述第一介质区的直径大于所述第一宽度。
2.根据权利要求1所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一非介质区和所述第二非介质区均为环形；
所述第一非介质区的环宽为第三宽度；
所述第二非介质区的环宽为第四宽度；
所述第三宽度大于所述第四宽度。
3.根据权利要求2所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化孔的直径6微米-10微米。
4.根据权利要求3所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化孔的直径7微米，所述第一介质区的直径为5微米；
所述第一宽度为3微米，所述第二宽度为2微米。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述介质区域的材料为氮化硅。
6.根据权利要求5所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电绝缘区自所述P型布拉格反射镜开始，向下进行离子注入至所述谐振腔，所述电绝缘区的注入深度抵达所述有源区之下，所述电绝缘区用于将通过P面注入到所述垂直腔面发射激光器的电流限制在中央区域，所述中央区域为所述氧化孔和所述出光孔所在的区域。
7.一种用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括：
S1，在晶圆上形成外延片，所述外延片包括：自下而上依次设置的衬底、N型布拉格反射镜、谐振腔、形成于所述谐振腔中的有源区、P型布拉格反射镜；其中，所述谐振腔的总厚度为1/2倍光学波长；
S2，完成所述外延片的生长后，进行P金属层沉积；
S3，采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积介质层，所述介质层用于保护所述P金属层和所述外延片；
S4，采用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀的方法形成深坑，所述深坑将需要进行湿法氧化的侧壁露出；
S5，在所述有源区的上方湿法氧化形成氧化层，所述氧化层中包括氧化孔，所述氧化孔的直径为D0；所述谐振腔中，在所述有源区的上方的外延材料为AlxGa1-xAs材料，其中x＝0.98～0.99，6微米≤D0≤10微米；
S6，采用光刻胶保护发光区域和部分金属接触区域后，进行离子注入，以形成电绝缘区，所述电绝缘区在所述外延片中自上而下形成至所述谐振腔中所述有源区之下；
S7，采用等离子体增强化学气相沉积的方法向所述深坑的侧壁沉积介质层；
S8，在所述介质层定义出所述垂直腔面发射激光器的出光孔，并通过光刻定义浮雕结构的刻蚀图案，进一步刻蚀所述出光孔处的所述介质层，以形成所述浮雕结构；
其中，所述出光孔的直径大于所述氧化孔的直径；所述浮雕结构具有非介质区域和介质区域；
所述介质区域包括：第一介质区、第二介质区和第三介质区；
所述非介质区域包括：第一非介质区和第二非介质区；
所述第一介质区和所述第二介质区之间设置所述第一非介质区；所述第二介质区和所述第三介质区之间设置所述第二非介质区；
所述第一介质区为实心圆形，所述第一介质区的中心与所述氧化孔的中心连接形成的直线与所述衬底所在的延伸平面垂直；所述第一介质区的直径小于所述氧化孔的直径；
所述第二介质区为环形，所述第二介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第二介质区的环宽为第一宽度；
所述第三介质区为环形，所述第三介质区的内圆中心和外圆中心均与所述第一介质区的中心重合；所述第三介质区的环宽为第二宽度；
所述第一宽度大于所述第二宽度；
所述第一介质区的直径大于所述第一宽度；
S9，制作N金属层，及裂片形成多个垂直腔面发射激光器。
8.根据权利要求7所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，S6中，所述离子注入的种类和剂量包括：
注入能量为410keV且剂量为5E+13的H+离子、注入能量为360keV且剂量为4E+13的H+离子、注入能量为300keV且剂量为3.5E+14的H+离子、注入能量为230keV且剂量为3.5E+14的H+离子、注入能量为100keV且剂量为4E+14的H+离子以及注入能量为20keV且剂量为4E+14的H+离子。
9.根据权利要求7所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，S1中，形成所述外延片的步骤包括：
S11，在N型衬底上利用有机金属化学气相沉积法或分子束外延法生长N型布拉格反射镜，其包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的AlxGa(1-x)As材料，其中，高折射率材料中x＝x1，且满足0.05<x1<0.2，低折射率材料中x＝x2，且满足0.8<x2<0.95，每层AlxGa(1-x)As材料的厚度为四分之一的光学厚度；
S12，在所述N型布拉格反射镜的表面形成所述谐振腔，所述谐振腔包括一个铝组分渐变的AlGaAs体材料；
S13，在所述谐振腔形成大于1微米厚度之后，沉积所述有源区，所述有源区包括多组含InGaAs和AlGaAs的应变量子阱，用于产生激光所需的增益，所述有源区形成于所述谐振腔中1/2处位置；在所述有源区沉积完成之后，进一步生长剩余厚度的所述谐振腔；
S14，在所述谐振腔的上方形成P型布拉格反射镜，以完成外延片的生长；其中所述P型布拉格反射镜包括高折射率材料和低折射率材料交替生长的AlyGa(1-y)As材料，其中，高折射率材料中y＝y1，且满足0.05<y1<0.2，低折射率材料中y＝y2，且满足0.8<y2<0.9，每层AlyGa(1-y)As材料的厚度为四分之一的光学厚度。
10.根据权利要求7所述的用于高速通信的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，在S6中形成所述电绝缘区之后，S9的步骤包括：
S91，制作聚合物材料层，以及在所述聚合物材料层制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层；所述聚合物材料层位于所述P金属层的下方；
S92，进行P面开孔，并进行正面镀金，以形成P金属层之上的金电极；
S93，刻蚀N面台阶，蒸发合金材料，以形成正面N金属层，以及在所述正面N金属层制作完成后，采用离子体增强化学气相沉积法进一步沉积用于保护表面和侧壁的介质层；
S94，对所述衬底远离所述N型布拉格反射镜的表面进行减薄，进一步实施背面合金蒸镀，以形成背面N金属层；
S95，对所述晶圆进行裂片，以形成多个出射光功率不同的所述垂直腔面发射激光器。
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