本發(fā)明屬于光通信用激光器材料和半導(dǎo)體光電子材料及其制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的材料和器件結(jié)構(gòu)完全不同于邊發(fā)射激光器，與邊發(fā)射激光器相比VCSEL具有眾多優(yōu)點(diǎn)，主要有：晶片可以在位直接測(cè)試、不需解理面腔鏡、便于制作大規(guī)模二維陣列、圓形對(duì)稱光束輸出、易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定動(dòng)態(tài)單模工作、低功率消耗、高光纖耦合效率、高直接調(diào)制速率、低制作和封裝成本?；谶@些特點(diǎn)，垂直腔面發(fā)射激光器更適合于應(yīng)用在光纖通信系統(tǒng)中。目前，商品化的850nm VCSEL已經(jīng)在短距離光通信和光互連等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

近年來，以數(shù)據(jù)、視頻為主的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)每年都在爆炸性激增，并逐步超越語音業(yè)務(wù)成為干線鏈路中傳送的主要信息流，這使得目前長途傳輸網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)總量迅速增長。但是由于光纖在850nm波段光損耗較大，使得技術(shù)成熟的850nm VCSEL無法應(yīng)用于骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)。因而，能夠適用于長途光通信系統(tǒng)的1550nm VCSEL器件成為滿足當(dāng)前大容量、高速率城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)的迫切需求。但是對(duì)于1550nm VCSEL器件，由于InP/InGaAsP的折射率差較小，沒有合適的材料制作得到高反射率的InP基分布布拉格反射腔鏡(DBR)，從而導(dǎo)致1550nm InP基VCSEL器件的光電性能一直無法達(dá)到實(shí)用化要求。

為了解決1550nm VCSEL器件的DBR問題，目前采用的方法有：(1)將高反射性能的AlGaAs/GaAs DBR與InP基有源區(qū)鍵合；(2)使用光學(xué)介質(zhì)DBR；(3)引入銻(Sb)化物材料制作高反射性能DBR；(4)發(fā)展GaAs基長波長量子點(diǎn)有源區(qū)結(jié)構(gòu)VCSEL；(5)采用在InP襯底上異變外延AlGaAs/GaAs DBR方法，生長InP基VCSEL材料的上DBR結(jié)構(gòu)。但是，到目前為止，上述方法均未取得滿意的效果，如：(1)采用AlGaAs/GaAs DBR與InP基有源區(qū)鍵合的方法，其成品率低，且后續(xù)的器件制作工藝也會(huì)對(duì)鍵合的質(zhì)量造成影響；(2)對(duì)于光學(xué)介質(zhì)DBR方法，只能用作VCSEL的上DBR結(jié)構(gòu)，而下DBR結(jié)構(gòu)無法采用；(3)對(duì)于銻化物材料制作的高反射性能DBR，由于材料的熱導(dǎo)率低，所需的反射層對(duì)數(shù)多，因而導(dǎo)致器件的熱阻大，降低器件的光電性能；另外，銻化物材料與InP之間容易形成位錯(cuò)，從而嚴(yán)重影響有源區(qū)材料的晶體質(zhì)量和光增益性能；(4)對(duì)于GaAs基長波長量子點(diǎn)有源區(qū)結(jié)構(gòu)VCSEL，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)激射波長1310nm的GaAs基量子點(diǎn)有源區(qū)結(jié)構(gòu)的材料生長，但是還很難實(shí)現(xiàn)激射波長1550nm的GaAs基量子點(diǎn)有源區(qū)結(jié)構(gòu)；(5)對(duì)于在InP襯底上異變外延AlGaAs/GaAs DBR的方法，只是將上DBR結(jié)構(gòu)改變?yōu)锳lGaAs/GaAs DBR，而下DBR結(jié)構(gòu)的問題還是存在。因此，如何解決1550nm VCSEL器件的上、下高反射率DBR結(jié)構(gòu)，特別是高反射率下DBR結(jié)構(gòu)和制備，成為提高其光電性能和實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中波長1550nm VCSEL外延材料沒有合適的材料制作高反射率下DBR的問題。

本發(fā)明提供的一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)，由下到上依次為單晶InP襯底、底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)、激光器外延材料結(jié)構(gòu)和頂部反射腔鏡結(jié)構(gòu)，所述的激光器外延材料結(jié)構(gòu)包括n型歐姆接觸層、有源區(qū)和p型歐姆接觸層；所述的底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)包括多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)，在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的生長窗口區(qū)生長有InP緩沖層，并側(cè)向外延生長InP側(cè)向外延層，作為激光器外延材料結(jié)構(gòu)的下DBR結(jié)構(gòu)；所述的頂部反射腔鏡結(jié)構(gòu)為多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為上DBR結(jié)構(gòu)。所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)由Si薄膜和SiO₂薄膜交替生長組成，每層Si薄膜的厚度為280nm，每層SiO₂薄膜的厚度為110nm，并且第一層SiO₂薄膜生長在單晶InP襯底上。

優(yōu)選的，所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替生長組成。

本發(fā)明還提供一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)的制備方法，所述的制備方法包括如下步驟：

第一步，在單晶InP襯底上制備底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)，即下DBR結(jié)構(gòu)；

具體包括：在單晶InP襯底上制作多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)；

在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)上生長InP側(cè)向外延層；

第二步，在底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)上制備激光器外延材料結(jié)構(gòu)層；

具體包括：在所述的InP側(cè)向外延層上外延生長n型歐姆接觸層；在所述的n型歐姆接觸層上外延生長多量子阱激光器有源區(qū)；在所述的多量子阱激光器有源區(qū)上外延生長p型歐姆接觸層。

第三步，在所述的激光器外延材料結(jié)構(gòu)層上制備多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)作為垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL的頂部反射腔鏡結(jié)構(gòu)，即上DBR結(jié)構(gòu)。

所述的單晶InP襯底的晶面為<100>晶面，無偏角，單面拋光，摻雜類型為半絕緣(摻Fe)，厚度為375～675μm。

在所述的單晶InP襯底上制作多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)，具體為：在開盒即用的單晶InP襯底上采用電子束蒸發(fā)或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法制備得到Si/SiO₂多層介質(zhì)。該Si/SiO₂多層介質(zhì)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替組成，其中的第一層SiO₂薄膜制備在單晶InP襯底上，最后一層為SiO₂薄膜；每層Si薄膜厚度為280nm，每層SiO₂薄膜厚度為110nm。然后，采用干法刻蝕技術(shù)，如反應(yīng)離子刻蝕法，在Si/SiO₂多層介質(zhì)上刻蝕制備得到多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)。

在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)上生長InP側(cè)向外延層，具體為：采用MOCVD方法，在655℃，應(yīng)用選區(qū)外延方式，在多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的生長窗口區(qū)生長與多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)掩膜等高的InP緩沖層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為50～70Torr；當(dāng)InP緩沖層的厚度達(dá)到多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)掩膜高度時(shí)，再應(yīng)用合并外延條件，在655℃，生長800～1000nm的InP側(cè)向外延層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100～150Torr。

在所述的InP側(cè)向外延層上外延生長n型歐姆接觸層，具體為：采用MOCVD方法，生長溫度為655℃，生長n型InP歐姆接觸層的厚度為200nm，摻Si濃度為5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，硅烷的流量為4.5×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100～150Torr。

在所述的n型歐姆接觸層上外延生長多量子阱激光器有源區(qū)，該多量子阱激光器有源區(qū)包括5層5nm InGaAs阱層和6層10nm InGaAsP(Eg＝1.25eV)壘層，所述阱層和壘層交替制備，第一層壘層制備在所述的n型InP歐姆接觸層上，最后一層為壘層。具體制備方法為：采用MOCVD方法，生長溫度為655℃，對(duì)于阱層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為1.3×10^-5mol/min，砷烷的流量為4.5×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100～150Torr；對(duì)于壘層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為7.3×10^-6mol/min，砷烷的流量為3.0×10^-4mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100～150Torr。

在所述的多量子阱激光器有源區(qū)上外延生長p型歐姆接觸層，該p型歐姆接觸層為p型重?fù)诫sInGaAs材料，厚度為100nm，具體制備方法為：采用MOCVD方法，生長溫度為530℃，摻Zn濃度為10¹⁹～10²⁰cm^-3，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為1.5×10^-5mol/min，砷烷的流量為2.2×10^-3mol/min，二乙基鋅的流量為2.5×10^-6mol/min，反應(yīng)室壓力為100～150Torr。

在所述的激光器外延材料結(jié)構(gòu)層的p型歐姆接觸層上制備多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具體為：采用普通電子束蒸發(fā)或PECVD等方法制備得到Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。該Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替組成，每層Si薄膜厚度為280nm，每層SiO₂薄膜厚度為110nm，其中的第一層SiO₂薄膜制備在所述的p型歐姆接觸層上，最后一層為SiO₂薄膜。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：

(1)本發(fā)明將納米尺度側(cè)向外延方法與傳統(tǒng)Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)DBR結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高反射率的下DBR結(jié)構(gòu)與InP晶格匹配的虛擬襯底功能的方法。

(2)本發(fā)明采用MOCVD選區(qū)外延方法解決了InP基長波長VCSEL外延材料的高反射率下DBR結(jié)構(gòu)的材料制備問題，且省去了復(fù)雜的下DBR結(jié)構(gòu)外延過程，由相對(duì)低成本的電子束蒸發(fā)或PECVD等方法和刻蝕工藝代替，減少VCSEL外延材料制備的成本，更適合于產(chǎn)業(yè)化的材料制備要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)的制備方法流程圖。

圖2是本發(fā)明提供的一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例制備的一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例中一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)的底部反射腔鏡生長過程示意圖。

圖5(a)是本發(fā)明實(shí)施例制備的垂直面發(fā)射激光器的頂部反射腔鏡即上DBR結(jié)構(gòu)的反射率圖。

圖5(b)是本發(fā)明實(shí)施例垂直面發(fā)射激光器的新型底部反射腔鏡即下DBR結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的反射率對(duì)比圖。

圖6是發(fā)明實(shí)施例制備的新型下DBR結(jié)構(gòu)在1.55微米波長光垂直入射條件下的光場(chǎng)分布圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，進(jìn)一步說明本發(fā)明提出的一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，所述的制備方法流程如圖1所示，具體步驟如下：

步驟101：在單晶InP襯底上制作多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)，具體為：

在開盒即用的單晶InP襯底，采用電子束蒸發(fā)或PECVD等方法制備得到Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。該多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替組成，其中的第一層SiO₂薄膜制備在單晶InP襯底上，每層Si薄膜厚度為280nm，每層SiO₂薄膜厚度為110nm。在實(shí)際制備過程中，該Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的層數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加或減少。然后，采用干法刻蝕技術(shù)，如反應(yīng)離子刻蝕法，在Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)上刻蝕圖案制備得到多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)。所述的單晶InP襯底用于進(jìn)行新型底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)和垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)的生長。該單晶InP襯底為<100>晶面的InP單晶片，無偏角，單面拋光，摻雜類型為半絕緣(摻Fe)，厚度為350μm。

步驟102：在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)上生長InP側(cè)向外延層，具體為：

采用MOCVD方法，在655℃，應(yīng)用選區(qū)外延方式，在多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的生長窗口區(qū)生長與多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)掩膜等高的InP緩沖層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為70Torr；當(dāng)InP緩沖層的厚度達(dá)到多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)掩膜高度時(shí)，再應(yīng)用合并外延方式，在655℃，生長800nm的InP側(cè)向外延層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

步驟103：在所述的InP側(cè)向外延層上外延生長n型歐姆接觸層。

該n型歐姆接觸層為Si摻雜InP材料，采用MOCVD方法，生長溫度為655℃，厚度為200nm，摻Si濃度為5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，硅烷的流量為4.5×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

步驟104：在所述的n型歐姆接觸層上外延生長多量子阱激光器有源區(qū)。

采用MOCVD方法，生長溫度為655℃。該多量子阱激光器有源區(qū)包括5層厚度為5nm InGaAs阱層和6層厚度為10nm InGaAsP(Eg＝1.25eV)壘層，所述每一層阱層和每一層壘層交替制備，第一層壘層制備在所述的n型歐姆接觸層上。對(duì)于阱層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為1.3×10^-5mol/min，砷烷的流量為4.5×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr；對(duì)于壘層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為7.3×10^-6mol/min，砷烷的流量為3.0×10^-4mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

步驟105：在所述的多量子阱激光器有源區(qū)上外延生長p型歐姆接觸層。

該p型歐姆接觸層為p型重?fù)诫sInGaAs材料，采用MOCVD方法，厚度為100nm，摻Zn濃度為10¹⁹～10²⁰cm^-3，生長溫度為530℃，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為1.5×10^-5mol/min，砷烷的流量為2.2×10^-3mol/min，二乙基鋅的流量為2.5×10^-6mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

步驟106：在所述的p型歐姆接觸層上制備多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

采用普通電子束蒸發(fā)或PECVD等方法制備得到Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。該Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替組成，每層Si薄膜厚度為280nm，每層SiO₂薄膜厚度為110nm，其中的第一層SiO₂薄膜制備在所述的p型歐姆接觸層上。

通過以上步驟，本發(fā)明制備得到一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括單晶InP襯底、底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)、激光器外延材料結(jié)構(gòu)和頂部反射腔鏡結(jié)構(gòu)，所述的激光器外延材料結(jié)構(gòu)包括n型歐姆接觸層、有源區(qū)和p型歐姆接觸層。所述的單晶InP襯底厚度325～375μm；所述的底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)包括多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)和InP側(cè)向外延層，作為激光器外延材料結(jié)構(gòu)的下DBR結(jié)構(gòu)；在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的生長窗口區(qū)生長有InP緩沖層，并側(cè)向外延生長有InP側(cè)向外延層。所述的InP緩沖層厚度等于生長窗口區(qū)的厚度即多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的掩膜高度。InP側(cè)向外延層厚度500nm。所述的n型歐姆接觸層為n-InP歐姆接觸層，所述的有源區(qū)為InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源區(qū)，所述的p型歐姆接觸層為p-InGaAs歐姆接觸層，所述的n-InP歐姆接觸層厚度200nm，InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源區(qū)厚度85nm，p-InGaAs歐姆接觸層厚度為100nm。所述的頂部反射腔鏡結(jié)構(gòu)為上DBR結(jié)構(gòu)。所述的下DBR結(jié)構(gòu)和上DBR結(jié)構(gòu)均由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜組成，每層Si薄膜的厚度為280nm，每層SiO₂薄膜的厚度為110nm，Si薄膜和SiO₂薄膜交替生長；所述的InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源區(qū)包括5層InGaAs阱層和6層InGaAsP壘層，每層阱層的厚度為5nm，每層壘層的厚度為10nm，阱層和壘層交替生長。

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，主要采用MOCVD方法完成材料生長制備過程。這里僅以Thomas Swan 3×2″LP-MOCVD外延生長系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹各層材料的制備工藝條件和作用。

MOCVD生長工藝過程中，載氣為高純氫氣(99.999％)，Ⅲ族有機(jī)源為高純度(99.999％)三甲基鎵和三甲基銦，Ⅴ族源為高純(99.999％)砷烷和磷烷，n型摻雜源為硅烷，p型摻雜源為二乙基鋅，反應(yīng)室壓力為70～100Torr，生長溫度范圍為530～655℃。

具體制備步驟如下：

步驟201：

在單晶InP襯底上制作多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)，如圖4中(I)所示，具體為：在開盒即用的單晶InP襯底，采用電子束蒸發(fā)或PECVD等方法制備得到Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。該多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替生長組成，其中的第一層SiO₂薄膜制備在單晶InP襯底上，每層Si薄膜厚度為280nm，每層SiO₂薄膜厚度為110nm。在實(shí)際制備過程中，該Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的層數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加或減少。

然后，采用干法刻蝕技術(shù)，如反應(yīng)離子刻蝕法，在Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)上刻蝕制備得到一維條型圖形結(jié)構(gòu)，如圖4中(II)所示。所述一維條形圖形結(jié)構(gòu)的周期和刻蝕槽的寬度分別為1000nm和100nm?？涛g槽的深度即掩膜高度一直到InP襯底表面。所述周期和刻蝕槽的寬度可以適當(dāng)改變，只要保證足夠的反射率即可。所述的單晶InP襯底，其晶面為無偏角的<100>晶面，厚度為375～675μm，單面拋光，為半絕緣InP襯底。選用目前商業(yè)化的外延用摻Fe半絕緣InP襯底即可。

步驟202：

在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)上生長InP側(cè)向外延層，具體為：采用MOCVD方法，在655℃，應(yīng)用選區(qū)外延方式，如圖4中(III)在多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的生長窗口區(qū)(即刻蝕槽內(nèi))生長與多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)掩膜(即刻蝕槽深度)等高的InP緩沖層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為70Torr；當(dāng)InP緩沖層的厚度達(dá)到多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)掩膜高度時(shí)，再應(yīng)用合并外延方式，在655℃，生長800nm的InP側(cè)向外延層，如圖4(IV)，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

所述的InP側(cè)向外延層，用以形成虛擬InP襯底，同時(shí)保證該層的晶體質(zhì)量良好，作為生長InP材料系的有源區(qū)。

所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)用以形成一個(gè)InP的虛擬襯底，同時(shí)實(shí)現(xiàn)99.5％的高反射率，作為垂直面發(fā)射激光器有源區(qū)的底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的下DBR結(jié)構(gòu)。

所述的Si/SiO₂多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的層數(shù)、納米圖形的周期、刻蝕槽的寬度，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的寬帶高反特性進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

步驟203：

在所述的InP側(cè)向外延層上外延生長n型歐姆接觸層，具體為：該n型歐姆接觸層為Si摻雜InP材料，采用MOCVD方法，生長溫度為655℃，厚度為200nm，摻Si濃度為5×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.4×10^-5mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，硅烷的流量為4.5×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

所述的n型歐姆接觸層，用來制作負(fù)電極，根據(jù)對(duì)激光器光學(xué)模式的設(shè)計(jì)，該n型歐姆接觸層位置處于光場(chǎng)最小值處。

步驟204：

在所述的n型歐姆接觸層上外延生長多量子阱激光器有源區(qū)，具體為：采用MOCVD方法，生長溫度為655℃，該多量子阱激光器有源區(qū)包括5層5nm InGaAs阱層和6層10nm InGaAsP(Eg＝1.25eV)壘層，所述每一層阱層和每一層壘層交替制備，第一層壘層制備在所述的n型歐姆接觸層上。對(duì)于阱層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為1.3×10^-5mol/min，砷烷的流量為4.5×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr；對(duì)于壘層，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為7.3×10^-6mol/min，砷烷的流量為3.0×10^-4mol/min，磷烷的流量為6.7×10^-3mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

所述的多量子阱有源區(qū)，該部分是主要的發(fā)光區(qū)，根據(jù)對(duì)激光器光學(xué)模式的設(shè)計(jì)，該多量子阱有源區(qū)位置處于光場(chǎng)分布的最大值處。

步驟205：

在所述的多量子阱激光器有源區(qū)上外延生長p型歐姆接觸層，具體為：該p型歐姆接觸層為p型重?fù)诫sInGaAs材料，采用MOCVD方法，生長溫度為530℃，厚度為100nm，摻Zn濃度為10¹⁹～10²⁰cm^-3，源流量分別為：三甲基銦的流量為1.6×10^-5mol/min，三甲基鎵的流量為1.5×10^-5mol/min，砷烷的流量為2.2×10^-3mol/min，二乙基鋅的流量為2.5×10^-6mol/min，反應(yīng)室壓力為100Torr。

所述的p型歐姆接觸層，用來制作正電極，根據(jù)對(duì)激光器光學(xué)模式的設(shè)計(jì)，該p型歐姆接觸層位置處于光場(chǎng)最小值處。

步驟206：

在所述的p型歐姆接觸層上制備多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具體為：采用電子束蒸發(fā)或PECVD等方法制備得到Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)。該Si/SiO₂多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替生長組成，每層Si薄膜厚度為280nm，每層SiO₂薄膜厚度為110nm，其中的第一層SiO₂薄膜制備在所述的p型歐姆接觸層上。所述的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，用來作為垂直面發(fā)射激光器的上DBR結(jié)構(gòu)。

通過以上步驟，本實(shí)施例制備得到一種1.55微米波長垂直面發(fā)射激光器材料結(jié)構(gòu)，如圖3所示，具體包括單晶InP襯底、底部反射腔鏡(下DBR結(jié)構(gòu))、激光器外延材料結(jié)構(gòu)和頂部反射腔鏡(上DBR結(jié)構(gòu))。所述的單晶InP襯底厚度375～675μm；所述的底部反射腔鏡包括多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)和InP側(cè)向外延層，作為激光器外延材料結(jié)構(gòu)的下DBR結(jié)構(gòu)；在所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)的生長窗口區(qū)即刻蝕槽內(nèi)生長InP緩沖層，并側(cè)向外延生長InP側(cè)向外延層，所述的InP緩沖層厚度等于生長窗口區(qū)的厚度，即刻蝕槽的深度；InP側(cè)向外延層厚度800nm。所述的激光器外延材料結(jié)構(gòu)由下到上依次包括n型歐姆接觸層、InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源區(qū)和p型歐姆接觸層，所述的n型歐姆接觸層厚度200nm，InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源區(qū)厚度85nm，p型歐姆接觸層厚度為100nm。所述的頂部反射腔鏡為多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為上DBR結(jié)構(gòu)。所述的多層介質(zhì)圖形結(jié)構(gòu)和多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)均由5層Si薄膜和6層SiO₂薄膜交替生長組成，所述的Si薄膜每層的厚度為280nm，所述的SiO₂薄膜每層的厚度為110nm，第一層SiO₂薄膜制備在單晶InP襯底或p型歐姆接觸層；所述的InGaAs/InGaAsP多量子阱激光器有源區(qū)為發(fā)光區(qū)材料結(jié)構(gòu)，包括5層InGaAs阱層和6層InGaAsP壘層，所述的阱層和壘層交替生長，第一層壘層制備在n型歐姆接觸層；所述阱層每層厚度為5nm，所述壘層每層厚度為10nm。由于底部反射腔鏡結(jié)構(gòu)的采用，本發(fā)明提供的激光器材料結(jié)構(gòu)具有雙內(nèi)電極結(jié)構(gòu)。有源區(qū)采用了5周期的InGaAs/InGaAsP的多量子阱。

圖5(a)為實(shí)施例制備的垂直面發(fā)射激光器的上DBR結(jié)構(gòu)的反射率圖。在5對(duì)Si/SiO₂介質(zhì)結(jié)構(gòu)的條件下，從1.29微米到1.94微米的波段范圍內(nèi)，上DBR結(jié)構(gòu)的反射率都超過99％，可以滿足對(duì)上DBR結(jié)構(gòu)的要求。

圖5(b)為本發(fā)明實(shí)施例制備的垂直面發(fā)射激光器的新型下DBR結(jié)構(gòu)(實(shí)線)與傳統(tǒng)的介質(zhì)DBR結(jié)構(gòu)(虛線)的反射率對(duì)比圖。對(duì)比可以看出，本發(fā)明設(shè)計(jì)的新型下DBR結(jié)構(gòu)的反射特性完全可以達(dá)到與傳統(tǒng)介質(zhì)DBR相同的水平。

圖6為通過計(jì)算仿真得到的新型下DBR結(jié)構(gòu)在波長1.55微米波長光垂直入射條件下的截面光場(chǎng)分布圖。該分布圖是在結(jié)構(gòu)周期為1微米、InP填充槽寬度為100納米、Si/SiO₂的對(duì)數(shù)為5對(duì)時(shí)計(jì)算的磁場(chǎng)H_y分布圖。該圖畫出了2個(gè)周期的結(jié)果。其中Z<0的區(qū)域?yàn)楣馊肷鋮^(qū)域，0<Z<2.22微米的區(qū)域?yàn)榉瓷浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)域，Z>2.22微米的區(qū)域?yàn)楣馔干鋮^(qū)域。從圖可以明顯地看出入射光幾乎都被反射回去，通過反射結(jié)構(gòu)的透射光基本消失。這一結(jié)果可以說明本發(fā)明設(shè)計(jì)的這一新型反射結(jié)構(gòu)在1.55微米波長處具有很高的反射率。