垂直腔面发射激光器芯片
阅读说明：本技术 垂直腔面发射激光器芯片 (Vertical cavity surface emitting laser chip ) 是由 佟存柱 王延靖 汪丽杰 王立军 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种垂直腔面发射激光器芯片,包括衬底和从下至上依次制备在衬底上的缓冲层、N型DBR层、第一SCH层、第二SCH层、量子阱结构层、第三SCH层、氧化结构层、P型DBR层、P型接触层,在第一SCH层与量子阱结构层之间制备有隧穿层,隧穿层的禁带宽度大于量子阱结构层的禁带宽度,载流子依次经N型DBR层、第一SCH层传输到隧穿层,再以隧穿方式穿过隧穿层注入量子阱结构层中以隧穿方式传输。本发明通过在SCH层与量子阱结构层之间增加隧穿层,并且优化量子阱结构层中势垒层的厚度,使得载流子以隧穿的方式注入量子阱结构层并且在量子阱层与势垒层之间隧穿传输,从而改善载流子传输效应与热载流子效应并提高微分增益,最终实现高调制带宽。(The invention provides a vertical cavity surface emitting laser chip, which comprises a substrate, and a buffer layer, an N-type DBR layer, a first SCH layer, a second SCH layer, a quantum well structure layer, a third SCH layer, an oxidation structure layer, a P-type DBR layer and a P-type contact layer which are sequentially prepared on the substrate from bottom to top, wherein a tunneling layer is prepared between the first SCH layer and the quantum well structure layer, the forbidden bandwidth of the tunneling layer is larger than that of the quantum well structure layer, and a current carrier is transmitted to the tunneling layer through the N-type DBR layer and the first SCH layer in sequence, then is injected into the quantum well structure layer through the tunneling layer in a tunneling mode and is transmitted in the tunneling mode. According to the invention, the tunneling layer is added between the SCH layer and the quantum well structure layer, and the thickness of the barrier layer in the quantum well structure layer is optimized, so that a current carrier is injected into the quantum well structure layer in a tunneling mode and is transmitted between the quantum well layer and the barrier layer in a tunneling mode, the current carrier transmission effect and the hot carrier effect are improved, the differential gain is improved, and the high modulation bandwidth is finally realized.)
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种隧穿注入的高速垂直腔面发射激光器芯片。
背景技术
通信领域所使用的垂直腔面发射激光器具有高数据传输速率、低成本、低功耗等诸多优点。随着通信容量的快速增长，迫切需要更高数据传输速率的垂直腔面发射激光器，而垂直腔面发射激光器的数据传输速率由其调制带宽决定，调制带宽越高则数据传输速率越高，限制垂直腔面发射激光器的调制带宽的因素主要是载流子传输效应及热载流子效应。而限制载流子传输效应及热载流子效应的重要原因是SCH(Separate ConfinementHeterostructure，分离限制异质结构)层及势垒层的禁带宽度较高，载流子需要越过SCH层与势垒层的较高能级进行传输，极大地阻碍了载流子的有效注入与量子阱间的传输，因此提高载流子通过SCH层与势垒层的载流子传输效应将会极大地提高垂直腔面发射激光器的调制带宽。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种垂直腔面发射激光器芯片，通过在SCH层与量子阱层之间增加隧穿层，并且优化势垒层的厚度，使得载流子以隧穿的方式注入量子阱并且在量子阱之间隧穿传输，从而改善载流子传输效应与载流子热效应，提高垂直腔面发射激光器的调制带宽。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的垂直腔面发射激光器芯片，包括衬底和从下至上依次制备在衬底上的缓冲层、N型DBR层、第一SCH层、第二SCH层、量子阱结构层、第三SCH层、氧化结构层、P型DBR层、P型接触层，在第一SCH层与量子阱结构层之间制备有隧穿层，隧穿层的禁带宽度大于量子阱结构层的禁带宽度，载流子依次经N型DBR层、第一SCH层传输到隧穿层，再以隧穿方式穿过隧穿层注入量子阱结构层中，并在量子阱结构层中以隧穿方式传输。
优选地，量子阱结构层包括依次层叠的量子阱层和势垒层，隧穿层的禁带宽度大于势垒层的禁带宽度，载流子以隧穿方式在量子阱层和势垒层之间传输。
优选地，量子阱层的数量为三至五个。
优选地，第一SCH层包括第一SCH子层和第二SCH子层，第二SCH子层的禁带宽度小于第一SCH子层的禁带宽度，第二SCH层的禁带宽度与第一SCH子层的禁带宽度相同。
优选地，氧化结构层包括至少一个氧化层。
与现有的垂直腔面发射激光器相比，本发明通过在SCH层与量子阱结构层之间增加隧穿层，并且优化量子阱结构层中势垒层的厚度，使得载流子以隧穿的方式注入量子阱结构层并且在量子阱层与势垒层之间隧穿传输，从而改善载流子传输效应与热载流子效应并提高微分增益，最终实现高调制带宽。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片的载流子隧穿传输原理示意图；
图3是根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片内部的能带结构与光场分布示意图。
其中的附图标记包括：衬底1、缓冲层2、N型DBR层3、第一SCH层4、第一SCH子层41、第二SCH子层42、量子阱结构层5、量子井层51、势垒层52、第二SCH层6、氧化结构层7、P型DBR层8、P型接触层9、隧穿层10。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片包括：衬底1、缓冲层2、N型DBR层3、第一SCH层4、量子阱结构层5、第二SCH层6、氧化结构层7、P型DBR层8、P型接触层9；其中，衬底1、缓冲层2与P型接触层9均为GaAs材料，N型DBR层3和P型DBR层8为AlGaAs材料，隧穿层10为AlAs材料，第一SCH层4和第二SCH层6为AlGaAs材料，量子阱结构层5为InGaAs、AlGaAs、GaAsP材料，氧化结构层7为AlGaAs材料。
缓冲层2、N型DBR层3、第一SCH层4、量子阱结构层5、第二SCH层6、氧化结构层7、P型DBR8、P型接触层9从下至上依次制备在衬底1上，本发明的创新之处在于在第一SCH层4与量子阱结构层5之间制备隧穿层10，隧穿层10的禁带宽度大于量子阱结构层5的禁带宽度，以实现量子隧穿效应，载流子以隧穿方式注入到量子阱结构层5中。并在量子阱结构层5以隧穿方式传输。
量子阱结构层5包括依次交错层叠的量子阱层51和势垒层52，例如：量子阱结构层5从下至上分别为第一量子阱层、第一势垒层、第二量子阱层、第二势垒层……第n层量子阱层。
隧穿层10的禁带宽度大于量子阱层51和势垒层52的禁带宽度，仪式性量子隧穿效应。
本发明通过优化势垒层52的厚度，当势垒层52的厚度达到特定值时，实现量子隧穿效应，从而使载流子能够在量子阱结构层5内以隧穿方式进行传输。
另外，优化势垒层的厚度，可以使各个量子阱之间发生耦合效应，提高微分增益。
第一SCH层4的禁带宽度可以与第二SCH层6的禁带宽度相同，第二SCH层6在激光器中起到限制载流子泄露出有源区的作用。
第一SCH层4的禁带宽度可以与第二SCH层6的禁带宽度不同，此时第一SCH层4分为两个禁带宽度不同的子层，分别为第一SCH子层41和第二SCH子层42，第二SCH子层42的禁带宽度小于第一SCH子层41的禁带宽度，第一SCH子层41的禁带宽度与第二SCH层6的禁带宽度相同。
将第二SCH子层42的禁带宽度设计成小于第一SCH子层41的禁带宽度的目的在于，增大隧穿层10与第二SCH子层42的能级差，更好的实现量子隧穿效应和改善热载流子效应。
当然，第一SCH层4还可以采用其他数量的子层来隧穿层10与第二SCH子层42的能级差。第二SCH层6同样也可以采用禁带宽度不同的子层来防止载流子泄露出有源区。
氧化结构层7包括至少一个氧化层，优选为6个氧化层，氧化层越多越能减小寄生电容，达到更好的光电限制作用。
图2示出了根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片的载流子隧穿传输原理。
如图2所示，载流子依次经N型DBR层3、第一SCH子层41、第二SCH子层42传输到隧穿层10，以隧穿方式穿过隧穿层10注入到第一量子阱层中，并第一量子阱层、第一势垒层、第二量子阱层、第二势垒层……第n层量子阱层之间以隧穿方式传输。
由于隧穿传输是比较快速的一个过程，能够使载流子快速的传输，因此可以改善载流子的传输效应。隧穿传输能够避免载流子从较高能带到较低能带的弛豫过程(弛豫过程会释放大量的热)，不会释放大量的热，由此改善热载流子效应。
另外，调制带宽与载流子传输效应、热载流子效应以及微分增益有关，载流子传输速率越快调制带宽越高，热效应越小调制带宽越高，微分增益越高调制带宽越高。本发明中载流子以隧穿方式传输，采用隧穿传输可以极大地改善载流子传输效应与热载流子效应，而优化势垒层的厚度，使得各个量子阱之间发生耦合效应，提高微分增益，通过三方面的改进提高调制带宽。
图3示出了根据本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器芯片内部的能带结构与光场分布。
如图3所示，本发明采用谐振腔长为λ/2，5个量子阱，量子阱位于光场的峰值处，以获得最大的增益。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一个示例”、“另一个示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
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