CN101764354B - 基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器及制备方法属于半导体光电子器件领域。该激光器为内腔接触式的层叠结构，正向电极层(1)设置在p型欧姆接触层(5)上，欧姆接触层(5)以上依次为相位调节层(13)、铝砷化镓层(3)、砷化镓层(2)，欧姆接触层(5)以下依次为铝砷化镓氧化电流限制层(6)、有源区(7)、n型铝砷化镓层(8)、n型砷化镓层(9)、n型砷化镓衬底(10)、衬底电极层(11)，其中相位调节层(13)采用具有透光性的材料，其厚度可以根据设计双波长的位置、频差需要采用任意厚度，而不局限为激光器所输出激光波长的四分之一的整数倍。由于具有一定厚度的相位调节层可以调节激光器谐振腔内部传输光子相位变化，从而实现多波长发射。

Description

基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器及制备方法

技术领域

基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器及制备方法属于半导体光电子器件领域，涉及一种可以同时发射多个波长的面发射激光器的结构和制备技术。

背景技术

多波长垂直腔面发射激光器是一种将电能直接转换为光能的半导体电致发光器件。我们设计的多波长面发射光子器件具有良好单色性、相干特性和稳定频率间隔的双(多波长)波长输出光子器件，在波分复用光通信系统、高精度传感器测量以及外差、双(多波长)波长合成波长干涉测量等技术中具有良好的应用前景。因此，本发明设计的谐振腔长度调节层对实现垂直腔面发射激光器多波长光谱发射具有重要意义。

目前多波长激光器主要分为两大类：半导体边发射多波长激光器和多波长光纤激光器；从实现技术上看又可分为：多有源区技术和腔长控制技术等类型。半导体激光器是目前光通信系统中最为重要的光源，具有体积小，重量轻，转换效率高，省电等特点；更重要的是半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的制造工艺兼容，因此便于与其他器件实现单片光电子集成。半导体多波长激光器秉承了半导体激光器的这些优点，焕发出强大的生命力，是国际上多波长激光器的研究主流。

而垂直腔面发射激光器(VCSEL)与常规的侧向出光的边发射(edge-emitting)激光器和光纤激光器在结构上有着很大的不同，边发射激光器的出射光平行于芯片表面，VCSEL的出射光垂直于芯片表面。典型的VCSEL由上，中，下三部分构成，仅约几十纳米厚的量子阱发光区夹在上下两布拉格反射镜之间，有源区的发射光在上，下反射镜之间往返多次得到放大，最后相干性极高的激光从顶部或底部激射出。这种独特的器件易于实现二维平面阵列，小发散角和圆对称的远，近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，光腔长度可调，可在较宽的范围内得到单、多纵模工作，动态调制频率高；而且可实现大规模光集成、且体积小。但是现有的VCSEL都是单波长激光器。

发明内容

本发明的目的在于：本发明的目的在于提供一种基于现代半导体加工技术的砷化镓基多波长垂直腔面发射激光器器件结构和制备方法，即引入腔长调节层技术，采用半导体加工方法制备具有腔长调节特性的一维光子晶体分布反馈布拉格反射镜，使其取代原有传统DBR结构反射镜，通过调节相位调节层的厚度来实现激光器有效谐振腔长的变化，使面发射激光器具有多波长发射的功能。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一种基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，该激光器为内腔接触式的层叠结构，正向电极层设置在p型欧姆接触层上，欧姆接触层以下依次为铝砷化镓氧化电流限制层、有源区、n型铝砷化镓层、n型砷化镓层、n型砷化镓衬底、衬底电极层，欧姆接触层以上设置有相位调节层，相位调节层之上为交替生长的19对铝砷化镓层、砷化镓层，构成激光器一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构；另外，n型铝砷化镓层与n型砷化镓层交替生长26对，构成激光器另一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构，其中，每层铝砷化镓层、砷化镓层、n型铝砷化镓层、n型砷化镓层的厚度为激射波长λ的四分之一的整数倍；所述相位调节层采用具有透光性的材料，其厚度为双波长位置、频差的需要而定。

上述激光器中的构成激光器一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构的交替生长的19对铝砷化镓层、砷化镓层也可以用交替生长的7对Si₃N₄/SiO₂。

其中，所述构成相位调节层的材料是铝砷化镓或者是砷化镓。所述衬底的材料为n型掺杂砷化镓。所述铝砷化镓氧化电流限制层结构为Al_0.98Ga_0.12As材料，并采用Al_0.98Ga_0.12As氧化技术对激光器注入电流进行限制。所述有源区为异质结量子阱结构或为多有源区带间量子级联结构。

本发明设计的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器可以用下面的制备方法来实现：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底上依次外延生长26对n型铝砷化镓层与n型砷化镓层构成DBR反射镜，3对Ga_0.8In_0.2As/GaAs量子阱结构有源区，氧化限制层Al_0.98Ga_0.12As层，p型欧姆接触层。

步骤2、相位调节层采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在p型欧姆接触层上一次外延生长Al_0.8Ga_0.2As层得到，同时继续外延生长19对砷化镓层与铝砷化镓层构成DBR反射镜；也可以采用等离子体化学气象沉积法(PECVD)继续生长7对Si₃N₄/SiO₂构成DBR反射镜。

步骤3、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将19对砷化镓层与铝砷化镓层构成的DBR反射镜选或7对Si₃N₄/SiO₂构成DBR反射镜择腐蚀到相位调节层，暴露并形成边长为25μm的矩形台面结构。

步骤4、进行二次光刻，腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层侧壁。

步骤5、利用高温氧化炉设备对器件氧化限制层进行横行氧化，形成注入电流限制孔径。

步骤6、选择纵向刻蚀相位调节层，暴露出p型欧姆接触层(5)。

步骤7、在19对砷化镓层与铝砷化镓层构成的DBR反射镜或7对Si₃N₄/SiO₂构成DBR反射镜、p型欧姆接触层表面表面制备TiAu欧姆接触电极。

步骤8、在n-GaAs衬底(10)表面制备AuGeNiAu欧姆接触电极合金，以形成激光器的负电极。

采用本发明的结构设计和工艺制备方法可以得到多波长激光器，本发明中的分布反馈布拉格发射镜、相位调节层、p型欧姆接触层、氧化限制层和有源区构成了多波长激光器核心部分，其中相位调节层作为激光器谐振腔的一部分，由于具有一定厚度的相位调节层可以调节激光器谐振腔内部传输光子相位变化，从而实现多波长发射。

附图说明

图1：本发明中提出的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器结构的器件层结构示意图；

图2-5：为基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器的实现方法步骤图，其中

图2：带有相位调节层的多波长垂直腔面发射激光器结构示意图；

图3：光刻、腐蚀形式图形台面结构示意图；

图4：光刻、腐蚀形成氧化台面结构示意图；

图5：将相位调节层腐蚀去掉的结构示意图；

图6：具有GaAs/AlGaAs DBR的垂直腔面发射激光器电致发光光谱和反射率测量结果；

图7：具有SiO2/Si3N4DBR的垂直腔面发射激光器电致发光光谱和反射率测量结果。

图中：1、砷化镓层，2、铝砷化镓层，3、p型欧姆接触层，5、p型欧姆接触层，6、铝砷化镓氧化电流限制层，7、有源区，8、n型铝砷化镓层，9、n型砷化镓层，10、n型砷化镓衬底，11、衬底电极层，13、相位调节层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例加以说明：

图1说明了本发明涉及的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器结构，包括有依次纵向层叠的正向电极层1、砷化镓层2、铝砷化镓层3、p型欧姆接触层5、铝砷化镓氧化电流限制层6、有源区7、n型铝砷化镓层8、n型砷化镓层9、n型砷化镓衬底10、衬底电极层11和相位调节层13。

其中相位调节层13可以是具有高折射率比的半导体材料，也可以是易于刻蚀的透光性好的具有扩展谐振腔长度和相位调节作用的材料，本实施例中相位调节层13采用铝砷化镓(Al_0.8Ga_0.2As)。

本发明中DBR反射镜为具有激光器所要发射的激光波长的1/4厚度的两种材料成周期性排列所组成的结构，本实施例中两种材料的组合是Si3N4/SiO2或者GaAs/AlGaAs材料。

本发明中的有源区7可以是量子阱、异质结、也可以是多波长有源区带间量子级联结构。本实施例中采用量子阱。

下面结合图2-图5分别介绍实现基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器制备方法；

步骤1、如图2所示，采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底10上依次外延生长26对n型铝砷化镓层8与n型砷化镓层9，3对Ga_0.8In_0.2As/GaAs量子阱结构有源区7，氧化限制层Al_0.98Ga_0.12As层6，p型欧姆接触层5。

步骤1a、相位调节层可以采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在p型欧姆接触层5上一次外延生长Al_0.8Ga_0.2As层得到，同时继续外延生长19对砷化镓层2与铝砷化镓层3DBR反射镜，完成整个多波长垂直腔面发射激光器器件结构；也可以采用步骤1b的方式得到多波长垂直腔面发射激光器器件结构：

步骤1b、相位调节层可以采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在p型欧姆接触层5上一次外延生长Al_0.8Ga_0.2As层得到，同时采用等离子体化学气象沉积法(PECVD)继续生长7对Si₃N₄/SiO₂DBR反射镜，完成整个多波长垂直腔面发射激光器器件结构；

步骤2、如图3所示，利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法。在室温下，用盐酸∶水＝2∶1的腐蚀液将19对砷化镓层2与铝砷化镓层3(或用氢氟酸腐蚀7对Si₃N₄/SiO₂)DBR反射镜选择腐蚀到相位调节层13，形成具有边长为25μm的矩形台面结构；

步骤3、如图4所示，进行二次光刻，盐酸∶水＝2∶1的腐蚀液和氨水∶双氧水＝45∶1的腐蚀液腐蚀相位调节层13、p型欧姆接触层5、氧化限制层Al_{0. 98}Ga_0.12As层6，形成台面结构，暴露出氧化限制层6侧壁；

步骤3a、也可以利用高温420℃的氧化炉设备对器件氧化限制层6进行横向氧化，时间为45分钟，形成注入电流限制孔径；

步骤4、如图5所示，利用感应耦合等离子体刻蚀机，选择纵向刻蚀相位调节层13，暴露出表明p型欧姆接触层5；

步骤5、在19对砷化镓层2与铝砷化镓层3(或7对Si₃N₄/SiO₂)构成的DBR反射镜、p型欧姆接触层5表面制备TiAu欧姆接触电极；

步骤6、在n-GaAs衬底10表面制备AuGeNiAu欧姆接触电极，430℃、氮气环境下合金1分钟。

选择设计相位调节层13，从而使分布布拉格反射镜及欧姆接触层5和氧化限制层6具有谐振腔长度和传输光子相位调节的作用。相位调节层13厚度可以根据设计双波长的位置、频差需要采用任意厚度，而不局限为激光器所输出激光波长的四分之一的整数倍。并作为激光器谐振腔的一部分，相位调节层13对激光器出光效果影响很大，因此，相位调节层13最后是选择折射率比很大的两种材料，例如GaAs与AlGaAs。分布反馈布拉格反射镜可以设计为GaAs层2与AlGaAs层3构成的DBR反射镜，也可以设计为Si₃N₄/SiO₂构成的DBR反射镜。)

图6为具有GaAs/AlGaAs DBR的垂直腔面发射激光器电致发光光谱和反射率测量结果，从图中可以看出，电致发光光谱在973.1nmb和939.3nm处各有一个峰值，半宽分别为2nm和3nm。通过相位调节层的设计，器件同时具有双波长激射特点，另外，从器件的反射光谱测量结果可以看出，在高反射带宽内对应激射波长同样具有两个透射峰极值点。

图7为SiO2/Si3N4DBR的多波长VCSEL器件，从图中可以看出SiO2/Si3N4DBR的多波长VCSEL器件具有与图8同样的双波长激射，激射波长分别为973.28nm和920.4nm。波长与测量得到的反射谱中凹坑位置相对应。

Claims (8)

1.基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，该激光器为内腔接触式的层叠结构，正向电极层(1)设置在p型欧姆接触层(5)上，欧姆接触层(5)以下依次为铝砷化镓氧化电流限制层(6)、有源区(7)、n型铝砷化镓层(8)、n型砷化镓层(9)、n型砷化镓衬底(10)、衬底电极层(11)，其特征在于：欧姆接触层(5)以上设置有相位调节层(13)，相位调节层(13)之上为交替生长的19对铝砷化镓层(3)、砷化镓层(2)，构成激光器一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构；另外，n型铝砷化镓层(8)与n型砷化镓层(9)交替生长26对，构成激光器另一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构，其中，每层铝砷化镓层(3)、砷化镓层(2)、n型铝砷化镓层(8)、n型砷化镓层(9)的厚度为激射波长λ的四分之一的整数倍；所述相位调节层(13)采用具有透光性的材料。

2.基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，该激光器为内腔接触式的层叠结构，正向电极层(1)设置在p型欧姆接触层(5)上，欧姆接触层(5)以下依次为铝砷化镓氧化电流限制层(6)、有源区(7)、n型铝砷化镓层(8)、n型砷化镓层(9)、n型砷化镓衬底(10)、衬底电极层(11)，其特征在于：欧姆接触层(5)以上设置有相位调节层(13)，相位调节层(13)之上为交替生长的7对Si₃N₄/SiO₂，构成激光器一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构；另外，n型铝砷化镓层(8)与n型砷化镓层(9)交替生长26对，构成激光器另一头的分布反馈布拉格反射镜(DBR)结构，其中，Si₃N₄层、SiO₂层、n型铝砷化镓层(8)、n型砷化镓层(9)的厚度为激射波长λ的四分之一的整数倍；所述相位调节层(13)采用具有透光性的材料。

3.如权利要求1或2所述的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述构成相位调节层(13)的材料是铝砷化镓或者是砷化镓。

4.如权利要求1或2所述的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底(10)的材料为n型掺杂砷化镓。

5.如权利要求1或2所述的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光 器，其特征在于：所述铝砷化镓氧化电流限制层结构(6)为Al_0.98Ga_0.12As材料，并采用Al_0.98Ga_0.12As氧化技术对激光器注入电流进行限制。

6.如权利要求1或2所述的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述有源区(7)为异质结量子阱结构或为多有源区带间量子级联结构。

7.如权利要求1所述的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底(10)上依次外延生长26对n型铝砷化镓层(8)与n型砷化镓层(9)构成分布反馈布拉格反射镜，3对Ga_0.8In_0.2As/GaAs量子阱结构有源区(7)，Al_0.98Ga_0.12As氧化电流限制层(6)，p型欧姆接触层(5)；

步骤2、相位调节层(13)采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在p型欧姆接触层(5)上一次外延生长Al_0.8Ga_0.2As层得到，同时继续外延生长19对砷化镓层(2)与铝砷化镓层(3)构成分布反馈布拉格反射镜；

步骤3、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将19对砷化镓层(2)与铝砷化镓层(3)构成的分布反馈布拉格反射镜选择腐蚀到相位调节层(13)，暴露并形成边长为25μm的矩形结构；

步骤4、进行二次光刻，腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层(6)侧壁；

步骤5、利用高温氧化炉设备对器件氧化限制层(6)进行横行氧化，形成注入电流限制孔径；

步骤6、选择纵向刻蚀相位调节层(13)，暴露出p型欧姆接触层(5)；

步骤7、在19对砷化镓层(2)与铝砷化镓层(3)构成的分布反馈布拉格反射镜、p型欧姆接触层(5)表面制备TiAu欧姆接触电极；

步骤8、在n-GaAs衬底(10)表面制备AuGeNiAu欧姆接触电极合金，以形成激光器的负电极。

8.如权利要求2所述的基于一维光子晶体的多波长垂直腔面发射激光器的 制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在n-砷化镓衬底(10)上依次外延生长26对n型铝砷化镓层(8)与n型砷化镓层(9)构成分布反馈布拉格反射镜，3对Ga_0.8In_0.2As/GaAs量子阱结构有源区(7)，Al_0.98Ga_0.12As氧化电流限制层(6)，p型欧姆接触层(5)；

步骤2、相位调节层(13)采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在p型欧姆接触层(5)上一次外延生长Al_0.8Ga_0.2As层得到，同时采用等离子体化学气象沉积法(PECVD)继续生长7对Si₃N₄/SiO₂构成分布反馈布拉格反射镜；

步骤3、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将7对Si₃N₄/SiO₂构成的分布反馈布拉格反射镜选择腐蚀到相位调节层(13)，暴露并形成边长为25μm的矩形台面结构；

步骤4、进行二次光刻，腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层(6)侧壁；

步骤5、利用高温氧化炉设备对器件氧化限制层(6)进行横行氧化，形成注入电流限制孔径；

步骤6、选择纵向刻蚀相位调节层(13)，暴露出p型欧姆接触层(5)；

步骤7、在7对Si₃N₄/SiO₂构成的分布反馈布拉格反射镜、p型欧姆接触层(5)表面制备TiAu欧姆接触电极；

步骤8、在n-GaAs衬底(10)表面制备AuGeNiAu欧姆接触电极合金，以形成激光器的负电极。 

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