CN101888058A - 一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法 - Google Patents

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蔡利康
王青
陈良惠
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Abstract

本发明公开了一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，该方法包括：在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜；在该增透膜上镀一层金属膜；腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜；在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅。利用本发明，工艺成熟，可操作性强，可重复性好，器件成品率高，同时VCSEL尺寸较小，阈值较低，便于二维集成，金属亚波长光栅的偏振选择性好，可以提供更好的偏振抑制，实现稳定偏振输出的VCSEL阵列。

Description

一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，具体地说是一种表面等离子体调制的稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的制备方法。
背景技术
近年来，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)作为新一代半导体激光器，可广泛应用于各种信息技术领域，如：分光光谱学、激光打印、高密度光存储和读取、局域光通讯、自由空间光互联以及高速光通信系统，因此吸引了众多研究者的研究兴趣。但在实际很多领域的应用中，尤其是在分光光谱学、光互联、光链接以及高速光通信领域，均要求VCSEL具有稳定的偏振输出。
但是，传统的VCSEL并没有选择偏振的机制，这是因为：1、VCSEL一般具有柱对称结构；2、DBR腔的反射与偏振无关；3、材料本身的各向同性。通常，随注入电流、温度以及光反馈的变化，VCSEL的偏振不稳定。
因此，研究出制备工艺简单并具有稳定偏振输出的VCSEL就成了半导体激光器领域的重要课题之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，以实现具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的制备。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，该方法包括：
在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜；
在该增透膜上镀一层金属膜；
腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜；
在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅。
上述方案中，所述在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜，是在氧化孔限制的垂直腔面发射激光器出光腔面采用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层增透膜。
上述方案中，所述增透膜采用SiO2、SiNx、Al2O3、TiO2、ZrO2及其多层结构。
上述方案中，所述增透膜的厚度为100nm～200nm。
上述方案中，所述在该增透膜上镀一层金属膜，是采用磁控溅射方法在N面电极制备完成并合金后在该增透膜上溅射金属膜。
上述方案中，所述金属膜采用Ti/Au、Ti/Ag或者Ti/Al，其中起黏附作用的Ti层的厚度为5～20nm，Au、Ag或者Al层的厚度为200nm～400nm。
上述方案中，所述腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜，是采用套刻和湿法腐蚀工艺，先后腐蚀掉出光腔面以外的金属膜和增透膜。
上述方案中，所述在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅，是采用聚焦离子束刻蚀的方法在出光腔面的金属膜上刻蚀出亚波长尺度的等周期性透射光栅。
上述方案中，所述在出光腔面的金属膜上制备的亚波长光栅，其透射具有偏振选择性，通过该光栅选择垂直腔面发射激光器的输出偏振方向。
上述方案中，所述在出光腔面的金属膜上制备的亚波长光栅，其尺寸为亚波长量级，光栅的深度和金属膜的厚度相同。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，是由金属亚波长光栅的表面等离子体效应调制VCSEL的输出偏振，由于金属亚波长光栅的透射具有偏振选择性，所以本发明提供的稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器可以实现较高的偏振抑制。
2、本发明选取的材料和加工工艺均是半导体工艺中常见的，工艺成熟，可操作性强，可重复性好，器件成品率高，同时VCSEL尺寸较小，阈值较低，便于二维集成，金属亚波长光栅的偏振选择性好，可以提供更好的偏振抑制，实现稳定偏振输出的VCSEL阵列。
附图说明
图1是本发明提供的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法流程图；
图2是普通垂直腔面发射激光器出光面(P面)示意图；
图3至图7为依照本发明实施例制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的工艺流程图；
其中，1：N面电极，2：出光腔面，3：P面电极，4：增透膜，5：金属膜，6：亚波长金属光栅。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜；
步骤2：在该增透膜上镀一层金属膜；
步骤3：腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜；
步骤4：在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅。
其中，步骤1中所述在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜，是在氧化孔限制的垂直腔面发射激光器出光腔面(如图2所示)采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积一层增透膜，该增透膜采用SiO2、SiNx、Al2O3、TiO2、ZrO2及其多层结构，该增透膜的厚度一般为100nm～200nm。
步骤2中所述在该增透膜上镀一层金属膜，是采用磁控溅射方法在N面电极制备完成并合金后在该增透膜上溅射金属膜，该金属膜采用Ti/Au、Ti/Ag或者Ti/Al，其中起黏附作用的Ti层的厚度为5～20nm，Au、Ag或者Al层的厚度为200nm～400nm。
步骤3中所述腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜，是采用套刻和湿法腐蚀工艺，先后腐蚀掉出光腔面以外的金属膜和增透膜。
步骤4中所述在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅，是采用聚焦离子束刻蚀的方法在出光腔面的金属膜上刻蚀出亚波长尺度的等周期性透射光栅。该亚波长光栅的透射具有偏振选择性，通过该光栅选择垂直腔面发射激光器的输出偏振方向。该亚波长光栅的尺寸为亚波长量级，光栅的深度和金属膜的厚度相同。
图3至图7示出了依照本发明实施例制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的工艺流程图，其具体工艺步骤如下：
1)、在普通VCSEL(图3)的出光腔面上(P面)用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积材料为SiO2、SiNx、Al2O3、TiO2、ZrO2或多层结构的增透膜4，如图4所示，厚度为100nm～200nm。此增透膜作为绝缘层避免了金属膜和出光腔面的直接接触，可以保护腔面。同时介质材料和金属界面可以有效产生表面等离子体效应，增强出光效率，提高偏振抑制比。
2)、在增透膜4上用磁控溅射镀金属膜5，如图5所示，金属膜材料为Ti/Au、Ti/Ag或者Ti/Al，Ti的厚度比较薄为5nm～20nm，主要是为了提高金属层的黏附性，金属层不易剥落。Au、Ag或者Al层的厚度为200nm～400nm，主要是制作金属光栅，通过光栅透射的偏振选择性来确定垂直腔面发射激光器的输出偏振。
3)、采用套刻和湿法腐蚀工艺，先腐蚀掉出光腔面以外的金属膜，如图4所示。要求金属膜腐蚀干净，以避免漏电现象。然后腐蚀掉出光腔面以外的增透膜，如图6所示。增透膜作为绝缘层必须腐蚀干净，否则P面电极将会出现开路现象。
4)、用聚焦离子束在金属膜上刻蚀出亚波长的金属条形光栅6，如图7所示。光栅的周期为200nm～400nm，槽宽为50nm～150nm，光栅的深度与金属膜的厚度相同，金属膜厚度一般为200nm～400nm。刻蚀时可以通过调节离子束流密度、驻留时间、束斑重和距离、离子束流扫描时间等条件来实现精确控制，得到较好的表面平整度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，该方法包括：
在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜；
在该增透膜上镀一层金属膜；
腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜；
在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅。
2.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述在垂直腔面发射激光器出光腔面生长一层增透膜，是在氧化孔限制的垂直腔面发射激光器出光腔面采用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层增透膜。
3.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述增透膜采用SiO2、SiNx、Al2O3、TiO2、ZrO2及其多层结构。
4.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述增透膜的厚度为100nm～200nm。
5.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述在该增透膜上镀一层金属膜，是采用磁控溅射方法在N面电极制备完成并合金后在该增透膜上溅射金属膜。
6.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述金属膜采用Ti/Au、Ti/Ag或者Ti/Al，其中起黏附作用的Ti层的厚度为5～20nm，Au、Ag或者Al层的厚度为200nm～400nm。
7.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述腐蚀掉出光腔面以外的增透膜和金属膜，是采用套刻和湿法腐蚀工艺，先后腐蚀掉出光腔面以外的金属膜和增透膜。
8.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述在出光腔面的金属膜上制备亚波长光栅，是采用聚焦离子束刻蚀的方法在出光腔面的金属膜上刻蚀出亚波长尺度的等周期性透射光栅。
9.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述在出光腔面的金属膜上制备的亚波长光栅，其透射具有偏振选择性，通过该光栅选择垂直腔面发射激光器的输出偏振方向。
10.如权利要求1所述的制备具有稳定偏振输出的垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述在出光腔面的金属膜上制备的亚波长光栅，其尺寸为亚波长量级，光栅的深度和金属膜的厚度相同。
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