CN102013633B - 桥式-纳米光栅可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
基于表面纳米光栅的波长可调谐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)以上依次为空气隙层(12)、砷化镓层(2a)、铝砷化镓层(2b)，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(8a)、n型砷化镓层(8b)、n型砷化镓衬底(10)、衬底电极层(11)，纳米光栅(15)位于砷化镓层(2a)表面之上。由于空气隙层的厚度可以通过静电力等机械调整，因此使得激光器谐振腔内部传输光子相位变化，同时输出的光束经过纳米光栅(15)，从而实现波长和偏振的同时控制。
Description
技术领域
桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射激光器结构及器件，属于半导体光电子器件领域，涉及一种波长可调谐和偏振可控制的面发射激光器的制备结构和技术。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)凭借阈值电流低、单纵模激射、易与光纤耦合、易集成等优点，在短距离光通信领域成为重要的光源。但由于其对称结构的谐振腔和有源区的弱各向异性，输出光没有一个稳定的偏振状态。沿GaAs衬底[100]方向制作的标准器件而言，有两个相互垂直正交的偏振基态，其电矢量方向沿[110]和[1-10]方向。随温度、注入电流和光反馈的改变，偏振方向在这两个方向上转换。偏振不稳定会给一些偏振敏感的应用造成不良影响，例如会加大光传输的误码率。激光打印、原子钟和光纤传感等方面的应用，也要求偏振控制的输出光。如何使VCSEL得到偏振稳定的输出光成为一个重要的问题。
发明内容
本发明的目的在于利用微机械加工技术提供一种含有纳米光栅的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构的激光器，并提供其制备方法，该激光器可输出稳定的偏振状态的激光。
本发明采用以下技术方案实现：
设计桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，由包含纳米光栅在内的半导体光电子器件构成，其特征在于：纵向上依次层叠环形的第一正向电极层、DBR反射镜——分布反馈布拉格发射镜结构的反射面之一、腐蚀停层、空气隙层、环形的第二正向电极层、p型欧姆接触层、氧化电流限制层、有源区、DBR反射镜的反射面之二、衬底、衬底电极层。其中，所述纳米光栅位于DBR反射镜反射面之一的上表面，并位于第一正向电极层的环形结构中间，其周期结构尺寸等于或小于输出光的波长量级；所述DBR反射镜的反射面之一为可动悬臂梁结构。
所述纳米光栅采用的材料是铝砷化稼或砷化稼或绝缘介质材料。
所述可动悬臂梁结构为单悬臂梁结构或双悬臂梁结构或四悬臂梁结构。
所述DBR反射镜的反射面之一采用20对交替生长的砷化镓层和铝砷化镓层；所述DBR反射镜的反射面之二采用26对交替生长的n型铝砷化镓层和n型砷化镓层。
所述有源区为异质结量子阱结构。
所述有源区为多有源区带间量子级联结构
所述腐蚀停层材料为镓铟磷GaInP。
所述衬底的材料为n型掺杂砷化镓。
所述氧化电流限制层结构为铝砷化镓Al0.98Ga0.12As材料。
上述桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器之一可由下面方法制备：
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型铝砷化镓层与n型砷化镓层，3对Ga0.8In0.2As/GaAs量子阱结构有源区，氧化电流限制层Al0.98Ga0.02As层，p型欧姆接触层，
在p型欧姆接触层上制备牺牲层，牺牲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Al0.8Ga0.2As层得到，同时继续外延生长镓铟磷腐蚀停层和20对砷化镓层与铝砷化镓层构成DBR反射镜，完成整个桥式悬臂梁波长可调谐垂直腔面发射激光器器件结构；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将20对砷化镓层与铝砷化镓层DBR反射镜选择腐蚀到腐蚀停层，暴露并形成具有悬臂梁图形的结构；
步骤3、在步骤2的基础上，对包括腐蚀停层、牺牲层、p型欧姆接触层、氧化电流限制层在内的多层结构进行二次光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化电流限制层侧壁；
步骤4、利用高温氧化炉设备对器件氧化电流限制层进行横行氧化，形成注入电流限制孔径；
步骤5、选择纵向刻蚀腐蚀停层和牺牲层，暴露出p型欧姆接触层；
步骤6、在20对砷化镓层与铝砷化镓层DBR反射镜表面和p型欧姆接触层表面表面制备环形的TiAu欧姆接触电极得到第一正向电极层和第二正向电极层；
步骤7、在n-GaAs衬底表面制备AuGeNiAu欧姆接触电极得到衬底电极层，合金；
步骤8、利用电子束曝光技术，在环形的TiAu欧姆接触电极中间的悬臂桥表面砷化镓层上刻蚀出纳米光栅；
步骤9、横向选择腐蚀牺牲层，得到空气隙层和可动砷化镓层与铝砷化镓层DBR反射镜。
本发明的有益效果：由于采用含有纳米光栅的反射镜系统，使输出光波具有高正交偏振抑制比和边模抑制比；并且纳米光栅结构在静电力作用下可以动态调谐VCSEL纵向光腔长度，进而改变谐振腔的共振波长，使单个VCSEL芯片实现多个波长输出，大大扩展了VCSEL的物理功能和应用领域；纳米光栅结构还增加了VCSEL谐振腔腔长，而高阶横模传播中具有很大的发散角，与单横模相比，纳米光栅结构有效增加高阶横模的散射(即加大基模与高阶模的阈值差异)，使得VCSEL更易于实现动态单横模和单偏振输出。
附图说明
图1、桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射激光器的基础结构示意图；
图2、将图1结构进行光刻、腐蚀形式悬臂梁图形台面结构的示意图；
图3、将图2结构对腐蚀停层、欧姆接触层、氧化电流限制层、牺牲层进行光刻、腐蚀形成氧化台面结构的示意图；
图4、继图3结构将悬臂梁下面的原有腐蚀停层和牺牲层腐蚀去掉的结构示意图；
图5、继图4结构制备上电极后器件结构示意图；
图6、继图5结构将器件背面减薄，制备下电极的器件结构示意图；
图7、继图6结构制备出纳米光栅的器件结构示意图；
图8、继图7结构将牺牲层横向腐蚀，同时释放悬臂梁得到最终的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射激光器结构的示意图。
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：
本发明基于微机械加工技术，引入纳米光栅和牺牲层技术，制作桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射激光器器件，即采用微机械加工方法制备具有机械特性和表面纳米光栅的可动分布反馈布拉格反射镜，使其取代原有固定DBR结构反射镜。通过静电力操纵悬臂梁式可动DBR反射镜与有源区中心间的空气隙厚度，在反射镜与p型电极之间加上偏压后，在产生的静电力作用下使可动反射镜向下移动，使空气隙减小，谐振波长发生蓝移，关断电压后，在弹性恢复力的作用下，悬臂回到其原来的位置状态，通过不同的偏压使单个VCSEL芯片实现多个波长输出。
如图1所示，本实施例中的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射激光器结构，包括有依次纵向层叠的第一正向电极层1a、砷化镓层2a、铝砷化镓层2b、镓铟磷腐蚀停层4、第二正向电极层1b、p型欧姆接触5、铝砷化镓氧化电流限制层6、有源区7、n型铝砷化镓层8a、n型砷化镓层8b、n型砷化镓衬底10、衬底电极层11和空气隙层12。其中，砷化镓层2a与铝砷化镓层2b交替生长20对、n型铝砷化镓层8a与n型砷化镓层8b交替生长26对构成分布反馈布拉格发射镜结构DBR反射镜，并与空气隙层12构成悬臂桥，来实现具有可动机械特性的DBR反射镜；在悬臂桥表面还设置有纳米光栅15，其周期结构尺寸在波长或小于波长量级。
本实施例中的空气隙层(12)是利用牺牲层13形成的，牺牲层13采用具有高腐蚀选择比的半导体材料或易于刻蚀的有机材料，本实施例采用铝砷化稼Al0.8Ga0.2As。
本实施例中可动DBR反射镜为具有激光器发射波长的1/4厚度的两种材料成周期性排列所组成的结构，其中两种材料的组合可以是Si3N4/SiO2或者GaAs/AlGaAs材料，本实施例中采用GaAs/AlGaAs材料。
本发明中的有源区7可以是量子阱、异质结、也可以是多有源区带间量子级联结构。本实施例中采用量子阱结构。
下面结合图1-图8介绍实现基于砷化镓衬底的悬臂梁式可调谐垂直腔面发射激光器制备方法；
步骤1a、如图1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8a与n型砷化镓层8bDBR反射镜，3对Ga0.8In0.2As/GaAs量子阱结构有源区7，氧化电流限制层6Al0.98Ga0.02As层，p型欧姆接触层5。
步骤1b、牺牲层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Al0.8Ga0.2As层得到，同时继续外延生长镓铟磷腐蚀停层4和20对砷化镓层2a与铝砷化镓层2b DBR反射镜，完成整个桥式悬臂梁波长可调谐垂直腔面发射激光器器件结构；
步骤2、如图2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20对砷化镓层2a与铝砷化镓层2bDBR反射镜选择腐蚀到腐蚀停层4，形成具有悬臂梁图形的平面结构；
步骤3a、如图3所示，对包括腐蚀停层4、牺牲层13的结构进行二次光刻，利用盐酸∶水＝2∶1的腐蚀液和氨水∶双氧水＝45∶1的腐蚀液腐蚀牺牲层13、p型欧姆接触层5、氧化电流限制层6，形成台面结构，暴露出氧化电流限制层6侧壁；
步骤3b、利用高温420℃的氧化炉设备对器件氧化电流限制层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4所示，利用感应耦合等离子体刻蚀机，选择纵向刻蚀腐蚀停层4和牺牲层13，暴露出p型欧姆接触层5；
步骤5、如图5所示，在20对砷化镓层2a与铝砷化镓层2b DBR反射镜、p型欧姆接触层表面5表面分别制备环形的TiAu欧姆接触电极，形成第一正向电极层1a和第二正向电极层1b。
步骤6、如图6所示，在n-GaAs衬底10表面制备衬底电极层11AuGeNiAu欧姆接触电极，430℃、氮气环境下合金1分钟。
步骤7、如图7所示，利用电子束曝光系统在悬臂桥表面砷化镓层2之上，环形的TiAu欧姆接触电极之内，制备得到纳米量级的光栅，刻蚀得到表面纳米光栅结构纳米光栅15。
步骤8、如图8所示，横向选择腐蚀牺牲层，得到空气隙层12和可动砷化镓层2与铝砷化镓层2b DBR反射镜。
Claims (10)
1.桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，由包含纳米光栅(15)在内的半导体光电子器件构成，其特征在于：从上向下依次层叠环形的第一正向电极层(1a)、分布反馈布拉格反射镜的第一反射面(2)、腐蚀停层(4)、空气隙层(12)、环形的第二正向电极层(1b)、p型欧姆接触层(5)、氧化电流限制层(6)、有源区(7)、分布反馈布拉格反射镜的第二反射面(8)、衬底(10)、衬底电极层(11)，
所述纳米光栅(15)位于分布反馈布拉格反射镜的第一反射面(2)的上表面，并位于第一正向电极层(1a)的环形结构中间，其周期结构尺寸等于或小于输出光的波长量级；
所述分布反馈布拉格反射镜的第一反射面(2)为可动悬臂梁结构。
2.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述纳米光栅(15)采用的材料是铝砷化稼或砷化稼或绝缘介质材料。
3.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述可动悬臂梁结构为单悬臂梁结构或双悬臂梁结构或四悬臂梁结构。
4.如权利要求1或3所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述分布反馈布拉格反射镜的第一反射面(2)采用20对交替生长的砷化镓层(2a)和铝砷化镓层(2b)；所述分布反馈布拉格反射镜的第二反射面(8)采用26对交替生长的n型铝砷化镓层(8a)和n型砷化镓层(8b)。
5.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述有源区(7)为异质结量子阱结构。
6.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述有源区(7)为多有源区带间量子级联结构。
7.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述腐蚀停层(4)材料为镓铟磷GaInP。
8.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述衬底(10)的材料为n型掺杂砷化镓。
9.如权利要求1所述的桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器，其特征在于：所述氧化电流限制层(6)为铝砷化镓Al0.98Ga0.02As材料。
10.桥式-纳米光栅波长可调谐垂直腔面发射结构激光器的制备方法，其特征在于：
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(8a)与n型砷化镓层(8b)，3对Ga0.8In0.2As/GaAs量子阱结构有源区(7)，氧化电流限制层(6)Al0.98Ga0.02As层，p型欧姆接触层(5)，
在p型欧姆接触层(5)上制备牺牲层(13)，牺牲层(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Al0.8Ga0.2As层得到，同时继续外延生长镓铟磷腐蚀停层(4)和20对砷化镓层(2a)与铝砷化镓层(2b)构成DBR反射镜，完成整个桥式悬臂梁波长可调谐垂直腔面发射激光器器件结构；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法，将20对砷化镓层(2a)与铝砷化镓层(2b)分布反馈布拉格反射镜选择腐蚀到腐蚀停层(4)，暴露并形成具有悬臂梁图形的结构；
步骤3、在步骤2的基础上，对包括腐蚀停层(4)、牺牲层(13)、p型欧姆接触层(5)、氧化电流限制层(6)在内的多层结构进行二次光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化电流限制层(6)侧壁；
步骤4、利用高温氧化炉设备对器件氧化电流限制层(6)进行横向氧化，形成注入电流限制孔径；
步骤5、选择纵向刻蚀腐蚀停层(4)和牺牲层(13)，暴露出p型欧姆接触层(5)；
步骤6、在20对砷化镓层(2a)与铝砷化镓层(2b)分布反馈布拉格反射镜的表面和p型欧姆接触层(5)表面制备环形的TiAu欧姆接触电极得到第一正向电极层和第二正向电极层(1a和1b)；
步骤7、在n-GaAs衬底(10)表面制备衬底电极层(11)，该衬底电极层为AuGeNiAu欧姆接触电极；
步骤8、利用电子束曝光技术，在环形的TiAu欧姆接触电极(1a)中间的悬臂桥表面砷化镓层(2a)上刻蚀出纳米光栅(15)；
步骤9、横向选择腐蚀牺牲层(13)，得到空气隙层(12)和可动砷化镓层(2a)与铝砷化镓层(2b)分布反馈布拉格反射镜。
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