CN102801107B - 一种垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，垂直腔面发射激光器包括n面电极、GaAs衬底、缓冲层、n型DBR层、氧化限制层、有源区、钝化层、p型DBR层、欧姆接触层。本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法，通过把氧化限制层通过一定工艺来把圆形的氧化层氧化成非圆形，以此来打破电流的各向同性注入，通过引入各向异性的电流注入到有源区来实现两个相互正交的偏振光的偏振控制。另外，本发明的垂直腔面发射激光器结构制造工艺简捷、重复性好，容易推广。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电子学技术领域，具体涉及一种具有模式控制结构的，垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术

自从日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)于1977年提出垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)这一新型半导体激光器设计方案以来，经过三十余年的发展，VCSEL成为了独立于半导体边发射激光器(Edge Emitting Lasers,EEL)的一种实用化的半导体激光器件。目前，VCSEL已经广泛应用于光互连、光通信、激光显示、激光引信、芯片级原子钟以及光信号处理等许多领域。

EP-VECSEL的基本结构与普通VCSEL非常接近，区别仅在于外部光学元件的引入。研究者提出这一设计方案的最初目的就是为了提高VCSEL的单模功率，改善大口径VCSEL的光束质量。EP-VECSEL的研究工作始于1993年，Hadley等人使用了一种具有33对P-DBR及7对N-DBR的VCSEL结构，对应反射率分别为99.7%及86%。在低反射率DBR的一侧加上反射镜提供额外的反馈使器件激射，并通过控制反射镜的反射率、镜形及腔长来控制腔内模式的增益，最终研制出的EP-VECSEL口径为100μm，输出波长为980nm，在TEM00模式下连续及脉冲输出功率分别达到2.4mW及100mW。同年他们又研制出外腔结构与器件自成一体(或者也可以称为“单片集成”)的980nm EP-VECSEL，基模连续及脉冲输出功率分别为2mW及36.7mW。美国的Novalux公司于2003年报道了输出波长为980nm的单管EP-VECSEL器件，基横模连续输出功率达到0.5W，并通过腔内倍频实现了红、绿、蓝三基色基横模式输出。在此基础上，他们开发出具有不同集成度及不同输出功率水平的二维集成三基色EP-VECSEL面阵，以满足激光显示、生物医学研究等领域的应用需求。至此，EP-VECSEL已经从实验室走向实用化。在进行VECSEL腔内倍频实现蓝、绿光输出时，基频光偏振特性对倍频效率影响很大。

但是，由于VCSEL有着圆形有源区和较小的材料差异，其输出通常落在两个正交线性偏振光的某一方向，即x或y偏振模式。当注入电流或温度等条件变化时输出常伴随有偏振开关效应。光纤通信中，VECSEL复杂的偏振特性，将严重影响使用质量，探讨如何利用光反馈来控制VECSEL输出的偏振态也显得非常必要。

发明内容

本发明针对现有技术中的垂直腔面发射激光器具有偏振开关效应的缺点，提出一种可以稳定激光光束两个偏振方向，消除偏振开关效应的，具有模式控制结构的，垂直腔面发射激光器及其制作方法。

为实现上述目的，本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法的技术方案具体如下：

一种垂直腔面发射激光器，由上至下依次为：衬底、缓冲层、N型分布布拉格反射镜组、有源区、氧化限制层、P型分布布拉格反射镜组和欧姆接触层；

所述氧化限制层内的载流子注入孔径的形状为非圆形。

上述技术方案中，所述氧化限制层内的载流子注入孔径的形状为由圆形的上、下两端向内凹陷的非圆形形状。

上述技术方案中，所述有源区包括：空间层和激活区。

上述技术方案中，所述氧化限制层为AlAs层。

上述技术方案中，所述有源区、氧化限制层、P型分布布拉格反射镜组和欧姆接触层的外侧，均设有厚度为150~200nm的二氧化硅钝化层。

一种垂直腔面发射激光器的制作方法，该垂直腔面发射激光器的氧化限制层的形成包括以下步骤：

步骤i：通过光刻成形出圆形氧化限制层；

步骤ii：在所述圆形氧化限制层上方生长二氧化硅薄膜；然后光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜，露出所述圆形氧化限制层的部分区域；

步骤iii：对所述圆形氧化限制层进行侧氧化，由步骤ii中露出的所述圆形氧化限制层的部分区域向内凹陷的非圆形的载流子注入孔径；

步骤iv：去除掉步骤ii中形成的所述二氧化硅薄膜。

上述技术方案中，所述步骤ii中露出的所述圆形氧化限制层的部分区域为上、下两端部分区域。

上述技术方案中，在步骤i和步骤ii之间还设有步骤：

将所述圆形氧化限制层周围的区域腐蚀至有源区。

上述技术方案中，所述步骤iii中对所述圆形氧化限制层进行侧氧化的氧化深度为8~10μm。

上述技术方案中，所述步骤ii中，光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜后，余下的二氧化硅薄膜形成一个矩形二氧化硅保护层；

该矩形二氧化硅保护层的长度大于所述圆形氧化限制层的直径，宽度小于所述圆形氧化限制层的直径。

上述技术方案中，所述步骤ii中，在所述圆形氧化限制层上方生长二氧化硅薄膜的厚度为100~250nm。

本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法的有益效果是：

本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法，通过改变传统的环形的氧化限制层结构，把圆形的氧化层氧化成非圆形，改变电流的各向同性注入，使电流各向异性注入到有源区，进而实现两个相互正交的偏振光的偏振控制。这种电流注入的方式可以有效的消除各向同性电流注入带来的两个正交偏振光的因模式竞争而出现的偏振开关效应。

由于各向异性电流注入使得两个正交偏振光的增益各不相同，因而两个偏振光的阈值电流也有一定的差别，从而可以稳定两个偏振光避免出现交替增大的现象。

另外，本发明的垂直腔面发射激光器结构制造工艺简捷、重复性好，容易推广。

附图说明

图1为本发明的垂直腔面发射激光器一种具体实施方式的横截面图；

图2为图1所示具体实施方式的平面透射图；

图3为图1所示具体实施方式的非圆形载流子注入孔径的制作步骤示意图。

图中的附图标记表示为：

1-N面电极；2-衬底；3-缓冲层；4-N型分布布拉格反射镜组；5-氧化限制层；61、62-空间层；7-激活区；8-钝化层；9-P型分布布拉格反射镜组；10-欧姆接触层；11-载流子注入孔径；12-P面电极。

101-圆形氧化限制层；201-有源区；301-二氧化硅保护层；401-圆形氧化限制层101的上、下两端部分区域；501-非圆形的载流子注入孔径。

具体实施方式

本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法的发明思想为：

本发明的垂直腔面发射激光器，由上至下依次为：衬底、缓冲层、N型分布布拉格反射镜组、有源区、氧化限制层、P型分布布拉格反射镜组和欧姆接触层；所述氧化限制层内的载流子注入孔径的形状为非圆形。具体的说，所述氧化限制层内的载流子注入孔径的形状为由圆形的上、下两端向内凹陷的非圆形形状。

本发明的垂直腔面发射激光器的制作方法，该垂直腔面发射激光器的氧化限制层的形成包括以下步骤：

步骤i：通过光刻成形出圆形氧化限制层；

步骤ii：在所述圆形氧化限制层上方生长二氧化硅薄膜；然后光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜，露出所述圆形氧化限制层的部分区域；

步骤iii：对所述圆形氧化限制层进行侧氧化，由步骤ii中露出的所述圆形氧化限制层的部分区域向内凹陷的非圆形的载流子注入孔径；

步骤iv：去除掉步骤ii中形成的所述二氧化硅薄膜。

由上述内容可知，本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法，通过改变传统的环形的氧化限制层结构，把圆形的氧化层氧化成非圆形，改变电流的各向同性注入，使电流各向异性注入到有源区，进而实现两个相互正交的偏振光的偏振控制。这种电流注入的方式可以有效的消除各向同性电流注入带来的两个正交偏振光的因模式竞争而出现的偏振开关效应。由于各向异性电流注入使得两个正交偏振光的阈值增益各不相同，因而两个偏振光的阈值电流也有一定的差别，从而可以稳定两个偏振光避免出现交替增大的现象。

以下结合附图对本发明的垂直腔面发射激光器及其制作方法的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1至3显示了本发明的垂直腔面发射激光器的一种具体实施方式。

VECSEL最大的特点是谐振腔是由外延生长形成，与器件的有源区自成一体，如图1和2所示，本发明的垂直腔面发射激光器的器件结构主体VCSEL部分是由MOCVD一次生长而成，具体的生长顺序为：

在衬底2上首先生长一层GaAs的缓冲层3，目的是整个结构能够更紧凑更坚固的生长在衬底2上。

在缓冲层3上生长N型分布布拉格反射镜组4，生长方式为高低折射率交替生长，目的是通过高低折射率的突变提供比较高的反射率，掺杂方式为渐变调制掺杂，此方式掺杂的目的是尽量减小高低折射率层的能带的突变以减小串联电阻为目的。

在N型分布布拉格反射镜组4上面生长一层空间层61，其目的为收容载流子和与有源区构成一个光学波长长度的腔长。在空间层61上生长三个量子阱层，阱层和垒层交替生长，并使其位置处于光学驻波的波峰上以提供最大的增益，这里我们让其处于光学腔的中心。在有源区7上面生长一层与所述空间层61对称的空间层62，其目的与上面的空间层61相同。

然后生长一层氧化限制层5，目的是通过侧氧化提供载流子注入孔径和限制光波导的作用。

再然后，在氧化限制层5上继续生长P型分布布拉格反射镜组9，生长方式与掺杂方式与N型分布布拉格反射镜组4相同。P型分布布拉格反射镜组9与N型分布布拉格反射镜4组构成激光器的谐振腔的两个高反射镜。

再然后是欧姆接触层10的生长，目的与P面电极12接触形成欧姆接触，以提供载流子的注入通道。

再然后，生长SiO₂做钝化层8防止电流的泄露。这里由于我们的N型分布布拉格反射镜组4只有二十对腐蚀深度不是太深，因此我们生长150~200nmSiO₂，太厚的SiO₂应力会非常大合金时很容易因为温度的剧变而断裂。

再然后，光刻腐蚀掉窗口的SiO₂，生长TiAu材料作为P面电极12。

再然后，在P面电极12上光刻出光窗口，采用的光刻板为12μm。

最后，在N面生长生长AuGeNi形成N面电极1，厚度控制在1μm左右。

本发明的垂直腔面发射激光器中，AlAs氧化限制层5的形成过程如图3所示，包括步骤100-500，具体步骤为：

步骤100，将生长完AlAs层的晶片通过微波等离子清洗机处理表面。

步骤200，进行光刻，光刻版为20μm口径的光刻版，周期为300μm。光刻用胶AZ1518做掩膜腐蚀台面，边腐蚀边用台阶仪测量厚度，腐蚀深度在过有源区和没过有源区输出特性不一样，腐蚀深度过有源区的器件结构有个更稳定的输出特性和更好的光束质量，因此这里腐蚀深度一定要过有源区。从图3中的步骤200示意图，我们可以看到一层露出在AlAs圆形氧化限制层101外围下方的环形的有源区201。

步骤300，在圆形氧化限制层101上方生长二氧化硅薄膜，其厚度为100~250nm。光刻所述二氧化硅薄膜，对应的光刻板为30*60μm，形成一个矩形二氧化硅保护层301，露出的圆形氧化限制层101的上、下两端部分区域401。

步骤400，在410℃的水蒸气和在N₂的保护下进行侧氧化，将露出的圆形氧化限制层101的上、下两端部分区域401的AlAs氧化为Al₂O₃。侧氧化时间不宜过长，氧化深度为8~10μm。

步骤500，去除掉矩形的二氧化硅保护层301，在AlAs圆形氧化限制层101内得到一个上、下两端向内凹陷的非圆形的载流子注入孔径501。

为了研究非圆形氧化光栅引起的电流分布的不均匀性，通过多物理场有限元分析软件（comsol multiphysic）进行模拟分析电流密度分布。通过模拟可以得到环形氧化孔径的电流分布等电流密度线，非圆形氧化孔径的电流分布的等电流密度线，从同种可以清楚的看到环形氧化孔径的等电流密度线为一圈圈非常规则的圆形，电流分布在有源区没有任何区别，这种各向同性的电流注入方式必然会引起两偏振模式之间的模式竞争。可以看出圆形的有源区上的电流密度分布没有一定的规则，从而打破了电流注入各向同性的缺点，使得电流注入各向异性，从而引入双折射效应。这在原理上来讲，会使得两个偏振方向的增益各向异性，结果也必然会是其中一个偏振光占主导地位。从而达到偏振稳定的目的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器的结构由上至下依次为：衬底、缓冲层、N型分布布拉格反射镜组、有源区、氧化限制层、P型分布布拉格反射镜组和欧姆接触层；所述氧化限制层内的载流子注入孔径的形状为由圆形的上、下两端向内凹陷的非圆形形状；

该垂直腔面发射激光器的氧化限制层的形成包括以下步骤：

步骤i：通过光刻成形出圆形氧化限制层；

步骤ii：在所述圆形氧化限制层上方生长二氧化硅薄膜；然后光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜，露出所述圆形氧化限制层的部分区域；所述圆形氧化限制层的部分区域为上、下两端部分区域；

步骤iii：对所述圆形氧化限制层进行侧氧化，由步骤ii中露出的所述圆形氧化限制层的部分区域向内凹陷的非圆形的载流子注入孔径；

步骤iv：去除掉步骤ii中形成的所述二氧化硅薄膜。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在步骤i和步骤ii之间还设有步骤：

将所述圆形氧化限制层周围的区域腐蚀至有源区。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤iii中对所述圆形氧化限制层进行侧氧化的氧化深度为8～10μm。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤ii中，光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜后，余下的二氧化硅薄膜形成一个矩形二氧化硅保护层；

该矩形二氧化硅保护层的长度大于所述圆形氧化限制层的直径，宽度小于所述圆形氧化限制层的直径。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤ii中，在所述圆形氧化限制层上方生长二氧化硅薄膜的厚度为100～250nm。

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