CN103414105A - 一种单横模偏振稳定的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单横模偏振稳定的垂直腔面发射激光器。一种单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器，包括下电极，衬底，下布拉格反射镜，相位匹配层，增益区，相位匹配层，电流限制层，电流限制孔，上布拉格反射镜，SiO2钝化层，上电极；其特征在于，电流限制孔为各向异性，在[011]、[0‐11]两晶向上的直径比值大于1.5，且最大直径小于4μm。通过控制电流限制孔尺寸控制器件单横模工作；由各向异性电流限制孔对不同偏振光散射损耗的差异实现对激光器输出光偏振态的调控。本发明可以在全电流范围内实现较高的边模抑制比和偏振抑制比，且所用工艺为传统垂直腔面发射激光器制作工艺，制作成本低，可操作性强，可重复性好。

Description

一种单横模偏振稳定的垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种制备单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法，具体地说是一种具有各向异性电流限制孔结构的单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器的制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器具有制作成本低、功率损耗低、易于二维集成、光束质量高、调制速率高等优点，广泛的应用在光通信、光存储等信息技术领域。
基于制造和可靠性方面的考虑，垂直腔面发射激光器通常为大氧化孔多横模工作，这使得器件发散角较大，不利于与光纤耦合，同时在光纤中传出存在模间色散，且相干性差。相比而言，单模垂直腔面发射激光器具有高相干性、高光纤耦合效率、低噪声和良好的射频线性度，这使得它在光电鼠标、激光打印、光互连、多模光纤短距离传输系统中有重要应用。
传统的垂直腔面发射激光器并没有偏振选择机制，这是由于垂直腔面发射激光器采用（100）面衬底生长的结晶结构和器件自身的对称性引起的。通常，垂直腔面发射激光器激射的激光是两束相互正交的线偏振光，对于沿（100）面衬底生长的器件，两偏振光偏振方向沿[011][0-11]，随着温度，注入电流等外部因素的变化，输出光偏振方向在两个偏振方向上随机跳变，在通信系统中会引起噪声和模式竞争，引起误码率的增加及传送带宽受限等问题。
在光纤通信、光互连、传感等一些新的应用领域中要求激光器单横模偏振稳定工作。因此，研究出制备工艺简单且单横模偏振稳定工作的垂直腔面发射激光器是半导体激光器领域的重要课题之一。目前实现制备单横模偏振稳定垂直腔面发射激光器的技术有光子晶体结构、表面浮雕光栅、椭圆形表面浮雕等，这些方法都需要增加额外的工艺步骤，制作成本高，工艺复杂。
发明内容
本发明的主要目的是提出的一种制备具有单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器结构，结构如图1所示，包括下电极，衬底，下布拉格反射镜，相位匹配层，增益区，相位匹配层，电流限制层，电流限制孔，上布拉格反射镜，SiO2钝化层，上电极；其特征在于，电流限制孔为各向异性，在[011]、[0-11]两晶向上的直径比值大于1.5，且最大直径小于4μm。
本发明中利用[011]、[0-11]晶向上原子排列差异引起的氧化速率不同这一规律，形成的各向异性电流限制孔，[0-11]晶向氧化速率大于[011]晶向，形成电流限制孔[011]晶向直径大于[0-11]晶向，这样打破了电场在两个偏振方向的对称，增加各向异性损耗，获得偏振稳定的激光输出；
本发明中各向异性电流限制孔在[011]、[0-11]两晶向上直径不同，其形状可以是菱形、椭圆形、长方形等；
本发明中通过控制各向异性电流限制层孔的尺寸来抑制高阶模的产生。根据垂直腔面发射激光器的折射率分布和圆柱形波导的单模条件计算得器件电流限制孔尺寸需小于4μm，此时高阶模被抑制，可获得单横模激光输出；
本发明中电流限制层可以是AlGaAs，也可以是AlGaInAs，AlInAs，AlGaInP等含Al材料，也可以采用其他不含Al的材料；可以采用湿氮氧化法制备工艺完成，也可以采用离子注入、腐蚀、刻蚀、扩散等工艺方法，实现电流限制层内电阻的不均匀，从而实现电流非对称注入；
本发明中衬底可以是GaAs，也可以是GaN、InP、Si、SOI等材料；
本发明中的有源区可以是量子阱结构，也可以是异质结等结构；
本发明中的布拉格反射镜可以是半导体材料的，也可以是介质材料；
本发明技术方案如下：
制作出器件台面，可采用湿法腐蚀、ICP刻蚀等工艺。
湿氮氧化对电流限制层进行氧化，或采用离子注入、腐蚀、刻蚀、扩散等工艺制作出各向异性电流限制孔，实现对电流和光的双重限制。
将各向异性电流限制孔7尺寸控制在4μm以内。
在外延片表面用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）淀积SiO2钝化层。
采用套刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉台面上中心处的SiO2材料，形成出光孔。
溅射金属膜10。
采用套刻和湿法腐蚀工艺，制作上电极。
减薄衬底后，溅射下电极1。
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单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器的方法，通过控制电流限制孔尺寸，抑制高阶模，实现器件单横模工作，根据各向异性的电流限制孔对不同偏振光的损耗不同，实现垂直腔面发射激光器的偏振调控。本发明提供的单横模偏振稳定的垂直腔面发射激光器可以实现较高的边模抑制比和偏振抑制比。图2、图3为根据本发明技术方案制备的垂直腔面发射激光器两偏振模式功率随注入电流的变化关系曲线和不同注入电流下光谱测试结果。从图2中可以看出，在全部注入电流范围内，电场沿[0-11]晶向振动的偏振光被抑制，偏振抑制比大于10dB；在图3的光谱图中，随注入电流的增加，激光器保持单横模输出，由于电流增加带来的热效应，激射波长将发生红移。激光器在全注入电流范围内保持单横模偏振稳定输出。
2、与光子晶体结构、表面浮雕光栅和椭圆形浮雕等单横模偏振稳定垂直腔面发射激光器相比，本发明采用传统的垂直腔面发射激光器加工工艺，工艺成熟，不增加额外工艺，制作成本低，可操作性强，可重复性好。
附图说明
图1是本发明提出的单横模偏振稳定垂直腔面发射激光器的结构示意图。
图2是本发明具体实施例制备的垂直腔面发射激光器两偏振模式功率随注入电流的变化关系曲线。在全部注入电流范围内，电场沿[0-11]晶向振动的偏振光被抑制，偏振抑制比大于10dB。
图3是根据本发明具体实施例制备的垂直腔面发射激光器不同注入电流下光谱测试结果。随注入电流的增加，激光器保持单横模输出，由于电流增加带来的热效应，激射波长将发生红移。
图4是本发明实施例工艺流程示意图。
图中：1、下电极，2、衬底，3、下布拉格反射镜，4、相位匹配层，5、增益区，6,、电流限制层，7、各向异性电流限制孔，8、上布拉格反射镜，9、SiO2钝化层，10、上电极。
具体实施例
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。
外延片衬底为n型GaAs材料，向上为36对Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0.1As下分布布拉格反射镜。再向上为有源区，由3个GaAs0.92P0.08(6nm)/Ga0.83In0.17As(4nm)应变量子阱和Al0.3Ga0.7As过渡层构成。上分布布拉格反射镜由24.5对Al0.9Ga0.1As/Al0.12Ga0.88As构成，在上布拉格反射镜与有源区之间有30nm的Al0.98Ga0.02As氧化限制层。最上方为5nm重掺杂GaAs层做为欧姆接触层，激射波长980nm。
图4为本发明实施例工艺流程示意图，其具体工艺步骤如下：
清洗外延片后在表面等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）生长200nmSiO2，并光刻出台面图形。
如图4(a)所示，用湿法腐蚀技术制作出器件台面，台面深度约4μm，至有源区以下，露出氧化限制层6，台面直径为60μm。
如图4(b)所示，湿氮氧化工艺对氧化限制层进行氧化，形成低折射率的氧化物实现对电流和光的双重限制。
湿法腐蚀和湿氮氧化的各向异性使得形成电流限制孔7为菱形，不同于传统垂直腔面发射激光器的圆形电流限制孔，菱形电流限制孔长轴为3μm，短轴为2μm。
如图4(c)所示，在外延片表面用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）淀积200nmSiO2材料，此绝缘层作为钝化层，可以避免金属膜和非欧姆接触层的直接接触，防止漏电。
如图4(c)所示，采用套刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉台面上中心处的SiO2材料，形成出光孔。
如图4(d)所示，溅射金属膜8，材料为Ti/Au，Ti厚度为15nm，主要为了提高金属层的粘附性，使金属层不易脱落，Au层厚度为300nm。
如图4(d)所示，采用套刻和湿法腐蚀工艺，腐蚀掉出光孔处Ti/Au，要求控制好腐蚀时间，将金属层腐蚀干净，避免漏电现象，同时也要避免腐蚀过度，破坏表面结构，保证出光孔有好的平整度。金属孔直径小于SiO2孔，以形成欧姆接触。
如图4(d)所示，减薄衬底使外延片厚度达到120-150μm，溅射Au/Ge/Ni/Au背面电极1。
以上所述，是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，根据本发明的技术实质对以上实施例做简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的权利要求保护范围内。

Claims (2)

1.一种单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器，包括下电极，衬底，下布拉格反射镜，相位匹配层，增益区，相位匹配层，电流限制层，电流限制孔，上布拉格反射镜，SiO2钝化层，上电极；其特征在于，电流限制孔为各向异性，在[011]、[0-11]两晶向上的直径比值大于1.5，且最大直径小于4μm。
2.如权利要求1所述的一种单横模偏振稳定输出的垂直腔面发射激光器，其特征在于，用湿氮氧化、离子注入、腐蚀、刻蚀或扩散工艺制作电流限制孔。
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