CN108988123A - 基于超表面的单片集成面发射半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面微纳结构的单片集成面发射半导体激光器，将超表面微纳结构与半导体激光器有源介质相结合，当有源区有源物质发光时能够激发介质超表面内部谐振单元的集群性相干振荡，这种局域振荡具有高的光场束缚能力，能为有源层提供正反馈实现激射。同时通过对超表面微纳的结构进行优化设计，可以控制出射光束的远场分布特征，如方向角度、相位、偏振、模式等。该激光器结构包括衬底、低折射率层、有源层和超表面微纳结构，其制备方法包括光场限制层、增益介质及基于超表面结构的设计与制备。通过本发明能够将光场强烈局域在近场，通过结构单元的排布方式等调控其远场分布，并可以直接调控光场。

Description

基于超表面的单片集成面发射半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，更具体地，涉及一种基于超表面微结构的单片集成垂直面发射半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器工作波长范围宽、体积小、加工制备工艺成熟、器件性能稳定、应用场合多样、价格低廉，广泛应用于光通信、光盘、激光打印、激光扫描等领域，具有庞大的应用需求。并且，可以通过简单的电极结构，用电注入的方式来泵浦发光，电注入工作电压和电流与集成电路兼容，可以与电学器件和系统进行单片集成。其调制速率可以达到GHz量级，在光电通信系统中广泛应用。因此，半导体激光器是光电子集成、光通信、传感等领域的核心器件，如果能够对其出射光束进行特定的调控，如产生特定偏振、特定光场图案、矢量光束等等，将极大地扩展其在相关领域的应用。

超表面(metasurface)是由具有特殊电磁特性的由一系列亚波长谐振单元组成的人工二维结构，能在远小于波长尺度范围内有效地限制光场、调控光束的振幅、相位、偏振等特性，具有强大的光场操控能力。基于介质超表面的聚焦透镜、全息透镜、倍频产生等已经得到了广泛的研究和应用。相比于三维结构的超材料，二维结构的超表面加工工艺更加简单，有利于其大规模应用。

然而，传统的面发射半导体激光器，如垂直腔面发射激光器(Vertical CavitySurface-Emitting Laser，VCSEL)需要生长上、下分布式布拉格反射镜(DistributedBragg Reflection，DBR)层，制备工艺复杂，激射阈值大，并且出射光束形态单一。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超表面的单片集成面发射半导体激光器及其制备方法，由此解决传统的面发射半导体激光器(如垂直腔面发射激光器)需要生长上、下分布式布拉格反射镜层而存在的制备工艺复杂，激射阈值大，并且出射光束形态单一的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超表面的单片集成面发射半导体激光器，包括：衬底、位于所述衬底上方的光场限制层、位于所述光场限制层上的有源层及与所述有源层结合的超表面微结构；

其中，所述超表面微结构为亚波长周期性结构，所述超表面微结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成。

优选地，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面微结构反射一个或多个波长，从而实现面发射激光器单或多波长激光的可控输出。

优选地，在工作时，所述有源层介质发光时能够激发所述超表面微结构内部光场的集群性相干振荡，所述内部光场的局域振荡具有高的光场束缚能力，能为所述有源层提供正反馈实现激射，同时通过改变所述超表面微结构中的微纳图形的尺寸和周期排布，能够控制出射光束的远场分布特征。

优选地，所述超表面微结构被布置在所述有源层中，以直接调控光场特性，或者，所述超表面微结构被布置在所述有源层的上方或下方，以利用倏逝场实现对光场的操控。

优选地，所述光场限制层的折射率低于所述有源层的折射率。

优选地，所述有源层的发光波段与所述衬底的吸收谱及所述光场限制层的吸收谱无交叠。

优选地，所述微纳图形阵列中的微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。

优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于超表面的单片集成面发射半导体激光器的制作方法，包括：

清洗衬底后，在衬底上外延生长光场限制层和有源层后，生长刻蚀硬掩模；

沉积目标材料层，并在所述目标材料层上旋涂得到光刻胶层；

在所述光刻胶层上形成超表面结构图案，并将所述超表面结构图案转移到所述刻蚀硬掩模上，经去胶处理之后，再进一步将所述超表面结构图案转移到所述有源层，最终形成超表面微结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、超表面微结构结构紧凑，加工工艺简单，有利于简化面发射半导体激光器制备工艺，提升产品良率与可靠性；

2、基于高谐振Q值的超表面微结构，使得光场被强烈限制在亚波长尺度下，能够有效降低激光器的激射阈值，从而拓展其应用范围，尤其在光电子集成领域，提升了其余电学元件和系统的兼容性；

3、超表面微结构能够有效地调控出射光束的特性，产生带有特殊形态的激光光束，如径向偏振、特定相位分布、矢量光束产生等等，可广泛应用于光纤通信、激光扫描、激光成像等领域。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于超表面微结构的单片集成面发射半导体激光器的结构示意图；

图2(a)为本发明实施例提供的一种亚波长周期性小孔阵列超表面微纳结构；图2(b)为其中谐振场的分布特征图；

图3(a)为本发明实施例提供的一种GaAs基激光器材料的外延生长；图3(b)为超表面微纳结构的制备；图3(c)为湿法氧化光场限制层；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-衬底，2-光场限制层，3-有源层，4-超表面微纳结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对传统半导体激光器出射光束形态单一，需要特定的激射阈值等等问题，本发明提出了一种将半导体激光器有源层结构制作成超表面结构，利用谐振超表面既能够将光场局域在亚波长尺度并增强，平面亚波长结构，并且能够有效地调控远场辐射特性，如幅度、相位、偏振、矢量光束产生等。

本发明中提到的超表面结构，是一种高Q值谐振型超表面，能够将光场强烈限制在亚波长的尺寸范围内，同时由于可以人为地调控各个谐振单元本身及其排布，能够有效地调控远场辐射特性。

本发明将超表面的诸多优势与半导体激光器相结合，谐振超表面能够将光场有效限制在亚波长尺度内，能够有效降低激光器的激射阈值，结合处于粒子数反转状态的有源区提供的受激辐射光放大，实现激射；超表面本身二维平面型结构，制备在激光器有源区或者有源区上方或下方的倏逝场处，能够有效压缩器件尺寸；人为调控谐振单元的特征，以及谐振单元之间的排布，能有效调控激射光束的方向角度、相位、偏振、模式等特性，实现这种单片集成的垂直发射半导体激光器。

本发明中的超表面结构是基于面内耦合单元之间的相干共振，是一种高谐振Q值的超表面，其能够将光场强烈局域在近场，又能通过结构单元的排布方式等调控其远场分布；其次，超表面结构直接处在光场区，例如处在高折射率有源区或者有源区上、下的倏逝场区域，可以直接调控光场。

图1所示为本发明实施例提供的一种基于超表面微结构的单片集成面发射半导体激光器的结构示意图，包括：衬底1、位于衬底1上方的光场限制层2、位于光场限制层2上的有源层3及与有源层3结合的超表面微结构4；

其中，超表面微结构为亚波长周期性结构，超表面微结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成，通过调控微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现超表面微结构反射一个或多个波长，从而实现面发射激光器单或多波长激光的可控输出。

其工作原理是：有源层介质发光时能够激发超表面微结构内部微纳图形阵列的集群性相干振荡，这种局域振荡具有高的光场束缚能力，能为有源层提供正反馈实现激射。同时通过改变超表面微结构中的微纳图形的尺寸和周期排布，可以控制出射光束的远场分布特征，如方向角度、相位、偏振、模式等。

这种超表面微结构由亚波长的微纳图形阵列排布构成，微纳图形阵列本身支持的特定的谐振模式，而微纳图形阵列之间的相互作用所形成的群体性振荡能够进一步提高谐振模式的品质因子，微纳图形阵列之间的特殊排布方式能够进一步调控出射光束的远场特征。与传统谐振腔型激光器相比，这种超表面谐振结构在增大结构面积的同时能够避免引入新的不需要的光学模式；超表面谐振结构中谐振模式的场分布集中分布在面内，在垂直于面方向限制在亚波长的尺度范围内，这种横向的面内振荡形式区别于传统谐振腔中谐振模式的纵向分布的谐振模式。超表面微结构的谐振特性，有益于实现超紧凑、大功率、单一波长出射、出射光束形态可调控的面发射激光器。

超表面微纳结构由亚波长的微纳图形阵列排布构成，结构单元本身支持的谐振模式，以及结构之间的相干振荡，使得光场能够被强烈限制在超表面平面内、纵向亚波长的尺度范围内。同时，结构单元的特殊排布形式，能够有效控制出射光束的远场特征。如图2(a)所示，为亚波长周期性小孔阵列超表面微纳结构，其结构单元为非对称的孔结构。如图2(b)所示，微纳图形阵列之间形成强度相近的反向的偶极振荡模式，能够有效地在远场干涉相消，从而将光场强烈地限制在超表面面内振荡，在垂直于面方向限制在亚波长的尺度范围内。这种横向的面内振荡的场分布特征，区别于传统的谐振腔的场分布特征。同时，在增加超表面结构面积时，不会引入新的不需要的谐振模式，而传统激光器腔结构在谐振腔长度或体积增大时，会引入新的模式以及频率特性的变化。

在一个可选的实施方式中，超表面微结构既可以被布置在激光器有源层，直接调控光场特性，也可以被布置在有源区上方或下方，利用倏逝场实现对光场的操控，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，衬底用于为后续薄膜材料及器件提供机械支撑，可以采用GaAs衬底、InP衬底、GaN衬底、Si衬底等，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，光场限制层的折射率低于有源层的折射率。

在一个可选的实施方式中，有源层的发光波段与衬底的吸收谱及光场限制层的吸收谱无交叠。

在一个可选的实施方式中，微纳图形阵列可以是任意形式，甚至是准周期性结构，可以为四方晶格，六方晶格或者准晶格等，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，微纳图形可以是任意谐振结构，其形貌可以纳米孔，纳米柱，纳米小球，纳米环或纳米棒中的一种或者几种混合组成，本发明实施例不做唯一性限定。

本发明实施例还提供了一种基于超表面的单片集成面发射半导体激光器的制作方法，包括：

清洗衬底后，在衬底上外延生长光场限制层和有源层后，生长刻蚀硬掩模；

沉积目标材料层，并在目标材料层上旋涂得到光刻胶层；

在光刻胶层上形成超表面结构图案，并将超表面结构图案转移到刻蚀硬掩模上，经去胶处理之后，再进一步将超表面结构图案转移到有源层，最终形成超表面微结构。

在一个可选的实施方式中，光场限制层，要求其折射率低于有源层，能够将光场有效限制在有源层区域。例如可以选高Al组分AlGaAs薄膜材作为光场限制层，其经过湿法氧化工艺之后形成低折射率(约为1.6)的AlGaO材料。其制备方法可使用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)、分子束磊晶技术(Molecular Beam Epitaxy，MBE)、有机金属气相磊晶法(Metal-Organic Vapor PhaseEpitaxy，MOVPE)、液相外延技术(Liquid Pphase Epitaxy，LPE)、化学束外延生长(Chemical Beam Epitaxy，CBE)、电子束蒸镀(Electron Beam Evaporation，EBE)等生长技术进行制备。

在一个可选的实施方式中，有源层，折射率高于光场限制层；其发光波段与衬底、光场限制层的吸收谱无交叠；能够提供激光器激射所需的光增益。例如可以为层GaAs/InAs量子点的结构。其制备方法可使用MOCVD、MBE、MOVPE、LPE、CBE等生长技术进行制备。

在一个可选的实施方式中，超表面微结构，可通过等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)、低压力化学气相沉积法(LowPressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或CBE等技术进行相关材料层的生长和制备，然后通过电子束光刻、紫外光刻或聚焦离子束等光刻技术完成曝光，显影、定影后使用感应耦合等离子体刻蚀工艺(Inductively Coupled Plasma，ICP)、反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等刻蚀技术完成刻蚀。

在本发明实施例中，上述基于超表面的单片集成面发射半导体激光器的制作方法，仅作为实现该激光器的一种参考性制作方法，并不用于特别的限定和约束其他可行性的制作方法。

下面以具体实例的方式介绍一下本发明的具体制备流程：

(1)如图3(a)所示，经过标准清洗工艺的GaAs衬底，放入MOCVD腔体进行外延生长，生长的结构从下至上分别是GaAs1衬底和GaAs缓冲层；高Al组分AlGaAs层2；多层GaAs/InAs量子点有源层和GaAs帽层3。GaAs衬底为500微米厚的N型半绝缘衬底；GaAs缓冲层为300nm；高Al组分AlGaAs层厚度1000nm，Al组分占比为0.9，即Al_0.9Ga_0.1As；多层GaAs/InAs量子点有源层具体结构为：{GaAs(40-x)nm/InAs/InGaAs QD xnm}×4，其中x为量子点有源区实际厚度；帽层GaAs 40nm。

(2)如图3(b)所示，超表面微纳结构制备。首先生长刻蚀硬掩模。由于普通电子束光刻胶(如ZEP520A、PMMA)对于刻蚀GaAs基材料的选择比不够高，需要首先在外延片上生长刻蚀硬掩模，此处选择生长100nm厚的SiO₂作为刻蚀硬掩模。生长设备为PECVD。经电子束曝光(Electron Beam Lithography，EBL)工艺，将超表面图形写入光刻胶。经过显影、定影工艺之后，利用感应耦合等离子体刻蚀工艺ICP，将光刻胶上的超表面图案刻蚀转移到SiO₂刻蚀硬掩模上，经去胶处理之后，再进一步将图案转移到超表面有源层，超表面图案需要刻蚀穿透有源层，最后利用ICP去除刻蚀残留的SiO₂掩模。最终形成的超表面微纳结构如图示中4所示。

(4)如图3(c)所示为湿法氧化工艺，将光场限制层的高Al组分AlGaAs层氧化成低折射率的AlGaO层(折射率约为1.6)。湿法氧化工艺利用水蒸气发生器和高温管式炉，将样品放置在管式炉内部加热至420℃之后，用高纯氮气将水蒸发发生器产生的水蒸气引入管式炉，氮气流量选择为8L/min，控制氧化时间，观察到图形边沿侧向氧化约5微米，停止氧化并降温。形成的低折射率AlGaO层为图中5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超表面的单片集成面发射半导体激光器，其特征在于，包括：衬底、位于所述衬底上方的光场限制层、位于所述光场限制层上的有源层及与所述有源层结合的超表面微结构；

其中，所述超表面微结构为亚波长周期性结构，所述超表面微结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，通过一个或拼接多个微纳图形阵列实现所述超表面微结构反射一个或多个波长，从而实现面发射激光器单或多波长激光的可控输出。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，在工作时，所述有源层介质发光时能够激发所述超表面微结构内部光场的集群性相干振荡，所述内部光场的局域振荡具有高的光场束缚能力，能为所述有源层提供正反馈实现激射，同时通过改变所述超表面微结构中的微纳图形的尺寸和周期排布，能够控制出射光束的远场分布特征。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的激光器，其特征在于，所述超表面微结构被布置在所述有源层中，以直接调控光场特性，或者，所述超表面微结构被布置在所述有源层的上方或下方，以利用倏逝场实现对光场的操控。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光场限制层的折射率低于所述有源层的折射率。

6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，所述有源层的发光波段与所述衬底的吸收谱及所述光场限制层的吸收谱无交叠。

7.根据权利要求4所述的激光器，其特征在于，所述微纳图形阵列中的微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。

9.一种基于超表面的单片集成面发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括：

清洗衬底后，在衬底上外延生长光场限制层和有源层后，生长刻蚀硬掩模；

沉积目标材料层，并在所述目标材料层上旋涂得到光刻胶层；

在所述光刻胶层上形成超表面结构图案，并将所述超表面结构图案转移到所述刻蚀硬掩模上，经去胶处理之后，再进一步将所述超表面结构图案转移到所述有源层，最终形成超表面微结构。