CN110658576A - 一种亚波长光栅及其制备方法 - Google Patents

一种亚波长光栅及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于光栅技术领域，特别是涉及一种亚波长光栅及其制备方法。目前用于VCSEL的HCG，其材料通常采用Si/SiO2等材料，可以在提供高反射率的同时达到很大的带宽，但因与广泛使用的GaAs基VCSEL的材料体系不同，需要额外通过PECVD等其他方式进行Si/SiO2等薄膜的制备，且存在由于不同材料体系之间热膨胀系数的差异大而导致材料之间的应力问题以及薄膜的牢固度问题，影响器件的稳定性。本申请提供了一种亚波长光栅，包括依次设置的低折射率亚层、应力缓冲层和高折射率亚波长光栅层。应力缓冲层可有效改善氧化过程产生的收缩应力，这些对提高HCG长期工作的稳定性具有重要意义。

Description

一种亚波长光栅及其制备方法
技术领域
本申请属于光栅技术领域，特别是涉及一种亚波长光栅及其制备方法。
背景技术
近年来，随着微加工技术和理论研究的发展，亚波长光栅越来越受到人们的关注。亚波长光栅是一种浮雕结构的光栅，光栅周期小于入射波长，只存在零级衍射波，高阶衍射波均为消逝波。它是衍射光学器件中的一个重要研究方向，并且作为光学衍射元件得到了广泛的应用，尤其是在垂直腔面发射激光器(VCSEL)上表现出非常好的应用前景。目前高折射率对比度亚波长光栅(High～refractive～index Contrast Grating，HCG)，它的突出特点是高折射率光栅层条纹完全被低折射率介质(通常为空气或者二氧化硅)包围，形成大的折射率差，通过调节光栅的材料、厚度、占空比和光栅周期等参数，可以使入射光投射到光栅上的反射率达到几乎为1，同时具有宽的反射带，可以满足VCSEL高反射谐振腔镜的要求。HCG可以用于替代VCSEL表面的p型DBR，达到减小由多层DBR引起的串联电阻高和吸收损耗大的目的，同时能够提高激光的输出质量，改善VCSEL的偏振特性，满足器件小型化的发展需求。
目前用于VCSEL的HCG，其材料通常采用Si/SiO2等材料，可以在提供高反射率的同时达到很大的带宽，但因与广泛使用的GaAs基VCSEL的材料体系不同，需要额外通过PECVD等其他方式进行Si/SiO2等薄膜的制备，且存在由于不同材料体系之间热膨胀系数的差异大而导致材料之间的应力问题以及薄膜的牢固度问题，影响器件的稳定性。
申请内容
1.要解决的技术问题
目前用于VCSEL的HCG，其材料通常采用Si/SiO2等材料，可以在提供高反射率的同时达到很大的带宽，但因与广泛使用的GaAs基VCSEL的材料体系不同，需要额外通过PECVD等其他方式进行Si/SiO2等薄膜的制备，且存在由于不同材料体系之间热膨胀系数的差异大而导致材料之间的应力问题以及薄膜的牢固度问题，影响器件的稳定性，本申请提供了一种亚波长光栅及其制备方法。
2.技术方案
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种亚波长光栅，包括依次设置的低折射率亚层、应力缓冲层和高折射率亚波长光栅层。
本申请提供的另一种实施方式为：所述低折射率亚层、所述应力缓冲层和所述高折射率亚波长光栅层自下而上依次排列。
本申请提供的另一种实施方式为：所述应力缓冲层与所述高折射率亚波长光栅层材料相同。
进一步地，所述应力缓冲层与所述高折射率亚波长光栅层均为GaAs材料。
本申请提供的另一种实施方式为：所述亚波长光栅为高折射率对比度亚波长光栅。
本申请还提供一种亚波长光栅制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在GaAs基底上依次生长高折射率材料I和高折射率材料II；
步骤2：在高折射率材料II表面进行刻蚀，使刻蚀槽的侧壁刚好完全暴露出高折射率材料I；
步骤3：待所述高折射率材料I完全暴露出来后，进行氧化，形成高折射率对比度亚波长光栅的低折射率亚层；
步骤4：在步骤2刻蚀后形成的台面表层的高折射率材料II上进行浅刻蚀，形成应力缓冲层和高折射率亚波长光栅层。
本申请提供的另一种实施方式为：所述折射率亚层、所述应力缓冲层和所述高折射率亚波长光栅层均由分子束外延生长或金属有机化学气相沉积经过一次外延生长完成。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤2中刻蚀包括光刻和化学腐蚀。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤3中高折射率材料I完全氧化后，形成所述低折射率亚层。
本申请提供的另一种实施方式为：所述步骤4的浅刻蚀包括电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀。
本申请提供的另一种实施方式为：所述低折射率亚层由富Al的AlGaAs或AlAs高折射率材料经氧化工艺形成。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种亚波长光栅及其制备方法的有益效果在于：
本申请提供的亚波长光栅，通过替代GaAs基VCSEL中的P型分布式布拉格反射镜，提供高反射率、宽带宽、良好的偏振选择性，并降低器件的串联电阻和功耗，改善器件光电特性。
本申请提供的高折射率对比度亚波长光栅反射镜只需外延生长两层高折射率材料膜层便可替代VCSEL中约100层左右的P型DBR，且厚度只为400～600nm，这使得器件上反射镜的纵向尺寸明显减小，有利于器件小型化。
本申请提供的高折射率对比度亚波长光栅具有与VCSEL相同的材料体系，可大大减弱因不同材料体系所产生的应力问题。
本申请提供的高折射率对比度亚波长光栅中的应力缓冲层可有效改善氧化过程产生的收缩应力，这些对提高HCG长期工作的稳定性具有重要意义。
采用本申请提供的高折射率对比度亚波长光栅，通过一次外延生长即可完成集成HCG的VCSEL外延片的制作，即提高了高对比度亚波长光栅膜厚的制作精度，又大大降低了器件的制作难度和成本。
附图说明
图1是本申请的一种亚波长光栅结构示意图；
图2是本申请的亚波长光栅外延结构示意图；
图3是本申请的TM偏振的亚波长光栅的反射特性图谱；
图4是本申请的TM偏振的亚波长光栅的反射率大于99％的反射特性图谱；
图5是本申请的TM偏振的亚波长光栅的反射率大于99.9％的反射特性图谱；
图中：1-低折射率亚层、2-应力缓冲层、3-高折射率亚波长光栅层、4-GaAs基底、5-高折射率材料层I、6-高折射率材料层II。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
PECVD：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
TM模(TM mode)是指在波导中，磁场的纵向分量为零，而电场的纵向分量不为零的传播模式。
TM模在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。在平面光波导(封闭腔结构)中，电磁场分量有Hy，Ex，Ez，传播方向为z方向。
参见图1～5，本申请提供一种亚波长光栅，包括依次设置的低折射率亚层1、应力缓冲层2和高折射率亚波长光栅层3。
进一步地，所述低折射率亚层1、所述应力缓冲层2和所述高折射率亚波长光栅层3自下而上依次排列。
进一步地，所述应力缓冲层2与所述高折射率亚波长光栅层3材料相同。
进一步地，所述应力缓冲层与所述高折射率亚波长光栅层均为GaAs材料。
进一步地，所述亚波长光栅为高折射率对比度亚波长光栅。
本申请还提供一种亚波长光栅制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在GaAs基底4上依次生长高折射率材料I5和高折射率材料II6；
步骤2：在高折射率材料II表面进行刻蚀，使刻蚀槽的侧壁刚好完全暴露出高折射率材料I5；
步骤3：待所述高折射率材料I5完全暴露出来后，进行氧化，形成高折射率对比度亚波长光栅的低折射率亚层1；
步骤4：在步骤2刻蚀后形成的台面表层的高折射率材料II6上进行浅刻蚀，形成应力缓冲层2和高折射率亚波长光栅层3。
进一步地，所述低折射率亚层1、所述应力缓冲层2和所述高折射率亚波长光栅层3均由分子束外延生长或金属有机化学气相沉积经过一次外延生长完成。
进一步地，所述步骤2中刻蚀包括光刻和化学腐蚀。
进一步地，所述步骤3中高折射率材料I5完全氧化后，形成所述低折射率亚层1。
进一步地，所述步骤4的浅刻蚀包括电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀。
进一步地，所述低折射率亚层1由富Al的AlGaAs或AlAs高折射率材料经氧化工艺形成。
在本申请中，低折射率亚层1与应力缓冲层2、高折射率亚波长光栅层3构成一种高折射率对比度亚波长光栅，作为VCSEL谐振腔的上反射镜，也就是所说的具有与GaAs基VCSEL同材料体系的高折射率对比度亚波长光栅反射镜，相比于VCSEL中的P型DBR结构，具有更高的反射率以及更宽的反射带宽。所述的HCG具有高衍射反射作用，在实现腔内谐振的同时输出强偏振光。
本申请中的具有与GaAs基VCSEL同材料体系的高折射率对比度亚波长光栅反射镜只需2个膜层便可替代P型DBR，厚度为400～600nm，是原来P型DBR厚度的1/5左右，这使得器件上反射镜的纵向尺寸明显减小，而且两层生长简单，仅需整体VCSEL一次外延生长即可，膜层材料普遍易得，降低了器件的制作成本和难度，制作质量容易得到保证，有利于器件小型化以及长期工作的稳定性。
本申请中的应力缓冲层2，与高折射率光栅层3为同质材料，它的存在既缓解了氧化过程中由于低折射率亚层收缩导致的应力释放以及应力对器件稳定性的影响，同时可以调整高反射带宽，通过合理设置其值，高反射带宽可明显提高。
本申请中的低折射率亚层3的存在明显扩宽了高反射率带宽，且其厚度的变化对偏振性有着不容忽视的作用，通过合理设置其厚度，可提高反射镜的偏振选择性。
实施例
本申请适用于所有GaAs基VCSEL，以波长为850nm为例，为本申请做进一步详细阐述。
由MBE或MOCVD技术在GaAs基底4上依次外延生长AlAs高折射率材料层5，GaAs高折射率材料层6。接下来需要进行两次刻蚀，通过光刻以及化学腐蚀先刻蚀到刚好完全暴露AlAs高折射率材料层5，该层进行完全氧化，形成低折射率亚层1；再在高折射率材料层6上通过电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀进行浅刻蚀，刻蚀深度小于高折射率材料层6的厚度，形成应力缓冲层2和高折射率亚波长光栅层3，如图1所示。低折射率亚层1与应力缓冲层2和高折射率亚波长光栅层3构成一种HCG，作为垂直腔面发射半导体激光器谐振腔的上反射镜，是一种具有与VCSEL同材料体系的高折射率对比度亚波长光栅反射镜。
从图3所示的本申请TM偏振的高折射率对比度亚波长光栅的反射特性图谱可知，在正入射情况下对TM模表现出很高的反射率以及较宽的宽带，同时在中心波长附近TE模反射率峰值为90％，可见其具有很好的偏振选择性。
图4所示的本申请TM偏振的高折射率对比度亚波长光栅的反射率大于99％的反射特性图谱可知，带宽覆盖从0.78μm到0.92μm，高反射带宽达到140nm。
图5所示的本申请TM偏振的高折射率对比度亚波长光栅的反射率大于99.9％的反射特性图谱可知，反射率达到如此之高，其带宽依然有约95nm，即从0.802μm到0.897μm。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种亚波长光栅，其特征在于：包括依次设置的低折射率亚层、应力缓冲层和高折射率亚波长光栅层。
2.如权利要求1所述的亚波长光栅，其特征在于：所述低折射率亚层、所述应力缓冲层和所述高折射率亚波长光栅层自下而上依次排列。
3.如权利要求1所述的亚波长光栅，其特征在于：所述应力缓冲层与所述高折射率亚波长光栅层材料相同。
4.如权利要求1所述的亚波长光栅，其特征在于：所述亚波长光栅为高折射率对比度亚波长光栅。
5.一种亚波长光栅制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：在GaAs基底上依次生长高折射率材料I和高折射率材料II；
步骤2：在高折射率材料II表面进行刻蚀，使刻蚀槽的侧壁刚好完全暴露出高折射率材料I；
步骤3：待所述高折射率材料I完全暴露出来后，进行氧化，形成高折射率对比度亚波长光栅的低折射率亚层；
步骤4：在步骤2刻蚀后形成的台面表层的高折射率材料II上进行浅刻蚀，形成应力缓冲层和高折射率亚波长光栅层。
6.如权利要求5所述的亚波长光栅制备方法，其特征在于：所述低折射率亚层、所述应力缓冲层和所述高折射率亚波长光栅层均由分子束外延生长或金属有机化学气相沉积经过一次外延生长完成。
7.如权利要求5所述的亚波长光栅制备方法，其特征在于：所述步骤2中刻蚀包括光刻和化学腐蚀。
8.如权利要求5所述的亚波长光栅制备方法，其特征在于：所述步骤3中高折射率材料I完全氧化后，形成所述低折射率亚层。
9.如权利要求5所述的亚波长光栅制备方法，其特征在于：所述步骤4的浅刻蚀包括电子束曝光和感应耦合等离子体刻蚀。
10.如权利要求5所述的亚波长光栅制备方法，其特征在于：所述低折射率亚层由富Al的AlGaAs或AlAs高折射率材料经氧化工艺形成。
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