CN112152077B - 一种可调谐vcsel激光器芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法，包括：一单晶衬底；单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：外延层、N‑欧姆接触层、P‑欧姆接触层、光学钝化层；单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。本发明的一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法，能够同时实现波长的可调谐和温度反馈功能。

Description

一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法。
背景技术
与本案相关的现有技术主要是垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，简称VCSEL）技术。由于VCSEL激光器腔长较短，在整个增益区可仅设一个单纵模，使得连续宽范围的波长调谐成为可能，且VCSEL出光孔径大小与单模光纤相近，与光纤的耦合效率更高，易制成高密度激光阵列，这些优点使其成为国际光通器件领域的研究热点。
但是目前基于变温调谐的VCSEL激光器通常采用温度调谐单元，该温度调谐单元一般为半导体制冷器(Thermal electric cooler, 简称TEC)，体积大，芯片、器件及模块的集成度低，调制速率慢，且无法对工作中的芯片温度变化进行及时测量与反馈补偿。
所以，有必要设计一种新的可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法。
为实现前述目的，本发明采用如下技术方案：一种可调谐VCSEL激光器芯片，包括：一单晶衬底；单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：外延层、N-欧姆接触层、P-欧姆接触层、光学钝化层；单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。
作为本发明的进一步改进，所述第一倾角差在正负5°以内。
作为本发明的进一步改进，所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料。
作为本发明的进一步改进，所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料。
作为本发明的进一步改进，所述原子层热电堆层材料为CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系中的任意一种。
作为本发明的进一步改进，所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底。
作为本发明的进一步改进，所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内。
作为本发明的进一步改进，所述外延层包括：依次生长的N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、电流扩展帽层。
作为本发明的进一步改进，所述电流扩展帽层、所述P-DBR、所述氧化限制层、所述量子阱有源层被依次刻蚀至所述N-DBR，从而形成外延层刻蚀台面；所述N-欧姆接触层生长在所述外延层刻蚀台面上，所述P-欧姆接触层生长在所述电流扩展帽层上，所述光学钝化层生长在未被所述P-欧姆接触层、所述N-欧姆接触层覆盖的裸露的所述外延层上。
本发明还提供一种可调谐VCSEL激光器芯片制造方法，包括：步骤S1：准备单晶衬底，所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底；步骤S2：生长单晶衬底正面单元，具体包括：在所述单晶衬底正面生长外延层，所述外延层依次包括N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、电流扩展帽层；形成外延层刻蚀台面，将所述电流扩展帽层、所述P-DBR、所述氧化限制层、所述量子阱有源层进行ICP刻蚀至所述N-DBR，从而形成外延层刻蚀台面；形成氧化限制区，对暴露出的所述氧化限制层进行湿法氧化处理；在所述外延层刻蚀台面上生长N-欧姆接触层，在所述电流扩展帽层上生长P-欧姆接触层，在所述未被所述P-欧姆接触层、所述N-欧姆接触层覆盖的裸露的外延层上生长光学钝化层；步骤S3：生长单晶衬底背面单元，在单晶衬底背面依次倾斜外延生长绝缘层、原子层热电堆层及电极，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料；所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料；所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差，所述第一倾角差在正负5°以内；所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内；所述电极沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。
本发明的积极进步效果如下。
（1）本发明创造性地将基于横向热电效应的原子层热电堆结构与传统VCSEL外延结构集成，在用具有斜切角的单晶衬底作为调控化合物半导体基VCSEL外延生长模式、掺杂并入量、表面形貌常规手段的同时，又作为原子层热电堆材料中实现横向热电效应的晶体取向和结构前提，芯片结构、功能和工艺集成度显著提高。
（2）本发明中，当原子层热电堆层两侧电极通电、建立横向电场时，由于原子层热电堆材料在晶体学ab面内与沿c轴方向的热电势具有各向异性，在原子层热电堆层外延倾角的作用下发生横向热电效应的逆效应，即横向电场将构成原子层热电堆层上下表面的温差变化，温差变化作用于VCSEL芯片进而调制激光波长；测温反馈时，VCSEL芯片的温度变化将形成原子层热电堆层纵向的温度梯度，该温度梯度再通过横向热电效应转换为横向电信号，并由两侧电极读出，实现温度反馈；本发明无需搭配其他芯片或模块即可在单颗激光器芯片中同时实现波长调谐和温度反馈，芯片及其封装模块集成度高，波长调谐和温度反馈灵敏。
（3）本发明实现一物两用，单晶衬底背面单元作为有源器件、主动施加偏压时，本发明能实现激光器的波长调谐；当单晶衬底背面单元作为无源器件时，通过横向响应偏压便可获得芯片温度，无需从芯片、器件或模块层面搭载测温、控温反馈单元，方便快捷，实用。
（4）本发明中CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系属于氧化物热电材料，与传统合金热电材料相比，具有高温物理化学稳定性好、材料成本低廉、无毒无污染、使用寿命长等优点，在单晶体的生长和多晶体的热电性能改善方面具有受到广泛的关注，具有天然优势。
附图说明
图1为本发明一种可调谐VCSEL激光器芯片的整体结构示意图。
附图标号说明：单晶衬底10、外延层21、N-DBR 211、量子阱有源层212、氧化限制层213、P-DBR 214、电流扩展帽层215、N-欧姆接触层22、P-欧姆接触层23、光学钝化层24、绝缘层31、原子层热电堆层32、电极33。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如附图1所示，本发明一种可调谐VCSEL激光器芯片，包括单晶衬底10，该单晶衬底10为N型GaAs(001) 单晶衬底，优选的，单晶衬底10为斜切角（斜切方向和晶体学主轴方向夹角）不为零的双面抛光单晶衬底，所述斜切角为15°。
在单晶衬底10正面生长外延层21、N-欧姆接触层22、P-欧姆接触层23、光学钝化层24。外延层21包括在所述单晶衬底10正面依次生长的N-DBR 211、量子阱有源层212、氧化限制层213、P-DBR 214和电流扩展帽层215。电流扩展帽层215、P-DBR 214、氧化限制层213、量子阱有源层212被依次进行ICP刻蚀至N-DBR 211形成外延层刻蚀台面。N-欧姆接触层22生长在该外延层刻蚀台面上，P-欧姆接触层23生长在电流扩展帽层215上，光学钝化层24生长在未被P-欧姆接触层23、N-欧姆接触层22覆盖裸露的外延层21上。
在单晶衬底10背面二次外延倾斜生长绝缘层31和原子层热电堆层32。沿原子层热电堆层32倾斜方向，在原子层热电堆层32两侧设置一对电极33，优选为金属电极，同时用于波长调谐和温度反馈。需要说明的是，二次外延是相对于正面生长而言，背面生长需将正面生长外延层21后的外延片翻面，在相同或不同外延设备中再次外延生长的过程，即二次外延。
所述绝缘层31具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层32具有原子层热电堆层外延倾角，原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差，优选的，所述第一倾角差为0.5°。绝缘层31材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料，优选的，绝缘层31材料为非掺同质外延GaAs外延材料。绝缘层外延倾斜角与单晶衬底10的斜切角具有第二倾角差，优选的，所述第二倾斜角差为0.2°。需要说明的是，由于是外延生长，单晶衬底10的斜切角、绝缘层外延倾斜角、原子层热电堆层外延倾角有继承关系。
原子层热电堆层32材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料，优选的，原子层热电堆层32材料采用CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系，它们属于氧化物热电材料，与金属合金热电材料相比，它们具有耐高温、抗氧化、热稳定性好、无污染、使用寿命长、制备工艺简单等优点，在单晶体的生长和多晶体的热电性能改善方面具有受到广泛的关注，具有天然优势。
本发明实施例还提供一种可调谐VCSEL激光器芯片制备方法，包括：步骤S1：准备单晶衬底10，所述单晶衬底10为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底。步骤S2：生长单晶衬底10正面单元，具体包括：在所述单晶衬底10正面生长外延层21，所述外延层依次包括N-DBR211、量子阱有源层212、氧化限制层213、P-DBR214、电流扩展帽层215；形成外延层21刻蚀台面，将所述电流扩展帽层215、P-DBR214、氧化限制层213、量子阱有源层212进行ICP刻蚀至N-DBR211，从而形成外延层21刻蚀台面；形成氧化限制区，对暴露出的所述氧化限制层213进行湿法氧化处理；在所述外延层21刻蚀台面上生长N-欧姆接触层22，在所述电流扩展帽层215上生长P-欧姆接触层23，在所述未被所述P-欧姆接触层23、所述N-欧姆接触层22覆盖的裸露的外延层21上生长光学钝化层24。步骤S3：生长单晶衬底10背面单元，在单晶衬底10背面依次倾斜外延生长绝缘层31、原子层热电堆层32及电极33，所述绝缘层31具有绝缘层外延倾角，所述绝缘层31材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料；所述原子层热电堆层32具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料，优选的，原子层热电堆层32材料为CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO外延材料体系中的任意一种。所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差，所述第一倾角差在正负5°以内。所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内。所述电极33沿所述原子层热电堆层32倾斜方向分布在所述原子层热电堆层32两侧。
具体的，通过N-欧姆接触层22、P-欧姆接触层23向多量子阱有源区212中注入电子空穴，电子空穴对在多量子阱有源区212中发生辐射复合，经P-DBR214、N-DBR211形成的谐振腔增益激射发出激光。波长调谐时，通过单晶衬底10背面的两侧电极33向原子层热电堆层32注入横向电流，由于原子层热电堆材料沿晶体学ab面内的热电势与沿c轴方向的热电势不同，在原子层热电堆层外延倾角的作用下发生横向热电效应的逆效应，即横向电场将构成原子层热电堆层32上下表面的温差变化，温差变化作用于VCSEL芯片进而调制激光波长，此时温度调谐为有源单元；测温反馈时，VCSEL芯片的温度变化将形成原子层热电堆层32纵向的温度梯度，该温度梯度再通过横向热电效应转换为横向电信号，并由两侧电极33读出，此时温度反馈为无源单元。
综上所述，本发明一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法，包括：一单晶衬底10；单晶衬底10正面单元，生长在所述单晶衬底10正面，发射激光，包括：外延层21、N-欧姆接触层22、P-欧姆接触层23、光学钝化层24；单晶衬底10背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底10背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括倾斜外延生长的绝缘层31、原子层热电堆层32，所述绝缘层31具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层32具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；两电极33，沿所述原子层热电堆层32倾斜方向，并分布在所述原子层热电堆层32两侧。本发明的一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法，能够同时实现波长的可调谐和温度反馈功能。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：包括：
一单晶衬底；
单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：
外延层、N-欧姆接触层、P-欧姆接触层、光学钝化层；
单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光的波长，反馈芯片温度，依次包括：
倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；
两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述第一倾角差在正负5°以内。
3.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料。
5.根据权利要求4所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述原子层热电堆层材料为CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底。
7.根据权利要求6所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内。
8.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述外延层包括：依次生长的N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、电流扩展帽层。
9.根据权利要求8所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述电流扩展帽层、所述P-DBR、所述氧化限制层、所述量子阱有源层被依次刻蚀至所述N-DBR，从而形成外延层刻蚀台面；
所述N-欧姆接触层生长在所述外延层刻蚀台面上，所述P-欧姆接触层生长在所述电流扩展帽层上，所述光学钝化层生长在未被所述P-欧姆接触层、所述N-欧姆接触层覆盖的裸露的所述外延层上。
10.一种可调谐VCSEL激光器芯片制造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：准备单晶衬底，所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底；
步骤S2：生长单晶衬底正面单元，具体包括：
在所述单晶衬底正面生长外延层，所述外延层依次包括N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、电流扩展帽层；
形成外延层刻蚀台面，将所述电流扩展帽层、所述P-DBR、所述氧化限制层、所述量子阱有源层进行ICP刻蚀至所述N-DBR，从而形成外延层刻蚀台面；
形成氧化限制区，对暴露出的所述氧化限制层进行湿法氧化处理；
在所述外延层刻蚀台面上生长N-欧姆接触层，在所述电流扩展帽层上生长P-欧姆接触层，在所述未被所述P-欧姆接触层、所述N-欧姆接触层覆盖的裸露的外延层上生长光学钝化层；
步骤S3：生长单晶衬底背面单元，在单晶衬底背面依次倾斜外延生长绝缘层、原子层热电堆层及电极，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料；所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料；所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差，所述第一倾角差在正负5°以内；所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内；所述电极沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。
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