CN113540971A - 一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，下层DBR、有源区、氧化限制层、上层DBR和P型金属欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器的谐振腔；垂直腔面发射激光器的左侧镀有P型电极，垂直腔面发射激光器的谐振腔右侧设有N型电极，N型电极镀在N型金属欧姆接触层的上方；垂直腔面发射激光器的谐振腔由BCB层包覆，BCB层利用RIE刻蚀开电极窗口，BCB层通过磁控溅射生长GSG‑Pad电极以实现共面电极结构。本发明利用半圆环对称电极结构，对垂直腔面发射激光器注入非均匀电流，利用电子和空穴迁移速率不同，在谐振腔中引入非均匀损耗，使得激光器输出模式的增益各向异性，有助于实现偏振态稳定，提高了激光器的性能。

Description

一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers，简称VCSEL)是半导体激光器家族中的重要一员，VCSEL具有体积小、单模特性好、阈值电流低、圆形光斑输出等优点，已经在通信、照明及传感等领域获得大规模应用。近年来基于VCSEL以及微机械(micro-electromechanical system，MEMS)技术的芯片级原子钟(chip scale atomicclock，CSAC)成为原子频标技术的一个重要发展方向。VCSEL作为芯片级原子钟的核心元件，单模特性好、可在高温下稳定工作、稳定的线性偏振、窄线宽、寿命长的激光器是该领域发展的关键技术。
目前，VCSEL已经成为芯片级原子钟的理想光源。但大多数VCSEL的激射光的偏振在本质上是不稳定的，由于激光器的谐振腔和增益介质在有源层的各个平面中都是准各向同性的，而且VCSEL内部没有强大的选择机制来确定一个特定的偏振方向，激光器输出的光的偏振方向不固定，但是对于芯片级原子钟而言，稳定的线性偏振是不可或缺的条件。因此，如何精准控制VCSEL的偏振特性对提高芯片级原子钟性能具有重要意义。
发明内容
为此，本发明提供一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，能够精准控制VCSEL的偏振特性，提高芯片级原子钟性能。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次设置的GaAs基衬底、N型金属欧姆接触层、下层DBR、有源区、上层DBR和P型金属欧姆接触层；
所述下层DBR、有源区、上层DBR和P型金属欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器的谐振腔；垂直腔面发射激光器的左侧镀有P型电极，垂直腔面发射激光器的谐振腔右侧设有N型电极，所述N型电极镀在所述N型金属欧姆接触层的上方；
所述垂直腔面发射激光器的谐振腔由BCB层包覆，所述BCB层利用RIE刻蚀开电极窗口，BCB层通过磁控溅射生长GSG-Pad电极以实现共面电极结构。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述有源区和上层DBR之间设有氧化限制层，所述氧化限制层具有氧化限制孔。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述P型电极位于所述垂直腔面发射激光器的谐振腔顶部左侧，P型电极呈环状，P型电极外环半径小于谐振腔半径，P型电极内环半径大于所述氧化限制孔的孔径。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述氧化限制层经过湿法氧化形成所述氧化限制孔，通过调整氧化的温度、湿度、时间参数制备出预设尺寸的氧化限制孔，作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述垂直腔面发射激光器的谐振腔采用干法刻蚀制备，干法刻蚀制备过程，先将清洗干净的激光器外延片烘干，涂光刻胶，利用光刻机制备图案，再利用ICP干法刻蚀将掩膜图形转移到外延片上。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述N型电极为环形，N型电极的内环尺寸大于谐振腔尺寸。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述BCB层经过光刻、固化、刻蚀形成达到预设平整度的GSG-Pad电极平面。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，通过调整电极溅射条件、合金组分以及退火条件降低电极接触电阻。
作为半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述P型电极和N型电极均采用金属材质。
本发明具有如下优点：包括由下至上依次设置的GaAs基衬底、N型金属欧姆接触层、下层DBR、有源区、上层DBR和P型金属欧姆接触层；下层DBR、有源区、上层DBR和P型金属欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器的谐振腔；垂直腔面发射激光器的左侧镀有P型电极，垂直腔面发射激光器的谐振腔右侧设有N型电极，N型电极镀在N型金属欧姆接触层的上方；垂直腔面发射激光器的谐振腔由BCB层包覆，BCB层利用RIE刻蚀开电极窗口，BCB层通过磁控溅射生长GSG-Pad电极以实现共面电极结构。本发明利用半圆环对称电极结构，对垂直腔面发射激光器注入非均匀电流，利用电子和空穴迁移速率不同，在谐振腔中引入非均匀损耗，使得激光器输出模式的增益各向异性，有助于实现偏振态稳定，同时采用了BCB包覆层填平技术，相比于SiO2做绝缘层，能保持较好的GSG-Pad介面平整度，而且优化了寄生参数，提高了激光器的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例中提供的半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器剖视结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器立体结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器俯视示意图。
图中，1、GaAs基衬底；2、N型金属欧姆接触层；3、下层DBR；4、有源区；5、上层DBR；6、P型金属欧姆接触层；7、谐振腔；8、P型电极；9、N型电极；10、BCB层；11、氧化限制层；12、氧化限制孔。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
参见图1、图2和图3，本发明实施例提供一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次设置的GaAs基衬底1、N型金属欧姆接触层2、下层DBR3、有源区4、上层DBR5和P型金属欧姆接触层6；
所述下层DBR3、有源区4、上层DBR5和P型金属欧姆接触层6共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器的谐振腔7；垂直腔面发射激光器的左侧镀有P型电极8，垂直腔面发射激光器的谐振腔7右侧设有N型电极9，所述N型电极9镀在所述N型金属欧姆接触层2的上方；
所述垂直腔面发射激光器的谐振腔7由BCB层10包覆，所述BCB层10利用RIE刻蚀开电极窗口，BCB层10通过磁控溅射生长GSG-Pad电极以实现共面电极结构。
本实施例中，所述有源区4和上层DBR5之间设有氧化限制层11，所述氧化限制层11具有氧化限制孔12。所述P型电极8位于所述垂直腔面发射激光器的谐振腔7顶部左侧，P型电极8呈环状，P型电极8外环半径小于谐振腔7半径，P型电极8内环半径大于所述氧化限制孔12的孔径。所述氧化限制层11经过湿法氧化形成所述氧化限制孔12，通过调整氧化的温度、湿度、时间参数制备出预设尺寸的氧化限制孔12，这些氧化参数不仅与所使用的氧化设备有关，与氧化的氧化限制层11的参数也有关，为了实现单模输出，将氧化限制孔12控制在3微米左右。所述P型电极8和N型电极9均采用金属材质，P型电极组分为Ti/Pt/Au,N型电极组分为AuGeNi/Au,退火温度为420℃，退火时间为35S。
具体的，氧化限制层11可以起到光电限制的作用，氧化限制层11需要经过湿法氧化形成氧化限制孔12，以实现对光和电的限制，通过反复试验，有限次的操作可以确定优化氧化的温度、湿度、时间等参数，制备出合适尺寸的氧化孔径，通过氧化限制孔12使VCSEL器件实现低阈值的单模激光输出。
具体的，砷化镓铝层通过高温湿法氧化形成氧化限制孔12的孔径，可有效降低VCSEL的光损耗，并提高转换效率，工艺过程是先通过光刻与刻蚀技术将需要氧化的高Al层暴露出，然后在湿氧环境中使铝氧化形成氧化铝层，通过控制氧化时间，使台面中间部分不被氧化，利于电流导通和出光。
本实施例中，所述垂直腔面发射激光器的谐振腔7采用干法刻蚀制备，干法刻蚀制备过程，先将清洗干净的激光器外延片烘干，涂光刻胶，利用光刻机制备图案，再利用ICP干法刻蚀将掩膜图形转移到外延片上。
具体的，干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀，当气体以等离子体形式存在时，等离子体中的气体化学活性比常态下时要强，根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目的。另外，还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使等离子体具备一定能量，当其轰击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的，干法刻蚀可以获得精确的特征图形。
具体的，干法刻蚀工艺是利用气体中阴阳粒子解离后的等离子体来进行刻蚀，宇宙中99％的物质，均处于等子状态。其中包含了中性的粒子、离子和电子，它们混合在一起，表现为电中性。在干法刻蚀中，气体中的分子和原子，通过外部能量的激发，形成震荡，使质量较轻的电子脱离原子的轨道与相邻的分子或原子碰撞，释放出其他电子，在这样的反复过程中，最终形成气体离子与自由活性激团。而干法刻蚀，则利用了气体等离子体中的自由活性激团与离子，与被刻蚀表面进行反应，以此形成最终的特征图形。
本实施例中，所述N型电极9为环形，N型电极9的内环尺寸大于谐振腔7尺寸。N型电极9位于垂直腔面发射激光器的谐振腔7右侧，沉积在N型金属欧姆接触层2上，N型电极9为环形，其内环尺寸大于谐振腔7尺寸，环形电极宽最佳为35微米。
具体的，谐振腔7的直径通常控制在25～28微米之间，这与氧化限制孔12的直径相关，台面过大氧化限制孔12较小会产生过多热阻，影响器件性能，台面过小在工艺方面不易实现，而且氧化时间也不太容易控制。
本实施例中，所述BCB层10经过光刻、固化、刻蚀形成达到预设平整度的GSG-Pad电极平面。
具体的，BCB层10包覆是一种介电常数低、吸水率低、高频介质损耗小的新型材料光敏BCB，其化学性质稳定，与各种金属有良好的兼容性，将其包覆在垂直腔面发射激光器的谐振腔7周围，经过光刻、固化、刻蚀形成平整度较好的GSG-Pad电极平面。
本实施例中，通过调整电极溅射条件、合金组分以及退火条件降低电极接触电阻。通过有限次的试验，优化电极溅射条件、合金组分以及快速热退火条件实现好的欧姆接触，以降低接触电阻，优化激光器的性能。
具体的，磁控电极溅射是物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。
本实施例中，用于芯片级原子钟的VCSEL的偏振模式可通过非均匀注入电流来控制。由于光增益和损耗，注入非均匀电流时，可以控制垂直于电流通路的出射偏振光。在非均匀电流注入下，出射光大部分被偏置与电流通路方向，平行于电流通路的偏振光很弱，并且随着注入电流的增大，被偏置到垂直于电流通路方向的出射光越多。通过由下至上依次设置的GaAs基衬底1、N型金属欧姆接触层2、下层DBR3、有源区4、上层DBR5和P型金属欧姆接触层6；下层DBR3、有源区4、上层DBR5和P型金属欧姆接触层6共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器的谐振腔7；垂直腔面发射激光器的左侧镀有P型电极8，垂直腔面发射激光器的谐振腔7右侧设有N型电极9，N型电极9镀在N型金属欧姆接触层2的上方；垂直腔面发射激光器的谐振腔7由BCB层10包覆，BCB层10利用RIE刻蚀开电极窗口，BCB层10通过磁控溅射生长GSG-Pad电极以实现共面电极结构。本发明利用半圆环对称电极结构，对垂直腔面发射激光器注入非均匀电流，利用电子和空穴迁移速率不同，在谐振腔7中引入非均匀损耗，使得激光器输出模式的增益各向异性，有助于实现偏振态稳定，同时采用了BCB包覆层填平技术，相比于SiO2做绝缘层，能保持较好的GSG-Pad介面平整度，而且优化了寄生参数，提高了激光器的性能。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括由下至上依次设置的GaAs基衬底(1)、N型金属欧姆接触层(2)、下层DBR(3)、有源区(4)、上层DBR(5)和P型金属欧姆接触层(6)；
所述下层DBR(3)、有源区(4)、上层DBR(5)和P型金属欧姆接触层(6)共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器的谐振腔(7)；垂直腔面发射激光器的左侧镀有P型电极(8)，垂直腔面发射激光器的谐振腔(7)右侧设有N型电极(9)，所述N型电极(9)镀在所述N型金属欧姆接触层(2)的上方；
所述垂直腔面发射激光器的谐振腔(7)由BCB层(10)包覆，所述BCB层(10)利用RIE刻蚀开电极窗口，BCB层(10)通过磁控溅射生长GSG-Pad电极以实现共面电极结构。
2.根据权利要求1所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源区(4)和上层DBR(5)之间设有氧化限制层(11)，所述氧化限制层(11)具有氧化限制孔(12)。
3.根据权利要求2所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述P型电极(8)位于所述垂直腔面发射激光器的谐振腔(7)顶部左侧，P型电极(8)呈环状，P型电极(8)外环半径小于谐振腔(7)半径，P型电极(8)内环半径大于所述氧化限制孔(12)的孔径。
4.根据权利要求2所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化限制层(11)经过湿法氧化形成所述氧化限制孔(12)，通过调整氧化的温度、湿度、时间参数制备出预设尺寸的氧化限制孔(12)。
5.根据权利要求1所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器的谐振腔(7)采用干法刻蚀制备，干法刻蚀制备过程，先将清洗干净的激光器外延片烘干，涂光刻胶，利用光刻机制备图案，再利用ICP干法刻蚀将掩膜图形转移到外延片上。
6.根据权利要求1所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述N型电极(9)为环形，N型电极(9)的内环尺寸大于谐振腔(7)尺寸。
7.根据权利要求1所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述BCB层(10)经过光刻、固化、刻蚀形成达到预设平整度的GSG-Pad电极平面。
8.根据权利要求1所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，通过调整电极溅射条件、合金组分以及退火条件降低电极接触电阻。
9.根据权利要求1所述的一种半环形对称电极结构垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述P型电极(8)和N型电极(9)均采用金属材质。
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