CN113839305B - 中红外垂直腔面激光器及其制作方法 - Google Patents

中红外垂直腔面激光器及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113839305B
CN113839305B CN202111394541.3A CN202111394541A CN113839305B CN 113839305 B CN113839305 B CN 113839305B CN 202111394541 A CN202111394541 A CN 202111394541A CN 113839305 B CN113839305 B CN 113839305B
Authority
CN
China
Prior art keywords
dbr
laser
layer
sio
active layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111394541.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113839305A (zh
Inventor
张凯
张君蓉
张玉双
陈程
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Original Assignee
Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS filed Critical Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority to CN202111394541.3A priority Critical patent/CN113839305B/zh
Publication of CN113839305A publication Critical patent/CN113839305A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113839305B publication Critical patent/CN113839305B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18369—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors based on dielectric materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18377—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors comprising layers of different kind of materials, e.g. combinations of semiconducting with dielectric or metallic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种中红外垂直腔面激光器及其制作方法，所述激光器包括上DBR、下DBR以及设置于上DBR和下DBR之间的有源层，所述有源层采用AsxP1‑x，其中x=0~0.7，所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料或SiO2/Si3N4材料交替组成，激光器的发光波长λ=3.7~6.5μm。本发明利用AsxP1‑x的组分可调，设计并制备对应的DBR结构，可实现中红外波段的激光，并实现激光波长在3.7‑6.5μm可调。

Description

中红外垂直腔面激光器及其制作方法
技术领域
本发明是关于一种光电器件，特别是关于一种中红外垂直腔面激光器及其制作方法。
背景技术
自20世纪60年代第一台激光器诞生以来，激光在科学研究及技术应用中都有着革命性的影响。而激光本身作为一门科学和技术兼具的学科，一直是一个快速发展和极其活跃的研究前沿，激光器的线性尺寸从用于激光聚变的激光系统的几百m量级，到固/气体激光器的m量级，再到半导体激光器的 cm、mm乃至nm量级，从极大到极小跨越达10个数量级。在半导体激光器发展的近60年过程中，在激光腔和增益材料上都取得了一定的发展和突破，每一次都导致了器件性能的改进、阈值的降低、尺寸的减小和新应用场景的出现。而半导体纳米激光器的出现是作为最小体积的激光器种类之一的半导体激光器发展的必然结果，同时它的出现极大的推动了半导体激光器在光通信领域的发展，摩尔定律驱动的微电子技术的不断进步对信息传递提出了前所未有的挑战和要求，使得信息传递在越来越小的尺度上，出现了由“电”到“光”过渡的诱人前景。基于此，各种新的光学微腔不断被设计和优化，如基于分布式布拉格反射镜（DBR）结构的垂直腔面激光器，其有源区和模式体积可以极大的缩小，为未来芯片上激光的实现奠定了坚实的基础。
在现有的激光器中，可商购的中红外激光器仍相对较少，而中红外激光在材料加工、外科手术、通信、光谱学、国防应用和基础科学等应用领域中都提供了空前的优势，因此，研究开发新型高集成、多功能的中红外激光器是未来发展中必须要实现的目标之一。
2017年，南京工业大学先进材料研究院黄维院士课题组与新加坡南洋理工大学于霆教授的合作团队合作，采用二维半导体材料二硫化钨(WS2)作为增益介质并利用超薄的垂直谐振腔结构，在光泵下实现了室温低阈值连续的激光发射。技术上，二维半导体材料原子级平坦的特性以及易于制备和转移的优势使得二维半导体激活的垂直腔面发射激光器制备与当前成熟的半导体单片集成工艺非常兼容。但是基于WS2的VCSEL仅能实现可见波段的激光，且波长难以调谐。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中红外垂直腔面激光器及其制作方法，其能够解决现有技术中波长难以调谐的问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种中红外垂直腔面激光器，包括上DBR、下DBR以及设置于上DBR和下DBR之间的有源层，
所述有源层采用AsxP1-x，其中x=0~0.7，
所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料或SiO2/Si3N4材料交替组成，
激光器的发光波长λ=3.7~6.5μm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料交替组成，所述上DBR的周期为7~10，所述下DBR的周期为9。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR为SiO2/Si3N4材料交替组成，所述上DBR的周期为10~14，所述下DBR的周期为13。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR中，每一层材料的厚度为λ/4n1，n1为该层材料的折射率。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器还包括：上包覆层，形成于所述有源层和上DBR之间；下包覆层，形成于所述有源层和下DBR之间，所述上包覆层和下包覆层的折射率小于有源层的折射率。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上包覆层和下包覆层的材质为SiO2或MgF2。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上包覆层的厚度为3λ/2n2，n2为上包覆层材料的折射率，和/或所述下包覆层的厚度为λ/2n3，n3为下包覆层材料的折射率。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述有源层采用As0.2P0.8，所述上DBR和下DBR为SiO2/Si3N4材料交替组成，所述上DBR的周期为11，所述下DBR的周期为13，所述上包覆层的厚度为3124nm，所述下包覆层的厚度1041nm，激光器的发光波长λ=3.98μm。
为实现上述目的，本发明的实施例还提供了一种所述的中红外垂直腔面激光器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在衬底上依次制作下DBR和下包覆层；
制作有源层，并将其转移至下包覆层上；
在有源层上，依次制作上包覆层和上DBR。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述有源层的制作包括：
提供反应装置，具有相连通的第一反应腔和第二反应腔；
将反应物和生长基底分别置于第一反应腔和第二反应腔，所述反应物至少包括磷源；
加热，使得含磷气体自第一反应腔进入第二反应腔，并在生长基底表面形成有源层。
与现有技术相比，本发明利用AsxP1-x的组分可调，设计并制备对应的DBR结构，可实现中红外波段的激光，并实现激光波长在3.7-6.5μm可调。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的AsxP1-x材料在不同掺杂浓度下的光致发光（PL）谱；
图2是根据本发明一实施方式的中红外垂直腔面激光器的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的中红外垂直腔面激光器的制作方法流程图；
图4是根据本发明一实施方式的黑磷薄膜反应装置示意图；
图5是根据本发明实施例1的激光器的反射谱；
图6是根据本发明实施例1的激光器的光场分布；
图7是根据本发明实施例2的激光器的反射谱；
图8是根据本发明实施例2的激光器的光场分布；
图9是根据本发明实施例3的激光器的反射谱；
图10是根据本发明实施例3的激光器的光场分布；
图11是根据本发明实施例4的激光器的反射谱；
图12是根据本发明实施例4的激光器的光场分布；
图13是根据本发明实施例5的激光器的反射谱；
图14是根据本发明实施例5的激光器的光场分布。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
参图1所示，AsxP1-x（x=0~0.7）是在BP（黑磷）的基础上，进行As原子的掺杂，掺杂浓度逐渐增加，根据不同掺杂组分材料的光致发光（PL）谱，证明了AsxP1-x的发光波长可从3.7μm变到6.5 μm。
如图2所示，根据本发明优选实施方式的一种中红外垂直腔面激光器，包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、上DBR 40以及设置于下DBR 20和上DBR 40之间的有源层30。
本实施例中，有源层30采用AsxP1-x，其中x=0~0.7可实现波长范围3.7-6.5μm可调的中红外激光器。
为了与有源层的结构兼容，所述的下DBR 20和上DBR 40为SiO2/TiO2材料或SiO2/Si3N4材料交替组成。
在一些实施例中，上DBR 40和下DBR 20为SiO2/TiO2材料交替组成，所述上DBR 40的周期为7~10，所述下DBR 20的周期为9。在优选的实施例中，所述上DBR 40的周期为7。
在一些实施例中，所述上DBR 40和下DBR 20为SiO2/Si3N4材料交替组成，所述上DBR 40的周期为11~14，所述下DBR 20的周期为13。在优选的实施例中，所述上DBR 40的周期为11。
所述下DBR 20和上DBR 40中，每一层材料的厚度为λ/4n，n为该层材料的折射率，λ为激光器的谐振波长。具体地，组成上、下DBR的高、低折射率材料的厚度则满足公式：nhth=nltl=λ/4 ，其中，nh为一个周期中高折射率材料的折射率，此处为Si3N4或TiO2；th为一个周期中高折射率材料的厚度；nl为一个周期中低折射率材料的折射率；此处为SiO2，tl为一个周期中低折射率材料的厚度。
下DBR 20和上DBR 40的周期数不能太多，太多会导致成本增加；下DBR 20和上DBR40的周期数也不能太少，过少则会导致激光器性能受损，如激光阈值增加。
本案中，DBR的结构设计，可以实现反射率99.9%以上。需要说明的是，本实施例的DBR结构是针对有源层的材质进行设计的，若采用其他结构，比如Al0.9GaAs / n-Al0.2GaAs等结构，P型材料的电阻大，造成发热严重，将进一步导致器件的使用寿命降低；此外，P型DBR/N型DBR的制备难度相较于SiO2/Si3N4也会大大增加，制备成本也会上升。
在一些实施例中，有源层30和上DBR 40之间设置有上包覆层50，有源层30和下DBR20之间设置有下包覆层60，上包覆层50、有源层30和下包覆层60共同构成了下DBR 20和上DBR 40之间的厚度空间，决定了激光器的有效腔长，控制着激光器的出射峰位置。
在优选的实施例中，下DBR 20和上DBR 40之间的空间厚度为5.3~9.8μm，其中，有源层30的厚度为50~500nm，上包覆层50的厚度1.32~2.32μm，下包覆层60的厚度3.97~6.97μm。
在一些实施例中，上包覆层50和下包覆层60的折射率必须小于有源层30以及与其接触的DBR材料的折射率。优选的，所述上包覆层和下包覆层的材质为SiO2或MgF2。
参图3所示，本实施例还提供一种中红外垂直腔面激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤s1，提供衬底10。
步骤s2，在衬底10上依次制作下DBR 20和下包覆层60。
步骤s3，参图4所示，提供反应装置100，该反应装置具有相连通的第一反应腔101和第二反应腔102；将反应物103和生长基底104分别置于第一反应腔101和第二反应腔102，所述反应物103至少包括磷源和砷源；加热，使得含磷气体自第一反应腔101进入第二反应腔102，并在生长基底104表面形成AsP薄膜。
将AsP薄膜30转移至下包覆层60表面。
步骤s4，在有源层30上，依次制作上包覆层50和上DBR 40。
步骤s3中，反应装置100可以是管式炉中的用于加热反应的石英管；也可以是置于小的石英管或者玻璃管中后抽真空密封，再将处理好的石英管或者玻璃管置于加热装置的加热腔中。磷源可以包括红磷、白磷等磷的单质存在形态，或者能够高温分解得到P4分子的各类化合物(Sn4P3、PI3化合物等)。砷源可以包括灰磷、黑磷等砷的单质存在形态，或者能够高温分解得到As4分子的各类化合物(As2S3化合物等)。反应物103还包括矿化剂，矿化剂可以选择含有I以及Sn元素的各类物质搭配，比如I以及Sn单质，或者SnI2以及I等，还可以为金、铅、铟、银、铜、镁等或其合金。生长基底上还可以设置有催化剂，所述催化剂为Au或其化合物，比如AuSn, AuCr, AuAg等合金薄膜或者非连续岛状颗粒。生长基底104为无定形氧化硅、氧化铝、氧化镁等介质层。这几种材料作为绝缘体，有利于薄膜生长后进一步的器件构筑，是面向器件应用的理想生长衬底。加热的方式包括：以1~20℃/min的升温速度加热所述反应腔室至650~750℃,保温1~5h，再以0.5~2℃/min的速度降温至460~520℃，保温1h后再以0.1~1℃/min的速度缓慢降温至250~350℃，最后降温至室温。
以下基于上述技术方案列举本说明书的一些具体实施例。
实施例1
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10为本征Si，折射率为3.426；下DBR 20采用13周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为711nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为521nm；上DBR 40采用11周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为711nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为521nm；下包覆层60采用SiO2，厚度为1041nm；上包覆层50采用SiO2，厚度为3124nm。有源层为As0.2P0.8。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3 nm/s和1.5nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4，提供5片蒸镀有5nm-150nm 厚度的Au金属膜的Si/SiO2片作为薄膜生长基底。以及提供红磷，灰砷，四碘化锡和锡颗粒作为原料，这些原料的质量分别为79mg，21mg，5mg以及10mg。提供图4所示的黑磷薄膜反应装置，以一个笔直的石英管作为反应腔室，原料放于反应腔其中一端，而镀有金层的硅片堆叠着放于反应腔中的另一端。
将含有原料以及生长基底的密闭真空石英管水平放于马弗炉，以10℃/min的速度加热所述反应腔室至650℃,保温1h，再以0.5℃/min的速度降温至550℃，在550℃下保温1h后再以0.5℃/min的速度缓慢降温至400℃，最后降温至室温。将石英管反应腔取出，在各个硅衬底上可以生长得到砷原子比例为20%的As0.2P0.8合金薄膜。
步骤5，利用干法转移将As0.2P0.8薄膜转移至下包覆层60上。
步骤6，在As0.2P0.8薄膜上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。激光器的反射谱及其光场分布如图5、6所示，3600 nm ~4500 nm为高反区，在高反区内，即初始设置的中心波长3980 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽（FWHM）为0.711 nm，整个微腔的Q值可达到5598。
实施例2
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426；下DBR 20采用9周期的SiO2/ TiO2材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.447，厚度为688nm，TiO2材料层的折射率为2.462，厚度为404nm；上DBR 40采用7周期的SiO2/ TiO2材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.477，厚度为688nm，TiO2层的折射率为2.462，厚度为404nm；下包覆层60采用SiO2，厚度为1375nm；上包覆层50采用SiO2，厚度为4126nm。有源层为As0.2P0.8。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用光学镀膜机生长下DBR 20，PECVD腔室温度为150℃，工作真空为1E-3Pa，基于高纯SiO2和TiO2蒸发源，沉积速率分别为0.8 nm/s和0.4 nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4，提供5片蒸镀有5nm-150nm 厚度的Au金属膜的Si/SiO2片作为薄膜生长基底。以及提供红磷，灰砷，四碘化锡和锡颗粒作为原料，这些原料的质量分别为79 mg，21mg，5mg以及10mg。提供图4所示的黑磷薄膜反应装置，以一个笔直的石英管作为反应腔室，原料放于反应腔其中一端，而镀有金层的硅片堆叠着放于反应腔中的另一端。
将含有原料以及生长基底的密闭真空石英管水平放于马弗炉，以10℃/min的速度加热所述反应腔室至650℃,保温1h，再以0.5℃/min的速度降温至550℃，在550℃下保温1h后再以0.5℃/min的速度缓慢降温至400℃，最后降温至室温。将石英管反应腔取出，在各个硅衬底上可以生长得到砷原子比例为20%的As0.2P0.8合金薄膜。
步骤5，利用干法转移将As0.2P0.8薄膜转移至下包覆层60上。
步骤6，在As0.2P0.8薄膜上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。激光器的反射谱及其光场分布如图7和图8所示，3400 nm ~4780 nm为高反区，在高反区内，即初始设置的中心波长3980 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽（FWHM）为0.411 nm，整个微腔的Q值可达到9684。
实施例3
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426；下DBR 20采用13周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为661nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为484nm；上DBR 40采用11周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为661nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为484nm；下包覆层60采用SiO2，厚度为1322nm；上包覆层50采用SiO2，厚度为3967nm。有源层30为黑磷(As0 P1)。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3 nm/s和1.5nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4，提供5片蒸镀有5nm-150nm 厚度的Au金属膜的Si/SiO2片作为薄膜生长基底。以及提供红磷，四碘化锡和锡颗粒作为原料，这些原料的质量分别为100mg，5mg以及10mg。提供图4所示的黑磷薄膜反应装置，以一个笔直的石英管作为反应腔室，原料放于反应腔其中一端，而镀有金层的硅片堆叠着放于反应腔中的另一端。
将含有原料以及生长基底的密闭真空石英管水平放于马弗炉，以10℃/min的速度加热所述反应腔室至650℃,保温1h，再以0.5℃/min的速度降温至550℃，在550℃下保温1h后再以0.5℃/min的速度缓慢降温至400℃，最后降温至室温。将石英管反应腔取出，在各个硅衬底上可以生长得到黑磷薄膜。
步骤5，利用干法转移将BP(As0P1)薄膜转移至下包覆层60上。
步骤6，在BP薄膜上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。激光器的反射谱及其光场分布如图9和10所示，3450 nm ~4120 nm为高反区，在高反区内，即初始设置的中心波长3700 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽（FWHM）为0.557 nm，整个微腔的Q值可达到 6643。
实施例4
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426；下DBR 20采用13周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为894nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为654nm；上DBR 40采用11周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为894nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为654nm；下包覆层60采用SiO2，厚度为1787nm；上包覆层50采用SiO2，厚度为5361nm。有源层30为As0.4P0.6。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3 nm/s和1.5nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4，提供5片蒸镀有5nm-150nm 厚度的Au金属膜的Si/SiO2片作为薄膜生长基底。以及提供红磷，灰砷，四碘化锡和锡颗粒作为原料，这些原料的质量分别为38mg,62mg，5mg以及10mg。提供图4所示的黑磷薄膜反应装置，以一个笔直的石英管作为反应腔室，原料放于反应腔其中一端，而镀有金层的硅片堆叠着放于反应腔中的另一端。
将含有原料以及生长基底的密闭真空石英管水平放于马弗炉，以10℃/min的速度加热所述反应腔室至650℃,保温1h，再以0.5℃/min的速度降温至550℃，在550℃下保温1h后再以0.5℃/min的速度缓慢降温至400℃，最后降温至室温。将石英管反应腔取出，在各个硅衬底上可以生长得到砷原子比例为40%的As0.4P0.6合金薄膜。
步骤5，利用干法转移将As0.4P0.6薄膜转移至下包覆层60上。
步骤6，在As0.4P0.6薄膜上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。激光器的反射谱及其光场分布如图11和图12所示，4500 nm ~5620 nm为高反区，在高反区内，即初始设置的中心波长5000 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽（FWHM）为0.751 nm，整个微腔的Q值可达到6658。
实施例5
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426；下DBR 20采用13周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为1162nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为850nm；上DBR 40采用11周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层折射率为1.399，厚度为1162nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为850nm；下包覆层60采用SiO2，厚度为2323nm；上包覆层50采用SiO2，厚度为6969nm。有源层30采用As0.7P0.3。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3 nm/s和1.5nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4，提供5片蒸镀有5nm-150nm 厚度的Au金属膜的Si/SiO2片作为薄膜生长基底。以及提供红磷，灰砷，四碘化锡和锡颗粒作为原料，这些原料的质量分别为31mg,169mg，5mg以及10mg。提供图4所示的黑磷薄膜反应装置，以一个笔直的石英管作为反应腔室，原料放于反应腔其中一端，而镀有金层的硅片堆叠着放于反应腔中的另一端。
将含有原料以及生长基底的密闭真空石英管水平放于马弗炉，以10℃/min的速度加热所述反应腔室至650℃,保温1h，再以0.5℃/min的速度降温至550℃，在550℃下保温1h后再以0.5℃/min的速度缓慢降温至400℃，最后降温至室温。将石英管反应腔取出，在各个硅衬底上可以生长得到砷原子比例为20%的As0.7P0.3合金薄膜。
步骤5，利用干法转移将As0.7P0.3薄膜转移至下包覆层60上。
步骤6，在As0.7P0.3薄膜上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。激光器的反射谱及其光场分布如图13和图14所示，5800 nm ~7300 nm为高反区，在高反区内，即初始设置的中心波长6500 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽（FWHM）为0.977 nm，整个微腔的Q值可达到6653。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (7)

1.一种中红外垂直腔面激光器，其特征在于，包括上DBR、下DBR以及设置于上DBR和下DBR之间的有源层，
所述有源层采用AsxP1-x，其中x=0~0.7，
所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料或SiO2/Si3N4材料交替组成，所述上DBR和下DBR中，每一层材料的厚度为λ/4n1，n1为该层材料的折射率，
激光器的发光波长λ=3.7~6.5μm，
当所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料交替组成时，所述上DBR的周期为7~10，所述下DBR的周期为9；
当所述上DBR和下DBR为SiO2/Si3N4材料交替组成时，所述上DBR的周期为11~14，所述下DBR的周期为13。
2.如权利要求1所述的中红外垂直腔面激光器，其特征在于，所述激光器还包括：
上包覆层，形成于所述有源层和上DBR之间；
下包覆层，形成于所述有源层和下DBR之间，
所述上包覆层和下包覆层的折射率小于有源层的折射率。
3.如权利要求2所述的中红外垂直腔面激光器，其特征在于，所述上包覆层和下包覆层的材质为SiO2或MgF2。
4.如权利要求3所述的中红外垂直腔面激光器，所述上包覆层的厚度为3λ/2n2，n2为上包覆层材料的折射率，和/或所述下包覆层的厚度为λ/2n3，n3为下包覆层材料的折射率。
5.如权利要求4所述的中红外垂直腔面激光器，其特征在于，所述有源层采用As0.2P0.8，
所述上DBR和下DBR为SiO2/ Si3N4材料交替组成，
所述上DBR的周期为11，
所述下DBR的周期为13，
所述上包覆层的厚度为3124nm，
所述下包覆层的厚度1041nm，
激光器的发光波长λ=3.98μm。
6.一种如权利要求1至5任一所述的中红外垂直腔面激光器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在衬底上依次制作下DBR和下包覆层；
制作有源层，并将其转移至下包覆层上；
在有源层上，依次制作上包覆层和上DBR。
7.根据权利要求6所述的中红外垂直腔面激光器的制作方法，其特征在于，所述有源层的制作包括：
提供反应装置，具有相连通的第一反应腔和第二反应腔；
将反应物和生长基底分别置于第一反应腔和第二反应腔，所述反应物至少包括磷源；
加热，使得含磷气体自第一反应腔进入第二反应腔，并在生长基底表面形成有源层薄膜。
CN202111394541.3A 2021-11-23 2021-11-23 中红外垂直腔面激光器及其制作方法 Active CN113839305B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111394541.3A CN113839305B (zh) 2021-11-23 2021-11-23 中红外垂直腔面激光器及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111394541.3A CN113839305B (zh) 2021-11-23 2021-11-23 中红外垂直腔面激光器及其制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113839305A CN113839305A (zh) 2021-12-24
CN113839305B true CN113839305B (zh) 2022-02-18

Family

ID=78971623

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111394541.3A Active CN113839305B (zh) 2021-11-23 2021-11-23 中红外垂直腔面激光器及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113839305B (zh)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1780004A (zh) * 2005-10-19 2006-05-31 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种含隧道结的垂直腔型光电子器件
JP2007299895A (ja) * 2006-04-28 2007-11-15 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子、それを備えた面発光レーザアレイ、面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを備えた電子写真システム、面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを備えた光インターコネクションシステムおよび面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを備えた光通信システム
CN101226978A (zh) * 2007-01-16 2008-07-23 株式会社东芝 发光器件
CN101356702A (zh) * 2006-08-23 2009-01-28 株式会社理光 表面发射激光器阵列、光学扫描装置及图像形成装置
CN103548220A (zh) * 2011-03-17 2014-01-29 菲尼萨公司 分解减少的具有铟INGaP势垒层和INGaAs(P)量子阱的激光器
CN109244830A (zh) * 2018-10-15 2019-01-18 南京邮电大学 内含硒化银量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法
CN110165552A (zh) * 2019-06-10 2019-08-23 厦门乾照半导体科技有限公司 一种具有高功率的vcsel芯片及其制备方法
CN112072467A (zh) * 2019-06-11 2020-12-11 全新光电科技股份有限公司 半导体雷射二极管

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030034491A1 (en) * 2001-08-14 2003-02-20 Motorola, Inc. Structure and method for fabricating semiconductor structures and devices for detecting an object
CN102364704B (zh) * 2011-03-07 2013-07-17 浙江大学 一种CdTe/PbTe中红外发光器件及其制备方法
US10714893B2 (en) * 2017-07-17 2020-07-14 Thorlabs, Inc. Mid-infrared vertical cavity laser
CN112436380B (zh) * 2020-11-19 2022-02-18 清华大学 基于范德华外延的垂直腔面发射激光器及其制作方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1780004A (zh) * 2005-10-19 2006-05-31 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种含隧道结的垂直腔型光电子器件
JP2007299895A (ja) * 2006-04-28 2007-11-15 Ricoh Co Ltd 面発光レーザ素子、それを備えた面発光レーザアレイ、面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを備えた電子写真システム、面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを備えた光インターコネクションシステムおよび面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを備えた光通信システム
CN101356702A (zh) * 2006-08-23 2009-01-28 株式会社理光 表面发射激光器阵列、光学扫描装置及图像形成装置
CN101226978A (zh) * 2007-01-16 2008-07-23 株式会社东芝 发光器件
CN103548220A (zh) * 2011-03-17 2014-01-29 菲尼萨公司 分解减少的具有铟INGaP势垒层和INGaAs(P)量子阱的激光器
CN109244830A (zh) * 2018-10-15 2019-01-18 南京邮电大学 内含硒化银量子点的垂直腔面发射激光器及其制备方法
CN110165552A (zh) * 2019-06-10 2019-08-23 厦门乾照半导体科技有限公司 一种具有高功率的vcsel芯片及其制备方法
CN112072467A (zh) * 2019-06-11 2020-12-11 全新光电科技股份有限公司 半导体雷射二极管

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于InAsP/InGaAsP量子阱的1.3μm垂直腔面发射激光器;劳燕锋 等;《半导体技术》;20081231;第68-71页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113839305A (zh) 2021-12-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Advances in small perovskite‐based lasers
Yang et al. High-performance deep ultraviolet photodetector based on a one-dimensional lead-free halide perovskite CsCu2I3 film with high stability
US7638345B2 (en) Method of manufacturing silicon nanowires and device comprising silicon nanowires formed by the same
Liao et al. Tunable halide perovskites for miniaturized solid‐state laser applications
US8664513B2 (en) Solar modules with enhanced efficiencies via use of spectral concentrators
Tong et al. Growth and optical properties of faceted hexagonal ZnO nanotubes
Jiang et al. Engineering green-to-blue emitting CsPbBr3 quantum-dot films with efficient ligand passivation
Zhao et al. Stable two-photon pumped amplified spontaneous emission from millimeter-sized CsPbBr3 single crystals
US9127201B2 (en) Optical devices including resonant cavity structures
US20120305061A1 (en) Transparent conductive porous nanocomposites and methods of fabrication thereof
Li et al. Stable whispering gallery mode lasing from solution‐processed formamidinium lead bromide perovskite microdisks
Jin et al. Subwavelength optical resonant cavity-induced enhancement of the near-band-edge emission from ZnO-core/SnO2-shell nanorods
Roy et al. Multicolor ultralow‐threshold random laser assisted by vertical‐graphene network
JP2013513016A (ja) 可視範囲または近赤外線範囲において光を放出する発光材料および形成方法
JP2011503893A (ja) アモルファスｉｉｉ−ｖ族半導体材料及びその製造方法
Liu et al. Optoelectronic devices based on the integration of halide perovskites with silicon-based materials
TW201913979A (zh) 具寬能隙氧化物之深紫外線感測裝置
CN108676182B (zh) 一种聚合物基功能薄膜及其制备方法
Li et al. Realizing CsPbBr3 light-emitting diode arrays based on PDMS template confined solution growth of single-crystalline perovskite
Bai et al. Lanthanide near-infrared emission and energy transfer in layered WS2/MoS2 heterostructure
Qiu et al. Room-temperature cubic perovskite thin films by three-step all-vapor conversion from PbSe to MAPbI3
Loh et al. Photoluminescent Si/SiO2 Core/Shell Quantum Dots Prepared by High-Pressure Water Vapor Annealing for Solar Concentrators, Light-Emitting Devices, and Bioimaging
Liu et al. Controllable fabrication of ZnO microspheres for whispering gallery mode microcavity
CN113839305B (zh) 中红外垂直腔面激光器及其制作方法
KR101633075B1 (ko) 3차원 플라즈모닉 나노 구조체 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant