CN114336286B - 一种基于二维超表面的垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器及其制作方法，涉及半导体技术领域，具体属于一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器及其制作方法。包括沿中心轴方向依次设置的衬底、第一分布式布拉格反射镜组、第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层、第二N型电极层、第二分布式布拉格反射镜组和周期排列的纳米单元超表面，第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层通过刻蚀形成第一圆柱形台体，第二分布式布拉格反射镜组通过刻蚀形成第二圆柱形台体，本发明具有实现对入射电磁波的相位延迟，提高偏振转换效率的积极效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体属于一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器由于单纵模、输出圆形光斑、低功耗、低成本等特点，使其应用越来越广泛。
长期以来，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)在材料生长与制备技术方面不断发展，为新型垂直腔面发射激光器的应用开辟了广阔的前景。InP材料新型垂直腔面发射激光器面临着设计、材料生长和制备难度高的问题，无法在1550纳米至1860纳米波长范围内实现低阈值电流、单纵模、低功耗工作。因此，如何提出一种工作波长为1550纳米至1860纳米的新型垂直腔面发射激光器，拓宽垂直腔面发射激光器在传感、通信等领域的应用成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器及其制作方法，以达到实现对入射电磁波的相位延迟，提高偏振转换效率的目的。
本发明所提供的一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括沿中心轴方向依次设置的衬底、第一分布式布拉格反射镜组、第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层、第二N型电极层、第二分布式布拉格反射镜组和周期排列的纳米单元超表面，所述的第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层通过刻蚀形成第一圆柱形台体，第二分布式布拉格反射镜组通过刻蚀形成第二圆柱形台体，在第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间设置有N电极层；在第一圆柱形台体底部与衬底之间设置有P电极层。
进一步的，近第一N型电极层的第一分布式布拉格反射镜组、P电极层以及衬底为共平面的布置方式；近第二N型电极层的第二分布式布拉格反射镜组以及N电极层为共平面的布置方式，其中，P电极层的布置厚度远低于第一分布式布拉格反射镜组的布置厚度；N电极层的布置厚度远低于第二分布式布拉格反射镜组的布置厚度。
进一步的，第一分布式布拉格反射镜组包括至少3对由CaF2和α-Si材料层叠排列构成的分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为30纳米；第二分布式布拉格反射镜组包括至少5对由CaF2和α-Si材料层叠排列构成的分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为41纳米。
进一步的，第一N型电极层、第二N型电极层均采用N型InP材料制作，厚度为2.2微米。
进一步的，埋地隧道结采用绝缘物质制作，厚度为3.5微米，包层P型电极层采用含铝量20％的P型Al0.2Ga0.8As掺杂材料制作，厚度为200纳米；纳米单元超表面为采用硅材料制作U型结构体，厚度为380纳米；衬底1采用Au材料制作，厚度为300纳米。
进一步的，有源层包括2-4个量子阱结构。
本发明所提供的一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
在衬底上生长第一分布式布拉格反射镜组；
在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一N型电极层；
在第一N型电极层上生长埋地隧道结；
在埋地隧道结上生长包层P型电极层；
在包层P型电极层上生长有源层；
在有源层上生长第二N型电极层；
对第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层进行刻蚀形成第一圆柱形台体，第一圆柱形台体底部与衬底之间布设P电极层；
在第二N型电极层上生长第二分布式布拉格反射镜组，对第二分布式布拉格反射镜组进行刻蚀形成第二圆柱形台体，第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间布设N电极层；
在第二分布式布拉格反射镜组上生长周期排列的纳米单元超表面，对周期排列的纳米单元超表面进行刻蚀，形成U型纳米阵列。
进一步的，在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一圆柱形台体之前，将第一分布式布拉格反射镜组的上侧面刻蚀光滑；在第一圆柱形台体上生长第二圆柱形台体之前，将第一圆柱形台体的上台面刻蚀光滑。
本发明所提供的一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器及其制作方法，利用U型纳米单元中多重类波导-等效谐振腔共振模式与体磁共振模式，实现了高效、宽带的透射光谱性能。由于所设计颗粒尺寸小，且存在较高的占空比，这样因材料本身引起的损耗就能够大大降低，且自身的二维平面结构在工艺上具有易实现、易集成的优点。另外，本发明能够通过调节纳米单元的参数，可以对入射电磁波实现任意角度、宽范围的偏振态转换，从而具有有效提高偏振转换效率的积极效果。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明的俯视图。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明所提供的一种基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器，主要是由衬底1、第一分布式布拉格反射镜组2、第一N型电极层3、埋地隧道结4、包层P型电极层5、有源层6、第二N型电极层7、第二分布式布拉格反射镜组8和周期排列的纳米单元超表面9以及P电极层11、N电极层10。具体地，衬底、第一分布式布拉格反射镜组、第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层、第二N型电极层、第二分布式布拉格反射镜组和周期排列的纳米单元超表面沿中心轴方向自下而上依次设置。其中，第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层通过刻蚀形成第一圆柱形台体，第二分布式布拉格反射镜组通过刻蚀形成第二圆柱形台体，在第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间设置有N电极层；在第一圆柱形台体底部与衬底之间设置有P电极层。
在本发明的实施例中，第一分布式布拉格反射镜组包括至少3对由CaF2和α-Si材料层叠排列构成的分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为30纳米；第二分布式布拉格反射镜组包括至少5对由CaF2和α-Si两种不同折射率的材料层叠排列构成的分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为41纳米。第一N型电极层、第二N型电极层均采用N型InP材料制作，厚度为2.2微米。埋地隧道结采用绝缘物质制作，厚度为3.5微米，包层P型电极层采用含铝量20％的P型Al0.2Ga0.8As掺杂材料制作，厚度为200纳米；纳米单元超表面为采用硅材料制作的U型结构体，厚度为380纳米；衬底1采用Au材料制作，厚度为300纳米有源层包括2-4个量子阱结构。
本发明还提供了一种基于二维基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器的制作方法，具体包括以下制作过程：
在衬底上生长第一分布式布拉格反射镜组；
在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一N型电极层；
在第一N型电极层上生长埋地隧道结；
在埋地隧道结上生长包层P型电极层；
在包层P型电极层上生长有源层；
在有源层上生长第二N型电极层；
对第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层通过低压等离子体增强化学气相沉积法进行刻蚀，形成第一圆柱形台体，第一圆柱形台体底部与衬底之间布设P电极层；
在第二N型电极层上生长第二分布式布拉格反射镜组，对第二分布式布拉格反射镜组通过低压等离子体增强化学气相沉积法进行刻蚀，形成第二圆柱形台体，第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间布设N电极层；在第二分布式布拉格反射镜组上生长周期排列的纳米单元超表面，对周期排列的纳米单元超表面进行刻蚀，形成U型纳米阵列。
下面以制作一个本发明提供的基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器过程为例，对本发明的基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器的制作过程做进一步的描述说明。
步骤一、在衬底上生长第一分布式布拉格反射镜组，第一分布式布拉格反射镜组包括至少3对分布式布拉格反射镜。分布式布拉格反射镜是由CaF2和α-Si两种不同折射率的材料层叠排列构成，包括一层CaF2和一层α-Si，每层材料的光学厚度为30纳米，以实现本发明的垂直腔面发射激光器中心波长可以为1651纳米。
步骤二、在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一N型电极层，第一N型电极层由N型InP材料组成，厚度为2.2微米。
步骤三、在第一N型电极层上生长埋地隧道结，埋地隧道结是由绝缘材料组成，厚度为3.5μm。
步骤四、在埋地隧道结上生长包层P型电极层，包层P型电极层是由P型掺杂材料组成，厚度为200纳米。
步骤五、在包层P型电极层上生长有源层，所述有源层是由2至4个量子阱组成，厚度为300纳米。
步骤六、在有源层上生长第二N型电极层，第二N型电极层是由N型InP材料组成，厚度为250纳米。
步骤七、在第二N型电极层上生长第二分布式布拉格反射镜组，第二分布式布拉格反射镜组包括至少5对分布式布拉格反射镜。分布式布拉格反射镜是由CaF2和ZnS两种不同折射率的材料层叠排列构成，包括一层CaF2和一层ZnS，每层材料的光学厚度为41纳米，以实现垂直腔面发射激光器中心波长可以为1651纳米。
步骤八、对第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层，通过低压等离子体刻蚀方法进行刻蚀，制作出第一圆柱形台体，第一圆柱形台体位于第一分布式布拉格反射镜组上，在第一圆柱形台体底部与衬底之间布设P电极层。
步骤九、在形成第二分布式布拉格反射镜组后，采用等离子体增强化学气相沉积法进行刻蚀，制作出第二圆柱形台体，第二圆柱形台体位于第一圆柱形台体上，第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间布设N电极层。
步骤十、在第二分布式布拉格反射镜组上生长周期排列的纳米单元超表面，周期排列的纳米单元超表面由硅材料组成，厚度为380纳米。对周期排列的纳米单元超表面进行刻蚀，形成U型纳米阵列。
另外，在上述对本发明描述的基础上，优选地，在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一圆柱形台体之前，将第一分布式布拉格反射镜组的上侧面刻蚀光滑。具体地，在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一圆柱形台体之前，可以采用等离子体干法刻蚀工艺对第一分布式布拉格反射镜组的上侧面进行刻蚀，使第一分布式布拉格反射镜组生长第一圆柱形台体的上侧面表面刻蚀光滑，例如，刻蚀后的第一分布式布拉格反射镜表面的均方根粗糙度小于1纳米。其中，在干法刻蚀时使用SiCl4/Ar/H2气体。同理，在第一圆柱形台体上生长第二圆柱形台体之前，可以采用等离子体干法刻蚀工艺对第一圆柱形的上台面进行刻蚀，使第一圆柱形台体生长第二圆柱形台体的上台面刻蚀光滑。
本发明提供的基于二维超表面的新型垂直腔面发射激光器，在1550纳米至1650纳米的工作波长下，有源区生长了2至4个量子阱，获得了低透明载流子密度和增加的微分增益，产生了更低的阈值电流；增加了埋地隧道结，保证了更高的单模输出功率；引入折射率为2.2的第二分布式布拉格反射镜组和折射率为0.95的第一分布式布拉格反射镜组，大大降低光场对反射镜的穿透深度，进而与周期排列的U型纳米单元超表面相结合，从而能够控制入射电磁波的相位延迟，达到对偏振态的调控和转换。另外，利用U型纳米单元中多重类波导-等效谐振腔共振模式与体磁共振模式，实现了高效、宽带的透射光谱性能。本装置由于所设计颗粒尺寸小，且存在较高的占空比，这样因材料本身引起的损耗就能够大大降低，且自身的二维平面结构在工艺上具有易实现、易集成的优点。本发明能够通过调节纳米单元的参数，可以对入射电磁波实现任意角度、宽范围的偏振态转换，从而有效提高偏振转换效率。
Claims (1)
1.一种基于二维超表面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括沿中心轴方向依次设置的衬底、第一分布式布拉格反射镜组、第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层、第二N型电极层、第二分布式布拉格反射镜组和周期排列的纳米单元超表面，所述的第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层通过刻蚀形成第一圆柱形台体，第二分布式布拉格反射镜组通过刻蚀形成第二圆柱形台体，在第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间设置有N电极层；在第一圆柱形台体底部与衬底之间设置有P电极层；
近第一N型电极层的第一分布式布拉格反射镜组、P电极层以及衬底为共平面的布置方式；近第二N型电极层的第二分布式布拉格反射镜组以及N电极层为共平面的布置方式，其中，P电极层的布置厚度低于第一分布式布拉格反射镜组的布置厚度；N电极层的布置厚度低于第二分布式布拉格反射镜组的布置厚度；
第一分布式布拉格反射镜组包括至少3对由CaF2和α-Si材料层叠排列构成的分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为30纳米；
第二分布式布拉格反射镜组包括至少5对由CaF2和α-Si材料层叠排列构成的分布式布拉格反射镜，每层材料的光学厚度为41纳米；
第一N型电极层、第二N型电极层均采用N型InP材料制作，厚度为2.2微米；
埋地隧道结采用绝缘物质制作，厚度为3.5微米，包层P型电极层采用含铝量20％的P型Al0.2Ga0.8As掺杂材料制作，厚度为200纳米；纳米单元超表面为采用硅材料制作U型结构体，厚度为380纳米；衬底1采用Au材料制作，厚度为300纳米；
有源层包括2-4个量子阱结构；
其中，基于二维超表面的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括以下过程：
在衬底上生长第一分布式布拉格反射镜组；
在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一N型电极层；
在第一N型电极层上生长埋地隧道结；
在埋地隧道结上生长包层P型电极层；
在包层P型电极层上生长有源层；
在有源层上生长第二N型电极层；
对第一N型电极层、埋地隧道结、包层P型电极层、有源层和第二N型电极层进行刻蚀形成第一圆柱形台体，第一圆柱形台体底部与衬底之间布设P电极层；
在第二N型电极层上生长第二分布式布拉格反射镜组，对第二分布式布拉格反射镜组进行刻蚀形成第二圆柱形台体，第二N型电极层上部与第二圆柱形台体的柱体外表面之间布设N电极层；
在第二分布式布拉格反射镜组上生长周期排列的纳米单元超表面，对周期排列的纳米单元超表面进行刻蚀，形成U型纳米阵列；
在第一分布式布拉格反射镜组上生长第一圆柱形台体之前，将第一分布式布拉格反射镜组的上侧面刻蚀光滑；在第一圆柱形台体上生长第二圆柱形台体之前，将第一圆柱形台体的上台面刻蚀光滑；第二分布式布拉格反射镜组的折射率为2.2；第一分布式布拉格反射镜组的折射率为0.95。
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