專利名稱：一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有模式控制結(jié)構(gòu)的，垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法。
背景技術(shù)：
自從日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一(Kenichi Iga)于1977年提出垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)這一新型半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)方案以來(lái)，經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展，VCSEL成為了獨(dú)立于半導(dǎo)體邊發(fā)射激光器(Edge EmittingLasers, EEL)的一種實(shí)用化的半導(dǎo)體激光器件。目前，VCSEL已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光互連、光通信、激光顯示、激光引信、芯片級(jí)原子鐘以及光信號(hào)處理等許多領(lǐng)域。EP-VECSEL的基本結(jié)構(gòu)與普通VCSEL非常接近，區(qū)別僅在于外部光學(xué)元件的引入。研究者提出這一設(shè)計(jì)方案的最初目的就是為了提高VCSEL的單模功率，改善大口徑VCSEL 的光束質(zhì)量。EP-VECSEL的研究工作始于1993年，Hadley等人使用了一種具有33對(duì)P-DBR及7對(duì)N-DBR的VCSEL結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)反射率分別為99. 7%及86%。在低反射率DBR的一側(cè)加上反射鏡提供額外的反饋使器件激射，并通過(guò)控制反射鏡的反射率、鏡形及腔長(zhǎng)來(lái)控制腔內(nèi)模式的增益，最終研制出的EP-VECSEL 口徑為100 μ m，輸出波長(zhǎng)為980nm，在TEMOO模式下連續(xù)及脈沖輸出功率分別達(dá)到2. 4mff及100mW。同年他們又研制出外腔結(jié)構(gòu)與器件自成一體(或者也可以稱為“單片集成”)的980nm EP-VECSEL，基模連續(xù)及脈沖輸出功率分別為2mW及36. 7mW。美國(guó)的Novalux公司于2003年報(bào)道了輸出波長(zhǎng)為980nm的單管EP-VECSEL器件，基橫模連續(xù)輸出功率達(dá)到O. 5W，并通過(guò)腔內(nèi)倍頻實(shí)現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)三基色基橫模式輸出。在此基礎(chǔ)上，他們開(kāi)發(fā)出具有不同集成度及不同輸出功率水平的二維集成三基色EP-VECSEL面陣，以滿足激光顯示、生物醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。至此，EP-VECSEL已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没Ｔ谶M(jìn)行VECSEL腔內(nèi)倍頻實(shí)現(xiàn)藍(lán)、綠光輸出時(shí)，基頻光偏振特性對(duì)倍頻效率影響很大。但是，由于VCSEL有著圓形有源區(qū)和較小的材料差異，其輸出通常落在兩個(gè)正交線性偏振光的某一方向，即X或y偏振模式。當(dāng)注入電流或溫度等條件變化時(shí)輸出常伴隨有偏振開(kāi)關(guān)效應(yīng)。光纖通信中，VECSEL復(fù)雜的偏振特性，將嚴(yán)重影響使用質(zhì)量，探討如何利用光反饋來(lái)控制VECSEL輸出的偏振態(tài)也顯得非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的垂直腔面發(fā)射激光器具有偏振開(kāi)關(guān)效應(yīng)的缺點(diǎn)，提出一種可以穩(wěn)定激光光束兩個(gè)偏振方向，消除偏振開(kāi)關(guān)效應(yīng)的，具有模式控制結(jié)構(gòu)的，垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法的技術(shù)方案具體如下—種垂直腔面發(fā)射激光器，由上至下依次為襯底、緩沖層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區(qū)、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層；所述氧化限制層內(nèi)的載流子注入孔徑的形狀為非圓形。上述技術(shù)方案中，所述氧化限制層內(nèi)的載流子注入孔徑的形狀為由圓形的上、下兩端向內(nèi)凹陷的非圓形形狀。上述技術(shù)方案中，所述有源區(qū)包括空間層和激活區(qū)。 上述技術(shù)方案中，所述氧化限制層為AlAs層。上述技術(shù)方案中，所述有源區(qū)、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層的外側(cè)，均設(shè)有厚度為15(T200nm的二氧化硅鈍化層。
一種垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，該垂直腔面發(fā)射激光器的氧化限制層的形成包括以下步驟步驟i :通過(guò)光刻成形出圓形氧化限制層；步驟ii :在所述圓形氧化限制層上方生長(zhǎng)二氧化硅薄膜；然后光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜，露出所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域；步驟iii :對(duì)所述圓形氧化限制層進(jìn)行側(cè)氧化，由步驟ii中露出的所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域向內(nèi)凹陷的非圓形的載流子注入孔徑；步驟iv :去除掉步驟ii中形成的所述二氧化娃薄膜。上述技術(shù)方案中，所述步驟ii中露出的所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域?yàn)樯稀⑾聝啥瞬糠謪^(qū)域。上述技術(shù)方案中，在步驟i和步驟ii之間還設(shè)有步驟將所述圓形氧化限制層周?chē)膮^(qū)域腐蝕至有源區(qū)。上述技術(shù)方案中，所述步驟iii中對(duì)所述圓形氧化限制層進(jìn)行側(cè)氧化的氧化深度為8 10 μ m。上述技術(shù)方案中，所述步驟ii中，光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜后，余下的二氧化硅薄膜形成一個(gè)矩形二氧化硅保護(hù)層；該矩形二氧化硅保護(hù)層的長(zhǎng)度大于所述圓形氧化限制層的直徑，寬度小于所述圓形氧化限制層的直徑。上述技術(shù)方案中，所述步驟ii中，在所述圓形氧化限制層上方生長(zhǎng)二氧化硅薄膜的厚度為10(T250nm。本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法的有益效果是本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法，通過(guò)改變傳統(tǒng)的環(huán)形的氧化限制層結(jié)構(gòu)，把圓形的氧化層氧化成非圓形，改變電流的各向同性注入，使電流各向異性注入到有源區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互正交的偏振光的偏振控制。這種電流注入的方式可以有效的消除各向同性電流注入帶來(lái)的兩個(gè)正交偏振光的因模式競(jìng)爭(zhēng)而出現(xiàn)的偏振開(kāi)關(guān)效應(yīng)。由于各向異性電流注入使得兩個(gè)正交偏振光的增益各不相同，因而兩個(gè)偏振光的閾值電流也有一定的差別，從而可以穩(wěn)定兩個(gè)偏振光避免出現(xiàn)交替增大的現(xiàn)象。另外，本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)捷、重復(fù)性好，容易推廣。


圖I為本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器一種具體實(shí)施方式
的橫截面圖2為圖I所示具體實(shí)施方式
的平面透射圖；圖3為圖I所示具體實(shí)施方式
的非圓形載流子注入孔徑的制作步驟示意圖。圖中的附圖標(biāo)記表示為I-N面電極；2-襯底；3_緩沖層；4-N型分布布拉格反射鏡組；5_氧化限制層；61、62-空間層；7_激活區(qū)；8_鈍化層；9-P型分布布拉格反射鏡組；10_歐姆接觸層；11_載流子注入孔徑；12-P面電極。101-圓形氧化限制層；201_有源區(qū)；301_ 二氧化硅保護(hù)層；401_圓形氧化限制層101的上、下兩端部分區(qū)域；501_非圓形的載流子注入孔徑。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法的發(fā)明思想為 本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器，由上至下依次為襯底、緩沖層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區(qū)、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層；所述氧化限制層內(nèi)的載流子注入孔徑的形狀為非圓形。具體的說(shuō)，所述氧化限制層內(nèi)的載流子注入孔徑的形狀為由圓形的上、下兩端向內(nèi)凹陷的非圓形形狀。本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，該垂直腔面發(fā)射激光器的氧化限制層的形成包括以下步驟步驟i :通過(guò)光刻成形出圓形氧化限制層；步驟ii :在所述圓形氧化限制層上方生長(zhǎng)二氧化硅薄膜；然后光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜，露出所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域；步驟iii :對(duì)所述圓形氧化限制層進(jìn)行側(cè)氧化，由步驟ii中露出的所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域向內(nèi)凹陷的非圓形的載流子注入孔徑；步驟iv :去除掉步驟ii中形成的所述二氧化娃薄膜。由上述內(nèi)容可知，本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法，通過(guò)改變傳統(tǒng)的環(huán)形的氧化限制層結(jié)構(gòu)，把圓形的氧化層氧化成非圓形，改變電流的各向同性注入，使電流各向異性注入到有源區(qū)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互正交的偏振光的偏振控制。這種電流注入的方式可以有效的消除各向同性電流注入帶來(lái)的兩個(gè)正交偏振光的因模式競(jìng)爭(zhēng)而出現(xiàn)的偏振開(kāi)關(guān)效應(yīng)。由于各向異性電流注入使得兩個(gè)正交偏振光的閾值增益各不相同，因而兩個(gè)偏振光的閾值電流也有一定的差別，從而可以穩(wěn)定兩個(gè)偏振光避免出現(xiàn)交替增大的現(xiàn)象。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖I至3顯示了本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器的一種具體實(shí)施方式
。VECSEL最大的特點(diǎn)是諧振腔是由外延生長(zhǎng)形成，與器件的有源區(qū)自成一體，如圖I和2所示，本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器的器件結(jié)構(gòu)主體VCSEL部分是由MOCVD —次生長(zhǎng)而成，具體的生長(zhǎng)順序?yàn)樵谝r底2上首先生長(zhǎng)一層GaAs的緩沖層3，目的是整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠更緊湊更堅(jiān)固的生長(zhǎng)在襯底2上。在緩沖層3上生長(zhǎng)N型分布布拉格反射鏡組4，生長(zhǎng)方式為高低折射率交替生長(zhǎng)，目的是通過(guò)高低折射率的突變提供比較高的反射率，摻雜方式為漸變調(diào)制摻雜，此方式摻雜的目的是盡量減小高低折射率層的能帶的突變以減小串聯(lián)電阻為目的。在N型分布布拉格反射鏡組4上面生長(zhǎng)一層空間層61，其目的為收容載流子和與有源區(qū)構(gòu)成一個(gè)光學(xué)波長(zhǎng)長(zhǎng)度的腔長(zhǎng)。在空間層61上生長(zhǎng)三個(gè)量子阱層，阱層和壘層交替生長(zhǎng)，并使其位置處于光學(xué)駐波的波峰上以提供最大的增益，這里我們讓其處于光學(xué)腔的中心。在有源區(qū)7上面生長(zhǎng)一層與所述空間層61對(duì)稱的空間層62，其目的與上面的空間層61相同。然后生長(zhǎng)一層氧化限制層5，目的是通過(guò)側(cè)氧化提供載流子注入孔徑和限制光波導(dǎo)的作用。再然后，在氧化限制層5上繼續(xù)生長(zhǎng)P型分布布拉格反射鏡組9，生長(zhǎng)方式與摻雜方式與N型分布布拉格反射鏡組4相同。P型分布布拉格反射鏡組9與N型分布布拉格反射鏡4組構(gòu)成激光器的諧振腔的兩個(gè)高反射鏡。 再然后是歐姆接觸層10的生長(zhǎng)，目的與P面電極12接觸形成歐姆接觸，以提供載流子的注入通道。再然后，生長(zhǎng)SiO2做鈍化層8防止電流的泄露。這里由于我們的N型分布布拉格反射鏡組4只有二十對(duì)腐蝕深度不是太深，因此我們生長(zhǎng)15(T200nmSi02，太厚的SiO2應(yīng)力會(huì)非常大合金時(shí)很容易因?yàn)闇囟鹊膭∽兌鴶嗔?。再然后，光刻腐蝕掉窗口的SiO2，生長(zhǎng)TiAu材料作為P面電極12。再然后，在P面電極12上光刻出光窗口，采用的光刻板為12 μ m。最后，在N面生長(zhǎng)生長(zhǎng)AuGeNi形成N面電極I，厚度控制在Iym左右。本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器中，AlAs氧化限制層5的形成過(guò)程如圖3所示，包括步驟100-500，具體步驟為步驟100，將生長(zhǎng)完AlAs層的晶片通過(guò)微波等離子清洗機(jī)處理表面。步驟200，進(jìn)行光刻，光刻版為20μπι 口徑的光刻版，周期為300μπι。光刻用膠ΑΖ1518做掩膜腐蝕臺(tái)面，邊腐蝕邊用臺(tái)階儀測(cè)量厚度，腐蝕深度在過(guò)有源區(qū)和沒(méi)過(guò)有源區(qū)輸出特性不一樣，腐蝕深度過(guò)有源區(qū)的器件結(jié)構(gòu)有個(gè)更穩(wěn)定的輸出特性和更好的光束質(zhì)量，因此這里腐蝕深度一定要過(guò)有源區(qū)。從圖3中的步驟200示意圖，我們可以看到一層露出在AlAs圓形氧化限制層101外圍下方的環(huán)形的有源區(qū)201。步驟300，在圓形氧化限制層101上方生長(zhǎng)二氧化硅薄膜，其厚度為10(T250nm。光刻所述二氧化娃薄膜，對(duì)應(yīng)的光刻板為30*60 μ m,形成一個(gè)矩形二氧化娃保護(hù)層301,露出的圓形氧化限制層101的上、下兩端部分區(qū)域401。步驟400，在410°C的水蒸氣和在N2的保護(hù)下進(jìn)行側(cè)氧化，將露出的圓形氧化限制層101的上、下兩端部分區(qū)域401的AlAs氧化為Al2O315側(cè)氧化時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，氧化深度為8 10 μ m0步驟500，去除掉矩形的二氧化硅保護(hù)層301，在AlAs圓形氧化限制層101內(nèi)得到一個(gè)上、下兩端向內(nèi)凹陷的非圓形的載流子注入孔徑501。為了研究非圓形氧化光柵引起的電流分布的不均勻性，通過(guò)多物理場(chǎng)有限元分析軟件(comsol multiphysic)進(jìn)行模擬分析電流密度分布。通過(guò)模擬可以得到環(huán)形氧化孔徑的電流分布等電流密度線，非圓形氧化孔徑的電流分布的等電流密度線，從同種可以清楚的看到環(huán)形氧化孔徑的等電流密度線為一圈圈非常規(guī)則的圓形，電流分布在有源區(qū)沒(méi)有任何區(qū)別，這種各向同性的電流注入方式必然會(huì)引起兩偏振模式之間的模式競(jìng)爭(zhēng)?？梢钥闯鰣A形的有源區(qū)上的電流密度分布沒(méi)有一定的規(guī)則，從而打破了電流注入各向同性的缺點(diǎn)，使得電流注入各向異性，從而引入雙折射效應(yīng)。這在原理上來(lái)講，會(huì)使得兩個(gè)偏振方向的增益各向異性，結(jié)果也必然會(huì)是其中一個(gè)偏振光占主導(dǎo)地位。從而達(dá)到偏振穩(wěn)定的目的。 顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種垂直腔面發(fā)射激光器，由上至下依次為襯底、緩沖層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區(qū)、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層；其特征在于， 所述氧化限制層內(nèi)的載流子注入孔徑的形狀為非圓形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述氧化限制層內(nèi)的載流子注入孔徑的形狀為由圓形的上、下兩端向內(nèi)凹陷的非圓形形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述有源區(qū)包括空間層和激活區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述氧化限制層為AlAs 層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述有源區(qū)、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層的外側(cè)，均設(shè)有厚度為15(T200nm的二氧化硅鈍化層。
6.權(quán)利要求I所述的垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，該垂直腔面發(fā)射激光器的氧化限制層的形成包括以下步驟 步驟i :通過(guò)光刻成形出圓形氧化限制層； 步驟ii :在所述圓形氧化限制層上方生長(zhǎng)二氧化硅薄膜；然后光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜，露出所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域； 步驟iii :對(duì)所述圓形氧化限制層進(jìn)行側(cè)氧化，由步驟ii中露出的所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域向內(nèi)凹陷的非圓形的載流子注入孔徑； 步驟iv :去除掉步驟ii中形成的所述二氧化娃薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步驟ii中露出的所述圓形氧化限制層的部分區(qū)域?yàn)樯?、下兩端部分區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，在步驟i和步驟ii之間還設(shè)有步驟 將所述圓形氧化限制層周?chē)膮^(qū)域腐蝕至有源區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述步驟iii中對(duì)所述圓形氧化限制層進(jìn)行側(cè)氧化的氧化深度為8 10 u m。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述步驟ii中，光刻掉一部分所述二氧化硅薄膜后，余下的二氧化硅薄膜形成一個(gè)矩形二氧化硅保護(hù)層； 該矩形二氧化硅保護(hù)層的長(zhǎng)度大于所述圓形氧化限制層的直徑，寬度小于所述圓形氧化限制層的直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述步驟ii中，在所述圓形氧化限制層上方生長(zhǎng)二氧化硅薄膜的厚度為10(T250nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法，垂直腔面發(fā)射激光器包括n面電極、GaAs襯底、緩沖層、n型DBR層、氧化限制層、有源區(qū)、鈍化層、p型DBR層、歐姆接觸層。本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法，通過(guò)把氧化限制層通過(guò)一定工藝來(lái)把圓形的氧化層氧化成非圓形，以此來(lái)打破電流的各向同性注入，通過(guò)引入各向異性的電流注入到有源區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相互正交的偏振光的偏振控制。另外，本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)捷、重復(fù)性好，容易推廣。
文檔編號(hào)H01S5/183GK102801107SQ201210279639
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者寧永強(qiáng), 張祥偉, 秦莉, 劉云, 王立軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所