表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器及其制備方法
【專利摘要】表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器及其制備方法，屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域。包括垂直腔面發(fā)射激光器、帶有取向膜的ITO玻璃和液晶盒。垂直腔面發(fā)射激光器從下到上為：N型背面電極、GaAs襯底、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的下DBR、有源區(qū)、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的上DBR，上DBR為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，臺(tái)上中心位置從下到上是調(diào)諧電極、取向膜，臺(tái)上邊緣及臺(tái)下部分從下往上為：SiO2絕緣層、P型注入電極和襯墊。帶有取向膜的ITO玻璃結(jié)構(gòu)從下到上依次為取向膜、調(diào)諧電極和玻璃。液晶盒中貯存有液晶。本發(fā)明通過(guò)改變調(diào)諧電壓或者襯底溫度來(lái)改變液晶層的折射率，引起上反射鏡反射率的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出光偏振狀態(tài)的控制。
【專利說(shuō)明】表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器，屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，涉及一種新型偏振控制垂直腔面發(fā)射激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]垂直腔面發(fā)射激光器具有單縱模，閾值低，易與光纖耦合，可形成二維陣列，便于在線測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，必將在目前快速發(fā)展的光通信、光互聯(lián)、氣體探測(cè)和光譜分析等領(lǐng)域有著非常重要而廣泛的應(yīng)用。然而，與邊發(fā)射激光器不同，沿GaAs襯底(100)面外延生長(zhǎng)得到的VCSEL激光器輸出光束具有沿[I I O]和[I I O]內(nèi)個(gè)方向垂直的線偏振基態(tài)，由于VCSEL對(duì)稱的幾何結(jié)構(gòu)和有源區(qū)增益的弱各向異性，偏振狀態(tài)會(huì)隨著溫度、注入電流以及波長(zhǎng)的改變，在上述兩個(gè)正交方向間進(jìn)行隨機(jī)轉(zhuǎn)換。VCSEL輸出光的偏振不穩(wěn)定會(huì)極大地增大光通信時(shí)的誤碼率，降低光譜測(cè)量精度，增大氣體探測(cè)誤差。
[0003]目前，控制垂直腔面發(fā)射激光器偏振穩(wěn)定的方法主要有“非對(duì)稱電流注入法”、“非對(duì)稱氧化孔徑法”、“選擇性外延法”、“高對(duì)比度光柵法”和“彎曲薄膜反射鏡法”等。然而，這些技術(shù)和結(jié)構(gòu)僅依賴于偏振增益各向異性，且對(duì)溫度比較敏感，而且實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)上述方法往往導(dǎo)致非?？量痰耐庋由L(zhǎng)條件和工作溫度參數(shù)。因此，我們需要發(fā)明一種新的偏振控制方式來(lái)解決上述的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)改變調(diào)諧電壓或者環(huán)境溫度來(lái)控制激光器輸出光的偏振模式。
[0005]本發(fā)明的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器，如圖1所示，該器件結(jié)構(gòu)包括垂直腔面發(fā)射激光器，帶有取向膜的ITO玻璃和液晶盒三部分，其中，垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)從下到上依次為:N型背面電極(12)、底部GaAs襯底(11)、6&48/^16&48交替生長(zhǎng)的下081?(10)、有源區(qū)(9)、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的上DBR(8)，其中，上DBR(8)為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的凸出部位中含有氧化限制層(13)，所述的氧化限制層(13)平行上DBR(S)臺(tái)面，氧化限制層
(13)四周氧化而中心未氧化，中心未氧化部分形成出光孔；氧化限制層(13)位于凸出部位的某一位置，其上和其下均為上DBR(8)中交替生長(zhǎng)的GaAs/AlGaAs ;iDBR(8)凸出部位的中心位置上為調(diào)諧電極(2)，調(diào)諧電極(2)正對(duì)且大于氧化限制層(13)的出光孔，上DBR(8)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的上臺(tái)面除調(diào)諧電極(2)外、側(cè)面、下臺(tái)面均為保持凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的Si02絕緣層(7)，Si02絕緣層(7)的下臺(tái)面、側(cè)面及上臺(tái)面自內(nèi)而外依次均為P型注入電極(6)和襯墊(4)，其中P型注入電極(6)搭接在調(diào)諧電極(2)上，P型注入電極(6)和襯墊(4)在調(diào)諧電極
(2)上方的位置均為缺失部分，缺失部分正對(duì)且大于上DBR(S)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的出光孔，在P型注入電極(6)缺失部位的調(diào)諧電極(2)上為取向膜(3)，P型注入電極(6)和襯墊(4)的缺失部分與取向膜(3)構(gòu)成槽體；在槽體與襯墊(4)的正上面為帶有取向膜的ITO玻璃結(jié)構(gòu)，槽體成為液晶盒，帶有取向膜的ITO玻璃結(jié)構(gòu)從下到上依次為:取向膜、調(diào)諧電極和玻璃。[0006]液晶盒由垂直腔面發(fā)射激光器和帶有取向膜的ITO玻璃通過(guò)襯墊(4)鍵合而成，液晶盒中貯存有液晶(5)，利用液晶的電控、溫控折射率特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器偏振特性的控制；本發(fā)明適用于GaAs材料系的短波長(zhǎng)激光光源。
[0007]本發(fā)明中在襯墊(4)處留有液晶注入口和排氣口，采用毛細(xì)技術(shù)將液晶注入到液晶盒內(nèi)。
[0008]本發(fā)明還提供一種表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，包括以下步驟:
[0009](I)在襯底(11)上依次外延生長(zhǎng)下DBR (10)、有源區(qū)(9)、含有未被氧化的氧化限制層(13)的上DBR(8) (P型DBR)，將得到的外延片光刻出圓形臺(tái)階，用DBR腐蝕液腐蝕出臺(tái)面，直到在豎直側(cè)壁露出未被氧化的氧化限制層(13);利用高溫氧化爐對(duì)氧化限制層(13)四周進(jìn)行橫向氧化，中間不氧化部分形成出光孔；
[0010](2 )用PECVD在步驟(I)得到的外延片上淀積Si02絕緣層(7 )，光刻、腐蝕出直徑大于出光孔的圓形缺失部分；
[0011](3)用PECVD淀積透明導(dǎo)電層(ΙΤ0)，厚度比Si02絕緣層(7)薄，光刻、腐蝕出臺(tái)面獲得調(diào)諧電極(2);
[0012](4)濺射Ti/Au，光刻、腐蝕，被腐蝕掉的臺(tái)上中央圓形部分直徑大小處于Si02絕緣層(7)缺失部分的直徑和出光孔直徑之間，得到P型注入電極(6)；
[0013](5)在襯底(11)背面濺射Au/Ge/Ni/Au，得到N型背面電極(12)；
[0014](6)在上DBR(S)上的調(diào)諧電極(2)上用勻膠機(jī)正面旋涂取向膜材料，取向膜材料厚度比P型注入電極(6 )薄，利用線性偏振紫外光聚合技術(shù)獲得取向膜(3 );
[0015](7)用勻膠機(jī)在P型注入電極(6)的部分正面旋涂襯墊材料，光刻后襯墊材料的側(cè)壁應(yīng)當(dāng)與P型注入電極(6)在豎直方向上一致，最后獲得的支撐液晶盒的襯墊(4)，襯墊(4)留有液晶注入口和空氣排出口；
[0016](8)用PECVD在玻璃(I)上淀積透明導(dǎo)電層(ITO)獲得調(diào)諧電極；在調(diào)諧電極正面用勻膠機(jī)旋涂取向膜材料，利用線性偏振紫外光聚合技術(shù)獲得取向膜；
[0017](9)將步驟(8)的調(diào)諧電極蓋合在步驟(9)的襯墊(4)上，此時(shí)垂直腔面發(fā)射激光器和帶有取向膜的ITO玻璃鍵合，形成液晶盒；
[0018]利用毛細(xì)技術(shù)，將液晶(5)注入到液晶注入口，封閉液晶注入口及空氣排出口以完成器件制作。
[0019]本發(fā)明器件包括垂直腔面發(fā)射激光器、帶有取向膜的ITO玻璃和液晶盒。垂直腔面發(fā)射激光器從下到上為:N型背面電極、GaAs襯底、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的下DBR、有源區(qū)、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的上DBR，上DBR為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，臺(tái)上中心位置從下到上是調(diào)諧電極、取向膜，臺(tái)上邊緣及臺(tái)下部分從下往上為:Si02絕緣層、P型注入電極和襯墊。帶有取向膜的ITO玻璃結(jié)構(gòu)從下到上依次為:取向膜、調(diào)諧電極和玻璃。液晶盒由垂直腔面發(fā)射激光器和帶有取向膜的ITO玻璃通過(guò)襯墊鍵合而成，液晶盒中貯存有液晶。本發(fā)明通過(guò)改變調(diào)諧電壓或者襯底溫度來(lái)改變液晶層的折射率，進(jìn)而引起上反射鏡反射率的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出光偏振狀態(tài)的控制。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1:本發(fā)明的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器截面結(jié)構(gòu)示意圖；[0021]圖2:表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器光刻出的凸臺(tái)示意圖；
[0022]圖3:器件氧化限制層進(jìn)行橫向氧化形成出光孔示意圖；
[0023]圖4:生長(zhǎng)SiO2絕緣層并光刻后示意圖；
[0024]圖5:生長(zhǎng)ITO后示意圖；
[0025]圖6:溉射Ti/Au制作P型注入電極并光刻后示意圖；
[0026]圖7:制備η型背面電極示意圖；
[0027]圖8:垂直腔面發(fā)射激光器上制備取向膜后示意圖；
[0028]圖9:旋涂襯墊材料并光刻襯墊示意圖；
[0029]圖10:玻璃上生長(zhǎng)ITO后示意圖；
[0030]圖11:ΙΤ0玻璃上制備取向膜后示意圖；
[0031]圖12:將垂直腔面發(fā)射激光器和玻璃鍵合后示意圖；
[0032]圖13:液晶注入并封口后不意圖；
[0033]圖14:溫度相關(guān)表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器偏振特性測(cè)試圖[(a) 273K無(wú)液晶涂覆(d)273K有液晶涂覆；(b)293K無(wú)液晶涂覆(e)293K有液晶涂覆；(c)313K無(wú)液晶涂覆(f)313K有液晶涂覆]。
[0034]圖1中:1、玻璃2、調(diào)諧電極3、取向膜4、襯墊5、液晶6、P型注入電極7、Si02絕緣層8、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的上DBR9、有源區(qū)10、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的下DBRl1、底部GaAs襯底12、N型背面電極。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0036]實(shí)施例1
[0037]本發(fā)實(shí)施例的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。下面結(jié)合圖2-圖13分別介紹實(shí)現(xiàn)表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器制備方法；
[0038]步驟1、在η型摻雜GaAs襯底11上依次外延生長(zhǎng)34對(duì)η型摻雜Alai2Gaa88As與η型摻雜Ala9GaaiAs構(gòu)成下DBR反射鏡10，3對(duì)GaAs/Ala 3GaQ.7As量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)9，20對(duì)P型摻雜Alai2Gaa88As與P型摻雜Ala9GaaiAs構(gòu)成上DBR反射鏡8，其中含有未被氧化的氧化限制Ala98Gaatl2As層13 ;
[0039]步驟2、將上面得到的外延片，光刻出圓形臺(tái)階，用DBR腐蝕液腐蝕出臺(tái)面，直到在豎直側(cè)壁露出Ala98Gaatl2As氧化限制層13 ；
[0040]步驟3、利用高溫氧化爐在400°C爐溫條件下對(duì)器件氧化限制層13進(jìn)行橫向氧化約37分鐘，形成圓形出光孔，其中，出光孔為氧化限制層13中未被氧化的部分；
[0041]步驟4、用PECVD在經(jīng)過(guò)以上步驟3的工藝后的外延片上淀積厚度為450nm的SiO2絕緣層7，光刻、腐蝕出直徑大于出光孔的圓形部分；
[0042]步驟5、用PECVD淀積厚度為300nm的透明導(dǎo)電層(ΙΤ0)，光刻、腐蝕出臺(tái)面獲得調(diào)諧電極2 ；
[0043]步驟6、濺射厚度為315nm的Ti/Au，光刻并用Ti/Au腐蝕液腐蝕，被腐蝕掉的臺(tái)上中央圓形部分直徑大小應(yīng)當(dāng)處于SiO2絕緣層7被腐蝕掉的圓形部分直徑和出光孔直徑之間，制備出P型注入電極6;[0044]步驟7、在襯底11上，即器件背面，濺射厚度為350nm的Au/Ge/Ni/Au，制得N型背面電極12 ；
[0045]步驟8、用勻膠機(jī)正面旋涂取向膜材料，取向膜材料厚度應(yīng)當(dāng)比P型注入電極6薄，用線性偏振紫外光聚合技術(shù)(LPP)處理，獲得取向膜3 ；
[0046]步驟9、用勻膠機(jī)正面旋涂襯墊材料，光刻后襯墊材料的側(cè)壁應(yīng)當(dāng)與P型注入電極6在豎直方向上一致，最后獲得的支撐液晶盒的襯墊4應(yīng)當(dāng)留有液晶注入口和空氣排出口 ；
[0047]步驟10、用PECVD在玻璃I上淀積厚度為300nm的透明導(dǎo)電層(ΙΤ0)，獲得調(diào)諧電極2 ;
[0048]步驟11、正面用勻膠機(jī)旋涂取向膜材料，用線性偏振紫外光(LPP)技術(shù)，照射獲得取向膜3 ;
[0049]步驟12、將做完上述工藝的垂直腔面發(fā)射激光器和帶有取向膜的ITO玻璃鍵合，形成液晶盒；
[0050]步驟13、在制作好的器件中會(huì)留有液晶盒的液晶注入口和空氣排出口，利用毛細(xì)技術(shù)，將液晶5注入到液晶注入口，封閉液晶注入口及空氣排出口以完成器件制作。
[0051]圖14給出了溫度相關(guān)表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器偏振特性測(cè)試圖，對(duì)比圖14(a)和(d)為無(wú)液晶涂覆。涂覆液晶后VCSEL的正交偏振態(tài)第一跳變點(diǎn)處的注入電流值為1.72mA,比無(wú)液晶VCSEL的第一跳變點(diǎn)處的注入電流值減小0.48mA。當(dāng)溫度為273K時(shí)，在第一個(gè)偏振跳變點(diǎn)和第二個(gè)偏振跳變點(diǎn)之間的電流值Λ I為3.6mA,比無(wú)液晶時(shí)VCSEL的Λ I增大了 1.25倍(如圖14(a) (d)所示)；當(dāng)溫度為293K時(shí)，Λ I增大為4.4mA,比無(wú)液晶時(shí)VCSEL的增大了 I倍(如圖14(b) (e)所示)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至313K時(shí)(如圖14(c)(f)所示)，已經(jīng)不能觀察到明顯的第一跳變點(diǎn)，但是在第二跳變點(diǎn)前雙穩(wěn)態(tài)下的兩線偏振光的光功率差ΛΡ明顯變大，例如3mA時(shí)，光功率差由133.6 μ W增加到了 248.8 μ W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明經(jīng)過(guò)上述制備工藝獲得的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器能夠?qū)崿F(xiàn)溫度對(duì)器件偏振特性的控制。
【權(quán)利要求】
1.表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該器件結(jié)構(gòu)包括垂直腔面發(fā)射激光器，帶有取向膜的ITO玻璃和液晶盒三部分，其中，垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)從下到上依次為:N型背面電極(12)、底部GaAs襯底(11)、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的下DBR(IO)、有源區(qū)(9)、GaAs/AlGaAs交替生長(zhǎng)的上DBR (8)，其中，上DBR (8)為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的凸出部位中含有氧化限制層(13)，所述的氧化限制層(13)平行上DBR(S)臺(tái)面，氧化限制層(13)四周氧化而中心未氧化，中心未氧化部分形成出光孔；上DBR(8)凸出部位的中心位置上為調(diào)諧電極(2)，調(diào)諧電極(2)正對(duì)且大于氧化限制層(13)的出光孔，上DBR(S)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的上臺(tái)面除調(diào)諧電極(2)外、側(cè)面、下臺(tái)面均為保持凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的SiO2絕緣層(7)，SiO2絕緣層(7)的下臺(tái)面、側(cè)面及上臺(tái)面自內(nèi)而外依次均為P型注入電極(6)和襯墊(4)，其中P型注入電極(6)搭接在調(diào)諧電極(2)上，P型注入電極(6)和襯墊(4)在調(diào)諧電極(2)上方的位置均為缺失部分，缺失部分正對(duì)且大于上DBR(8)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的出光孔，在P型注入電極(6)缺失部位的調(diào)諧電極(2)上為取向膜(3)，P型注入電極(6)和襯墊(4)的缺失部分與取向膜(3)構(gòu)成槽體；在槽體與襯墊(4)的正上面為帶有取向膜的ITO玻璃結(jié)構(gòu)，槽體成為液晶盒，帶有取向膜的ITO玻璃結(jié)構(gòu)從下到上依次為:取向膜、調(diào)諧電極和玻璃；液晶盒中貯存有液晶(5)。
2.按照權(quán)利要求1的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，氧化限制層(13)位于凸出部位的某一位置，其上和其下均為上DBR (8)中交替生長(zhǎng)的GaAs/AlGaAs。
3.權(quán)利要求1或2的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器用于GaAs材料系的短波長(zhǎng)激光光源。
4.制備權(quán)利要求1或2的表面液晶-垂直腔面發(fā)射激光器的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在襯底(11)上依次外延生長(zhǎng)下DBR`(10)、有源區(qū)(9)、含有未被氧化的氧化限制層(13)的上DBR(8)，將得到的外延片光刻出圓形臺(tái)階，用DBR腐蝕液腐蝕出臺(tái)面，直到在豎直側(cè)壁露出未被氧化的氧化限制層(1`3);利用高溫氧化爐對(duì)氧化限制層(13)四周進(jìn)行橫向氧化，中間不氧化部分形成出光孔； (2)用PECVD在步驟(1)得到的外延片上淀積SiO2絕緣層(7)，光刻、腐蝕出直徑大于出光孔的圓形缺失部分； (3)用PECVD淀積透明導(dǎo)電層(ΙΤ0)，厚度比SiO2絕緣層(7)薄，光刻、腐蝕出臺(tái)面獲得調(diào)諧電極(2); (4)濺射Ti/Au，光刻、腐蝕，被腐蝕掉的臺(tái)上中央圓形部分直徑大小處于Si02絕緣層(7)缺失部分的直徑和出光孔直徑之間，得到P型注入電極(6)； (5)在襯底(11)背面濺射Au/Ge/Ni/Au，得到N型背面電極(12); (6)在上DBR(8)上的調(diào)諧電極(2)上用勻膠機(jī)正面旋涂取向膜材料，取向膜材料厚度比P型注入電極(6 )薄，利用線性偏振紫外光聚合技術(shù)獲得取向膜(3 ); (7)用勻膠機(jī)在P型注入電極(6)的部分正面旋涂襯墊材料，光刻后襯墊材料的側(cè)壁應(yīng)當(dāng)與P型注入電極(6)在豎直方向上一致，最后獲得的支撐液晶盒的襯墊(4)，襯墊(4)留有液晶注入口和空氣排出口； (8)用PECVD在玻璃(I)上淀積透明導(dǎo)電層(ITO)獲得調(diào)諧電極；在調(diào)諧電極正面用勻膠機(jī)旋涂取向膜材料，利用線性偏振紫外光聚合技術(shù)獲得取向膜；(9)將步驟(8)的調(diào)諧電極蓋合在步驟(9)的襯墊(4)上，此時(shí)垂直腔面發(fā)射激光器和帶有取向膜的ITO玻璃鍵合，形成液晶盒； 利 用毛細(xì)技術(shù)，將液晶(5)注入到液晶注入口，封閉液晶注入口及空氣排出口以完成器件制作。
【文檔編號(hào)】H01S5/062GK103618211SQ201310577046
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】關(guān)寶璐, 王強(qiáng), 劉欣, 江孝偉, 馬昀驊 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)