高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，屬于光電子技術領域。將具有高反射率和反射帶寬的高對比度光柵作為反射鏡，通過微納米加工工藝集成到基橫模垂直腔面發(fā)射激光器頂部，通過高對比度光柵的高反射率對器件出射光進行反饋，對器件進行光注入，形成新型的耦合腔集成面發(fā)射激光器，實現(xiàn)器件的有效諧振腔的延長，進而壓縮基橫模垂直腔面發(fā)射激光器的光譜線寬，得到窄光譜線寬面發(fā)射激光器。低折射率支撐高對比度光柵結(jié)構(gòu)的采用，簡化上集成外腔制備難度，降低了器件加工工藝，且制備工藝為純平面工藝，可有效提高器件的成品率及可靠性，具有光譜線寬調(diào)節(jié)范圍大，壓窄效果明顯等優(yōu)勢，且設計制備簡單。
【專利說明】
高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于光電子技術領域，具體是關于一種新型集成外腔垂直腔面發(fā)射半導體激光器的設計與制作。適合于多種波長的(650nm、850nm、852nm 980nm、1064nm、1310nm和1550nm等)垂直腔面發(fā)射半導體激光器。
【背景技術】
[0002]垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-cavitysurface-emitting lasers ,VCSELs)以其低成本，低功耗，易于封裝，尚光束質(zhì)量，低電流狀態(tài)下優(yōu)異的尚速調(diào)制特性等性能優(yōu)勢，在短距離數(shù)據(jù)傳輸、光互聯(lián)、光存儲等方面有著很好的應用。然而普通VCSEL由于其多橫模激射和偏振方向不穩(wěn)定等缺點，限制了其在傳感和芯片級原子鐘微系統(tǒng)等領域中的應用。近年來，隨著光子晶體(Photonic crystal，PhC)、表面淺刻蝕(surface relief, SR)、延長諧振腔(extended cavity，EC)等技術和結(jié)構(gòu)在VCSEL器件中的應用，基橫模高功率VCSEL被成功制備[8-11 ]。此后，人們又通過改變光子晶體和表面淺刻蝕等微結(jié)構(gòu)的對稱性，解決了VCSEL的偏振不穩(wěn)定性問題，制備出偏振穩(wěn)定基橫模器件?；赩CSEL在模式和偏振控制方面的發(fā)展，結(jié)合其在高溫連續(xù)工作、低閾值電流、低功耗、易于加工與集成、光波長隨溫度漂移小等優(yōu)勢以及堿金屬原子相干布居俘獲技術的發(fā)展，VCSEL成為原子鐘，磁力計，和陀螺儀等新型原子微系統(tǒng)的核心光源。然而，目前的基橫模單偏振V C S E L的光譜線寬寬度有10MHz，限制了 VCSEL在原子傳感等微系統(tǒng)的應用，研究制備高性能VCSEL器件以滿足原子鐘等新型微系統(tǒng)應用，成為目前人們研究的熱點問題，其核心是制備窄光譜線寬VCSEL器件。對于VCSEL等半導體激光器，光譜線寬可以用C.H.Henry提出的修正Schawlow-Townes線寬公式八￥=咖外。)(311^11。)(!'(3/1^21^)2(1+€[2)給出，其中€[為線寬展寬因子，？。是單模輸出光功率，Lc為有效諧振腔長，T為諧振腔損耗，c為真空中光速，ng為群速度折射率，hv為光子能量，nsP是自發(fā)輻射因子，η。光輸出耦合效率。通過分析可以發(fā)現(xiàn)線寬展寬因子、單模出光功率、有效諧振腔長、諧振腔損耗等參數(shù)都會影響器件光譜線寬。通過合理的器件結(jié)構(gòu)設計以及高質(zhì)量外延材料的使用，減小線寬展寬因子α和諧振腔損耗Τ，降低自發(fā)輻射比例增加單模出光功率P。，達到壓窄激光器光譜線寬的目地。器件有效諧振腔長度L。作為影響VCSEL器件光譜線寬的重要因素之一，可以通過改變諧振腔長度的方式，對器件的光譜線寬進行壓窄。高對比度光柵(high contrast grating，HCG)是一種由介質(zhì)材料組成具有極高反射率和反射帶寬的亞波長光柵結(jié)構(gòu)，具有極高的反射率和反射帶寬。
[0003]基于此，本發(fā)明用高對比度光柵結(jié)構(gòu)作為外腔反射鏡，集成到基橫模器件的頂部，增加器件的有效諧振腔長度，在控制偏振及模式的基礎上，進一步壓窄器件的光譜線寬，達到對器件偏振、模式以及線寬的有效控制，制備出具有低閾值電流、偏振穩(wěn)定、基橫模、窄光譜線寬的高性能面發(fā)射激光器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明將具有高反射率和反射帶寬的高對比度光柵作為反射鏡，通過微納米加工工藝集成到基橫模垂直腔面發(fā)射激光器頂部，通過高對比度光柵的高反射率對器件出射光進行反饋，對器件進行光注入，形成新型的耦合腔集成面發(fā)射激光器，實現(xiàn)器件的有效諧振腔的延長，進而壓縮基橫模垂直腔面發(fā)射激光器的光譜線寬，得到窄光譜線寬面發(fā)射激光器。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明的集成高對比度光柵平面外腔窄線寬面發(fā)射激光器采用了全新的物理思想，采用了外延生長技術和半導體平面微納米加工工藝，對器件進行了全新的設計與制作。該器件材料利用MOCVD或MBE外延生長技術生長，具體的制作工藝如下:在襯底7上生長下DBR6、有源區(qū)5、AlQ.98GaQ.()2AS高鋁組分的氧化限制層4、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡(上DBR)3、P型歐姆接觸層2、上金屬電極(P型金屬電極)1，N型金屬電極8設置在襯底7底部，氧化孔9設置在Al0.ssGa0.0sAs高鋁組分的氧化限制層4中間位置，出光孔10設置在上金屬電極I中間位置，通過采用微納米結(jié)構(gòu)控制器件的模式和偏振特性，制備出基橫模偏振穩(wěn)定VCSEL。
[0006]在獲得偏振穩(wěn)定基橫模VCSEL后，通過等離子體化學氣相沉積或者磁控濺射將低折射率介質(zhì)層11沉積到上金屬電極I的頂部，該低折射率介質(zhì)層11厚度為激光器激射波長的整數(shù)倍，根據(jù)器件線寬設計，如10λ。再通過磁控濺射工藝在低折射率介質(zhì)層11的頂部生長一層厚度為100nm-400nm的高對比度光柵層12，再通過電子束曝光和干涉光刻將所需的周期200nm-400nm高對比度光柵圖形制備在高對比度光柵層12上，通過干法刻蝕(感應耦合離子增強或者反應離子刻蝕)等刻蝕工藝，將其圖形轉(zhuǎn)移到高對比度光柵層12上，形成高對比度光柵13，高對比度光柵13呈條形等間距均勻?qū)ΨQ布置。
[0007]通過在偏振穩(wěn)定基橫模面發(fā)射激光器頂部集成用低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵13形成光學外腔，構(gòu)成耦合腔結(jié)構(gòu)，來改善普通面發(fā)射激光器光譜線寬較大問題。低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵13位于器件出光孔10的頂部，通過平面工藝制備，由低折射率介質(zhì)材料繞著高折射率材料構(gòu)成，具有極高反射率和反射帶寬，其反射率和反射帶寬通過襯底折射率、光柵周期、占空比、刻蝕深度、形貌等多種因素進行調(diào)節(jié)。相對于傳統(tǒng)的集成耦合外腔結(jié)構(gòu)，具有加工工藝簡單、易于制備、調(diào)節(jié)范圍大、壓窄效果好等特點。
[0008]在低折射率介質(zhì)支撐層選取方面，選取折射率較低的二氧化硅和氧化鋁低折射率材料，根據(jù)需求和波長設計進行選擇。在高對比度光柵層12材料選取方面，對于不同的波長需要進行不同選擇，對于激射波長I微米以上的激光器選擇硅作為高折射率介質(zhì)材料，對于激射波長大于870nm的器件，也選擇GaAs材料(考慮GaAs的吸收峰)，而對于波長小于870nm器件，則選擇T12等高折射率材料或者其他高折射率材料，其厚度需要與低折射率介質(zhì)層進行匹配，一般厚度在200-400nm。高對比度光柵13的周期小于激光器激射波長，其中，980nm器件的光柵周期在360-440nm，占空比在0.4-0.7左右。
[0009]高對比度光柵13具體制作通過利用電子束曝光(EBL)技術將設計好的圖形直寫在電子束膠上。再通過顯影將電子束膠上得到如圖2中所示的高對比度光柵13圖形，再利用感應耦合離子刻蝕(ICP)刻蝕掉未被保護的高折射率介質(zhì)材料(如GaAs)去電子束膠得到圖2中所示高對比度光柵13圖形。除了以上制備方法外還能夠通過用干涉光刻的方法，用光刻膠掩膜制備高對比度光柵13圖形。具體步驟是依次用丙酮乙醇去離子水洗凈器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一層光刻膠、前烘堅膜、干涉光刻、顯影、后烘、ICP刻蝕、去膠，得到高對比度光柵13。
[0010]通過以上各種方法制備的低折射率支撐型高對比度光柵耦合腔面發(fā)射激光器，利用高對比度光柵13具有高反射率和反射帶寬的特性，形成光學外腔，對器件進行光反饋和注入，形成耦合外腔，進而延長器件的有效諧振腔長度Lc，實現(xiàn)光譜線寬壓窄。低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵13與VCSEL結(jié)合起來，能夠有效的壓窄VCSEL的光譜線寬，獲得高光譜質(zhì)量窄光譜線寬VCSEL芯片。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
[0012]1、低折射率支撐高對比度光柵結(jié)構(gòu)的采用，簡化上集成外腔制備難度，降低了器件加工工藝，且制備工藝為純平面工藝，可有效提高器件的成品率及可靠性。
[0013]2、新型集成耦合外腔器件通過低折射率介質(zhì)層調(diào)節(jié)器件光譜線寬，具有光譜線寬調(diào)節(jié)范圍大，壓窄效果明顯等優(yōu)勢，且設計制備簡單，是一種潛力巨大的光譜線寬調(diào)節(jié)控制方式。
【附圖說明】
[0014]下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步詳細說明
[0015]圖1、高對比度光柵耦合外腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器示意圖。
[0016]圖2、高對比度光柵結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]1、上金屬電極(P型金屬電極)，2、P型歐姆接觸層，3、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡(上DBR)，4、AlQ.98GaQ.()2AS高鋁組分的氧化限制層，5、有源區(qū)，6、周期交替生長的下分布布拉格反射鏡(下DBR )，7、襯底，8、N型金屬電極，9、氧化孔，1、出光孔，11、低折射率介質(zhì)層，12、高對比度光柵層，13、高對比度光柵。
【具體實施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖1-2和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0019]為達到上述目的，本發(fā)明的集成高對比度光柵平面外腔窄線寬面發(fā)射激光器采用了全新的物理思想，采用了外延生長技術和半導體平面微納米加工工藝，對器件進行了全新的設計與制作。該器件材料利用MOCVD或MBE外延生長技術生長，具體的制作工藝如下:在襯底7上生長下DBR6、有源區(qū)5、AlQ.98GaQ.()2AS高鋁組分的氧化限制層4、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡(上DBR)3、P型歐姆接觸層2、上金屬電極(P型金屬電極)1，N型金屬電極8設置在襯底7底部，氧化孔9設置在Al0.ssGa0.0sAs高鋁組分的氧化限制層4中間位置，出光孔10設置在上金屬電極I中間位置，通過采用微納米結(jié)構(gòu)控制器件的模式和偏振特性，制備出基橫模偏振穩(wěn)定VCSEL。
[0020]在獲得偏振穩(wěn)定基橫模VCSEL后，通過等離子體化學氣相沉積或者磁控濺射將低折射率介質(zhì)層11沉積到上金屬電極I的頂部，該低折射率介質(zhì)層11厚度為激光器激射波長的整數(shù)倍，根據(jù)器件線寬設計，如ιολ。再通過磁控濺射工藝在低折射率介質(zhì)層11的頂部生長一層厚度為100nm-400nm的高對比度光柵層12，再通過電子束曝光和干涉光刻將所需的周期200nm-400nm高對比度光柵圖形制備在高對比度光柵層12上，通過干法刻蝕(感應耦合離子增強或者反應離子刻蝕)等刻蝕工藝，將其圖形轉(zhuǎn)移到高對比度光柵層12上，形成高對比度光柵13，高對比度光柵13呈條形等間距均勻?qū)ΨQ布置。
[0021]通過在偏振穩(wěn)定基橫模面發(fā)射激光器頂部集成用低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵13形成光學外腔，構(gòu)成耦合腔結(jié)構(gòu)，來改善普通面發(fā)射激光器光譜線寬較大問題。低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵13位于器件出光孔10的頂部，通過平面工藝制備，由低折射率介質(zhì)材料繞著高折射率材料構(gòu)成，具有極高反射率和反射帶寬，其反射率和反射帶寬通過襯底折射率、光柵周期、占空比、刻蝕深度、形貌等多種因素進行調(diào)節(jié)。相對于傳統(tǒng)的集成耦合外腔結(jié)構(gòu)，具有加工工藝簡單、易于制備、調(diào)節(jié)范圍大、壓窄效果好等特點。
[0022]在低折射率介質(zhì)支撐層選取方面，選取折射率較低的二氧化硅和氧化鋁低折射率材料，根據(jù)需求和波長設計進行選擇。在高對比度光柵層12材料選取方面，對于不同的波長需要進行不同選擇，對于激射波長I微米以上的激光器選擇硅作為高折射率介質(zhì)材料，對于激射波長大于870nm的器件，也選擇GaAs材料(考慮GaAs的吸收峰)，而對于波長小于870nm器件，則選擇T12等高折射率材料或者其他高折射率材料，其厚度需要與低折射率介質(zhì)層進行匹配，一般厚度在200-400nm。高對比度光柵13的周期小于激光器激射波長，其中，980nm器件的光柵周期在360-440nm，占空比在0.4-0.7左右。
[0023]高對比度光柵13具體制作通過利用電子束曝光(EBL)技術將設計好的圖形直寫在電子束膠上。再通過顯影將電子束膠上得到如圖2中所示的高對比度光柵13圖形，再利用感應耦合離子刻蝕(ICP)刻蝕掉未被保護的高折射率介質(zhì)材料(如GaAs)去電子束膠得到圖2中所示高對比度光柵13圖形。除了以上制備方法外還能夠通過用干涉光刻的方法，用光刻膠掩膜制備高對比度光柵13圖形。具體步驟是依次用丙酮乙醇去離子水洗凈器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一層光刻膠、前烘堅膜、干涉光刻、顯影、后烘、ICP刻蝕、去膠，得到高對比度光柵13。
[0024]通過以上各種方法制備的低折射率支撐型高對比度光柵耦合腔面發(fā)射激光器，利用高對比度光柵13具有高反射率和反射帶寬的特性，形成光學外腔，對器件進行光反饋和注入，形成耦合外腔，進而延長器件的有效諧振腔長度Lc，實現(xiàn)光譜線寬壓窄。低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵13與VCSEL結(jié)合起來，能夠有效的壓窄VCSEL的光譜線寬，獲得高光譜質(zhì)量窄光譜線寬VCSEL芯片。
【主權項】
1.高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，其特征在于:本激光器采用了外延生長技術和半導體平面微納米加工工藝，對器件進行了全新的設計與制作；該激光器材料利用MOCVD或MBE外延生長技術生長，具體的制作工藝如下:在襯底(7)上生長下DBR(6)、有源區(qū)(5)、Al0.98GaQ.()2AS高鋁組分的氧化限制層(4)、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡(3)、P型歐姆接觸層(2)、上金屬電極(I)，N型金屬電極(8)設置在襯底(7)底部，氧化孔(9)設置在Al0.ssGa0.0sAs高鋁組分的氧化限制層⑷中間位置，出光孔(10)設置在上金屬電極(I)中間位置，通過采用微納米結(jié)構(gòu)控制器件的模式和偏振特性，制備出基橫模偏振穩(wěn)定VCSEL； 在獲得偏振穩(wěn)定基橫模VCSEL后，通過等離子體化學氣相沉積或者磁控濺射將低折射率介質(zhì)層(11)沉積到上金屬電極(I)的頂部，該低折射率介質(zhì)層(11)厚度為激光器激射波長的整數(shù)倍;再通過磁控濺射工藝在低折射率介質(zhì)層(11)的頂部生長一層厚度為10nm-400nm的高對比度光柵層(12)，再通過電子束曝光和干涉光刻將所需的周期200nm_400nm高對比度光柵圖形制備在高對比度光柵層(12)上，通過干法刻蝕等刻蝕工藝，將其圖形轉(zhuǎn)移到高對比度光柵層(12)上，形成高對比度光柵(13)，高對比度光柵(13)呈條形等間距均勻?qū)ΨQ布置。2.根據(jù)權利要求1所述的高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，其特征在于:通過在偏振穩(wěn)定基橫模面發(fā)射激光器頂部集成用低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵(13)形成光學外腔，構(gòu)成耦合腔結(jié)構(gòu)，來改善普通面發(fā)射激光器光譜線寬較大問題;低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵(13)位于器件出光孔(10)的頂部，通過平面工藝制備，由低折射率介質(zhì)材料繞著高折射率材料構(gòu)成。3.根據(jù)權利要求1所述的高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，其特征在于:在低折射率介質(zhì)支撐層選取方面，選取折射率較低的二氧化硅和氧化鋁低折射率材料，根據(jù)需求和波長設計進行選擇;在高對比度光柵層(12)材料選取方面，對于不同的波長需要進行不同選擇，對于激射波長I微米以上的激光器選擇硅作為高折射率介質(zhì)材料，對于激射波長大于870nm的器件，也選擇GaAs材料，而對于波長小于870nm器件，則選擇Ti02等高折射率材料或者其他高折射率材料，其厚度需要與低折射率介質(zhì)層進行匹配，厚度在200-400nm;高對比度光柵(13)的周期小于激光器激射波長，其中，980nm器件的光柵周期在360-440咖，占空比在0.4-0.7左右。4.根據(jù)權利要求1所述的高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，其特征在于:高對比度光柵(13)具體制作通過利用電子束曝光技術將設計好的圖形直寫在電子束膠上；再通過顯影將電子束膠上得到高對比度光柵(13)圖形，再利用感應耦合離子刻蝕刻蝕掉未被保護的高折射率介質(zhì)材料去電子束膠得到高對比度光柵(13)圖形;除了以上制備方法外還能夠通過用干涉光刻的方法，用光刻膠掩膜制備高對比度光柵(13)圖形。5.根據(jù)權利要求4所述的高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，其特征在于:用光刻膠掩膜制備高對比度光柵(13)圖形的具體步驟是依次用丙酮乙醇去離子水洗凈器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一層光刻膠、前烘堅膜、干涉光刻、顯影、后烘、ICP刻蝕、去膠，得到高對比度光柵(13)。6.根據(jù)權利要求1所述的高對比度光柵耦合腔窄光譜線寬面發(fā)射激光器，其特征在于:通過以上各種方法制備的低折射率支撐型高對比度光柵耦合腔面發(fā)射激光器，利用高對比度光柵(13)具有高反射率和反射帶寬的特性，形成光學外腔，對器件進行光反饋和注入，形成耦合外腔，進而延長器件的有效諧振腔長度Lc，實現(xiàn)光譜線寬壓窄;低折射率介質(zhì)支撐的高對比度光柵(13)與VCSEL結(jié)合起來，能夠有效的壓窄VCSEL的光譜線寬，獲得高光譜質(zhì)量窄光譜線寬VCSEL芯片。
【文檔編號】H01S5/183GK106058642SQ201610500581
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】解意洋, 徐晨, 王秋華, 荀孟, 潘冠中, 董毅博, 安亞寧
【申請人】北京工業(yè)大學