基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器的制作方法

1.本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(简称：vcsel)自问世以来，经历了快速的发展，它具有许多边发射激光器难以比肩的优点，垂直腔面发射激光器凭借其体积小、阈值电流低、转换功率高和可片级测试等优点在最近几年里快速占领半导体激光器市场，在光通信、传感和原子钟等领域发挥着重要作用。
3.目前的vcsel由于其材质以及制备工艺的影响，垂直腔面发射激光器的多模现象比较严重，直到湿法氧化工艺在vcsel制备中的应用，vcsel的激射模式才得到了很大的提升，但由于氧化技术的不成熟及工艺过程中不稳定等各种因素，氧化孔大小及形状的控制依旧是个难题。
4.另外，由于垂直腔面发射激光器的谐振腔和增益介质在有源层平面是各向同性的，而且垂直腔面发射激光器内部没有强大的选择机制来确定一个特定的偏振方向，这就导致垂直腔面发射激光器不能输出稳定的偏振光，这为其应用带来了不良影响。


技术实现要素：

5.为此，本发明实施例提供一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，以解决现有技术存在的氧化孔大小及形状的难以控制以及垂直腔面发射激光器不能输出稳定的偏振光的问题。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
7.一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，由下至上依次包括gaas基倾斜衬底、n型金属欧姆接触层、下层dbr、有源区、上层dbr和p型金属欧姆接触层，所述下层dbr、所述有源区、所述上层dbr和所述p型金属欧姆接触层刻为两条呈轴对称的c形弧线封闭形成的谐振腔，所述谐振腔周围和所述垂直腔面发射激光器顶部镀有p型电极，所述垂直腔面发射激光器底部在所述gaas基倾斜衬底上生长n型电极，所述谐振腔外围通过二氧化硅层包覆。
8.进一步的，所述p型电极和所述n型电极通过磁控溅射工艺生长。
9.进一步的，所述gaas基倾斜衬底为倾斜生长的gaas衬底。
10.进一步的，所述谐振腔顶部的所述p型电极环宽为4微米。
11.进一步的，所述谐振腔采用干法刻蚀工艺制备。
12.进一步的，所述垂直腔面发射激光器底部在所述gaas基倾斜衬底上生长n型电极之前，先对所述gaas基倾斜衬底减薄抛光。
13.进一步的，所述gaas基倾斜衬底减薄的厚度为80～100微米。
14.进一步的，所述二氧化硅层上开有电极窗口。
15.进一步的，采用湿法腐蚀在所述二氧化硅层上开电极窗口。
16.进一步的，所述n型金属欧姆接触层和所述下层dbr之间设有氧化限制层，所述氧化限制层采用高温湿法氧化工艺形成氧化限制孔。
17.本发明至少具有以下有益效果：本发明提供了一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，由下至上依次包括gaas基倾斜衬底、n型金属欧姆接触层、下层dbr、有源区、上层dbr和p型金属欧姆接触层，下层dbr、有源区、上层dbr和p型金属欧姆接触层刻为葫芦形谐振腔，谐振腔周围和垂直腔面发射激光器顶部镀有p型电极，垂直腔面发射激光器底部在gaas基倾斜衬底上生长n型电极，谐振腔外围通过二氧化硅层包覆。本发明提供的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器通过改变衬底结构和激光器台面结构，从而优化激光器的偏振特性和模式特性。
附图说明
18.为了更清楚地说明现有技术以及本发明，下面将对现有技术以及本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的附图。
19.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
20.图1为本发明实施例提供的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器立体结构示意图；
21.图2为本发明实施例提供的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器剖面结构示意图；
22.图3为本发明实施例提供的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器平面结构示意图。
23.附图标记说明：
24.1-谐振腔；2-p型电极。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)旨在区别指代的对象。对于具有时序流程的方案，这种术语表述方式不必理解为描述特定的顺序或先后次序，对于装置结构的方案，这种术语表述方式也不存在对重要程度、位置关系的区分等。
27.此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例
如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。
28.垂直腔面发射激光器偏振特性和模式特性受激光器的几何结构、外延层材料的物理特性、微纳工艺等因素的影响且目前用于芯片级原子钟的vcsel的偏振模式可以通过采用倾斜衬底生长的外延片制备垂直腔面发射激光器。通常垂直腔面发射激光器都是以(100)晶面为衬底的。相应的(100)以外还有高指数衬底及和(hkl)面相比角度稍微有些偏移的off衬底，这种倾斜衬底在平面内方向的结晶结构非对称，这使得内部能带结构发生变化，倾斜衬底上的应变量子阱比(100)衬底发生更高的非均匀光学增益，从而进行偏振控制。另外考虑到氧化限制层在做湿法氧化时氧化速率在各方向上略有不同，最终导致得到的氧化孔非理想圆形，为改善激光器的氧化孔形状，采用葫芦形台面补偿来获取圆形氧化限制孔。
29.具体为，请参阅图1至图3，本发明的实施例提供一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，由下至上依次包括gaas基倾斜衬底、n型金属欧姆接触层、下层dbr、有源区、上层dbr和p型金属欧姆接触层，下层dbr、有源区、上层dbr和p型金属欧姆接触层刻为两条呈轴对称的c形弧线封闭形成的谐振腔1，两条呈轴对称的c形弧线封闭形成的谐振腔1类似于葫芦形，谐振腔1周围和垂直腔面发射激光器顶部镀有p型电极2，谐振腔1周围的p型电极2为葫芦形，环宽为4微米；垂直腔面发射激光器底部在gaas基倾斜衬底上生长n型电极，谐振腔1外围通过二氧化硅层包覆，利用湿法腐蚀在二氧化硅层上开电极窗口，通过磁控溅射工艺生长垂直腔面发射激光器顶部的p型电极2在谐振腔1左侧，垂直腔面发射激光器底部通过磁控溅射工艺在减薄后的gaas基倾斜衬底上生长n型电极，p型电极2和n型电极均为金属电极。本发明提供的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，改善了激光器边摸抑制比的激光器结构，改善了激光器的偏振态输出特性，使得稳定输出偏振光，弥补了现有技术的不足。
30.垂直腔面发射激光器芯片外延生长时采用倾斜衬底生长，倾斜衬底在平面内方向的结晶结构非对称，外延片内部能带结构因此发生变化，使得外延生长的量子阱具有更高的非均匀光学增益，从而改善垂直腔面发射激光器的偏振特性。
31.谐振腔1采用干法刻蚀工艺制备，通过微纳加工中的光刻显影技术，将设计好的谐振腔1图案从掩模版转移到光刻胶上，在经过干法刻蚀技术将光刻胶上的图形转移到基片上。刻蚀深度通常刻蚀到下层第三、四对dbr，以保证氧化限制层完全暴露出来，为后面的湿法氧化工艺做准备。
32.氧化限制层经过高温湿法氧化工艺形成一定尺寸的氧化限制孔，对垂直腔面发射激光器内部的光和电进行横向限制，通过改变垂直腔面发射激光器的谐振腔1形状，然后进行多次氧化测试，确定每一阶段湿法氧化工艺的氧化速率，优化氧化参数，实现对圆形氧化孔径的精准控制。
33.二氧化硅包覆层作为绝缘介质沉积在芯片表面，通过光刻、湿法腐蚀，将谐振腔1台面上的二氧化硅去掉，将p型电极2和出光孔暴露出来，以便后期沉积pad电极。
34.n型电极沉积在片子背面，在沉积金属之前要先对gaas基倾斜衬底减薄抛光，一方面方便后期解理，一方面降低器件电阻，减薄厚度控制在80～100微米之间，减薄抛光后在
沉积n型电极，然后退火。
35.本发明利用倾斜衬底生长的垂直腔面发射激光器外延片，提高激光器量子阱的非均匀光学增益，改善激光器的偏振特性，实现偏振态稳定输出。采用葫芦形台面谐振腔，改善了不同方向氧化速率不同使得氧化孔不规则的情况，优化了激光器的湿法氧化工艺，获得小圆形氧化孔，实现激光器单模输出。
36.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合(只要这些技术特征的组合不存在矛盾)，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述；这些未明确写出的实施例，也都应当认为是本说明书记载的范围。
37.上文中通过一般性说明及具体实施例对本发明作了较为具体和详细的描述。应当指出的是，在不脱离本发明构思的前提下，显然还可以对这些具体实施例作出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，由下至上依次包括gaas基倾斜衬底、n型金属欧姆接触层、下层dbr、有源区、上层dbr和p型金属欧姆接触层，所述下层dbr、所述有源区、所述上层dbr和所述p型金属欧姆接触层刻为两条呈轴对称的c形弧线封闭形成的谐振腔，所述谐振腔周围和所述垂直腔面发射激光器顶部镀有p型电极，所述垂直腔面发射激光器底部在所述gaas基倾斜衬底上生长n型电极，所述谐振腔外围通过二氧化硅层包覆。2.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述p型电极和所述n型电极通过磁控溅射工艺生长。3.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述gaas基倾斜衬底为倾斜生长的gaas衬底。4.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述谐振腔顶部的所述p型电极环宽为4微米。5.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述谐振腔采用干法刻蚀工艺制备。6.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器底部在所述gaas基倾斜衬底上生长n型电极之前，先对所述gaas基倾斜衬底减薄抛光。7.根据权利要求6所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述gaas基倾斜衬底减薄的厚度为80～100微米。8.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述二氧化硅层上开有电极窗口。9.根据权利要求8所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，采用湿法腐蚀在所述二氧化硅层上开电极窗口。10.根据权利要求1所述的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述n型金属欧姆接触层和所述下层dbr之间设有氧化限制层，所述氧化限制层采用高温湿法氧化工艺形成氧化限制孔。

技术总结
本发明公开了一种基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器，由下至上依次包括GaAs基倾斜衬底、N型金属欧姆接触层、下层DBR、有源区、上层DBR和P型金属欧姆接触层，下层DBR、有源区、上层DBR和P型金属欧姆接触层刻为葫芦形谐振腔，谐振腔周围和垂直腔面发射激光器顶部镀有P型电极，垂直腔面发射激光器底部在GaAs基倾斜衬底上生长N型电极，谐振腔外围通过二氧化硅层包覆。本发明提供的基于倾斜衬底新型台面的垂直腔面发射激光器通过改变衬底结构和激光器台面结构，从而优化激光器的偏振特性和模式特性。和模式特性。和模式特性。


技术研发人员：孟红玲 贾晓卫
受保护的技术使用者：中科启迪光电子科技（广州）有限公司
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25