具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器的製作方法

2023-07-12 23:13:21 1

專利名稱：具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體光電子學技術領域，具體涉及具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器。
背景技術：
自從日本東京エ業大學的伊賀健ー(Kenichi Iga)於1977年提出垂直腔面發射雷射器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VC SEL)這一新型半導體雷射器設計方案以來，經過三十餘年的發展，VCSEL成為了獨立於半導體邊發射雷射器(Edge EmittingLasers, EEL)的一種實用化的半導體雷射器件。目前，VCSEL已經廣泛應用於光互連、光通 信、雷射顯示、雷射引信、晶片級原子鐘以及光信號處理等許多領域。電泵外腔垂直腔面發射雷射器(EP-VECSEL)的基本結構與普通VCSEL非常接近，區別僅在於外部光學元件的引入。研究者提出這ー設計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的光束質量。EP-VECSEL的研究工作始於1993年，Hadley等人使用了ー種具有33對P-DBR及7對N-DBR的VCSEL結構，對應反射率分別為99. 7%及86%。在低反射率DBR的一側加上反射鏡提供額外的反饋使器件激射，並通過控制反射鏡的反射率、鏡形及腔長來控制腔內模式的增益，最終研製出的EP-VECSEL 口徑為100 μ m，輸出波長為980nm，在TEMOO模式下連續及脈衝輸出功率分別達到2. 4mW及100mW。同年他們又研製出外腔結構與器件自成一體(或者也可以稱為「單片集成」)的980nm EP-VECSEL，基模連續及脈衝輸出功率分別為2mW及36. 7mW。美國的Novalux公司於2003年報導了輸出波長為980nm的單管EP-VECSEL器件，基橫模連續輸出功率達到O. 5W，並通過腔內倍頻實現了紅、綠、藍三基色基橫模式輸出。在此基礎上，他們開發出具有不同集成度及不同輸出功率水平的ニ維集成三基色EP-VECSEL面陣，以滿足雷射顯示、生物醫學研究等領域的應用需求。至此，EP-VECSEL已經從實驗室走向實用化。在進行VECSEL腔內倍頻實現藍、綠光輸出時，基頻光偏振特性對倍頻效率影響很大。由於VCSEL有著圓形有源區和較小的材料差異，其輸出通常落在兩個正交線性偏振光的某一方向，即X或I偏振模式。當注入電流或溫度等條件變化時輸出常伴隨有偏振開關效應。光纖通信中，VECSEL複雜的偏振特性，將嚴重期間使用質量，探討如何利用光反饋來控制VECSEL輸出的偏振態也顯得非常必要。除此之外，引入偏振自由度後VECSEL在光注入和光同步等方面表現出很多新的特性，輸出動態更加豐富。

發明內容
本發明目的是對雷射光束兩個偏振方向的光進行偏振選擇，對激射光束進行發散角的壓縮從而實現控制其模式。為實現上述目的，本發明的技術方案為具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器，由上至下依次為N面電極、襯底、緩衝層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層，所述襯底上表面中間區製作出半導體光柵，襯底上表面兩端生長N面電極，所述P型分布布拉格反射鏡組上生長歐姆接觸層，所述歐姆接觸層中間區生長金屬層，在金屬層上製作出金屬光柵，有源區至歐姆接觸層的兩側生長鈍化層，鈍化層外側生長P面電極。本發明的有益效果是在P型分布布拉格發射鏡組表面生長並刻蝕亞波長金屬光柵，與P型分布布拉格反射鏡組和N型分布布拉格反射鏡組構成複合腔提供非均勻增益，來實現偏振的選擇控制；通過半導體高密度光柵進一歩壓縮發散角提高光束質量，從而實現了高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器的模式控制。


圖I是本發明具有模式控制結構的高功率EP-VCSEL的結構示意圖；圖2中a為電流密度分布平面圖，b為有源區電流密度分布曲線；圖3中a為沒有光柵結構的功率曲線，b為本發明的器件功率曲線。 I、N面電極，2、襯底，3、緩衝層，4、N型分布布拉格反射鏡組，5、有源區，6、氧化限制層，7、P型分布布拉格反射鏡組，8、歐姆接觸層，9、半導體光柵，10、金屬光柵，11、鈍化層，12、P面電極，13、外腔鏡。
具體實施例方式VECSEL最大的特點是諧振腔是由外延生長形成，與器件的有源區自成一體，本發明的器件機構主體VCSEL部分是由MOCVD—次生長而成，具體的生長順序為由上至下。在N型摻雜GaAs襯底2上首先生長ー層GaAs的緩衝層3，目的是整個結構能夠更緊湊更堅固的生長在襯底2上。在緩衝層3上生長N型分布布拉格反射鏡組4，生長方式為高低折射率交替生長，目的是通過高低折射率的突變提供比較高的反射率，摻雜方式為漸變調製摻雜，此方式摻雜的目的是儘量減小高低折射率層的能帶的突變以減小串聯電阻為目的。在N型分布布拉格反射鏡組4上面生長ー層上空間層，其目的為收容載流子和構成ー個光學波長長度的腔長；在上空間層上生長增益介質層即三個量子阱層，阱層和壘層交替生長，並使其位置處於光學駐波的波峰上以提供最大的増益，増益介質層處於光學腔的中心；在増益介質層上面生長ー層與上空間層對稱的下空間層，其目的與上空間層相同，其中上、下空間層與増益介質層合成為有源區5。在有源區5上面生長ー層氧化限制層6，目的是通過側氧化提供載流子的注入孔徑和限制光波導的作用。在氧化限制層6上繼續生長P型分布布拉格反射鏡組7，生長方式與摻雜方式如同N型分布布拉格反射鏡組4，與N型分布布拉格反射鏡4組構成雷射器的諧振腔的兩個高反射鏡。歐姆接觸層8生長在P型分布布拉格反射鏡組7上，目的是歐姆接觸層8與P面電極12接觸以提供載流子的注入通道。生長完的wafer通過微波等離子清洗機處理表面，然後進行光刻，目的是實現大口徑高功率的雷射輸出，因此設計的光刻版為250 μ πΓ650 μ m 口徑的光刻版，周期為1mm。光刻用膠AZ1518做掩膜腐蝕臺面，邊腐蝕邊用臺階儀測量厚度，腐蝕深度在過有源區和沒過有源區輸出特性不一樣，腐蝕深度過有源區的器件結構有個更穩定的輸出特性和更好的光束質量，因此腐蝕深度一定要過有源區5。露出的氧化限制層6在410°C的水蒸氣和在N2的保護下進行側氧化，側氧化時間不宜過長，氧化深度為30 μ m為宜。生長Si02做鈍化層11防止電流的洩露，由於N型分布布拉格反射鏡組4隻有二十對腐蝕深度不是太深，因此生長180nmSi02，太厚的Si02應カ會非常大合金時很容易因為溫度的劇變而斷裂。光刻腐蝕掉窗ロ的Si02，為了獲得更好的光束質量的雷射，設計小的P面電極12以提供更均勻的電流注入而又不至於讓功率下降的太多，設計100μπΓ500μπι 口徑的光刻版，周期為5mm，用負膠2020做掩膜腐蝕掉Si02，生長TiAu作為P面電極12。製作N面電極I的主要步驟稱為雙面對準光刻，主要過程為用4330膠做掩膜勻膠兩次做倒梯型，膠的厚度控制在3 μ πΓ4 μ m,太薄則容易導致lift-offエ藝失敗，電子書蒸發生長AuGeNi厚度控制在I μ m左右，Lift-off之後剝離出出光窗ロ生長增透膜以提高輸出光的出射功率。在P面臺面的歐姆接觸層8上生長金屬層，在金屬層上製做金屬光柵10，光柵脊的方向平行於[110]晶向。在N面出光窗ロ側直接幹刻高密度半導體光柵9,半導體光柵9方向平行於金屬光柵10方向。 歐姆接觸層8表面的金屬光柵10用Si02做掩膜用等離子刻蝕機直接刻蝕而成，金屬條的方向平行於[110]方向，以提高電矢量平行[110]方向的偏振光的増益，實現非均勻增益的引入從而控制偏振的方向。在N面出光窗ロ側直接幹刻高密度半導體光柵9進ー步壓縮光束質量。外腔鏡13位於出光口上方，外腔鏡13由特製的支架固定在T0-46管殼上。為了研究光柵所引入的電流注入的不均勻性而引起的電流分布的不均勻性，通過多物理場有限元分析軟體(comsol multiphysic)進行模擬分析電流密度分布，模擬過程中假設整個雷射器為單層結構，整個結構的電導率各向異性分別為(2. 761e3, 2. 761e3, 4. 454e2) (Q.m)-1。通過模擬計算得到結果，如圖2所示，由圖a可以得到器件平面的電流密度分布，很明顯在光柵條下的區域中，電流密度明顯高於光柵條之間的區域。為了更直觀的得到電流密度分布的不均勻性的證據，在模型底端選取五個周期的區域作為研究對象計算其電流密度的值，從而得到圖b，從中可以計算出光柵條下方區域的電流密度值與光柵條直接區域的電流密度值具有很大的差別。從而為引入各向異性增益提供了證據。如圖3所示，圖a為沒有光柵結構的VECSEL的出光功率-電流-電壓曲線，圖b為本發明的VECSEL的出光功率-電流-電壓曲線，很明顯，具有光柵結構的VECSEL出射光具有明顯的偏振選擇性，而且其偏振比達到5左右。
權利要求
1.具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器，由上至下依次為N面電極(I)、襯底(2)、緩衝層(3)、N型分布布拉格反射鏡組(4)、有源區(5)、氧化限制層(6)、P型分布布拉格反射鏡組(7)和歐姆接觸層(8)，其特徵在於，所述襯底(2)上表面中間區製作出半導體光柵(9)，襯底(2)上表面兩端生長N面電極(1)，所述P型分布布拉格反射鏡組(7)上生長歐姆接觸層(8)，所述歐姆接觸層(8)中間區生長金屬層，在金屬層上製作出金屬光柵(10)，有源區(5)至歐姆接觸層(8)的兩側生長鈍化層(11)，鈍化層(11)外側生長P面電極(12)。
2.根據權利要求I所述的具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述有源區(5)具有上、下兩層空間層和增益介質層，所述上空間層生長在N面分布布拉格反射鏡組(4)上，在上空間層上生長增益介質層，在增益介質層上生長下空間層。
全文摘要
具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器，屬於半導體光電子學技術領域，為對雷射兩個偏振方向的光進行偏振選擇，對激射光束進行發散角的壓縮，本發明提供具有模式控制結構的高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器，由上至下依次為N面電極、襯底、緩衝層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層，襯底上表面中間區製作出半導體光柵，襯底上表面兩端生長N面電極，P型分布布拉格反射鏡組上生長歐姆接觸層，歐姆接觸層中間區生長金屬層，在金屬層上製作出金屬光柵，有源區至歐姆接觸層的兩側生長鈍化層，鈍化層外側生長P面電極，實現了高功率電泵外腔垂直腔面發射雷射器的模式控制。
文檔編號H01S5/183GK102664347SQ20121013568
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月4日 優先權日2012年5月4日
發明者劉雲, 寧永強, 張祥偉, 王立軍, 秦莉 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所