专利名称：偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子技术与微纳光机电系统技术领域，尤其涉及一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术：
波长可调谐垂直腔面发射激光器是在垂直腔面发射激光器的基础上与微纳光机电系统结构集成来改变激光器有效腔长，实现波长连续可调的发光器件。波长可调谐垂直腔面发射激光器在密集波分复用技术及全光网络中具有非常广泛的应用前景。其中，微机械可调谐垂直腔面发射激光器是在外加调谐电压作用下，采用微机械静电调谐实现波长连续输出，具有取代当前在密集波分复用中采用的固定波长半导体激光器阵列的潜力，大大降低系统成本，同时波长可调谐垂直腔面发射激光器将在未来智能光网络中发挥重要作用，此外波长可调谐垂直腔面发射激光器还可用于生物传感、气体吸收谱探测、片上光集成等领域。波长可调谐垂直腔面发射激光器在诸多应用领域中要求输出光源为稳定的单偏振光，所以研制偏振稳定输出的可调谐垂直腔面发射激光器具有重要意义。目前，垂直腔面发射激光器实现偏振稳定输出主要采用在激光器中引入各向异性的方式，如制作非对称谐振腔、特定晶向外延生长等方法。美国伯克利大学研究组报道了采用单层高对比度光栅 (HCG)代替布拉格反射镜(DBR)的可调谐垂直腔面发射激光器，对高对比度光栅的参数进行优化设计实现高反射、光束偏振稳定输出。德国达姆斯塔特工业大学报道了非对称谐振腔结构，通过改变上反射镜不同晶向的曲率，引入各向异性来实现波长调谐的偏振稳定。采用高对比度光栅控制偏振的方法，由于高对比度光栅为单层结构，厚度为百纳米量级，在湿法腐蚀释放光栅时，光栅不可避免的会遭到牺牲层腐蚀液的腐蚀而损坏，该方法增加了工艺制作难度，成品率很低。而利用反射镜不同晶向曲率实现偏振的方法，在反射镜外延时应力和曲率大小不易控制，难以实现偏振稳定、统一。因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术存在的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法，使波长可调谐垂直腔面发射激光器在波长连续调谐过程中具有波长偏振稳定输出的功能。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，采用双片集成结构，具体的在半对称激光器中，从上到下依次为亚波长光栅(6)、ρ型注入电极(5)、P型欧姆接触层(1 、PS铝砷化镓对层(15)、铝砷化镓氧化电流限制层、有源区(8)、n型铝砷化镓对层(9)、n型砷化镓衬底(1)、衬底欧姆接触电极层(11)，微机械薄膜中，调谐电极欧姆接触层(10)、调谐电极C3)交替生长19对铝砷化镓层、砷化镓层O)，构成激光器上分布反馈布拉格反射镜(DBR)微机械薄膜结构；每层铝砷化镓层、砷化镓层的厚度为波长四分之一的整数倍；薄膜下一层为镓铟磷腐蚀停层(13)、有机聚合物 (4)、砷化镓衬底(1)和空气隙(14)。
进一步地，亚波长光栅置于谐振腔内部，与内部光场强耦合，利用亚波长光栅的 “形式双折射”效应，实现偏振稳定输出。
进一步地，所采用的双片集成结构，通过二次工艺制备得到，并对激光器发光区与微机械薄膜分别进行优化。
进一步地，所述微机械薄膜部分采用背面湿法腐蚀或干法刻蚀衬底(1)的材料所得。
进一步地，所述半对称激光器部分是不包含上DBR反射镜，仅包含下DBR和有源区的非对称结构。
进一步地，所述微机械部分与半对称激光器部分是通过键和或聚合物(4)结合在一起。
进一步地，所述亚波长光栅周期为小于等于所设波长长度，在光栅入射和出射面对光波衍射级次进行控制。
本发明还提供了一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括
采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在η-砷化镓衬底上依次外延生长36对η型铝砷化镓层与η型砷化镓层构成DBR反射镜，3对GEia83Ina 17As/GaAs0.92P0.o8量子阱结构有源区，氧化限制层Ala98Giia2As层，2对P型铝砷化镓层与P型砷化镓层构成DBR 反射镜和P型欧姆接触层；
采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在η-砷化镓衬底上依次外延生长四分之一波长λ厚的镓铟磷腐蚀停层和22. 5对厚度的η型铝砷化镓层与η型砷化镓层构成DBR反射镜；
利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将22. 5对砷化镓层与铝砷化镓层构成的DBR反射镜暴露并形成薄膜图形台面结构，直到露出镓铟磷腐蚀停层；
在薄膜正面溅射Ti/Au，光刻、腐蚀出薄膜圆面出光孔，将悬臂上的Ti/Au保留；
将外延片衬底减薄，抛光、洗净，用PECVD生长二氧化硅层，旋涂型号为AZ4620的光刻胶，将薄膜台面图形与长有二氧化硅层的衬底背面通孔图形对准，进行二次光刻。腐蚀显影后暴露出来的二氧化硅层，保留未曝光的光刻胶组成二氧化硅和光刻胶的双层掩膜；
采用感应耦合等离子体刻蚀对GaAs进行通孔刻蚀；
干法通孔刻蚀完成后，用DBR腐蚀液腐蚀掉干法刻蚀过程中残余GaAs，直至腐蚀到露出GaInP腐蚀停层；
用GaInP腐蚀停层腐蚀液腐蚀掉GaInP层，释放薄膜；
将金属有机化学汽相淀积或者分子束外延生长好的发光区外延片，光刻出台阶， 用DBR腐蚀液腐蚀出台面，直到露出Ala98Giiaci2As氧化限制层侧壁；
利用高温氧化炉设备对器件氧化限制层进行横向氧化，形成注入电流限制孔径；
用PECVD在外延片上淀积厚的SiO2，光刻、腐蚀台面出光孔；
溅射Ti/Au，光亥lj、腐蚀，制备欧姆接触电极；
在发光区表面出光孔处，利用电子束直写技术对亚波长光栅参数进行曝光，显影去电子束光刻胶，然后采用感应耦合等离子体刻蚀刻蚀出亚波长光栅；在制作好的发光区表面旋涂聚合物，光刻出聚合物台面，采用自对准工艺将微机械薄膜与发光区部分进行粘和、固化，完成器件制作。进一步地，所述DBR腐蚀液是体积比为5 15 5 25的甲醇、磷酸、双氧水和
去离子水。进一步地，所述feilnP腐蚀停层腐蚀液是体积比为2 1的盐酸和去离子水。综上，本发明提供的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法，采用半导体微纳加工方法制备有效折射率各向异性的亚波长光栅，将其刻蚀在可调谐垂直腔面发射激光器的谐振腔内，内腔亚波长光栅可以等效为一定厚度的负单轴晶体，利用“形式双折射”效应，TE、TM偏振模式在谐振腔分别满足不同的F-P标具方程，两偏振模式的谐振波长分离，设计TE偏振模式波长在中心波长处，该模式比TM偏振模式需更低的阈值增益，优先激射，TM偏振模式将被抑制，从而使波长可调谐垂直腔面发射激光器在波长连续调谐过程中具有波长偏振稳定输出的功能。
图1是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的截面结构示意图；图2是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的光刻出的台面示意图；图3是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中器件氧化限制层进行横向氧化形成注入电流限制孔径示意图；图4是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中溅射Ti/Au制作P型注入电极示意图；图5是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中器件背面衬底减薄，制备底部N型电极结构示意图；图6是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中在出光孔处用电子束曝光制备亚波长光栅示意图；图7是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中微机械薄膜外延片结构示意图；图8是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中光刻出微机械薄膜图形示意图；图9是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中制备微机械薄膜调谐电极示意图；图10是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中衬底通孔后，释放薄膜示意图；图11是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中在激光器上制备聚合物台阶示意图；图12是本发明的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器中双片集成后，器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的截面结构示意图，其采用双片集成结构，具体的在半对称激光器中，从上到下依次为亚波长光栅(6)、ρ型注入电极(5)、P型欧姆接触层(12)、P型铝砷化镓对层(Al0.9Ga0.!AsZV12Ga0^8As) (15)、铝砷化镓(Al0.98Ga0.02As)氧化电流限制层(7)、有源区(Ga0.83In0.17As/GaAs0.92P0.o8)⑶、n 型铝砷化镓对层(Α10 /Α10 ) (9)、η型砷化镓衬底(GaAs) (1)、衬底欧姆接触电极层 (11)，微机械薄膜中，调谐电极欧姆接触层(10)、调谐电极(3)交替生长19对铝砷化镓层、 砷化镓层(Ala9GiiaiAsZGaAs) O)，构成激光器上分布反馈布拉格反射镜(DBR)微机械薄膜结构；每层铝砷化镓层、砷化镓层(Ala9GiiaiAsAiaAs)的厚度为波长四分之一的整数倍；薄膜下一层为镓铟磷(fe^nP)腐蚀停层(13)、砷化镓衬底(GaAs) (1)，有机聚合物台阶(4)和空气隙(14)。
下面参照图2 图12用具体的应用实例对本方案所述的方法进行具体介绍
步骤1、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延系统(MBE)在n_砷化镓衬底上依次外延生长36对η型铝砷化镓层与η型砷化镓层构成DBR反射镜，3对 Ga0.83In0.17As/GaAs0.92P0.08量子阱结构有源区，氧化限制层Ala 98Ga0.2As层，2对P型铝砷化镓层与P型砷化镓层构成DBR反射镜和ρ型欧姆接触层；
步骤2、采用金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系统在n_砷化镓衬底上依次外延生长75. 38nm的镓铟磷腐蚀停层、22. 5对厚度为四分之一波长λ的n 型铝砷化镓层与η型砷化镓层构成DBR反射镜；
步骤3、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将22. 5对砷化镓层与铝砷化镓层构成的DBR反射镜暴露并形成薄膜中心圆半径为100 μ m,悬臂长为250 μ m、宽为45 μ m 的薄膜图形台面结构，直到露出镓铟磷腐蚀停层；
步骤4、在薄膜正面溅射Ti/Au，光刻、腐蚀出薄膜圆面出光孔，将悬臂上的Ti/Au 保留；
步骤5、将外延片衬底减薄约至120 μ m，抛光、洗净，用PECVD生长1 μ m的二氧化硅层，旋涂5 μ m厚，型号为AZ4620的光刻胶，将薄膜台面图形与长有二氧化硅层的衬底背面通孔图形对准，进行二次光刻。腐蚀显影后暴露出来的二氧化硅层，保留未曝光的光刻胶组成二氧化硅和光刻胶的双层掩膜；
步骤6、采用感应耦合等离子体刻蚀Qnductively coupled Plasma-ICP)对GaAs 进行通孔刻蚀；
步骤7、干法通孔刻蚀完成后，用DBR腐蚀液(体积比为5 15 5 25的甲醇、 磷酸、双氧水、去离子水)腐蚀掉干法刻蚀过程中残余GaAs，直至腐蚀到露出GaInP腐蚀停层；
步骤8、用GaInP腐蚀停层腐蚀液(体积比为2 1的盐酸、去离子水)腐蚀掉 feilnP层，释放薄膜；
步骤9、将金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)生长好的发光区外延片，光刻出82μπιΧ82μπι台阶，用DBR腐蚀液(体积比为5 15 5 25的甲醇、磷酸、双氧水、去离子水)腐蚀出台面，直到露出Ala98Giiaci2As氧化限制层侧壁；
步骤10、利用高温氧化炉设备对器件氧化限制层进行横向氧化，形成注入电流限制孔径；
步骤11、用PECVD在外延片上淀积500nm厚的SiO2，光刻、腐蚀台面出光孔；
步骤12、溅射Ti/Au，光亥lj、腐蚀，制备欧姆接触电极；
步骤13、在激光器发光区表面出光孔处，利用电子束直写技术对亚波长光栅参数 (周期200nm、占空比0. 35、刻蚀深度130nm)进行曝光，显影去电子束光刻胶，然后采用感应耦合等离子体刻蚀anductively coupled Plasma-ICP)出亚波长光栅；
步骤14、在制作好的发光区表面旋涂聚合物，光刻出聚合物台面，采用自对准工艺将微机械薄膜与发光区部分进行粘和、固化，完成器件制作。
本发明中的亚波长光栅周期为小于等于所设波长长度，在光栅入射和出射面能够对光波衍射级次进行控制，从而避免高级次衍射损耗。
本发明中的结构属于双片集成方式，激光器与微机械薄膜分别进行优化制作，制作完成后进行粘和，微机械薄膜释放采用GaAs背孔工艺，采用干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法释放微机械薄膜，亚波长光栅采用电子束曝光、干法刻蚀制作在发光区顶部，亚波长光栅等效为一定厚度的负单轴晶体，亚波长光栅有效折射率具有各向异性，在谐振腔内产生“形式双折射”现象，造成TE偏振模式与TM偏振模式相位产生差异，满足不同的F-P标具，从而导致腔模波长不同。
本发明所述方案可广泛应用于GaAs或InP材料系的长短波长850nm、980nm、 1550nm等激光光源中。
以上对本发明所提供的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员， 依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，采用双片集成结构，具体的在半对称激光器中，从上到下依次为亚波长光栅(6)、ρ型注入电极( 、P型欧姆接触层(12)、P型铝砷化镓对层(15)、铝砷化镓氧化电流限制层(7)、有源区(8)、n型铝砷化镓对层(9)、η型砷化镓衬底(1)、衬底欧姆接触电极层(11)，微机械薄膜中，调谐电极欧姆接触层(10)、调谐电极C3)交替生长19对铝砷化镓层、砷化镓层O)，构成激光器上分布反馈布拉格反射镜(DBR)微机械薄膜结构；每层铝砷化镓层、砷化镓层的厚度为波长四分之一的整数倍；薄膜下一层为镓铟磷腐蚀停层(13)、有机聚合物、砷化镓衬底(1)和空气隙 (14)。
2.根据权利要求1所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，亚波长光栅置于谐振腔内部，与内部光场强耦合，利用亚波长光栅的“形式双折射”效应，实现偏振稳定输出O
3.根据权利要求1所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，所采用的双片集成结构，通过二次工艺制备得到，并对激光器发光区与微机械薄膜分别进行优化。
4.根据权利要求1所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述微机械薄膜部分采用背面湿法腐蚀或干法刻蚀衬底(1)的材料所得。
5.根据权利要求1所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述半对称激光器部分是不包含上DBR反射镜，仅包含下DBR和有源区的非对称结构。
6.根据权利要求1所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述微机械部分与半对称激光器部分是通过键和或聚合物(4)结合在一起。
7.根据权利要求1所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述亚波长光栅周期为小于等于所设波长长度，在光栅入射和出射面对光波衍射级次进行控制。
8.一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在η-砷化镓衬底上依次外延生长36 对η型铝砷化镓层与η型砷化镓层构成DBR反射镜，3对GEta83Inai7AsAkiAsai32Paci8量子阱结构有源区，氧化限制层Ala98Giia2As层，2对P型铝砷化镓层与P型砷化镓层构成DBR反射镜和P型欧姆接触层；采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延系统在η-砷化镓衬底上依次外延生长四分之一波长λ厚的镓铟磷腐蚀停层和22. 5对厚度的η型铝砷化镓层与η型砷化镓层构成 DBR反射镜；利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将22. 5对砷化镓层与铝砷化镓层构成的 DBR反射镜暴露并形成薄膜图形台面结构，直到露出镓铟磷腐蚀停层；在薄膜正面溅射Ti/Au，光刻、腐蚀出薄膜圆面出光孔，将悬臂上的Ti/Au保留；将外延片衬底减薄，抛光、洗净，用PECVD生长二氧化硅层，旋涂型号为AZ4620的光刻胶，将薄膜台面图形与长有二氧化硅层的衬底背面通孔图形对准，进行二次光刻。腐蚀显影后暴露出来的二氧化硅层，保留未曝光的光刻胶组成二氧化硅和光刻胶的双层掩膜；采用感应耦合等离子体刻蚀对GaAs进行通孔刻蚀；干法通孔刻蚀完成后，用DBR腐蚀液腐蚀掉干法刻蚀过程中残余GaAs，直至腐蚀到露出GaInP腐蚀停层；用GaInP腐蚀停层腐蚀液腐蚀掉GaInP层，释放薄膜；将金属有机化学汽相淀积或者分子束外延生长好的发光区外延片，光刻出台阶，用DBR 腐蚀液腐蚀出台面，直到露出Ala98Giiaci2As氧化限制层侧壁；利用高温氧化炉设备对器件氧化限制层进行横向氧化，形成注入电流限制孔径； 用PECVD在外延片上淀积厚的SiO2，光刻、腐蚀台面出光孔； 溅射Ti/Au，光亥lj、腐蚀，制备欧姆接触电极；在发光区表面出光孔处，利用电子束直写技术对亚波长光栅参数进行曝光，显影去电子束光刻胶，然后采用感应耦合等离子体刻蚀刻蚀出亚波长光栅；在制作好的发光区表面旋涂聚合物，光刻出聚合物台面，采用自对准工艺将微机械薄膜与发光区部分进行粘和、固化，完成器件制作。
9.根据权利要求8所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于所述DBR腐蚀液是体积比为5 15 5 25的甲醇、磷酸、双氧水和去离子水。
10.根据权利要求8所述的偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于所述feilnP腐蚀停层腐蚀液是体积比为2 1的盐酸和去离子水。
全文摘要
本发明提供了一种偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法，采用半导体微纳加工方法制备有效折射率各向异性的亚波长光栅，将其刻蚀在可调谐垂直腔面发射激光器的谐振腔内，内腔亚波长光栅可以等效为一定厚度的负单轴晶体，利用“形式双折射”效应，TE、TM偏振模式在谐振腔分别满足不同的F-P标具方程，两偏振模式的谐振波长分离，设计TE偏振模式波长在中心波长处，该模式比TM偏振模式需更低的阈值增益，优先激射，TM偏振模式将被抑制，从而使偏振波长可调谐垂直腔面发射激光器在波长连续调谐过程中具有波长偏振稳定输出的功能。
文档编号H01S5/183GK102570302SQ201210019209
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月20日 优先权日2012年1月20日
发明者关宝璐, 史国柱, 周弘毅, 李硕, 王强, 苏治平, 郭霞, 陈树华 申请人:北京工业大学