表面液晶-垂直腔面发射激光器及其制备方法
【专利摘要】表面液晶-垂直腔面发射激光器及其制备方法，属于半导体光电子器件领域。包括垂直腔面发射激光器、带有取向膜的ITO玻璃和液晶盒。垂直腔面发射激光器从下到上为：N型背面电极、GaAs衬底、GaAs/AlGaAs交替生长的下DBR、有源区、GaAs/AlGaAs交替生长的上DBR，上DBR为凸台结构，台上中心位置从下到上是调谐电极、取向膜，台上边缘及台下部分从下往上为：SiO2绝缘层、P型注入电极和衬垫。带有取向膜的ITO玻璃结构从下到上依次为取向膜、调谐电极和玻璃。液晶盒中贮存有液晶。本发明通过改变调谐电压或者衬底温度来改变液晶层的折射率，引起上反射镜反射率的变化，实现对激光器输出光偏振状态的控制。
【专利说明】表面液晶-垂直腔面发射激光器及其制备方法
【技术领域】
[0001]表面液晶-垂直腔面发射激光器，属于半导体光电子器件领域，涉及一种新型偏振控制垂直腔面发射激光器。
【背景技术】
[0002]垂直腔面发射激光器具有单纵模，阈值低，易与光纤耦合，可形成二维阵列，便于在线测试等优点，必将在目前快速发展的光通信、光互联、气体探测和光谱分析等领域有着非常重要而广泛的应用。然而，与边发射激光器不同，沿GaAs衬底(100)面外延生长得到的VCSEL激光器输出光束具有沿[I I O]和[I I O]内个方向垂直的线偏振基态，由于VCSEL对称的几何结构和有源区增益的弱各向异性，偏振状态会随着温度、注入电流以及波长的改变，在上述两个正交方向间进行随机转换。VCSEL输出光的偏振不稳定会极大地增大光通信时的误码率，降低光谱测量精度，增大气体探测误差。
[0003]目前，控制垂直腔面发射激光器偏振稳定的方法主要有“非对称电流注入法”、“非对称氧化孔径法”、“选择性外延法”、“高对比度光栅法”和“弯曲薄膜反射镜法”等。然而，这些技术和结构仅依赖于偏振增益各向异性，且对温度比较敏感，而且实际研究发现上述方法往往导致非常苛刻的外延生长条件和工作温度参数。因此，我们需要发明一种新的偏振控制方式来解决上述的技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种表面液晶-垂直腔面发射激光器，能够实现通过改变调谐电压或者环境温度来控制激光器输出光的偏振模式。
[0005]本发明的表面液晶-垂直腔面发射激光器，如图1所示，该器件结构包括垂直腔面发射激光器，带有取向膜的ITO玻璃和液晶盒三部分，其中，垂直腔面发射激光器结构从下到上依次为:N型背面电极(12)、底部GaAs衬底(11)、6&48/^16&48交替生长的下081?(10)、有源区(9)、GaAs/AlGaAs交替生长的上DBR(8)，其中，上DBR(8)为凸台结构，凸台结构的凸出部位中含有氧化限制层(13)，所述的氧化限制层(13)平行上DBR(S)台面，氧化限制层
(13)四周氧化而中心未氧化，中心未氧化部分形成出光孔；氧化限制层(13)位于凸出部位的某一位置，其上和其下均为上DBR(8)中交替生长的GaAs/AlGaAs ;iDBR(8)凸出部位的中心位置上为调谐电极(2)，调谐电极(2)正对且大于氧化限制层(13)的出光孔，上DBR(8)凸台结构的上台面除调谐电极(2)外、侧面、下台面均为保持凸台结构的Si02绝缘层(7)，Si02绝缘层(7)的下台面、侧面及上台面自内而外依次均为P型注入电极(6)和衬垫(4)，其中P型注入电极(6)搭接在调谐电极(2)上，P型注入电极(6)和衬垫(4)在调谐电极
(2)上方的位置均为缺失部分，缺失部分正对且大于上DBR(S)凸台结构的出光孔，在P型注入电极(6)缺失部位的调谐电极(2)上为取向膜(3)，P型注入电极(6)和衬垫(4)的缺失部分与取向膜(3)构成槽体；在槽体与衬垫(4)的正上面为带有取向膜的ITO玻璃结构，槽体成为液晶盒，带有取向膜的ITO玻璃结构从下到上依次为:取向膜、调谐电极和玻璃。[0006]液晶盒由垂直腔面发射激光器和带有取向膜的ITO玻璃通过衬垫(4)键合而成，液晶盒中贮存有液晶(5)，利用液晶的电控、温控折射率特性，实现对激光器偏振特性的控制；本发明适用于GaAs材料系的短波长激光光源。
[0007]本发明中在衬垫(4)处留有液晶注入口和排气口，采用毛细技术将液晶注入到液晶盒内。
[0008]本发明还提供一种表面液晶-垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤:
[0009](I)在衬底(11)上依次外延生长下DBR (10)、有源区(9)、含有未被氧化的氧化限制层(13)的上DBR(8) (P型DBR)，将得到的外延片光刻出圆形台阶，用DBR腐蚀液腐蚀出台面，直到在竖直侧壁露出未被氧化的氧化限制层(13);利用高温氧化炉对氧化限制层(13)四周进行横向氧化，中间不氧化部分形成出光孔；
[0010](2 )用PECVD在步骤(I)得到的外延片上淀积Si02绝缘层(7 )，光刻、腐蚀出直径大于出光孔的圆形缺失部分；
[0011](3)用PECVD淀积透明导电层(ΙΤ0)，厚度比Si02绝缘层(7)薄，光刻、腐蚀出台面获得调谐电极(2);
[0012](4)溅射Ti/Au，光刻、腐蚀，被腐蚀掉的台上中央圆形部分直径大小处于Si02绝缘层(7)缺失部分的直径和出光孔直径之间，得到P型注入电极(6)；
[0013](5)在衬底(11)背面溅射Au/Ge/Ni/Au，得到N型背面电极(12)；
[0014](6)在上DBR(S)上的调谐电极(2)上用匀胶机正面旋涂取向膜材料，取向膜材料厚度比P型注入电极(6 )薄，利用线性偏振紫外光聚合技术获得取向膜(3 );
[0015](7)用匀胶机在P型注入电极(6)的部分正面旋涂衬垫材料，光刻后衬垫材料的侧壁应当与P型注入电极(6)在竖直方向上一致，最后获得的支撑液晶盒的衬垫(4)，衬垫(4)留有液晶注入口和空气排出口；
[0016](8)用PECVD在玻璃(I)上淀积透明导电层(ITO)获得调谐电极；在调谐电极正面用匀胶机旋涂取向膜材料，利用线性偏振紫外光聚合技术获得取向膜；
[0017](9)将步骤(8)的调谐电极盖合在步骤(9)的衬垫(4)上，此时垂直腔面发射激光器和带有取向膜的ITO玻璃键合，形成液晶盒；
[0018]利用毛细技术，将液晶(5)注入到液晶注入口，封闭液晶注入口及空气排出口以完成器件制作。
[0019]本发明器件包括垂直腔面发射激光器、带有取向膜的ITO玻璃和液晶盒。垂直腔面发射激光器从下到上为:N型背面电极、GaAs衬底、GaAs/AlGaAs交替生长的下DBR、有源区、GaAs/AlGaAs交替生长的上DBR，上DBR为凸台结构，台上中心位置从下到上是调谐电极、取向膜，台上边缘及台下部分从下往上为:Si02绝缘层、P型注入电极和衬垫。带有取向膜的ITO玻璃结构从下到上依次为:取向膜、调谐电极和玻璃。液晶盒由垂直腔面发射激光器和带有取向膜的ITO玻璃通过衬垫键合而成，液晶盒中贮存有液晶。本发明通过改变调谐电压或者衬底温度来改变液晶层的折射率，进而引起上反射镜反射率的变化，实现对激光器输出光偏振状态的控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1:本发明的表面液晶-垂直腔面发射激光器截面结构示意图；[0021]图2:表面液晶-垂直腔面发射激光器光刻出的凸台示意图；
[0022]图3:器件氧化限制层进行横向氧化形成出光孔示意图；
[0023]图4:生长SiO2绝缘层并光刻后示意图；
[0024]图5:生长ITO后示意图；
[0025]图6:溉射Ti/Au制作P型注入电极并光刻后示意图；
[0026]图7:制备η型背面电极示意图；
[0027]图8:垂直腔面发射激光器上制备取向膜后示意图；
[0028]图9:旋涂衬垫材料并光刻衬垫示意图；
[0029]图10:玻璃上生长ITO后示意图；
[0030]图11:ΙΤ0玻璃上制备取向膜后示意图；
[0031]图12:将垂直腔面发射激光器和玻璃键合后示意图；
[0032]图13:液晶注入并封口后不意图；
[0033]图14:温度相关表面液晶-垂直腔面发射激光器偏振特性测试图[(a) 273K无液晶涂覆(d)273K有液晶涂覆；(b)293K无液晶涂覆(e)293K有液晶涂覆；(c)313K无液晶涂覆(f)313K有液晶涂覆]。
[0034]图1中:1、玻璃2、调谐电极3、取向膜4、衬垫5、液晶6、P型注入电极7、Si02绝缘层8、GaAs/AlGaAs交替生长的上DBR9、有源区10、GaAs/AlGaAs交替生长的下DBRl1、底部GaAs衬底12、N型背面电极。
【具体实施方式】
[0035]下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
[0036]实施例1
[0037]本发实施例的表面液晶-垂直腔面发射激光器的结构示意图见图1。下面结合图2-图13分别介绍实现表面液晶-垂直腔面发射激光器制备方法；
[0038]步骤1、在η型掺杂GaAs衬底11上依次外延生长34对η型掺杂Alai2Gaa88As与η型掺杂Ala9GaaiAs构成下DBR反射镜10，3对GaAs/Ala 3GaQ.7As量子阱结构有源区9，20对P型掺杂Alai2Gaa88As与P型掺杂Ala9GaaiAs构成上DBR反射镜8，其中含有未被氧化的氧化限制Ala98Gaatl2As层13 ;
[0039]步骤2、将上面得到的外延片，光刻出圆形台阶，用DBR腐蚀液腐蚀出台面，直到在竖直侧壁露出Ala98Gaatl2As氧化限制层13 ；
[0040]步骤3、利用高温氧化炉在400°C炉温条件下对器件氧化限制层13进行横向氧化约37分钟，形成圆形出光孔，其中，出光孔为氧化限制层13中未被氧化的部分；
[0041]步骤4、用PECVD在经过以上步骤3的工艺后的外延片上淀积厚度为450nm的SiO2绝缘层7，光刻、腐蚀出直径大于出光孔的圆形部分；
[0042]步骤5、用PECVD淀积厚度为300nm的透明导电层(ΙΤ0)，光刻、腐蚀出台面获得调谐电极2 ；
[0043]步骤6、溅射厚度为315nm的Ti/Au，光刻并用Ti/Au腐蚀液腐蚀，被腐蚀掉的台上中央圆形部分直径大小应当处于SiO2绝缘层7被腐蚀掉的圆形部分直径和出光孔直径之间，制备出P型注入电极6;[0044]步骤7、在衬底11上，即器件背面，溅射厚度为350nm的Au/Ge/Ni/Au，制得N型背面电极12 ；
[0045]步骤8、用匀胶机正面旋涂取向膜材料，取向膜材料厚度应当比P型注入电极6薄，用线性偏振紫外光聚合技术(LPP)处理，获得取向膜3 ；
[0046]步骤9、用匀胶机正面旋涂衬垫材料，光刻后衬垫材料的侧壁应当与P型注入电极6在竖直方向上一致，最后获得的支撑液晶盒的衬垫4应当留有液晶注入口和空气排出口 ；
[0047]步骤10、用PECVD在玻璃I上淀积厚度为300nm的透明导电层(ΙΤ0)，获得调谐电极2 ;
[0048]步骤11、正面用匀胶机旋涂取向膜材料，用线性偏振紫外光(LPP)技术，照射获得取向膜3 ;
[0049]步骤12、将做完上述工艺的垂直腔面发射激光器和带有取向膜的ITO玻璃键合，形成液晶盒；
[0050]步骤13、在制作好的器件中会留有液晶盒的液晶注入口和空气排出口，利用毛细技术，将液晶5注入到液晶注入口，封闭液晶注入口及空气排出口以完成器件制作。
[0051]图14给出了温度相关表面液晶-垂直腔面发射激光器偏振特性测试图，对比图14(a)和(d)为无液晶涂覆。涂覆液晶后VCSEL的正交偏振态第一跳变点处的注入电流值为1.72mA,比无液晶VCSEL的第一跳变点处的注入电流值减小0.48mA。当温度为273K时，在第一个偏振跳变点和第二个偏振跳变点之间的电流值Λ I为3.6mA,比无液晶时VCSEL的Λ I增大了 1.25倍(如图14(a) (d)所示)；当温度为293K时，Λ I增大为4.4mA,比无液晶时VCSEL的增大了 I倍(如图14(b) (e)所示)；当温度继续升高至313K时(如图14(c)(f)所示)，已经不能观察到明显的第一跳变点，但是在第二跳变点前双稳态下的两线偏振光的光功率差ΛΡ明显变大，例如3mA时，光功率差由133.6 μ W增加到了 248.8 μ W。实验结果证明经过上述制备工艺获得的表面液晶-垂直腔面发射激光器能够实现温度对器件偏振特性的控制。
【权利要求】
1.表面液晶-垂直腔面发射激光器，其特征在于，该器件结构包括垂直腔面发射激光器，带有取向膜的ITO玻璃和液晶盒三部分，其中，垂直腔面发射激光器结构从下到上依次为:N型背面电极(12)、底部GaAs衬底(11)、GaAs/AlGaAs交替生长的下DBR(IO)、有源区(9)、GaAs/AlGaAs交替生长的上DBR (8)，其中，上DBR (8)为凸台结构，凸台结构的凸出部位中含有氧化限制层(13)，所述的氧化限制层(13)平行上DBR(S)台面，氧化限制层(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为调谐电极(2)，调谐电极(2)正对且大于氧化限制层(13)的出光孔，上DBR(S)凸台结构的上台面除调谐电极(2)外、侧面、下台面均为保持凸台结构的SiO2绝缘层(7)，SiO2绝缘层(7)的下台面、侧面及上台面自内而外依次均为P型注入电极(6)和衬垫(4)，其中P型注入电极(6)搭接在调谐电极(2)上，P型注入电极(6)和衬垫(4)在调谐电极(2)上方的位置均为缺失部分，缺失部分正对且大于上DBR(8)凸台结构的出光孔，在P型注入电极(6)缺失部位的调谐电极(2)上为取向膜(3)，P型注入电极(6)和衬垫(4)的缺失部分与取向膜(3)构成槽体；在槽体与衬垫(4)的正上面为带有取向膜的ITO玻璃结构，槽体成为液晶盒，带有取向膜的ITO玻璃结构从下到上依次为:取向膜、调谐电极和玻璃；液晶盒中贮存有液晶(5)。
2.按照权利要求1的表面液晶-垂直腔面发射激光器，其特征在于，氧化限制层(13)位于凸出部位的某一位置，其上和其下均为上DBR (8)中交替生长的GaAs/AlGaAs。
3.权利要求1或2的表面液晶-垂直腔面发射激光器用于GaAs材料系的短波长激光光源。
4.制备权利要求1或2的表面液晶-垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在衬底(11)上依次外延生长下DBR`(10)、有源区(9)、含有未被氧化的氧化限制层(13)的上DBR(8)，将得到的外延片光刻出圆形台阶，用DBR腐蚀液腐蚀出台面，直到在竖直侧壁露出未被氧化的氧化限制层(1`3);利用高温氧化炉对氧化限制层(13)四周进行横向氧化，中间不氧化部分形成出光孔； (2)用PECVD在步骤(1)得到的外延片上淀积SiO2绝缘层(7)，光刻、腐蚀出直径大于出光孔的圆形缺失部分； (3)用PECVD淀积透明导电层(ΙΤ0)，厚度比SiO2绝缘层(7)薄，光刻、腐蚀出台面获得调谐电极(2); (4)溅射Ti/Au，光刻、腐蚀，被腐蚀掉的台上中央圆形部分直径大小处于Si02绝缘层(7)缺失部分的直径和出光孔直径之间，得到P型注入电极(6)； (5)在衬底(11)背面溅射Au/Ge/Ni/Au，得到N型背面电极(12); (6)在上DBR(8)上的调谐电极(2)上用匀胶机正面旋涂取向膜材料，取向膜材料厚度比P型注入电极(6 )薄，利用线性偏振紫外光聚合技术获得取向膜(3 ); (7)用匀胶机在P型注入电极(6)的部分正面旋涂衬垫材料，光刻后衬垫材料的侧壁应当与P型注入电极(6)在竖直方向上一致，最后获得的支撑液晶盒的衬垫(4)，衬垫(4)留有液晶注入口和空气排出口； (8)用PECVD在玻璃(I)上淀积透明导电层(ITO)获得调谐电极；在调谐电极正面用匀胶机旋涂取向膜材料，利用线性偏振紫外光聚合技术获得取向膜；(9)将步骤(8)的调谐电极盖合在步骤(9)的衬垫(4)上，此时垂直腔面发射激光器和带有取向膜的ITO玻璃键合，形成液晶盒； 利 用毛细技术，将液晶(5)注入到液晶注入口，封闭液晶注入口及空气排出口以完成器件制作。
【文档编号】H01S5/062GK103618211SQ201310577046
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】关宝璐, 王强, 刘欣, 江孝伟, 马昀骅 申请人:北京工业大学