一种基于聚合物材料的面发射激光器及其制备方法

1.本发明涉及制备面发射半导体激光器技术领域，尤其涉及一种基于聚合物材料的面发射激光器及其制备方法。


背景技术：

2.随着技术的发展，面发射半导体激光器由于其独特的优势而受到了广泛的关注，长期以来，vcsel半导体激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，垂直腔面发射激光器)是目前面发射激光器的主要实现方案，相较于边发射激光器，vcsel能够实现更高的晶片产率、类圆形光束和更精简的工艺流程。
3.可见光波段中短波光如紫光和蓝绿光的面发射激光器，主要通过氮化镓gan基材料直接激发，其难点在于短波长vcsel激光器中高反射率dbr结构的生长、电流注入效率的提升以及激光器的热管理。而可见光波段中长波光如红光的面发射激光器也在热管理上面临很大挑战，这是由于较高的发射光子能量将dbr alxga1-xas的x的组成范围限制在0.5～1.0，al组分比例限制了dbr结构中材料可用的折射率范围，因此就需要更多的dbr层数以实现所需反射率，以至于多层dbr产生的高电流阻抗大大加重器件的热效应，影响激光器的寿命与性能。此外，在制造面发射半导体激光器的过程中，需要在微小的半导体芯片上做复杂的半导体加工工艺，工艺复杂且难度高，制造成本高。
4.集成光学能够将不同功能、不同材料、不同结构的光学器件组合成高度集成的光路，以实现光学信息处理系统的集成化和微小型化，摒弃了传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难的固有缺陷。因此，不同材料、不同波长的激光器与光学器件进行集成，能够实现许多特性优异的新型激光器的制造，改善激光器的性能。
5.聚合物波导作为集成光学的重要分支，因其成本低、体积小、制备工艺简单、优良的兼容性、较低的光吸收损耗等优点，易于加工且能很好与现有的集成工艺兼容的特性而在现代光通信中倍受关注。近年来，随着聚合物光学材料性能的不断提升，低损耗、高稳定性的聚合物波导在光波导谐振腔中的应用也得到了飞速的拓展，成为集成光子器件领域的研究热点。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于聚合物材料的面发射激光器及其制备方法，将有源器件边发射激光器与无源器件聚合物波导进行集成，实现激光出射方向由边发射转换为面发射，实现了面发射激光器的制备，在保证制备得到的面发射激光器具备更优性能的同时，制作工艺简单、易操作，成本低。
7.为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种基于聚合物材料的面发射激光器。
9.一种基于聚合物材料的面发射激光器，包括半导体激光芯片结构和聚合物波导结构；
10.所述半导体激光芯片结构包括衬底和在衬底上生长的外延层，所述外延层从下到上依次分别为下限制层、下波导层、有源层、上波导层和上限制层；所述聚合物波导结构包括直波导结构和垂直发射结构，直波导结构中间为芯层，所述芯层由上包层和下包层包裹；
11.所述半导体激光芯片结构的一部分掩埋在聚合物波导结构中，另一部分裸露在空气中，所述聚合物波导结构远离半导体激光芯片结构的一端设置为垂直发射结构。
12.进一步的技术方案，还包括基片，所述基片承接半导体激光芯片结构和聚合物波导结构，所述基片与半导体激光芯片结构和聚合物波导结构之间设有焊料层。
13.进一步的技术方案，所述半导体激光芯片结构的裸露部分的上表面覆有绝缘层，所述绝缘层上镀有p面金属层，p面金属层作为p面电极与电极连接；其中，所述绝缘层中设有电流注入窗口，所述p面金属层在电流注入窗口处直接与半导体激光芯片结构接触。
14.进一步的技术方案，所述半导体激光芯片结构的左端镀有高反膜，右端镀有增透膜，所述增透膜的折射率小于聚合物的折射率。
15.进一步的技术方案，所述垂直发射结构是利用聚合物材料的可塑形性制作出特定的激光出射结构，所述垂直发射结构包括45
°
反射镜面结构和二阶光栅结构。
16.进一步的技术方案，所述聚合物波导结构中的芯层下边缘与所述半导体激光芯片结构中的有源层下边缘齐平。
17.进一步的技术方案，所述芯层的折射率大于下包层的折射率，所述下包层的折射率大于上包层的折射率。
18.进一步的技术方案，所述聚合物波导结构中的下包层的材料为低折射率的聚合物；或者，直接将焊料层作为波导结构的下包层。
19.第二方面，本发明提供了一种基于聚合物材料的面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
20.利用mocvd工艺在砷化镓衬底上制备外延层；
21.在外延层上，通过光刻、pecvd工艺做出绝缘层与电流注入窗口；
22.通过电子束蒸法在基片上沉积金属焊料；
23.通过解理和电子束蒸法制成边发射激光器；
24.通过甩胶在已经有焊料层的砷化镓基底上涂覆聚合物；
25.基于上述聚合物，制备垂直发射结构和芯片固定卡槽；
26.通过丙酮溶剂清洗，再置于氮气环境中进行热烘烤，将芯片放置在卡槽中，通过快速加热、冷却的方式，使焊料层融化进而键合芯片。
27.进一步的技术方案，所述基于上述聚合物，制备垂直发射结构和芯片固定卡槽，具体包括：
28.通过划割或灰阶掩膜光刻技术在聚合物上制备波导、45
°
反射镜面结构和芯片固定卡槽。
29.进一步的技术方案，所述基于上述聚合物，制备垂直发射结构和芯片固定卡槽，包括：
30.通过紫外曝光、显影的方式在高折射率聚合物层上制备出波导、光栅结构和芯片固定卡槽；
31.通过甩胶的方法在波导和光栅结构上涂覆一层低聚合物作为上包层，或直接把折
射率低于芯层聚合物的空气作为波导和光栅结构的上包层。
32.上述技术方案存在以下有益效果：
33.(1)本发明所提出的一种基于聚合物材料的面发射激光器及其制备方法，将有源器件边发射激光器与无源器件聚合物波导进行集成，实现激光出射方向由边发射转换为面发射，实现了面发射激光器的制备，在保证制备得到的面发射激光器具备更优性能的同时，制作工艺简单、易操作，成本低。
34.(2)本发明充分利用聚合物的透光特性，在半导体激光芯片的外部做耦合结构，不需要在微小的芯片结构上做复杂的半导体加工工艺。
35.(3)本发明利用聚合物材料的光固化以及热固化特性，与半导体工艺中的光刻工艺基本一致，使得加工制作简单，易操作。
36.(4)本发明中聚合物波导结构的可操作性大，不仅可以实现面发射的功能，而且可以通过特定的结构设计实现对激光光束的整形。
附图说明
37.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
38.图1为本发明实施例一中利用45
°
斜面结构进行面发射的激光器结构图；
39.图2为本发明实施例二中利用二阶光栅结构进行面发射的激光器结构图；
40.图3为本发明实施例一中面发射激光器的光线传播示意图；
41.图4为本发明实施例一中面发射激光器中的芯片截面示意图；
42.图5为本发明实施例一中面发射激光器中的芯片腔面示意图；
43.图6为本发明实施例一中面发射激光器中的直波导结构。
44.其中，1、芯片结构，2、聚合物波导，3、焊料层，4、下包层，5、基片，6、芯层，7、45
°
反射镜面，8、二阶光栅，9、增透膜，10、高反膜，11、电极，12、有源层，13、上波导层，14、下波导层，15、下限制层，16、衬底，17、上限制层，18、上包层，19、垂直发射结构，20、绝缘层21、p面金属层，22、外延层，23、电流注入窗口，24、直波导结构。
具体实施方式
45.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
46.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
47.实施例一
48.本实施例提出了一种基于聚合物材料的面发射激光器，如图1和图3所示，包括半导体激光芯片结构1和聚合物波导结构2，其中，该半导体激光芯片结构1如图4所示，包括衬底16和在该衬底16上生长的外延层22，该外延层22从下到上依次分别为下限制层15、下波
导层14、有源层12、上波导层13和上限制层17；该聚合物波导结构2包括直波导结构24和垂直发射结构19，如图6所示，直波导结构中间为芯层6，该芯层6由上包层18和下包层4包裹。
49.半导体激光芯片结构1的一部分掩埋在聚合物波导结构2中，另一部分裸露在空气中，进一步的，半导体激光芯片结构1的一部分掩埋在聚合物波导结构2的直波导结构中，直波导结构覆盖芯片结构，这主要是由器件尺寸决定的，由于芯片厚度很小，一般在毫米量级，若严格要求芯层6的厚度与芯片厚度一致，则制作难度很大，因此，通过覆盖这一方式，既保证了芯片与波导之间尽可能的贴合，也降低了制作难度。
50.聚合物波导结构2远离半导体激光芯片结构1的一端设置为垂直发射结构19。基片5承接半导体激光芯片结构1和聚合物波导结构2，基片5与半导体激光芯片结构1和聚合物波导结构2之间设有焊料层3。
51.如图5所示，上述半导体激光芯片结构1的裸露部分的上表面(即上限制层17裸露部分的上表面)覆有绝缘层20，该绝缘层20上镀有p面金属层21，其中，绝缘层20中存在一窗口，使得p面金属层21在该窗口直接与芯片接触，该窗口即为电流注入窗口23，p面金属层21作为p面电极与电极11连接，半导体激光芯片结构1的下表面通过焊料将该芯片结构固定在基片5上，该焊料即形成上述焊料层3，该焊料层3作为n面电极，该焊料层3为金属焊料层，既能固定芯片，又能作为n面电极的导电通道。同时，半导体激光芯片结构1的左端(即半导体激光芯片结构未被聚合物波导结构掩埋的一端)镀有高反膜10，其右端(即半导体激光芯片结构被聚合物波导结构掩埋的一端)镀有增透膜9。
52.上述垂直发射结构19是利用聚合物材料的可塑形性能而制作出特定的激光出射结构，在本实施例中，该垂直发射结构19为45
°
反射镜面结构，该45
°
反射镜面结构上镀有金属层。
53.如图3所示，半导体激光芯片结构的p面电极和n面电极通电，该芯片结构满足激射条件后，其有源层12产生水平方向的激光谐振，从芯片结构右端的增透膜9输出，该增透膜9材料的折射率小于聚合物的折射率，提供了激光输出耦合的可能，该增透膜9作为输出端被聚合物波导结构2包裹，激光从芯片结构的右端输出后，直接耦合进入聚合物波导结构中，波导结构将光限制在芯层6中，使得激光直线传播，当激光传输至垂直发射结构19(此处图3中的垂直发射结构仅示意光线传播方向，其具体结构可为图1或图2的相应结构)时，该结构使光线的传输方向发生90
°
偏折，从而由水平直线传输变为垂直输出，进而实现面发射。
54.聚合物波导结构2中的芯层6下边缘与半导体激光芯片结构1中的有源层12下边缘齐平，且聚合物波导结构2中芯层6的厚度wa＝半导体激光芯片结构1中有源层12的厚度wb。进一步的，聚合物波导结构中的芯层6的厚度与芯片结构中的有源层12厚度一致且齐平。在此基础上，芯层6下方的下包层4与有源层12下方的下限制层15和下波导层14相对应的。
55.上述聚合物波导结构2的中间层为芯层6，该芯层6的上下两边分别是上包层18和下包层4，芯层6的折射率大于上下包层，提供激光在芯层传输的条件，进一步的，为了确保单模传输，将其设置为：芯层折射率n1＞下包层折射率n2＞上包层折射率n3。
56.优选的，聚合物波导结构2中下包层4的材料选用低折射率的聚合物，满足聚合物波导，该聚合物结构与硅基波导不同，属于聚合物波导领域。
57.优选的，聚合物波导结构2中下包层4直接涂覆在焊料层3上，下包层4的聚合物折射率小于芯层折射率，芯层6上方是上包层，其折射率小于下包层4的聚合物折射率。进一步
优选的，将折射率低于芯层6且低于焊料层3的空气作为聚合物波导结构2中的上包层。实际上，波导的传输条件之一是芯层折射率大于包层折射率，其他材料的折射率若是满足该条件，也可以作为包层使用，例如，将折射率为1的空气层作为上包层、将折射率低的焊料层作为下包层，以此省去涂覆其他聚合物材料的工艺步骤，节省材料的同时，省时省力。
58.所述聚合物波导结构2中，按照光的单模传输条件，截止波长λ0需要满足以下关系式：
59.λc(tm0)《λ0《λc(te0)
60.其中，λc(tm0)表示tm0模式的截止波长，λc(te0)表示te0模式的截止波长，由此可以得到截止波长与聚合物波导结构中芯层6厚度的关系式，从而确定芯层的厚度。
61.所述聚合物波导结构2中芯层6的宽度根据以下关系式确定：
[0062][0063]
其中，w表示芯层的宽度，n表示聚合物波导结构中芯层的折射率，δn表示芯层和包层材料的折射率差。
[0064]
所述聚合物波导结构中的垂直发射结构19能够使得水平激光改变传输方向，变为垂直方向的传输，实现面发射，在本实施例中，垂直发射结构19设置为45
°
反射镜面结构，而当入射光入射到该结构中，45
°
反射镜面结构表面材料折射率高，且不会对入射光有太大的损耗，因此光在该结构处发生90
°
折射，从而实现面发射。
[0065]
所述焊料层3包括但不限于ausn、sn、in等金属焊料，其熔点较低，小于聚合物的耐受温度，以保证聚合物波导结构的稳定性；所述基片5包括但不限于gaas、inp、si、sic、sin基片，其具有良好的散热性，能够提高器件长期工作的稳定性。
[0066]
优选的，由于聚合物材料的可塑性较强，因此可用来制作多种波导结构，特定的波导结构能够起到调节输出激光质量的作用，例如楔形波导结构中，在保证单模输出的同时，可以得到功率放大的效果。
[0067]
优选的，芯片结构可以是水平面上的阵列结构，输出的激光通过波导通道耦合到一起，然后经过垂直发射结构射出，其不仅可以实现面发射，还能保证输出功率。
[0068]
实施例二
[0069]
本实施例提出了一种基于聚合物材料的面发射激光器，其基本结构与上述实施例一所提出的面发射激光器的结构基本相同，仅是垂直发射结构19的构造不同，本实施例中，如图2所示，该垂直发射结构19为二阶光栅结构8，当入射光入射到二阶光栅结构8中，会产生两阶衍射光，一阶衍射光被反射，在水平方向上谐振，提供光放大，而二阶衍射光与入射方向呈90
°
角垂直出射，从而由水平出射的光变为垂直面发射，以此实现面发射出光的效果。
[0070]
优选的，聚合物材料的折射率小于半导体材料，根据光栅周期的计算公式，光栅周期与有效折射率成反比，因此，基于聚合物材料的光栅周期要大于半导体材料，工艺难度降低。
[0071]
所述光栅结构周期的计算公式为：
[0072]
[0073]
其中，n代表光栅的阶数，n
eff
代表材料的有效折射率，λb代表激光波长。
[0074]
由于二阶光栅结构的材料是聚合物材料，根据上述光栅结构周期的公式可知，有效折射率越小，周期越大，工艺难度越小。优选的，二阶光栅结构中的填充材料是空气或者其他聚合物材料。
[0075]
实施例三
[0076]
本实施例提出了一种基于聚合物材料的面发射激光器的制备方法，通过mocvd、光刻、腐蚀、蒸发等工艺制备得到半导体激光芯片后，在基片上蒸发焊料层，随后制备聚合物波导结构，在制备过程中，将芯片固定在基片上，最终得到面发射激光器的结构。
[0077]
本实施例所提出的制备方法的步骤具体为：
[0078]
(1)利用mocvd工艺在砷化镓gaas衬底上制备外延层，该外延层包括下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、欧姆接触层。
[0079]
(2)通过光刻、pecvd工艺做出绝缘层与电流注入窗口，限制电流扩散。
[0080]
(3)通过电子束蒸发在基片上沉积金属焊料。
[0081]
(4)通过解理将基片解离成巴条之后，利用电子束蒸发法在巴条两端分别镀高反膜和增透膜，再次解离，制成边发射激光芯片。具体的，巴条是指多个激光芯片的水平阵列，在本步骤中，将制备好的水平、垂直阵列结构的晶圆片解离成水平阵列的巴条，这样可以同时为多个芯片镀膜，镀膜之后，再解离成单个芯片。
[0082]
(5)通过甩胶的方法在已经有焊料层的砷化镓gaas基片上涂覆一层聚合物作为下包层。需指出的是，此处的砷化镓基片与芯片结构中的砷化镓衬底不同，此处仅仅是作为一个承载基片使用。
[0083]
(6)通过划割或灰阶掩膜光刻技术在聚合物上制备45
°
反射镜面结构、波导结构和芯片固定卡槽，通过丙酮或者其他醇溶剂清洗，再置于氮气环境中进行热烘烤，使固化的聚合物进一步固化。如图3所示，下包层并没有完全覆盖焊料层，而是露出与芯片大小一致的卡槽，使得芯片能够与焊料层直接接触，从而能够在一定条件下达到芯片键合的目的。
[0084]
(7)将芯片放置在芯片固定卡槽中，通过快速加热、冷却的方式，使焊料层融化达到芯片键合的目的。
[0085]
实施例四
[0086]
本实施例提出了一种基于聚合物材料的面发射激光器的制备方法，通过mocvd、光刻、腐蚀、蒸发等工艺制备得到半导体激光芯片后，在基片上蒸发焊料层，随后制备聚合物波导结构，在制备过程中，将芯片固定在基片上，最终得到面发射激光器的结构。
[0087]
本实施例所提出的制备方法的步骤具体为：
[0088]
(1)利用mocvd工艺在砷化镓gaas衬底上制备外延层22，该外延层从下到上依次分别为下限制层15、下波导层14、有源层12、上波导层13、上限制层17和欧姆接触层，制备得到芯片结构。
[0089]
(2)通过光刻、pecvd工艺在芯片结构的外延层22上制作绝缘层20和电流注入窗口23，利用电流注入窗口23限制电流的扩散。
[0090]
(3)利用电子束蒸发法在基片5上沉积金属焊料。
[0091]
(4)通过解理将基片5解离成巴条之后，利用电子束蒸发法在巴条两端分别镀高反膜和增透膜，再次解离，制成边发射激光芯片。具体的，巴条是指多个激光芯片的水平阵列，
在本步骤中，将制备好的水平、垂直阵列结构的晶圆片解离成水平阵列的巴条，这样可以同时为多个芯片镀膜，镀膜之后，再解离成单个芯片。
[0092]
(5)通过甩胶的方法在已经有焊料层的砷化镓gaas基片上涂覆一层聚合物作为下包层。需指出的是，此处的砷化镓基片与芯片结构中的砷化镓衬底不同，此处仅仅是作为一个承载基片使用。
[0093]
(6)通过紫外曝光、显影的方式在高折射率聚合物层上制备出波导、光栅结构和芯片固定卡槽；
[0094]
(7)通过甩胶的方法在波导和光栅结构上涂覆一层低聚合物作为上包层，或直接把折射率低于芯层聚合物的空气作为波导和光栅结构的上包层；
[0095]
(8)通过丙酮或者其他醇溶剂清洗，再置于氮气环境中进行热烘烤，使固化的聚合物进一步固化，在此过程中得到波导结构、光栅结构和芯片固定卡槽；
[0096]
(10)将芯片结构放置在芯片固定卡槽中，通过快速加热、冷却的方式，使焊料层融化达到芯片键合的目的。
[0097]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0098]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
[0099]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。