基于纳米线轴向异质结的VCSEL阵列及其制备方法与流程

本发明涉及一种基于纳米线轴向异质结的vcsel阵列及其制备方法，属于半导体光电子。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)是一种新型的半导体激光器，由于出光方向垂直于衬底，可在片测试，阈值电流低，调制速率高，单纵模工作，圆形光斑易与光纤耦合等优点，被广泛应用于光通信、光互联、智能传感、量子精密测量等领域。

2、近年来，量子精密测量技术和高速光通信的重要性日益凸显，量子精密测量成为世界各国布局的重点方向，高速光通信则成为大数据时代的必然发展趋势。这两个方向对vcsel高温工作特性、单模特性、光谱线宽等性能提出了重大挑战。面对这些挑战，研究人员做了大量研究工作，主要体现在以下几个方面：(1)通过对外延结构的调控，改善vcsel的温度特性：对于外延结构的调控，最为成功的方案是长春光机所提出的增益—腔模失配技术。在gaas基vcsel中，腔模的温漂系数远小于增益谱的温漂系数，高温下，增益谱会更快地红移。通过精确测量这两个温漂系数，在室温下，使增益谱峰处于腔模左侧短波长处，当vcsel在高温下工作时，增益谱峰红移至与腔模匹配，改善了器件的温度特性。(2)通过改变氧化孔的大小对vcsel的单模特性和光谱线宽进行调控：通过减小氧化孔的直径，可以有效抑制高阶横模的出现，达到较高的边模抑制比。比如，美国sandia实验室就通过直径小于5μm的氧化孔使边模抑制比达到35db，线宽达到50mhz以下。(3)第三，采用介质膜dbr或多谐振腔耦合，增强对光子的限制，实现窄线宽发射。

3、通过以上各方面的努力，vcsel的单模特性和光谱线宽等性能指标均得到了显著提高。但受限于材料本身的物理特性和现阶段的工艺水平，现有的vcsel还存在以下几个方面的缺点：(1)vcsel的高温工作特性还是不够稳定，由于腔模温漂系数和增益谱之间存在的巨大差异，使vcsel性能最优的温度区间较小，很难实现温度不敏感的vcsel器件；(2)为了实现单横模工作，氧化孔需要达到3μm以下，极大地增加了湿法氧化工艺的难度，也降低了芯片的良品率；(3)现有的商用vcsel均为gaas基vcsel，有源区一般采用ingaas、ingaalas或ingaalp量子阱。由于材料系的限制，gaas基vcsel的发光波长往往限制在620nm～1064nm，此范围之外，量子阱有源区会由于高应变产生大量缺陷，严重影响器件的阈值电流、出光功率、寿命等。(4)gaas基vcsel的制备需要采用干法刻蚀技术刻出高达3μm以上的台面，而干法刻蚀会在台面侧壁留下大量的刻蚀损伤，不利于器件性能的提高，还可能会影响到湿法氧化工艺。针对上述现有技术中存在的问题，设计一种基于纳米线轴向异质结的vcsel阵列以及制备方法，通过纳米线本身的量子效应和高应变容忍度等特性，改善vcsel的温度稳定性和单模特性，扩大发光波长范围，同时解决干法刻蚀损伤问题成为目前的迫切需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纳米线轴向异质结的vcsel阵列及其制备方法，解决现有技术中出现的问题。

2、本发明所述的基于纳米线轴向异质结的vcsel阵列，包括依次设置的第一电极、绝缘掩埋层、掩模层、衬底和第二电极，所述绝缘掩埋层和掩模层中生长有纳米线，每一根纳米线竖直排列形成纳米线阵列，所述纳米线阵列中的每一根纳米线单独构成一个vcsel结构。

3、进一步的，纳米线由轴向异质结构形成，由下而上依次包括：n-gaas段、n-dbr段、下限制段、有源区、上限制段、p-dbr段和p+gaas接触段。

4、进一步的，第一电极位于绝缘掩埋层的上方，与纳米线的p+gaas接触段形成欧姆接触，所述第二电极位于衬底下方，与衬底形成欧姆接触。

5、进一步的，绝缘掩埋层掩埋了纳米线的n-gaas段、n-dbr段、下限制段、有源区、上限制段、p-dbr段和部分p+gaas接触段，剩余部分的p+gaas接触段暴露于绝缘掩埋层之上，用于和第一电极形成欧姆接触。

6、进一步的，第一电极包括两层，一层为ito透明电极，所述ito透明电极与p+gaas接触段形成欧姆接触，另一层为位于在ito透明电极之上的金属电极，所述金属电极在纳米线对应的阵点处设有电极开孔，以保证激光能通过电极开孔出射。

7、进一步的，掩模层中具有周期性排列的开孔，开孔直径与纳米线直径相同，所述纳米线从开孔中长出，开孔排列的最小周期为正方形、长方形、菱形或平行四边形。

8、进一步的，n-dbr段和p-dbr段由alxga1-xas和alyga1-yas纳米圆盘周期性交叠构成，其中x、y分别为algaas的al组分，x≠y，使alxga1-xas和alyga1-yas具有不同的折射率，圆盘直径等于纳米线直径，周期性交叠形成了纳米线的n-dbr段和p-dbr段。

9、进一步的，有源区为单层纳米圆盘或者周期性交叠的两种纳米圆盘，圆盘直径为纳米线直径。

10、进一步的，掩模层采用sio2或sinx材料，所述绝缘掩埋层为sio2、sinx绝缘介质材料的一种或多种的组合。

11、本发明所述的一种基于纳米线轴向异质结的vcsel阵列的制备方法，包括以下步骤：

12、s1：首先选取衬底，采用磁控溅射或等离子辅助化学气相沉积的方法在衬底表面沉积一层掩模层；

13、s2：在掩模层上形成开孔图形，在掩模层上开孔至衬底表面，作为纳米线阵列生长的掩模；

14、s3：利用自催化的方式逐段生长纳米线阵列，通过调控生长速率和生长时间，精确控制各段的长度；

15、s4：完成纳米线阵列生长后，沉积绝缘掩埋层，通过控制沉积速率和时间控制绝缘掩埋层的厚度，将纳米线阵列覆盖；

16、s5：腐蚀掉绝缘掩埋层顶部，露出部分p+gaas接触段，清洗p+gaas接触段表面，以去除腐蚀过程在表面残留的杂质；

17、s6：在绝缘掩埋层之上沉积ito透明电极，与p+gaas接触段形成欧姆接触；

18、s7：在ito透明电极表面形成金属电极图形，然后在ito表面沉积金属电极，并在纳米线阵列的阵点处开孔，用于激光发射；

19、s8：对衬底进行减薄、抛光、清洗，然后在衬底背面制备金属电极，用作此纳米阵列的负极；

20、s9：根据需要进行划片、裂片，形成纳米线阵列芯片，制备完成。

21、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

22、本发明所述的基于纳米线轴向异质结的vcsel阵列及其制备方法，由纳米圆盘构成的有源区，在三个维度上均存在量子效应，相对于传统的vcsel结构，具有更低的阈值电流和更高的特征温度，有效改善了器件的温度特性，有利于器件在高温下工作。

23、纳米线的直径小于1μm，天然能够实现单横模发射，而无需通过缩小氧化孔直径来抑制高阶横模，故本发明提供的纳米线vcsel省去了氧化孔制备步骤，简化了器件制备工艺，降低了器件制备的难度。

24、纳米线的能够通过弹性形变在xy两个方向上释放应力，有源区能够达到很高的应变而不发生应变弛豫，故构成有源区的纳米圆盘的材料组分能够在更大范围内变化，相应地，vcsel的发光波长能够在更大的范围内进行调节；

25、纳米线本身是天然的波导结构，纳米线的折射率远大于掩埋层介质膜，光子会被限制在纳米线中会沿着轴向传播。且纳米线是外延生长的单晶，侧壁不存在刻蚀损伤等问题，能够更好地限制光子，解决了现有技术中vcsel特征温度较低、单横模难以实现、可实现的波长范围窄、侧壁刻蚀损伤的问题。同时扩展了可选的vcsel发射波长范围，避免了传统vcsel制备过程中产生的刻蚀损伤。