[發明專利]雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構及制備方法

無效

• 申請號: 201010616548.0
• 申請日: 2010-12-30
• 公開（公告）號: CN102570301A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 關寶璐;任秀娟;郭霞;李碩;史國柱;李川川;郝聰霞;郭帥;周弘毅;蘇治平;陳樹華
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183;H01S5/187
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域：

本發明涉及一種新型的可調諧垂直腔面發射激光器結構和制備方式，屬于半導體光電子器件技術領域。

背景技術：

波長可調諧垂直腔面發射激光器(VCSEL)是光電子器件領域中的一個研究重點。VCSEL以其波長可調、成本低、體積小、可集成、與光纖耦合效率高等優點在高密度信息光通信、全球定位系統(Global?Positioning?System，GPS)(原子鐘)、高性能計算機、電子產品控制(激光鼠標)、傳感、氣體探測和光譜分析等領域有著重要的應用。然而，寬范圍波長可調諧VCSEL工作特性的內涵是多樣的，既涉及到復雜的物理機理，同時也涉及到微機械結構與激光器相結合，從而控制腔長變化而實現寬波長調諧。

基于微機電系統(MEMS)技術的可調諧垂直腔面發射激光器的基本物理結構從上往下依次包括：可動反饋布拉格反射鏡、犧牲層、p型歐姆接觸層、氧化限制層、有源區、n型分布反饋布拉格反射鏡和n型歐姆接觸層七部分組成。其中，MEMS可動反饋布拉格反射鏡與激光器有源區體結構的有機結合是決定器件性能的關鍵。此外，由橫向腐蝕犧牲層制備得到的空氣隙作為激光器諧振腔的一部分，在靜電力作用下，可動布拉格反射鏡發生移動，空氣隙厚度隨之發生變化，進而使諧振波長變化。

目前，根據MEMS微機械結構和光學設計的不同，可調諧垂直腔面發射激光器總體分為MEMS懸臂梁式、薄膜式和半對稱腔式三種器件結構。結合表面微加工技術，以MEMS結構為基礎，通過靜電力方式調諧的垂直腔面發射激光器，不僅具有調諧范圍大、響應速度快、易于實現無跳模連續調諧，而且操作簡單、制作低成本，得到人們廣泛重視和研究。但目前MEMS微結構單片實現的方式面臨下列不足：(1)結構一次外延得到，二次制備加工工藝難度大；(2)犧牲層厚度小(微米量級)，橫向腐蝕困難，使得結構層易受損，最終使得調諧范圍受限；(3)受犧牲層橫向腐蝕長度限制，器件結構和MEMS結構設計參數較苛刻。

目前背孔工藝在微電子和光電子器件中都有很廣泛的應用，但還沒有關于將其應用于薄膜制備方面的報告。并且采用SiCl₄/Cl₂的等離子刻蝕系統其最大刻蝕速率只有2μm/min，很難達到背孔工藝對刻蝕速率的要求。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種雙片集成可調諧VCSEL的結構及其制備方法，將傳統的半導體工藝技術和微納表面加工技術相結合，并運用到雙片集成可調諧VCSEL的制備中，從而克服MEMS單片結構中存在的工藝條件相對苛刻、器件可靠性低、不能分別優化機械部分和有源區部分等技術難點。實現MEMS微機械可動薄膜的獨立優化和設計，充分發揮微納表面加工技術優勢，從而得到高質量的MEMS薄膜；同時，采用傳統半導體工藝進行VCSEL制備，并且在制備和優化過程中不再受到MEMS結構的限制和制約，大大提高器件的可靠性、輸出光束質量和波長調諧范圍。

本發明提供的一種雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器的結構，其基本結構如附圖1所示由兩部分組成：一部分為微機電系統體結構薄膜200，另一部分為半結構的垂直腔面發射激光器400。這兩部分通過粘合層5粘合在一起。微機電系統體結構薄膜從上到下依次包括有襯底1、腐蝕停層2、上分布反饋布拉格反射鏡100；半結構的垂直腔面發射激光器從上到下依次包括有注入電極6、絕緣層7、P型歐姆接觸8、氧化限制層9、有源區10、下分布反饋布拉格反射鏡300、n型砷化鎵襯底13、襯底電極14；

本發明中無需犧牲層結構，附圖2顯示了雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器整體結構。微機電系統體結構薄膜200與半結構的垂直腔面發射激光器400四周通過粘合層5粘合在一起，形成中空結構，這一中空結構即作為空氣隙15。

本發明中在上分布反饋布拉格反射鏡100下生長一層氧化銦錫，起到電流擴展的作用，從而提高調諧效率。

本發明中上分布反饋布拉格反射鏡100由本征材料構成，目的是減小對光的吸收。

本發明中粘合層5是一種具有粘性特性的絕緣材料，可以是有機材料，也可以是無機材料。保證通過在襯底1和注入電極6之間加反向電壓時，在空氣隙15間形成靜電力。

本發明中雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構對于電泵浦和光泵浦均適用；

本發明提供了一種雙片集成可調諧垂直腔面發射激光器結構的制備方法，其特征在于，包括以下工藝步驟：

步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統在n型砷化鎵襯底13上依次外延生長下分布反饋布拉格反射鏡300、有源區10、氧化限制層9、P型歐姆接觸8；