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一種1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法及其應(yīng)用的制作方法

文檔序號(hào):7051912閱讀:495來源:國(guó)知局
一種1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種InGaAsN/AlGaInAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器,其特點(diǎn)在于有源層為InP基的InGaAsN/AlGaInAs的QWs以及AlGaAsSb/AlAsSb作為DBR材料。它的諧振腔腔長(zhǎng)為1λ以實(shí)現(xiàn)更好的出光效果。另外本發(fā)明采用雙層氧化限制層的結(jié)構(gòu)使面發(fā)射激光器在性能上進(jìn)一步改善,提高了單模輸出功率,實(shí)現(xiàn)1550nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)傳輸。該激光器包括P型DBR層、有源層、N型DBR層、襯底、SiO2絕緣層、透明導(dǎo)電介質(zhì)ZnO、P型電極和N型背面電極。整個(gè)結(jié)構(gòu)在材料上是晶格匹配的,因此可以廣泛的應(yīng)用外延技術(shù)。本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器制造工藝簡(jiǎn)單,重復(fù)性好,容易推廣。
【專利說明】一種1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的垂直腔面發(fā)射激光器的制造方法及其與光柵的耦合,在光電子集成中有重要應(yīng)用,屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體光電子產(chǎn)業(yè)中,半導(dǎo)體激光器只需要很低的電流供應(yīng)就可以發(fā)射激光,又因體積小解決了光電子集成中因特征尺寸按比例縮小而引起的無法克服的困難,被稱為微型激光器。憑借其易于和其它器件集成及工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),這種低成本、高性能的光源在系統(tǒng)中的地位越來越突出并且愈加受到重視。半導(dǎo)體激光器按激光出射的角度的不同可分為:邊發(fā)射激光器(Edge-Emitting Laser, EEL)和垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)兩種。雖然人們對(duì)于邊發(fā)射激光器的研究要早于面發(fā)射激光器、在研究技術(shù)和涉及領(lǐng)域等方面取得了傲人的成績(jī),但其依舊存在著一些弊端。例如光束發(fā)散角過大、光束質(zhì)量較低、制作成本偏高,較低的光纖耦合效率,還有不容易集成等缺點(diǎn)。而作為其替代產(chǎn)品,垂直腔面發(fā)射激光器強(qiáng)有力的促進(jìn)了半導(dǎo)體光源的發(fā)展。
[0003]VCSEL是一種出光方向垂直于諧振腔表面的半導(dǎo)體激光器,具有體積小、閾值低、光束方向性好、動(dòng)態(tài)調(diào)制頻率高、易成陣列、易耦合、易檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),成為芯片間光互連應(yīng)用的最佳光源,并受到了廣泛的關(guān)注。
[0004]隨著光電子技術(shù)的發(fā)展和信息社會(huì)的需求,對(duì)該器件的深入細(xì)致的研究工作也在不斷的進(jìn)行,850nm、980nm、1100nm、1310nm和1550nm波段均已取得了顯著的成效。其中1310nm/1550nm波段的光源對(duì)娃基光波導(dǎo)具有低色散和低損耗的特點(diǎn),因而成為光電子集成的最佳波段。目前,131nmVCSEL研究較多的是在GaAs基制作的GaAs/AlGaAs DBR和GalnNAs/GaAs有源區(qū)。與1310nmVCSEL不同,1550nm波段則多選用InP基材料的有源區(qū),使用比較廣泛的材料體系是AlInGaP/InP和InGaAsP/InP,其研究主要集中在DBR反射鏡和整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用掩埋隧道結(jié)技術(shù)、晶片鍵合、InP基銻化物DBR、GaAs基有源區(qū)以及引入光子晶體等方法對(duì)研制性能良好的長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL器件上將具有不同的突破。
[0005]目前,短波長(zhǎng)850nm和980nmVCSEL器件制備工藝已經(jīng)比較成熟,并在商業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是,基于InP襯底的長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL器件的發(fā)展卻比較緩慢,主要有以下三個(gè)方面的原因。它難以形成與長(zhǎng)波長(zhǎng)有源增益區(qū)相匹配的高反射率、低電阻的DBR反射鏡;長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL器件的熱問題也比較顯著,長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL所采用的四元或三元半導(dǎo)體材料要比短波長(zhǎng)VCSEL所采用的二元材料熱阻大的多,折射率差卻小的多;它難于實(shí)現(xiàn)及制備理想的電流限制層。因此,以上三個(gè)方面的問題阻礙了長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL器件的發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題,本發(fā)明提供了一種InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器的制備方案。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下:
[0008]InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器包括:1nP襯底、底部分布反饋布拉格腔鏡,光學(xué)諧振微腔和頂部分布反饋布拉格腔鏡;光學(xué)諧振微腔包含:包層,有源增益層和雙層氧化限制層。
[0009]其特征在于它的諧振腔腔長(zhǎng)為I λ,多量子阱有源增益層QWs位于駐波場(chǎng)的波腹位置,以得到較大的光增益;整個(gè)結(jié)構(gòu)的每層上的材料是晶格匹配的,因此可以廣泛的應(yīng)用外延技術(shù)。
[0010]本發(fā)明旨在研究一種新穎的且與光柵耦合器有較高耦合效率和便于加工集成等特點(diǎn)的垂直腔面發(fā)射激光器,并能用于陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)中的光源與光柵耦合器之間的集成。為了得到性能優(yōu)良的長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL器件,本發(fā)明旨在從DBR反射鏡、諧振腔和氧化限制層等方面進(jìn)行綜合改進(jìn),它將對(duì)光纖光柵傳感解調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用,所以對(duì)其進(jìn)行研究是很有研究前景和實(shí)用價(jià)值的,同時(shí)對(duì)于未來光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的硅光電集成芯片研究具有重要意義。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:該垂直腔面發(fā)射激光器通過探針的鏈接,下端為出光口,即P型DBR上端輸出的激光光束可以注入光柵耦合器中,通過對(duì)其上電極以及半導(dǎo)體臺(tái)面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié),能夠?qū)⒓す馄鞯募す夤馐陬A(yù)期位置自動(dòng)整形聚焦為點(diǎn)狀或線狀的高功率高密度激光光斑。它提高了單模的輸出功率,能夠滿足廣泛的應(yīng)用需求,并且該激光器制造工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、結(jié)構(gòu)緊湊、解調(diào)精度高、解調(diào)速度快、成本也較低,易于普及推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是VCSEL與光柵I禹合后形成的光電子集成的截面圖;
[0013]圖2是諧振腔內(nèi)結(jié)構(gòu)分配示意圖;
[0014]圖3是VCSEL與光柵耦合的結(jié)構(gòu)示意圖;
[0015]圖4是VCSEL的折射率及厚度示意圖;
[0016]圖5是不同腔長(zhǎng)下的功率譜分布圖;
[0017]圖6是不同氧化限制層下的功率分布圖;
[0018]圖7是VCSEL光場(chǎng)及光功率分配圖;
[0019]圖8是VCSEL與光柵耦合后的光場(chǎng)及光功率分配圖;
[0020]圖9是N型背面輻射橋電極示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0022]這種InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器,包括順次連接的InP襯底層(I)、N型DBR(2)、InP擴(kuò)充層(3)、量子阱有源增益層QWs (4)、氧化限制層(5)、P型DBR(6)、Si02絕緣層(7)、透明導(dǎo)電介質(zhì)ZnO(S)、P型電極(9)、N型背面電極(10)、反射耦合層(11)、硅包層(12)和硅襯底層(13)。以下為實(shí)施案例及具體實(shí)施步驟:
[0023]實(shí)施例1:
[0024]第一步,采用外延生長(zhǎng)的方法制備襯底(I)、N型DBR (2)、擴(kuò)展InP層(3)、有源區(qū)以及P型DBR (6)的外延片;
[0025]制備InP襯底⑴和擴(kuò)展InP層(3),其厚度分別約為500nm和775nm ;然后在其上采用外延生長(zhǎng)的方法生長(zhǎng)由組分漸變的35對(duì)AlGaAsSb/AlAsSb材料交替組成的N型DBR (2),這需用光刻膠做掩膜進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕N型DBR,由公式L = λ /4n可知,本發(fā)明設(shè)定AlGaAsSb和AlAsSb的厚度分別為IlOnm和125nm ;由組分漸變的31對(duì)AlGaAsSb/AlAsSb材料交替組成的N型DBR(6)的與材料與厚度同N型DBR(2);有源區(qū)由3對(duì)InGaAsN/AlGaInAs材料的QWs和兩層氧化限制層構(gòu)成,諧振腔腔長(zhǎng)為I入;
[0026]第二步,在P型DBR頂部旋涂光刻膠,進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕P型DBR(6)形成P型臺(tái);通過光刻膠形成圓形掩膜圖形,以N型臺(tái)中心為同心軸,以4nm為半徑,以該掩膜圖形為掩膜,刻蝕P型DBR到諧振腔上部,但是不能刻蝕到諧振腔的氧化限制層;
[0027]第三步,通過濕法氧化工藝,將器件放入氧化爐中,在沖有氮?dú)饧盁崴魵獾母邷貤l件下,對(duì)將暴露出側(cè)壁的氧化限制層進(jìn)行側(cè)向氧化,形成氧化限制層(5)和出光孔徑約為2.4μπι的諧振腔,由于本發(fā)明采用雙層氧化限制層,所以需進(jìn)行兩次側(cè)向氧化操作;
[0028]第四步,在P型臺(tái)面上方以及左右兩側(cè)通過采用PECVD的方法進(jìn)行淀積形成S12絕緣層(7);在氧化限制層上方的臺(tái)面旋涂光刻膠,進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕,通過光刻膠在圓柱形臺(tái)面兩側(cè),以距離P型臺(tái)面?zhèn)冗吘壖s2nm處為圓心,以約為2nm為半徑,形成兩個(gè)圓形掩膜圖形,對(duì)S12進(jìn)行刻蝕,但是不能刻蝕到諧振腔的氧化限制層;
[0029]第五步,向經(jīng)刻蝕后形成的兩個(gè)圓形孔徑內(nèi)分別注入透明導(dǎo)電介質(zhì)ZnO(S),使其厚度與S12相同,使兩邊臺(tái)面齊平均勻;透明導(dǎo)電介質(zhì)不僅起到增透膜的作用,還可以使電流均勻的注入有源區(qū),減小閾值電流并提高單模輸出功率;
[0030]第六步,通過采用磁控濺射技術(shù),在P型臺(tái)面外圍,即鋪有S12和透明導(dǎo)電介質(zhì)ZnO的環(huán)形臺(tái)面上派射P型,形成P型Ti/Pt/Au或Ti/Au電極層(9);
[0031]第七步,對(duì)襯底InP(I)進(jìn)行減薄及拋光,形成以AuGeNi/Au為材料的N型背面電極(10);本發(fā)明中的N型電極采用輻射橋電極替代常規(guī)的圓形電極,用以減少器件的焦耳熱以及降低器件的熱阻;
[0032]第八步,最后在器件P型DBR臺(tái)面,即S12保護(hù)層的上方涂BCB膠,進(jìn)而可以與光柵部分進(jìn)行連接。BCB層可以降低器件的電容,從而顯著降低激光器的高頻特性。
[0033]實(shí)施例2:
[0034]一種InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器,包括順次連接的InP襯底層、N型DBR、InP擴(kuò)充層、量子阱有源增益層QWs、氧化限制層、P型DBR(6)、絕緣層S12以及N型和P型金屬電極。所述的垂直腔面發(fā)射激光器諧振腔多量子阱有源增益層QWs由InGaAsN/AlGalnAs材料組成。采用外延生長(zhǎng)的方法,P型DBR和N型DBR分別生長(zhǎng)由組分漸變的31對(duì)和35對(duì)AlGaAsSb/AlAsSb材料交替組成。本實(shí)施案例需要用光刻膠做掩膜,對(duì)P型DBR和有源區(qū)均進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕。在P型DBR頂部旋涂光刻膠,進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕P型DBR和有源區(qū),形成一個(gè)圓柱形臺(tái)面,它以N型臺(tái)中心為同心軸,以4nm為半徑,以該掩膜圖形為掩膜進(jìn)行刻蝕,刻蝕到與氧化限制層相接觸的N型DBR。用同實(shí)施案例I的方法對(duì)雙層氧化限制層進(jìn)行側(cè)向氧化。在P型臺(tái)面上方以及左右兩側(cè)通過采用PECVD的方法進(jìn)行淀積形成S12絕緣層,在P型臺(tái)面上方旋涂光刻膠,進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕,在圓柱形臺(tái)面上形成環(huán)形的S12層。采用磁控濺射技術(shù)濺射P型電極層,涂上光刻膠,最后在P型DBR上方形成半徑小于環(huán)形的5102層的半徑的環(huán)形電極。然后在環(huán)形電極中間的圓形區(qū)域以及電極上方注入透明導(dǎo)電介質(zhì)ZnO來達(dá)到使電流均勻的注入有源區(qū)的效果。
[0035]實(shí)施例3:
[0036]一種InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器用以與光柵的集成,可在實(shí)施例1或?qū)嵤├?的基礎(chǔ)上,繼續(xù)在P型臺(tái)面上方以及左右兩側(cè)通過采用PECVD的方法再次淀積形成絕緣層Si02。該S12絕緣層可以避免接下來旋涂的BCB膠粘連作用對(duì)金屬電極的破壞,因此它起到很好的保護(hù)的作用;最后在器件P型DBR臺(tái)面,即S12保護(hù)層的上方涂BCB膠,進(jìn)而可以與光柵部分進(jìn)行連接。BCB層可以降低器件的電容,從而不顯著降低激光器的高頻特性。
[0037]需要說明的是,上述對(duì)各元件的定義并不僅局限于實(shí)施方式中提到的具體結(jié)構(gòu)、形狀或大小,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在形式和細(xì)節(jié)上對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單熟知地替換。P型、N型臺(tái)面不僅僅局限于圓柱形臺(tái)面,也可以設(shè)計(jì)成矩形等其他結(jié)構(gòu);本發(fā)明所述器件結(jié)構(gòu)的尺寸僅作參考用,并不局限于文中所述尺寸大小,其具體實(shí)際大小可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行變更;出光口部分并不僅局限于與光柵的耦合,也可以應(yīng)用于與其他光波導(dǎo)器件的集成。
[0038]以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施樣例而已,并不用于限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種InGaAsN/AlGalnAs量子阱為有源層的1550nm長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于結(jié)構(gòu)包括InP襯底、底部分布反饋布拉格腔鏡和頂部分布反饋布拉格腔鏡,中間夾有一個(gè)光學(xué)諧振微腔;光學(xué)諧振微腔包含包層,有源增益層和雙層氧化限制層,它的諧振腔腔長(zhǎng)為I λ,有源層是InP基的InGaAsN/AlGalnAs材料的QWs,AlGaAsSb/AlAsSb作為DBR材料;以光刻膠作掩膜,利用相關(guān)工藝,形成S12絕緣層、透明導(dǎo)電介質(zhì)層以及金屬電極層;通過與SOI基下端反射耦合層的連接實(shí)現(xiàn)光電子集成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:DBR反射鏡是由光學(xué)厚度為λ/4,折射率不同的兩種材料交替生長(zhǎng)若干層而形成的多層堆結(jié)構(gòu); 基于反射光相互干涉原理,底部分布反饋布拉格腔鏡N型DBR形成于InP襯底上,由組分漸變的35對(duì)AlGaAsSb/AlAsSb材料交替組成;頂部分布反饋布拉格腔鏡P型DBR形成于諧振腔上方,由同樣組分漸變的31對(duì)AlGaAsSb/AlAsSb材料交替組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:垂直腔面發(fā)射激光器諧振腔包層采用AlInAs材料;根據(jù)VCSEL器件諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)的條件可知,垂直腔面發(fā)射激光器諧振腔多量子阱有源增益層QWs位于駐波場(chǎng)的波腹位置,得到較大的光增益和較好的光場(chǎng)限制;垂直腔面發(fā)射激光器諧振腔多量子阱有源增益層QWs由InGaAsN/AlGaInAs材料組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:垂直腔面發(fā)射激光器諧振腔氧化限制層設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu),其材料為AllnO,位于駐波場(chǎng)的波腹位置,得到較大的光增益和較好的光場(chǎng)限制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:在P型臺(tái)面上方以及左右兩側(cè)通過采用PECVD的方法進(jìn)行淀積形成S12絕緣層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:在P型臺(tái)面上注入透明導(dǎo)電介質(zhì)ZnO,這種透明導(dǎo)電介質(zhì)不僅起到增透膜的作用,還可以使電流均勻的注入有源區(qū),減小閾值電流并提高單模輸出功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:通過采用磁控濺射技術(shù),在P型臺(tái)面外圍,派射形成P型Ti/Pt/Au或Ti/Au電極層; 對(duì)襯底InP進(jìn)行減薄及拋光,形成以AuGeNi/Au為材料的N型背面電極,并采用輻射橋電極替代常規(guī)的圓形電極,用以減少器件的焦耳熱以及降低器件的熱阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:其中所述反射耦合層是位于以Si作為襯底、S12作為包層的SOI材料上;其中所述襯底是在其上表面提供有絕緣層的硅襯底,所述光波導(dǎo)和所述反射耦合層在所述絕緣層的上表面上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器,其特征在于:其中所述反射耦合層是具有一維光柵結(jié)構(gòu)的高系數(shù)對(duì)比光柵反射層,其至少一側(cè)光學(xué)地連接到所述光波導(dǎo)。
【文檔編號(hào)】H01S5/183GK104051957SQ201410288829
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】李鴻強(qiáng), 崔貝貝, 周文騫, 劉宇 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)
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