一种面发射激光器及其制作方法

1.本公开涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种面发射激光器及其制作方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器(vcsel)由衬底、下布拉格反射镜、有源区、氧化层、上布拉格反射镜、正电极和负电极等构成，其激光腔由沿着材料生长方向的上/下布拉格反射镜(dbr)构成，激光沿着材料生长方向即垂直于衬底方向输出。由于vcsel独特的器件结构，它具有功耗低、调制速度快、体积小、成本低、可靠性高、圆形光束、二维阵列集成等优势，广泛应用于光通讯、光互连、打印、显示、传感、消费电子等等领域。
3.布拉格反射镜(distributed bragg reflector，dbr)由两种折射率不同的材料交替排布构成，达到99.5％的反射率需要dbr的对数在20对以上，因此整个vcsel的厚度可到达8微米，对材料生长有极大的挑战。dbr的反射带宽有限，只有3％-9％。此外，对gan基和inp基的vcsel，非常难制作高质量的dbr。近年来，人们发现高折射率差亚波长光栅(high-contrast grating，hcg)具有接近于1的反射率，而且反射带宽可以达到30％，厚度只有200纳米左右，具有偏振选择性。所以，人们采用hcg替代vcsel的全部或者部分dbr，实现了高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器(hcg-vcsel)的单模、单偏振工作。
4.目前人们实现了gaas基和inp基的悬浮型hcg，替代了近红外波段vcsel的部分上dbr，实现了单模、单偏振、低阈值、快速波长可调谐工作。但是目前悬浮型hcg制作过程中，由于hcg区域四周支撑梁下面的牺牲层全部被湿法腐蚀去除，因此hcg完全悬空，hcg区域四周支撑梁下面没有支撑，通过hcg区域四周支撑梁和gaas基材料层之间的悬臂连接梁支撑悬浮型hcg。因此在hcg图形释放过程中，由于水溶液的表面张力，hcg图形非常容易坍塌。目前为了避免hcg图形释放过程中的hcg图形坍塌，需要采用二氧化碳临界干燥仪，利用低表面张力的二氧化碳液体取代水溶液。但是这种hcg图形释放技术需要昂贵的特制仪器，工艺流程也复杂，成本也高。
5.因此本发明提供一种hcg-vcsel及其制作方法，利用悬浮型hcg图形制作过程中，采用gainp牺牲层，当gainp牺牲层被湿法腐蚀时，gainp牺牲层《001》和《011》晶向的腐蚀速率不同，通过控制腐蚀时间和选择特定hcg图形的拓扑结构，在hcg区域四周支撑梁下面形成支撑柱，在水溶液中可实现hcg图形释放，避免了hcg图形坍塌，简化了制作工艺，降低了制作成本，具有大规模生产的前景。同时，这种高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器的上反射镜包括algaas系材料构成的布拉格反射镜，其中布拉格反射镜的最上面一层是厚度包括为四分之一波长奇数倍的gaas层，可以实现半导体耦合型面发射激光器，有利于提高面发射激光器的光限制因子，降低激光器的阈值电流。本发明可以扩展到腐蚀速率依赖于晶向的alinp、inp等材料作为牺牲层。本发明可以扩展到空气耦合型面发射激光器和拓展腔型面发射激光器。本发明不仅可以用于实现一维高折射率差亚波长光栅vcsel，还可以实现二维高折射率差亚波长光栅vcsel。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种面发射激光器及其制作方法，其利用悬浮型hcg图形制作过程中，采用gainp作为牺牲层的组成材料，当gainp牺牲层被刻蚀时，gainp牺牲层《001》和《011》晶向的刻蚀速率不同，通过控制刻蚀时间和选择特定hcg图形的拓扑结构，在hcg区域四周支撑梁下面形成支撑柱，在水溶液中可实现hcg图形释放，避免了hcg图形坍塌，简化了制作工艺，降低了制作成本，具有大规模生产的前景。
7.一种悬浮型光栅，包括：s1，在衬底上依次形成牺牲层和高折射率差亚波长光栅层，牺牲层所用材料为gainp；s2，刻蚀高折射率差亚波长光栅层，得到光栅图形；s3，刻蚀所述光栅图形下方的牺牲层，得到用于支撑所述光栅图形的至少一个支撑柱，其中，根据所述光栅图形的形状采用相应的刻蚀时间。
8.可选地，步骤s3中的刻蚀操作中所用的刻蚀液为盐酸，刻蚀时间为1～10分钟，所述牺牲层在被刻蚀时，光栅图形相对激光器台面水平方向偏转0
°
～45
°
，以形成2个或者4个支撑柱。
9.一种面发射激光器，包括上述悬浮型光栅，其中，在所述悬浮型光栅的衬底与牺牲层之间依次形成下布拉格反射镜层、有源层、氧化层和上布拉格反射镜层；依次刻蚀高折射率差亚波长光栅层、牺牲层、上布拉格反射镜层、氧化层、有源层和下布拉格反射镜层中的若干对下布拉格反射镜；制作氧化层并形成氧化孔。
10.可选地，还包括：在衬底和下布拉格反射镜层之间形成缓冲层；在衬底上制作n侧电极在高折射率差亚波长光栅层上生长p侧电极。
11.一种面发射激光器，采用上述面发射激光器制得，包括：衬底，用于承载面发射激光器；下布拉格反射镜层，设置于衬底上，用于构建所述谐振腔形成激光振荡；有源层，设置于下布拉格反射镜层上方，用于提供增益产生激光；氧化层，作为上布拉格反射镜层中的一层，设置于有源层上方，形成氧化孔，用于限制载流子和光场；上布拉格反射镜层，用于与下布拉格反射镜层共同构建所述谐振腔形成激光振荡；高折射率差亚波长光栅层，设置于上布拉格反射镜层上方，其包含悬浮部和支撑部，支撑部中部设有开口，悬浮部设置于开口中，与支撑部通过两连接臂连接，悬浮部为中部镂空、周部连接的光栅图形；用于与上布拉格反射镜层和下布拉格反射镜层共同构建所述谐振腔形成激光振荡；牺牲层，设置于高折射率差亚波长光栅层支撑部和悬浮部光栅周部至少两相对边的下方，用于使高折射率差亚波长光栅层下方有空气流通，并支撑高折射率差亚波长光栅层。
12.可选地，还包括：n侧电极，与衬底电连接，用于给面发射激光器供电；p侧电极，与高折射率差亚波长光栅层电连接，用于与n侧电极协作给面发射激光器供电。
13.可选地，所述牺牲层所用材料包括gainp，厚度包括为四分之一波长的整数倍，需满足hcg-vcsel的相位匹配条件；所述上布拉格反射镜层所用材料包括algaas；所述高折射率差亚波长光栅层所用材料包括gaas。
14.可选地，所述上布拉格反射镜层的上方设置有抗氧化层，所述抗氧化层所用材料包括gaas，抗氧化层的厚度包括为四分之一激光器发射的激光波长的奇数倍，需满足hcg-vcsel的相位匹配条件。
15.本发明中所公开的一种面发射激光器及其制作方法，其利用悬浮型hcg图形制作过程中，采用gainp作为牺牲层的组成材料，gainp牺牲层《001》和《011》晶向的腐蚀速率不
同，通过控制腐蚀时间和选择特定的hcg图形的拓扑结构，在hcg区域四周支撑梁下面形成支撑柱，支撑柱的制作简单，无需额外制作工艺。
16.本发明中hcg图形下面的gainp牺牲层被腐蚀后，由于hcg区域四周支撑梁下面有支撑柱支撑hcg，在水溶液中，即使存在水的表面张力，依然可实现hcg图形释放，hcg图形不会坍塌。因此无需利用昂贵的二氧化碳临界干燥仪在液态二氧化碳中释放hcg图形，简化了制作工艺，降低了制作成本，具有大规模生产的前景。
17.本发明中由于支撑柱支撑hcg区域四周支撑梁，hcg不会像完全悬浮型hcg这样下沉，光栅条也不会弯曲，空气层的厚度等于gainp牺牲层的厚度。因此高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器的激射波长的可控性更好。
18.本发明中由于支撑柱支撑hcg区域四周支撑梁，hcg的机械稳定性比完全悬浮型hcg的机械稳定性更好，因此高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器的可靠性更好。
19.本发明中上反射镜包括algaas系材料构成的上布拉格反射镜，其中上布拉格反射镜的最上面一层是厚度包括为四分之一波长奇数倍的gaas层，实现半导体耦合型高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器，有利于提高激光器的光限制因子，降低激光器的阈值电流。
附图说明
20.图1示意性示出了根据本公开实施例中悬浮型光栅的流程图；
21.图2示意性示出了根据本公开实施例中选择第一种hcg图形拓扑结构且具有两个支撑柱的悬浮型光栅的俯视图；
22.图3示意性示出了根据本公开实施例中选择第二种hcg图形拓扑结构且具有四个支撑柱的悬浮型光栅的俯视图；
23.图4示意性示出了根据本公开实施例中选择第三种hcg图形拓扑结构且具有四个支撑柱的悬浮型光栅的俯视图；
24.图5示意性示出了根据本公开实施例中选择第四种hcg图形拓扑结构且具有四个支撑柱的悬浮型光栅的俯视图；
25.图6示意性示出了根据本公开实施例中面发射激光器的示意图；
26.图7示意性示出了根据本公开实施例中面发射激光器的立体图；
27.图8示意性示出了根据本公开实施例中面发射激光器的剖视图；
28.图9示意性示出了根据本公开实施例面发射激光器发射光段为940nm时的驻波场图；
29.图10示意性示出了根据本公开实施例的功率-电流-电压曲线实验结果图；
30.图11示意性示出了根据本公开实施例的面发射激光器的测试光谱图；
31.图中，n侧电极-1、衬底-2、缓冲层-3、下布拉格反射镜层-4、有源层-5、氧化层-6、氧化孔-7、上布拉格反射镜层-8、牺牲层-9、悬浮部-10、p侧电极-11、高折射率差亚波长光栅层-12、支撑柱-13。
具体实施方式
32.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性
的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
33.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
34.图1示意性示出了根据本公开实施例中悬浮型光栅的流程图。
35.图2示意性示出了根据本公开实施例中选择第一种hcg图形拓扑结构且具有两个支撑柱13的悬浮型光栅的俯视图。
36.图3示意性示出了根据本公开实施例中选择第二种hcg图形拓扑结构且具有四个支撑柱13的悬浮型光栅的俯视图。
37.图4示意性示出了根据本公开实施例中选择第三种hcg图形拓扑结构且具有四个支撑柱13的悬浮型光栅的俯视图。
38.图5示意性示出了根据本公开实施例中选择第四种hcg图形拓扑结构且具有四个支撑柱13的悬浮型光栅的俯视图。
39.本公开的实施例提供一种悬浮型光栅，如图1所示，包括：
40.s1，在衬底2上依次形成牺牲层9和高折射率差亚波长光栅层12，牺牲层9所用材料为gainp；
41.s2，刻蚀高折射率差亚波长光栅层12，得到光栅图形；
42.s3，刻蚀所述光栅图形下方的牺牲层9，选用盐酸作为刻蚀液，刻蚀时间为1～10分钟，所述牺牲层9在被刻蚀时，光栅图形相对激光器台面水平方向偏转0
°
～45
°
，根据所述光栅图形的形状采用相应的刻蚀时间，每偏转10度，腐蚀时间减少约2分钟。以得到如图2-图5所示的用于支撑所述光栅图形的至少一个支撑柱13，支撑柱13的个数优选2个或者4个。
43.图6示意性示出了根据本公开实施例中面发射激光器的示意图；
44.本公开的实施例提供一种面发射激光器，如图6所示，包括：
45.s1，在衬底2上依次形成缓冲层3、下布拉格反射镜层4、有源层5、氧化层6、上布拉格反射镜层8、牺牲层9和高折射率差亚波长光栅层12，得到如图6a所示装置，牺牲层9所用材料为gainp；
46.s2，在高折射率差亚波长光栅层12上生长p侧电极11，得到如图6b所示装置；
47.s3，依次刻蚀p侧电极11、高折射率差亚波长光栅层12、牺牲层9、上布拉格反射镜层8、氧化层6、有源层5和下布拉格反射镜层4中的若干对下布拉格反射镜，得到如图6c所示装置；
48.s4，制作氧化层6，并形成氧化孔7，得到如图6d所示装置；
49.s5，在衬底2上制作n侧电极1，得到如图6e所示装置；
50.s6，在高折射率差亚波长光栅层12上旋涂pmma电子束胶，得到如图6f所示装置；
51.s7，通过电子束对旋涂pmma后的高折射率差亚波长光栅层12曝光和显影，得到如图6g所示装置；
52.s8，刻蚀和去除pmma电子束胶，使高折射率差亚波长光栅层12形成中部镂空、周部
连接的光栅图形，得到如图6h所示装置；
53.s9，刻蚀光栅图形下方的牺牲层9，使得光栅中部下方的牺牲层9去除，光栅周部中的至少一边下方的牺牲层9保留，形成支撑柱13，支撑柱13的个数优选2个或者4个，对光栅图形产生支撑，得到如图6i所示的面发射激光器。
54.在一些实施例中，衬底2所用材料为n型gaas。
55.在一些实施例中，缓冲层3所用材料为n型gaas。
56.在一些实施例中，下布拉格反射镜层4选用38.5对al
0.12
ga
0.88
as/al
0.9
ga
0.1
as系dbr。
57.在一些实施例中，有源层5选用3个ingaas/gaasp量子阱。
58.在一些实施例中，氧化层6所用材料为30纳米p型al
0.98
ga
0.02
as。
59.在一些实施例中，上布拉格反射镜层8选用4对al
0.12
ga
0.88
as/al
0.9
ga
0.1
as系dbr。
60.在一些实施例中，p侧电极11所用材料为tiptau。
61.在一些实施例中，n侧电极1所用材料为augeniau。
62.在一些实施例中，步骤s1中各层级的形成方法选用金属有机化学气相沉积方法或者分子束外延方法。
63.在一些实施例中，步骤s2中生长p侧电极11的方法选用金属剥离工艺。
64.在一些实施例中，步骤s3中的刻蚀选用干法刻蚀或湿法腐蚀。
65.在一些实施例中，步骤s4中制作氧化孔7的方法选用高温湿法氧化工艺，也即氧化孔7为氧化层6在高温水汽下氧化形成。
66.在一些实施例中，步骤s5中n侧电极1为：先生长n侧电极1，然后快速退火，400℃状态下持续100秒。
67.在一些实施例中，步骤s7中的曝光选用微纳图形曝光工艺，包括电子束曝光工艺和纳米压印工艺。
68.在一些实施例中，步骤s8中的刻蚀选用干法刻蚀。
69.在一些实施例中，步骤s9中的刻蚀操作为腐蚀，所用的腐蚀液为盐酸。
70.在一些实施例中，盐酸的腐蚀时间为1～10分钟。
71.在一些实施例中，高折射率差亚波长光栅层12的厚度约为二分之一波长。
72.在一些实施例中，光栅周部中的两相对边下方的牺牲层9保留，即为两个支撑柱13。
73.在一些实施例中，光栅周部下方的所有牺牲层9均保留，即为四个支撑柱13。
74.图7示意性示出了根据本公开实施例中面发射激光器的立体图。
75.图8示意性示出了根据本公开实施例中面发射激光器的剖视图。
76.一种面发射激光器，如图7和图8所示，包括：
77.衬底2，用于承载面发射激光器；
78.下布拉格反射镜层4，设置于衬底2上，用于构建所述谐振腔形成激光振荡；
79.缓冲层3，设置于衬底2和下布拉格反射镜层4之间。
80.有源层5，设置于下布拉格反射镜层4上方，用于提供增益产生激光；
81.氧化层6，设置于有源层5上方，其中部开设有氧化孔7，用于限制载流子和光场；
82.上布拉格反射镜层8，设置于氧化层6上方，用于与下布拉格反射镜层4共同构建所
述谐振腔形成激光振荡；
83.高折射率差亚波长光栅层12，设置于上布拉格反射镜层8上方，其包含悬浮部10和支撑部，支撑部中部设有开口，悬浮部10设置于开口中，与支撑部通过两连接臂连接，悬浮部10为中部镂空、周部连接的光栅形；用于与上布拉格反射镜层8和下布拉格反射镜层4共同构建所述谐振腔形成激光振荡；
84.牺牲层9，设置于高折射率差亚波长光栅层12支撑部和悬浮部10光栅周部至少两相对边的下方，用于使高折射率差亚波长光栅层12下方有空气流通，并支撑高折射率差亚波长光栅层12。
85.n侧电极1，与衬底电连接，用于给面发射激光器供电；
86.p侧电极11，与高折射率差亚波长光栅层12电连接，用于与n侧电极1协作给面发射激光器供电。
87.在一些实施例中，面发射激光器的牺牲层9所用材料包括但不局限于gainp，厚度为四分之一波长的整数倍；所述上布拉格反射镜层8所用材料包括但不局限于algaas；所述高折射率差亚波长光栅层12所用材料包括但不局限于gaas。
88.在一些实施例中，上布拉格反射镜层8的上方设置有抗氧化层，所述抗氧化层所用材料包括但不局限于gaas，抗氧化层的厚度为四分之一激光器发射的激光波长的奇数倍。
89.图9示意性示出了根据本公开实施例面发射激光器发射光段为940nm时的驻波场图。
90.图10示意性示出了根据本公开实施例的功率-电流-电压曲线实验结果图。
91.在一些实施例中，如图9和图10所示，面发射激光器的发射光的波段为940nm，面发射激光器的阈值电流为0.6ma。
92.图11示意性示出了根据本公开实施例的面发射激光器的测试光谱图。
93.在一些实施例中，如图11所示，面发射激光器可在2ma注入电流下实现单模工作，单模抑制比为43.6db。
94.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。