專利名稱：懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)及制備方法
懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)及制備方法 技術(shù)領(lǐng)域懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)及器件，屬于半導體光電 子器件領(lǐng)域，涉及一種波長可調(diào)諧面發(fā)射激光器的制備結(jié)構(gòu)和方法。
技術(shù)背景波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器是一種將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的半導體 電致發(fā)光器件。特點是發(fā)出的光具有單色性、相干性、方向性和高亮度的 一定波長的激光，同時，波長在一定范圍內(nèi)可以任意調(diào)諧。波長可調(diào)諧垂直 腔面發(fā)射在密集波分復用光網(wǎng)絡(luò)、電子通信、計算機光互連中具有廣泛應用 前景。可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的基本物理結(jié)構(gòu)是由可動分布反饋布拉格發(fā)射鏡、犧牲層、p型歐姆接觸層、氧化限制層、有源區(qū)、n型分布反饋布拉格 反射鏡和n型襯底歐姆接觸層七部分構(gòu)成。其核心部分是可動分布反饋布拉 格發(fā)射鏡、犧牲層、p型歐姆接觸層、氧化限制層和有源區(qū)構(gòu)成。由橫行腐蝕 犧牲層制備得到的空氣隙作為激光器諧振腔的一部分，當可動布拉格反射鏡 發(fā)生位移，空氣隙厚度發(fā)生變化進而使諧振波長發(fā)生位移。目前，在WDM系統(tǒng)中激光器波長控制主要是通過分布反饋布拉格反射 鏡折射率的熱調(diào)諧方式實現(xiàn)。這種系統(tǒng)通常具有很多缺點，如較低的調(diào)制速 度〈KHz，熱電冷卻中較高的功率損耗，波長調(diào)諧范圍限制，只有幾nm。從 成本角度考慮，系統(tǒng)變得非常冗余，因為所有的激光器設(shè)備都需要有備份。 器件熱問題導致系統(tǒng)集成程度不足，并且調(diào)諧范圍的限制使其不能實現(xiàn)更多 波長選擇。在WDM網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，調(diào)制速率低是另一個顯著的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種可以實現(xiàn)波長連續(xù)大范圍(大于10nm)調(diào)諧的 VCSEL。具體為提供一種基于微機械加工技術(shù)的砷化鎵基可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激 光器器件結(jié)構(gòu)和制備方法，即引入犧牲層技術(shù)，采用微機械加工方法制備具 有機械特性的可動分布反饋布拉格反射鏡，使其取代原有固定分布反饋布拉 格反射鏡結(jié)構(gòu)反射鏡。通過靜電力操縱懸臂梁式可動分布反饋布拉格反射鏡
與有源區(qū)中心間的空氣隙厚度，在反射鏡與p型電極之間加上偏壓后，在產(chǎn) 生的靜電力作用下使可動反射鏡向下移動，使空氣隙減小，諧振波長發(fā)生藍 移，關(guān)斷電壓后，在彈性恢復力的作用下，懸臂回到其原來的位置狀態(tài)，從 而達到激射波長的動態(tài)、大范圍可調(diào)。 本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，該激光器結(jié)構(gòu)包括 有從上至下依次包括正電極l、上分布反饋布拉格反射鏡20、腐蝕停層4、 p型歐姆接觸5、鋁砷化鎵氧化電流限制層6、有源區(qū)7、下分布反饋布拉格反 射鏡40、 n型砷化鎵襯底10、襯底電極ll，其特征在于上分布反饋布拉格 反射鏡20和p型歐姆接觸層5之間設(shè)置中空犧牲層30;所述的空氣隙層12 是中空犧牲層30的中空部分，空氣隙層12厚度是激光器激射波長四分之一 長度的整數(shù)倍(一般為5 — 10倍)；由上分布反饋布拉格反射鏡20與空氣隙 層12共同組成懸臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)。前述的上分布反饋布拉格反射鏡20由砷化鎵層2和鋁砷化鎵層3交替生 長23對組成，或由Si02層和Si3N4層交替生長10對組成，下分布反饋布拉格 反射鏡40由n型鋁砷化鎵層8與n型砷化鎵層9交替生長26對構(gòu)成。前述的犧牲層是AlGaAs材料，或是聚纖亞胺材料。前述的腐蝕停層4材料為GalnP。前述的懸臂式可動反射鏡結(jié)構(gòu)是單懸臂梁、雙懸臂梁或四懸臂梁之一。 前述的有源區(qū)7為異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)，或為多有源區(qū)帶間量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)。 前述的氧化限制層6為AlGaAs材料，氧化孔徑是20um。一種懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，包括-步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在n-砷化鎵襯底 10上依次外延生長26對n型鋁砷化鎵層9與n型砷化鎵層8， GalnAs/GaAs 量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)7，氧化限制層AlGaAs層6， p型歐姆接觸層5;步驟2、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在p型歐姆接觸 層5上一次外延生長AlGaAs犧牲層，繼續(xù)外延生長鎵銦磷腐蝕停層4和由砷 化鎵層2和鋁砷化鎵層3交替生長23對得到上分布反饋布拉格反射鏡20，或 采用光刻方法在p型歐姆接觸層5上一次制備得到聚纖亞胺犧牲層，然后用
等離子體化學氣相沉積法繼續(xù)生長10對Si3N4/Si02上分布反饋布拉格反射鏡20;所述的分布反饋布拉格反射鏡每對厚度均為激射波長的二分之一；步驟3、利用光刻和選擇性濕法腐蝕相結(jié)合的方法，或利用光刻和等離子 刻蝕結(jié)合的方法，將上分布反饋布拉格反射鏡20反射鏡選擇腐蝕，制備出懸 臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)的立體輪廓圖形；步驟4、進行二次光刻，腐蝕，形成臺面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層6側(cè)壁;步驟5、利用氧化爐設(shè)備在44CTC下，氧化30分鐘，對氧化限制層6進 行氧化，形成注入電流限制孔徑20um;步驟6、選擇刻蝕腐蝕停層4和犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層5;步驟7、分別在上分布反饋布拉格反射鏡20、 p型歐姆接觸層表面5表面 制備TiAu歐姆接觸電極1;步驟8、在n-GaAs襯底10下表面制備AuGeNiAu歐姆接觸電極11，合金；步驟9、腐蝕犧牲層得到中空犧牲層30，中空犧牲層30的中空部分是空 氣隙層12，上分布反饋布拉格反射鏡20與空氣隙層12組成懸臂梁式可動反 射鏡結(jié)構(gòu)。通過靜電力操縱懸臂梁式可動分布反饋布拉格反射鏡20與有源區(qū)7中心 間的空氣隙層12厚度。正電極l與p型歐姆接觸層5之間加上偏壓后，在產(chǎn) 生的靜電力作用下使懸臂梁式可動反射鏡向下移動，使空氣隙層12厚度減小， 諧振波長發(fā)生藍移，關(guān)斷電壓后，在彈性恢復力的作用下，懸臂梁式可動反 射鏡回到其原來的位置狀態(tài)，從而達到激射波長可調(diào)。與現(xiàn)有VCSEL相比，本發(fā)明的懸臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計和微機械技 術(shù)制備的可調(diào)諧VCSEL能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、大范圍的激射波長調(diào)諧，且能避免調(diào) 諧范圍小，制備成本高的缺點。


圖h本發(fā)明中提出的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的器 件層結(jié)構(gòu)示意圖；圖2:單懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3:雙懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4:四懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一實施方式中的懸臂梁式波長可調(diào)諧VCSEL參閱圖l所示， 一種懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)和制 備方法，該激光器結(jié)構(gòu)包括有依次縱向正電極l、上分布反饋布拉格反射鏡 20、腐蝕停層4、 p型歐姆接觸5、鋁砷化鎵氧化電流限制層6、有源區(qū)7、下 分布反饋布拉格反射鏡40、 n型砷化鎵襯底10、襯底電極ll，其特征在于 上分布反饋布拉格反射鏡20和p型歐姆接觸層5之間設(shè)置中空犧牲層30;所 述的空氣隙層12是中空犧牲層30的中空部分，空氣隙層12厚度是激光器激 射波長四分之一長度的整數(shù)倍(一般為5 — 10倍)；由上分布反饋布拉格反 射鏡20與空氣隙層12共同組成懸臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)。參閱圖2、圖3、圖4所示，所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)可以是單懸臂梁、雙懸臂 梁和四懸臂梁結(jié)構(gòu)，共同點是均由靜電力驅(qū)動，產(chǎn)生機械位移，不同之處是 工作時所需的工作電壓和工作特性不同。例如單懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點是制備工藝 相對簡單，容易實現(xiàn)大范圍調(diào)諧，調(diào)諧電壓低，缺點是由于材料本身應力原 因，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，懸臂容易彎曲；四懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，受 外界因素影響小，缺點是制備工藝難度加大，調(diào)諧效率受到影響；雙懸臂梁 結(jié)構(gòu)介于兩者之間，即降低了材料應力對可動頂鏡位置的影響，同時工藝難 度適中，波長調(diào)諧效率一般。實施例1:步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在n-砷化鎵襯底 10上依次外延生長26對n型鋁砷化鎵層9與n型砷化鎵層8， GalnAs/GaAs 量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)7，氧化限制層AlGaAs層6， p型歐姆接觸層5;步驟2、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在p型歐姆接觸 層5上一次外延生長犧牲層AlGaAs層，繼續(xù)外延生長鎵銦磷腐蝕停層4和 23對砷化鎵層2和鋁砷化鎵層3上分布反饋布拉格反射鏡20反射鏡；步驟3、利用光刻和選擇性濕法腐蝕相結(jié)合的方法，將上分布反饋布拉格 反射鏡20反射鏡選擇腐蝕，制備出懸臂梁立體輪廓圖形；
步驟4、進行二次光刻，腐蝕，形成臺面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層6側(cè)壁;步驟5、利用氧化爐設(shè)備在44(TC下，氧化30分鐘，對氧化限制層6進 行氧化，形成注入電流限制孔徑20um;步驟6、選擇刻蝕腐蝕停層4和犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層5;步驟7、分別在上分布反饋布拉格反射鏡20、 p型歐姆接觸層表面5表面 制備TiAu歐姆接觸電極1;步驟8、在n-GaAs襯底10下表面制備AuGeNiAu歐姆接觸電極11，合金。步驟9、腐蝕犧牲層得到中空犧牲層30，中空犧牲層30的中空部分是空 氣隙層12，上分布反饋布拉格反射鏡20與空氣隙層12組成懸臂梁式可動反 射鏡結(jié)構(gòu)?？諝庀秾?2厚度是激光器激射波長四分之一長度的5倍。利用中國科學院海特公司生產(chǎn)的探針臺在片光譜測試儀測量，在直流電 流20mA、偏置電壓0 9V下，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面 發(fā)射激光器波長從940nm藍移到929nm處，變化范圍達到1 lnm。實施例2:步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在n-砷化鎵襯底 10上依次外延生長26對n型鋁砷化鎵層9與n型砷化鎵層8， GalnAs/GaAs 量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)7，氧化限制層AlGaAs層6， p型歐姆接觸層5;步驟2、采用光刻方法在p型歐姆接觸層5上一次制備得到聚纖亞胺薄膜， 然后用等離子體化學氣相沉積法繼續(xù)生長10對Si3N4/Si02上分布反饋布拉格 反射鏡反射鏡，所述的分布反饋布拉格反射鏡每對厚度均為激射波長的二分 之一；步驟3、利用光刻和等離子刻蝕結(jié)合的方法，將上分布反饋布拉格反射鏡 20反射鏡選擇腐蝕，制備出懸臂梁立體輪廓圖形；步驟4、進行二次光刻，腐蝕，形成臺面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層6側(cè)壁；步驟5、利用氧化爐設(shè)備在44(TC下，氧化30分鐘，對氧化限制層6進 行氧化，形成注入電流限制孔徑20um;步驟6、選擇刻蝕腐蝕停層4和犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層5;步驟7、分別在上分布反饋布拉格反射鏡20、 p型歐姆接觸層表面5表面 制備TiAu歐姆接觸電極l; 10下表面制備AuGeNiAu歐姆接觸電極11，合金。步驟9、腐蝕犧牲層得到中空犧牲層30，中空犧牲層30的中空部分是空 氣隙層12，上分布反饋布拉格反射鏡20與空氣隙層12組成懸臂梁式可動反 射鏡結(jié)構(gòu)。空氣隙層12厚度是激光器激射波長四分之一長度的5倍。利用中國科學院海特公司生產(chǎn)的探針臺在片光譜測試儀測量，在直流電 流40mA、偏置電壓4V 22V下，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔 面發(fā)射激光器波長從974.5nm藍移至956.9nm，變化范圍達到17.6nm。
權(quán)利要求
1、懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，從上至下依次包括有正電極層(1)、上分布反饋布拉格反射鏡(20)、腐蝕停層(4)、p型歐姆接觸(5)、鋁砷化鎵氧化電流限制層(6)、有源區(qū)(7)、下分布反饋布拉格反射鏡(40)、n型砷化鎵襯底(10)、襯底電極(11)，其特征在于上分布反饋布拉格反射鏡(20)和p型歐姆接觸層(5)之間設(shè)置中空犧牲層(30)；所述的空氣隙層(12)是中空犧牲層(30)的中空部分，空氣隙層(12)厚度是激光器激射波長四分之一長度的整數(shù)倍；由上分布反饋布拉格反射鏡(20)與空氣隙層(12)共同組成懸臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)， 其特征在于上分布反饋布拉格反射鏡(20)由砷化鎵層(2)和鋁砷化鎵層(3)交替生長23對組成，或由Si02層和Si3N4層交替生長10對組成，下分 布反饋布拉格反射鏡(40)由n型鋁砷化鎵層(8)與n型砷化鎵層(9)交 替生長26對構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)， 其特征在于所述的犧牲層是AlGaAs材料，或是聚纖亞胺材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)， 其特征在于所述的腐蝕停層(4)材料為GalnP。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)， 其特征在于所述的懸臂式可動反射鏡結(jié)構(gòu)是單懸臂梁、雙懸臂梁或四懸臂 梁之一。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的有源區(qū)(7)為異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)，或為多有源區(qū)帶間量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)， 其特征在于氧化限制層(6)為AlGaAs材料，氧化孔徑是20um。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu) 的制備方法，包括以下步驟步驟1、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在n-砷化鎵襯底 (10)上依次外延生長26對n型鋁砷化鎵層(9)與n型砷化鎵層(8)， GalnAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)(7)，氧化限制層AlGaAs層(6)， p型歐姆接觸層(5);步驟2、采用金屬有機化學汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在P型歐姆接觸層(5)上一次外延生長AlGaAs犧牲層，繼續(xù)外延生長鎵銦磷腐蝕停層(4) 和由砷化鎵層(2)和鋁砷化鎵層(3)交替生長23對得到上分布反饋布拉格 反射鏡(20)，或采用光刻方法在p型歐姆接觸層(5)上一次制備得到聚纖 亞胺犧牲層，然后用等離子體化學氣相沉積法繼續(xù)生長10對Si3N4/Si02上分 布反饋布拉格反射鏡(20);步驟3、利用光刻和選擇性濕法腐蝕相結(jié)合的方法，或利用光刻和等離子 刻蝕結(jié)合的方法，將上分布反饋布拉格反射鏡(20)選擇腐蝕，制備出懸臂 梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)的立體輪廓圖形；步驟4、進行二次光刻，腐蝕，形成臺面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層(6)側(cè)壁；步驟5、利用氧化爐設(shè)備在44(TC下，氧化30分鐘，對氧化限制層(6) 進行氧化，形成注入電流限制孔徑20um;步驟6、選擇刻蝕腐蝕停層(4)和犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層(5);步驟7、分別在上分布反饋布拉格反射鏡(20)、 p型歐姆接觸層(5)表 面制備TiAu歐姆接觸電極(1);步驟8、 n型砷化鎵襯底(10)下表面制備AuGeNiAu歐姆接觸電極(11)，n五；步驟9、腐蝕犧牲層得到中空犧牲層(30)，中空犧牲層(30)的中空部 分是空氣隙層(12)，上分布反饋布拉格反射鏡(20)與空氣隙層(12)組成 懸臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)。
全文摘要
懸臂梁式波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)及制備方法屬于半導體光電子器件領(lǐng)域。WDM系統(tǒng)中激光器不能實現(xiàn)更多波長選擇。該結(jié)構(gòu)包括正電極層(1)、上分布反饋布拉格反射鏡(20)、腐蝕停層(4)、p型歐姆接觸(5)、鋁砷化鎵氧化電流限制層(6)、有源區(qū)(7)、下分布反饋布拉格反射鏡(40)、n型砷化鎵襯底(10)、襯底電極(11)，特征在于上分布反饋布拉格反射鏡(20)和p型歐姆接觸層(5)之間設(shè)置中空犧牲層(30)；空氣隙層(12)是中空犧牲層(30)的中空部分；上分布反饋布拉格反射鏡(20)與空氣隙層(12)共同組成懸臂梁式可動反射鏡結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實現(xiàn)了微機械可動反射鏡的波長可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件制備。
文檔編號H01S5/34GK101132119SQ200710175248
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月28日
發(fā)明者關(guān)寶璐, 沈光地, 霞 郭 申請人:北京工業(yè)大學