專利名稱：雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器及制備方法
雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器及制備方法 技術(shù)領(lǐng)域雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng) 域，涉及一種波長(zhǎng)可調(diào)諧面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法。
技術(shù)背景多模寬帶光纖和密集波分復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用越來 越重要，這也同時(shí)要求傳統(tǒng)VCSEL光源提供的波長(zhǎng)范圍越來越大，因此人們 對(duì)寬范圍波長(zhǎng)可調(diào)諧VCSEL的需求越來越強(qiáng)烈。目前，廣泛采用的是將微機(jī) 械系統(tǒng)(MEMS)和傳統(tǒng)VCSEL相結(jié)合的方法制備出微機(jī)械可調(diào)諧VCSEL。 通過靜電力調(diào)諧的VCSEL不僅具有調(diào)諧范圍大、響應(yīng)速度快、易于實(shí)現(xiàn)無跳 模連續(xù)調(diào)諧的特點(diǎn)，而且操作簡(jiǎn)單、制作成本低，得到了廣泛的重視和研究。半導(dǎo)體可調(diào)諧VCSEL采用的調(diào)諧方式是靜電力機(jī)械調(diào)諧。當(dāng)電壓加于上 電極時(shí)，將會(huì)在可動(dòng)上分布反饋布拉格反射鏡與注入電極之間產(chǎn)生電勢(shì)差， 從而在上電極與下電極之間形成平板電容器，產(chǎn)生靜電力，從而使可動(dòng)上分 布反饋布拉格反射鏡產(chǎn)生位移，進(jìn)而改變諧振腔的寬度，使波長(zhǎng)發(fā)生位移。 但是，可調(diào)諧VCSEL采用的材料為GaAs系材料，GaAs材料的健能只有 2.59eV，絕緣強(qiáng)度為3.5X70e4V/cm，因此，對(duì)于可調(diào)諧VCSEL的微機(jī)械部 分的最高調(diào)諧電壓限制在15V左右，否則很容易因電壓過高引起的器件擊穿 發(fā)射。這對(duì)調(diào)諧電壓的限制將大大影響可動(dòng)分布反饋布拉格反射鏡的位移量， 從而使波長(zhǎng)調(diào)諧范圍減小，使可調(diào)諧VCSEL本質(zhì)上的大范圍調(diào)諧特性不能完 全發(fā)揮出來。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種可以有效提高可動(dòng)分布反饋布拉格反射鏡位移 量的波長(zhǎng)連續(xù)大范圍調(diào)諧的VCSEL。本發(fā)明公開了一種雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，包括 調(diào)諧電極l、絕緣介質(zhì)薄膜70、上分布反饋布拉格反射鏡20、中空犧牲 層40，中空部分是空氣隙層30、注入電極層3、歐姆接觸層2、中分布反饋 布拉格反射鏡卯、氧化限制層4、有源區(qū)層5、下分布反饋布拉格反射鏡50、 襯底6和歐姆接觸電極7，所述的絕緣介質(zhì)薄膜70與上分布反饋布拉格反射
鏡20、中空犧牲層40構(gòu)成雙電容結(jié)構(gòu)，所述的中空犧牲層40厚度是四分之 一激光器激射波長(zhǎng)的5 — 7倍，所述的上分布反饋布拉格反射鏡20和中分布 反饋布拉格反射鏡90為摻雜p+型，下分布反饋布拉格反射鏡50為n+型。 前述的中空犧牲層40材料是半導(dǎo)體化合物GaAs、 AlGaAs、 GalnP、 AlAs之一；前述的絕緣介質(zhì)薄膜70材料是Si02或Si3N4;前述的上分布反饋布拉格反射鏡20、下分布反饋布拉格反射鏡50是由折 射率不同的兩種半導(dǎo)體化合物材料生長(zhǎng)20 26對(duì)周期得到，中分布反饋布拉 格反射鏡90是由折射率不同的兩種半導(dǎo)體化合物材料生長(zhǎng)為2 4對(duì)周期得到。一種雙電容式微機(jī)械可調(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(jī)化學(xué)汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在襯底6上依次 外延生長(zhǎng)下分布反饋布拉格反射鏡50，有源區(qū)5，氧化限制層4，中分布反饋 布拉格反射鏡90， p型歐姆接觸層2;步驟2、采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在p型歐姆接觸 層2上一次外延生長(zhǎng)犧牲層和上分布反饋布拉格反射鏡20，采用等離子增強(qiáng) 化學(xué)氣相淀積方法制備絕緣介質(zhì)薄膜70;步驟3、利用光刻和選擇性濕法腐蝕相結(jié)合的方法，將絕緣介質(zhì)薄膜70 和上分布反饋布拉格反射鏡20選擇腐蝕，制備出懸臂梁立體輪廓圖形，懸臂 梁具體說明參見(申請(qǐng)?zhí)?00710175248.1，名稱懸臂梁式波長(zhǎng)可調(diào)諧垂直 腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)及制備方法，單位北京工業(yè)大學(xué))；步驟4、進(jìn)行二次光刻，腐蝕歐姆接觸層2和中分布反饋布拉格反射鏡 90，形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層4側(cè)壁；步驟5、利用氧化爐設(shè)備在44(TC下，氧化30分鐘，對(duì)氧化限制層4進(jìn) 行氧化，形成注入電流限制孔徑20um;步驟6、選擇刻蝕犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層2;步驟7、在絕緣介質(zhì)薄膜70上濺射調(diào)諧電極1 ，在p型歐姆接觸層2表 面濺射TiAu注入電極3;
步驟8、在襯底6下表面濺射AuGeNiAu歐姆接觸電極7。步驟9、選擇腐蝕犧牲層，中空犧牲層40的中空部分是由空氣隙層30組成。調(diào)諧電極1加上偏置電壓后，絕緣介質(zhì)薄膜70和注入電極3分布是電容 器的兩極，所述電容器的介質(zhì)分別為上分布反饋布拉格反射鏡20和空氣隙層 30兩種介質(zhì)，所述電容器內(nèi)部相當(dāng)于是上分布反饋布拉格反射鏡20與空氣隙 層30形成的兩個(gè)電容器串連。通過靜電力操縱可動(dòng)分布反饋布拉格反射鏡20， 使諧振腔厚度減小，諧振波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移，關(guān)斷電壓后，在彈性恢復(fù)力的作用 下，可動(dòng)上分布反饋布拉格反射鏡20回到其原來的位置狀態(tài)，從而達(dá)到激射 波長(zhǎng)可調(diào)。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制備方法得到的可調(diào)諧激光器具有調(diào)諧電 壓高，滿足可動(dòng)薄膜位移大要求，激射波長(zhǎng)調(diào)諧范圍廣的特點(diǎn)。避免器件易 于調(diào)諧電壓低、可動(dòng)薄膜位移范圍小對(duì)調(diào)諧波長(zhǎng)范圍的限制。


圖1:本發(fā)明中提出的雙電容式微機(jī)械可調(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:本發(fā)明結(jié)構(gòu)中可動(dòng)上分布反饋布拉格反射鏡的調(diào)諧電壓與位移示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明公開了一種雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，包括.調(diào)諧電極l、絕緣介質(zhì)薄膜70、上分布反饋布拉格反射鏡20、中空犧牲 層40，中空部分是空氣隙層30、注入電極層3、歐姆接觸層2、中分布反饋 布拉格反射鏡90、氧化限制層4、有源區(qū)層5、下分布反饋布拉格反射鏡50、 襯底6和歐姆接觸電極7，所述的絕緣介質(zhì)薄膜70與上分布反饋布拉格反射 鏡20、中空犧牲層40構(gòu)成雙電容結(jié)構(gòu)，所述的中空犧牲層40厚度是四分之 一激光器激射波長(zhǎng)的5 — 7倍，所述的上分布反饋布拉格反射鏡20和中分布 反饋布拉格反射鏡卯為摻雜p+型，下分布反饋布拉格反射鏡50為n+型。具體步驟如下.-1 、采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)或者分子束外延(MBE)系統(tǒng)晶向 外延在n-砷化鎵襯底6上依次外延生長(zhǎng)26對(duì)GaAs和AlGaAs周期生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)
的n+型下分布反饋布拉格反射鏡50，有源區(qū)5， AlGaAs氧化限制層4， p型 歐姆接觸層2， 3對(duì)GaAs和AlGaAs周期生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的中分布反饋布拉格反射 鏡90， AlGaAs中空犧牲層40， 23對(duì)GaAs和AlGaAs周期生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的上分布 布拉格反射鏡20;2、 采用離子增強(qiáng)化學(xué)氣象淀積PECVD制備Si02絕緣介質(zhì)薄膜70，厚 度為100nm，并形成于上分布布拉格反射鏡20上表面；3、 利用光刻和選擇性濕法腐蝕相結(jié)合的方法，將絕緣介質(zhì)薄膜70和上 分布反饋布拉格反射鏡20選擇腐蝕，制備出懸臂梁立體輪廓圖形；4、 進(jìn)行二次光刻，腐蝕歐姆接觸層2和中分布反饋布拉格反射鏡90，形 成臺(tái)面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層4側(cè)壁；5、 利用氧化爐設(shè)備在44(TC下，氧化30分鐘，對(duì)氧化限制層4進(jìn)行氧化， 形成注入電流限制孔徑20um;6、 選擇刻蝕犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層5;7、 在絕緣介質(zhì)薄膜70上制備調(diào)諧電極1，在p型歐姆接觸層2表面制備 TiAu注入電極3;8、 在襯底6下表面制備AuGeNiAu歐姆接觸電極7;9、 選擇腐蝕犧牲層，中空犧牲層40的中空部分是空氣隙層30，厚度為 激射波長(zhǎng)的四分之五；選擇腐蝕犧牲層得到中空犧牲層40，中空部分由空氣隙30組成，從而使 上分布布拉格反射鏡20懸空與有源區(qū)5之上?？諝庀秾?0作為諧振腔的一 部分，空氣與相鄰半導(dǎo)體材料接觸表面對(duì)激光器出光效果影響很大，因此， 犧牲層40最后是選擇腐蝕數(shù)率比很大的兩種材料，例如GaAs與AlGaAs。圖2為上分布反饋布拉格反射鏡20隨調(diào)諧電壓變化的位移曲線。附圖標(biāo) 記Dl和D2分別對(duì)應(yīng)調(diào)諧電壓15V和30V點(diǎn)。它們表示出對(duì)應(yīng)不同調(diào)諧電壓 時(shí)，上分布反饋布拉格反射鏡20位移量的多少。Dl所示的情形為沒有絕緣介質(zhì)薄膜70情況下，調(diào)諧電壓最大值為15V 左右，在調(diào)諧電極1與注入電極3之間靜電力作用下，上分布反饋布拉格反 射鏡20位移只有50nm;D2所示的情形為采用本發(fā)明中絕緣介質(zhì)薄膜70的情況下，調(diào)諧電壓能夠提高到30V以上。絕緣介質(zhì)薄膜70、調(diào)諧電極l、上分布反饋布拉格反 射鏡20、中空犧牲層30和注入電極3組成雙電容結(jié)構(gòu)，在靜電力作用下，上 分布反饋布拉格反射鏡20位移達(dá)到了 250nm。
權(quán)利要求
1、雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，從上至下依次包括調(diào)諧電極(1)、絕緣介質(zhì)薄膜(70)、上分布反饋布拉格反射鏡(20)、中空犧牲層(40)，中空犧牲層(40)的中空部分是空氣隙層(30)、注入電極(3)、歐姆接觸層(2)、中分布反饋布拉格反射鏡(90)、氧化限制層(4)、有源區(qū)層(5)、下分布反饋布拉格反射鏡(50)、襯底(6)和歐姆接觸電極(7)，所述的絕緣介質(zhì)薄膜(70)與上分布反饋布拉格反射鏡(20)、中空犧牲層(40)構(gòu)成雙電容結(jié)構(gòu)，所述的中空犧牲層(40)厚度是四分之一激光器激射波長(zhǎng)的5-7倍，所述的上分布反饋布拉格反射鏡(20)和中分布反饋布拉格反射鏡(90)為摻雜p+型，下分布反饋布拉格反射鏡(50)為n+型。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器， 其特征在于所述的中空犧牲層(40)材料是半導(dǎo)體化合物GaAs、 AlGaAs、 GalnP、 AlAs之一。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于所述的絕緣介質(zhì)薄膜(70)材料是Si02或Si3N4。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于所述的上分布反饋布拉格反射鏡(20)、下分布反饋布拉格反射鏡(50)是由折射率不同的兩種半導(dǎo)體化合物材料生長(zhǎng)20 26對(duì)周期得到， 中分布反饋布拉格反射鏡(90)是由折射率不同的兩種半導(dǎo)體化合物材料生 長(zhǎng)為2 4對(duì)周期得到。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器的 制備方法，包括以下步驟步驟1、采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在襯底(6)上 依次外延生長(zhǎng)下分布反饋布拉格反射鏡(50)，有源區(qū)(5)，氧化限制層(4)， 中分布反饋布拉格反射鏡(90)， p型歐姆接觸層(2);步驟2、采用金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積或者分子束外延系統(tǒng)在p型歐姆接觸 層(2)上一次外延生長(zhǎng)犧牲層和上分布反饋布拉格反射鏡(20)，采用等離 子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積方法制備絕緣介質(zhì)薄膜(70);步驟3、利用光刻和選擇性濕法腐蝕相結(jié)合的方法，將絕緣介質(zhì)薄膜(70) 和上分布反饋布拉格反射鏡(20)選擇腐蝕，制備出懸臂梁立體輪廓圖形；步驟4、進(jìn)行二次光刻，腐蝕歐姆接觸層(2)和中分布反饋布拉格反射 鏡(90)，形成臺(tái)面結(jié)構(gòu)，暴露出氧化限制層(4)側(cè)壁；步驟5、利用氧化爐設(shè)備在440。C下，氧化30分鐘，對(duì)氧化限制層(4) 進(jìn)行氧化，形成注入電流限制孔徑20um;步驟6、選擇刻蝕犧牲層，暴露出p型歐姆接觸層(2); 步驟7、在絕緣介質(zhì)薄膜(70)上濺射調(diào)諧電極(1)，在p型歐姆接觸層 (2)表面濺射TiAu注入電極(3);步驟8、在襯底(6)下表面濺射AuGeNiAu歐姆接觸電極(7);步驟9、選擇腐蝕犧牲層，中空犧牲層(40)的中空部分是空氣隙層(30)。
全文摘要
一種雙電容式微機(jī)械可調(diào)諧垂直腔面發(fā)射激光器及制備方法屬于半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域。該激光器從上至下包括調(diào)諧電極(1)、絕緣介質(zhì)薄膜(70)、上分布反饋布拉格反射鏡(20)、中空犧牲層(40)，中空部分是空氣隙層(30)、注入電極(3)、歐姆接觸層(2)、中分布反饋布拉格反射鏡(90)、氧化限制層(4)、有源區(qū)層(5)、下分布反饋布拉格反射鏡(50)、襯底(6)和歐姆接觸電極(7)，所述的絕緣介質(zhì)薄膜(70)與上分布反饋布拉格反射鏡(20)、中空犧牲層(40)構(gòu)成雙電容結(jié)構(gòu)，所述的上分布反饋布拉格反射鏡(20)和中分布反饋布拉格反射鏡(90)為摻雜p⁺型，下分布反饋布拉格反射鏡(50)為n⁺型。本發(fā)明有效提高了器件波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。
文檔編號(hào)H01S5/187GK101132120SQ20071017577
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月11日
發(fā)明者關(guān)寶璐, 沈光地, 霞 郭 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)