一种1550nm长波长垂直腔面发射激光器的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的1550nm长波长垂直腔面发射激光器，其特点在于有源层为InP基的InGaAsN/AlGaInAs的QWs以及AlGaAsSb/AlAsSb作为DBR材料。它的谐振腔腔长为1λ以实现更好的出光效果。另外本发明专利技术采用双层氧化限制层的结构使面发射激光器在性能上进一步改善，提高了单模输出功率，实现1550nm的长波长传输。该激光器包括P型DBR层、有源层、N型DBR层、衬底、SiO2绝缘层、透明导电介质ZnO、P型电极和N型背面电极。整个结构在材料上是晶格匹配的，因此可以广泛的应用外延技术。本发明专利技术的垂直腔面发射激光器制造工艺简单，重复性好，容易推广。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种长波长InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的垂直腔面发射激光器的制造方法及其与光栅的耦合，在光电子集成中有重要应用，属于半导体激光器领域。
技术介绍
在半导体光电子产业中，半导体激光器只需要很低的电流供应就可以发射激光，又因体积小解决了光电子集成中因特征尺寸按比例缩小而引起的无法克服的困难，被称为微型激光器。凭借其易于和其它器件集成及工作寿命长的优点，这种低成本、高性能的光源在系统中的地位越来越突出并且愈加受到重视。半导体激光器按激光出射的角度的不同可分为：边发射激光器(Edge-Emitting Laser，EEL)和垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)两种。虽然人们对于边发射激光器的研究要早于面发射激光器、在研究技术和涉及领域等方面取得了傲人的成绩，但其依旧存在着一些弊端。例如光束发散角过大、光束质量较低、制作成本偏高，较低的光纤耦合效率，还有不容易集成等缺点。而作为其替代产品，垂直腔面发射激光器强有力的促进了半导体光源的发展。VCSEL是一种出光方向垂直于谐振腔表面的半导体激光器，具有体积小、阈值低、光束方向性好、动态调制频率高、易成阵列、易耦合、易检测等优点，成为芯片间光互连应用的最佳光源，并受到了广泛的关注。随着光电子技术的发展和信息社会的需求，对该器件的深入细致的研究工作也在不断的进行，850nm、980nm、1100nm、1310nm和1550nm波段均已取得了显著的成效。其中1310nm/1550nm波段的光源对硅基光波导具有低色散和低损耗的特点，因而成为光电子集成的最佳波段。目前，1310nmVCSEL研究较多的是在GaAs基制作的GaAs/AlGaAs DBR和GaInNAs/GaAs有源区。与1310nmVCSEL不同，1550nm波段则多选用InP基材料的有源区，使用比较广泛的材料体系是AlInGaP/InP和InGaAsP/InP，其研究主要集中在DBR反射镜和整体结构的优化设计。利用掩埋隧道结技术、晶片键合、InP基锑化物DBR、GaAs基有源区以及引入光子晶体等方法对研制性能良好的长波长VCSEL器件上将具有不同的突破。目前，短波长850nm和980nmVCSEL器件制备工艺已经比较成熟，并在商业领域得到了广泛的应用。但是，基于InP衬底的长波长VCSEL器件的发展却比较缓慢，主要有以下三个方面的原因。它难以形成与长波长有源增益区相匹配的高反射率、低电阻的DBR反射镜；长波长VCSEL器件的热问题也比较显著，长波长VCSEL所采用的四元或三元半导体材料要比短波长VCSEL所采用的二元材料热阻大的多，折射率差却小的多；它难于实现及制备理想的电流限制层。因此，以上三个方面的问题阻碍了长波长VCSEL器件的发展。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的1550nm长波长垂直腔面发射激光器的制备方案。本专利技术解决技术问题所采取的技术方案如下：InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的1550nm长波长垂直腔面发射激光器包括：InP衬底、底部分布反馈布拉格腔镜，光学谐振微腔和顶部分布反馈布拉格腔镜；光学谐振微腔包含：包层，有源增益层和双层氧化限制层。其特征在于它的谐振腔腔长为1λ，多量子阱有源增益层QWs位于驻波场的波腹位置，以得到较大的光增益；整个结构的每层上的材料是晶格匹配的，因此可以广泛的应用外延技术。本专利技术旨在研究一种新颖的且与光栅耦合器有较高耦合效率和便于加工集成等特点的垂直腔面发射激光器，并能用于阵列波导光栅解调集成微系统中的光源与光栅耦合器之间的集成。为了得到性能优良的长波长VCSEL器件，本专利技术旨在从DBR反射镜、谐振腔和氧化限制层等方面进行综合改进，它将对光纤光栅传感解调领域的发展起到重要推动作用，所以对其进行研究是很有研究前景和实用价值的，同时对于未来光纤光栅解调系统的硅光电集成芯片研究具有重要意义。本专利技术的有益效果是：该垂直腔面发射激光器通过探针的链接，下端为出光口，即P型DBR上端输出的激光光束可以注入光栅耦合器中，通过对其上电极以及半导体台面的结构进行调节，能够将激光器的激光光束在预期位置自动整形聚焦为点状或线状的高功率高密度激光光斑。它提高了单模的输出功率，能够满足广泛的应用需求，并且该激光器制造工艺简单、重复性好、结构紧凑、解调精度高、解调速度快、成本也较低，易于普及推广。附图说明图1是VCSEL与光栅耦合后形成的光电子集成的截面图；图2是谐振腔内结构分配示意图；图3是VCSEL与光栅耦合的结构示意图；图4是VCSEL的折射率及厚度示意图；图5是不同腔长下的功率谱分布图；图6是不同氧化限制层下的功率分布图；图7是VCSEL光场及光功率分配图；图8是VCSEL与光栅耦合后的光场及光功率分配图；图9是N型背面辐射桥电极示意图。具体实施方式以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。这种InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的1550nm长波长垂直腔面发射激光器，包括顺次连接的InP衬底层(1)、N型DBR(2)、InP扩充层(3)、量子阱有源增益层QWs(4)、氧化限制层(5)、P型DBR(6)、SiO2绝缘层(7)、透明导电介质ZnO(8)、P型电极(9)、N型背面电极(10)、反射耦合层(11)、硅包层(12)和硅衬底层(13)。以下为实施案例及具体实施步骤：实施例1：第一步，采用外延生长的方法制备衬底(1)、N型DBR(2)、扩展InP层(3)、有源区以及P型DBR(6)的外延片；制备InP衬底(1)和扩展InP层(3)，其厚度分别约为500nm和775nm；然后在其上采用外延生长的方法生长由组分渐变的35对AlGaAsSb/AlAsSb材料交替组成的N型DBR(2)，这需用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀N型DBR，由公式L＝λ/4n可知，本专利技术设定AlGaAsSb和AlAsSb的厚度分别为110nm和125nm；由组分渐变的31对AlGaAsSb/AlAsSb材料交替组成的N型DBR(6)的与材料与厚度同N型DBR(2)；有源区由3对InGaAsN/AlGaInAs材料的QWs和两层氧化限制层构成，谐振腔腔长为1λ；第二步，在P型DBR顶部旋涂光刻胶，进行湿法化学腐蚀P型DBR(6)形成P型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的1550nm长波长垂直腔面发射激光器，其特征在于结构包括InP衬底、底部分布反馈布拉格腔镜和顶部分布反馈布拉格腔镜，中间夹有一个光学谐振微腔；光学谐振微腔包含包层，有源增益层和双层氧化限制层，它的谐振腔腔长为1λ，有源层是InP基的InGaAsN/AlGaInAs材料的QWs，AlGaAsSb/AlAsSb作为DBR材料；以光刻胶作掩膜，利用相关工艺，形成SiO2绝缘层、透明导电介质层以及金属电极层；通过与SOI基下端反射耦合层的连接实现光电子集成。

【技术特征摘要】
1.一种InGaAsN/AlGaInAs量子阱为有源层的1550nm长波长垂直腔面发射激光器，
其特征在于结构包括InP衬底、底部分布反馈布拉格腔镜和顶部分布反馈布拉格腔镜，
中间夹有一个光学谐振微腔；光学谐振微腔包含包层，有源增益层和双层氧化限制层，
它的谐振腔腔长为1λ，有源层是InP基的InGaAsN/AlGaInAs材料的QWs，
AlGaAsSb/AlAsSb作为DBR材料；以光刻胶作掩膜，利用相关工艺，形成SiO2绝缘层、
透明导电介质层以及金属电极层；通过与SOI基下端反射耦合层的连接实现光电子集成。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：DBR反射镜是由光
学厚度为λ/4，折射率不同的两种材料交替生长若干层而形成的多层堆结构；
基于反射光相互干涉原理，底部分布反馈布拉格腔镜N型DBR形成于InP衬底上，
由组分渐变的35对AlGaAsSb/AlAsSb材料交替组成；顶部分布反馈布拉格腔镜P型DBR
形成于谐振腔上方，由同样组分渐变的31对AlGaAsSb/AlAsSb材料交替组成。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：垂直腔面发射激光器
谐振腔包层采用AlInAs材料；根据VCSEL器件谐振腔内形成稳定的驻波场的条件可
知，垂直腔面发射激光器谐振腔多量子阱有源增益层QWs位于驻波场的波腹位置，得到
较大的光增益和较好的光场限制；垂直腔面发射激光器谐振腔多量子阱有源增益层QWs
由InGa...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鸿强，崔贝贝，周文骞，刘宇，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12