介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法技术

介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法属于半导体激光器领域，解决现有技术存在的工艺精度低、可靠性差以及性能一致性差的问题。本发明专利技术的结构包括从下至上排列的N面电极、衬底层、N型DBR层、有源层、介质薄膜电流限制层、P型DBR层和P面电极；本发明专利技术的方法为在衬底层上依次生长N型DBR层和有源层，将N型DBR层和有源层刻蚀成圆柱形台面，并暴露出衬底层，在圆柱形台面的表面以及衬底层的表面生长介质薄膜电流限制层，在质薄膜电流限制层刻蚀出电流限制窗口并暴露出有源层；在介质薄膜电流限制层的上表面及有源层的上表面外延生长P型DBR层；分别在P型DBR层的上表面和衬底层的下表面制作P面电极和N面电极。

Dielectric film current limiting type vertical cavity surface emitting laser and manufacturing method thereof

The utility model relates to a dielectric film current limiting type vertical cavity surface emitting laser and a manufacturing method thereof, belonging to the field of semiconductor lasers, and solving the problems of low process accuracy, poor reliability and poor performance consistency existing in the prior art. The structure of the invention comprises a bottom-up arrangement of N surface electrode, substrate layer, N DBR layer, active layer and dielectric thin film current limiting layer and the P type DBR layer and the P electrode surface; the method of the invention is on a substrate layer followed by growth of N type DBR layer and active layer, N DBR layer and the active layer is etched into cylindrical surface, and exposing the substrate layer, in the surface of the substrate surface and the cylindrical surface layer of dielectric thin film growth limiting layer current limiting layer etching current limit window and exposes the active layer in membrane current; growth of P type DBR layer on the dielectric film layer on the surface of current limiting and active on the surface of the epitaxial layer; respectively in P type DBR layer on the surface of the substrate layer and the under surface of the P electrode and the N electrode surface surface.

【技术实现步骤摘要】
介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法
本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及一种介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法。
技术介绍
垂直腔面发射激光器1979年由日本东京工业大学的K.Iga教授首先提出(Soda,H.etal.,JapaneseJournalofAppliedPhysics,vol.18,no.12,2329-2330)，是一种由多层半导体材料构成的，从表面出射激光的光学器件，主要由上、下分布布拉格反射镜和夹在中间的有源区三大部分构成，这种激光器发光方向与芯片表面垂直，能够输出圆形对称光斑，非常便于进行二维集成，而且由于其谐振腔长度为微米量级，因此动态单模调制速率极高。目前垂直腔面发射激光器已作为中短距离光通信系统的光源得到广泛应用。垂直腔面发射激光器的纵向谐振腔通常是由半导体材料生长形成的多层薄膜结构形成，一旦材料生长完成后，谐振腔的纵向结构就固定下来；其谐振腔的横向尺寸是由电流限制孔径的大小决定的，电流限制孔径的形成方法通常有空气柱法、质子注入法以及侧氧化法。其中空气柱法对电场及光场限制均较弱，目前已很少采用；质子注入法设备成本高昂，工艺难度大，并且对光场限制也较弱；侧氧化法是通过湿法氧化工艺将垂直腔面发射激光器外延结构中的预先生长好的一薄层高Al组分层氧化为致密的AlxOy，对有源区的侧向形成有效的电、光限制，该方法设备成本较低并且电光限制效果很好，因此成为了目前垂直腔面发射激光器形成电流限制孔径的主要手段。然而，由于湿法氧化工艺需要在高温氧化炉中进行，工艺过程会受到炉体结构、炉温、水温、气体流量等多种因素的影响，因此其工艺精确度一般仅能达到微米量级，工艺精度低，这会对用于光通信或原子钟应用的单模垂直腔面发射激光器不同批次器件的性能一致性产生较大影响，因为这类激光器总的电流限制孔径尺寸通常仅为3-5微米；此外，湿法氧化工艺需要将样品长时间放入高温氧化炉中，长时间的高温处理会对半导体材料的各项性能产生一定影响，并且在工艺过程中容易通过炉体或水蒸气污染样品表面，可靠性差。同时，湿法氧化形成的电流注入孔径形状一般为普通的圆形或椭圆形，难以满足某些特殊需求，如对输出激光的偏振控制等通常需要电流注入孔径为沿固定偏振方向的栅条结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法，解决现有技术存在的工艺精度低、可靠性差以及性能一致性差的问题，通过在介质薄膜电流限制层制作具有特殊形状的电流限制窗口，实现对器件多项性能的改进。为实现上述目的，本专利技术的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器包括：衬底层，所述衬底层为GaAs结构；依次生长在所述衬底层上端的N型DBR层和有源层，所述有源层和N型DBR层构成圆柱形台面；制作在所述由有源层和N型DBR层构成的圆柱形台面上端和衬底层上端的介质薄膜电流限制层，所述有源层上端的介质薄膜电流限制层开有电流限制窗口，通过所述电流限制窗口暴露出所述有源层，所述介质薄膜电流限制层由折射率低于2.0、热导率高于50Wm-1K-1的低折射率、高热导率材质材料构成；生长在有源层和介质薄膜电流限制层的上端的P型DBR层；生长在P型DBR层上端的P面电极和制作在衬底层下表面的N面电极，所述N面电极设置有出光窗口，所述出光窗口和电流限制窗口相同，并精确对准。所述电流限制窗口形状为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。所述介质薄膜电流限制层为AlN、Si3N4、BeO或SiC；所述P型DBR层和N型DBR层均为GaAs/AlAs结构；所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法包括以下步骤：步骤一：采用有机溶剂结合等离子体设备清洗处理衬底层，去除衬底层表面颗粒和有机物沾污；步骤二：在步骤一中获得的清洗后的衬底层上依次外延生长N型DBR层和有源层；步骤三：将步骤二中获得的N型DBR层和有源层刻蚀成圆柱形台面，刻蚀深度直至衬底层上端，暴露出衬底层上表面；步骤四：在N型DBR层及有源层组成的圆柱形台面的上表面、侧表面以及步骤三中暴露出的衬底层的上表面生长介质薄膜电流限制层；步骤五：将覆盖在圆柱形台面上表面的介质薄膜电流限制层刻蚀出电流限制窗口，刻蚀深度直至有源层上端，暴露出有源层上表面；步骤六：在介质薄膜电流限制层的上表面及步骤五中暴露出的有源层的上表面二次外延生长P型DBR层；步骤七：分别在P型DBR层的上表面和衬底层的下表面制作P面电极和N面电极，并在N面电极制作出光窗口，形状与电流限制窗口相同，并精确对准。步骤三中所述的将步骤二中获得的N型DBR层和有源层刻蚀成圆柱形台面采用半导体干法刻蚀工艺或半导体湿法刻蚀工艺。步骤五中所述的电流限制窗口为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。所述介质薄膜电流限制层为AlN、Si3N4、SiO2或Al2O3；所述P型DBR层和N型DBR层均为GaAs/AlAs结构；所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。所述N面电极上的出光窗口采用Lift-off(剥离工艺)制作工艺形成。本专利技术的有益效果为：本专利技术的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法采用介质薄膜电流限制层和在其上制作的电流限制窗口实现将注入电流和光场限制在有源层，并通过N型DBR层和P型DBR层实现对器件内部光场的反馈放大后，通过N型DBR或P型DBR实现底面发光或顶面发光。本专利技术是一种完全基于半导体平面工艺的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法，该激光器采用低折射率、高热导率介质材料结合半导体平面工艺形成激光器电流限制窗口，无需采用湿法氧化工艺，避免了长期高温热处理对器件的污染，提高了器件的工艺精度和可靠性。该介质薄膜电流限制层兼具绝缘钝化功能，有源层、P型DBR材料生长完成后可直接生长P面电极，简化了器件制备工艺。本专利技术采用的介质薄膜电流限制层以及在其上制作的电流限制窗口能够同时实现对有源区电场及光场的有效限制，并且介质薄膜电流限制层本身较高的热导率能有效改善器件散热，有效提高垂直腔面发射激光器内部的热场分布，进而提高电-光转换效率，可采用标准半导体平面工艺和二次外延生长工艺，形成的电流限制窗口具有高度的一致性，精确度可达到亚微米量级。通过在本专利技术介质薄膜电流限制层上制作具有各种特殊形状的电流限制窗口，可以直接对注入器件有源区的载流子分布形式进行调制，进而对偏振特性、光束质量等多项器件性能进行进一步改进。附图说明图1为本专利技术的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的整体结构示意图；图2为本专利技术的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的结构俯视图；图3为本专利技术的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器的结构仰视图；图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】
介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：衬底层(6)，所述衬底层(6)为GaAs结构；依次生长在所述衬底层(6)上端的N型DBR层(5)和有源层(4)，所述有源层(4)和N型DBR层(5)构成圆柱形台面；制作在所述由有源层(4)和N型DBR层(5)构成的圆柱形台面上端和衬底层(6)上端的介质薄膜电流限制层(3)，所述有源层(4)上端的介质薄膜电流限制层(3)开有电流限制窗口，通过所述电流限制窗口暴露出所述有源层(4)，所述介质薄膜电流限制层(3)由折射率低于2.0、热导率高于50Wm

【技术特征摘要】
1.介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：衬底层(6)，所述衬底层(6)为GaAs结构；依次生长在所述衬底层(6)上端的N型DBR层(5)和有源层(4)，所述有源层(4)和N型DBR层(5)构成圆柱形台面；制作在所述由有源层(4)和N型DBR层(5)构成的圆柱形台面上端和衬底层(6)上端的介质薄膜电流限制层(3)，所述有源层(4)上端的介质薄膜电流限制层(3)开有电流限制窗口，通过所述电流限制窗口暴露出所述有源层(4)，所述介质薄膜电流限制层(3)由折射率低于2.0、热导率高于50Wm-1K-1的低折射率、高热导率材质材料构成；生长在有源层(4)和介质薄膜电流限制层(3)的上端的P型DBR层(2)；生长在P型DBR层(2)上端的P面电极(1)和制作在衬底层(6)下表面的N面电极(7)，所述N面电极(7)设置有出光窗口，所述出光窗口和电流限制窗口相同，并精确对准。2.根据权利要求1所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电流限制窗口形状为单个圆形、多个圆形、多边形或栅条结构。3.根据权利要求1所述的介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述介质薄膜电流限制层(3)为AlN、Si3N4、BeO或SiC；所述P型DBR层(2)和N型DBR层(5)均为GaAs/AlAs结构；所述有源层(4)为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或AlGaN/InGaN周期性多量子阱结构；所述P面电极(1)为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极(7)为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。4.介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：采用有机溶剂结合等离子体设备清洗处理衬底层(6)，去除衬底层(6)表面颗粒和有机物沾污；步骤二：在步骤一中获得的清洗后的衬底层(6)上依次外延生长N型DBR层(5)和有源层(4)；步骤三：将步骤二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张星，宁永强，张建伟，张建，秦莉，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22