一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法技术

本发明专利技术一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法，包括：一单晶衬底；单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：外延层、N‑欧姆接触层、P‑欧姆接触层、光学钝化层；单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。本发明专利技术的一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法，能够同时实现波长的可调谐和温度反馈功能。

【技术实现步骤摘要】
一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法
本专利技术属于半导体激光器
，尤其涉及一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法。
技术介绍
与本案相关的现有技术主要是垂直腔面发射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，简称VCSEL）技术。由于VCSEL激光器腔长较短，在整个增益区可仅设一个单纵模，使得连续宽范围的波长调谐成为可能，且VCSEL出光孔径大小与单模光纤相近，与光纤的耦合效率更高，易制成高密度激光阵列，这些优点使其成为国际光通器件领域的研究热点。但是目前基于变温调谐的VCSEL激光器通常采用温度调谐单元，该温度调谐单元一般为半导体制冷器(Thermalelectriccooler,简称TEC)，体积大，芯片、器件及模块的集成度低，调制速率慢，且无法对工作中的芯片温度变化进行及时测量与反馈补偿。所以，有必要设计一种新的可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法以解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种可调谐VCSEL激光器芯片及其制造方法。为实现前述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种可调谐VCSEL激光器芯片，包括：一单晶衬底；单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：外延层、N-欧姆接触层、P-欧姆接触层、光学钝化层；单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。作为本专利技术的进一步改进，所述第一倾角差在正负5°以内。作为本专利技术的进一步改进，所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料。作为本专利技术的进一步改进，所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料。作为本专利技术的进一步改进，所述原子层热电堆层材料为CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系中的任意一种。作为本专利技术的进一步改进，所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底。作为本专利技术的进一步改进，所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内。作为本专利技术的进一步改进，所述外延层包括：依次生长的N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、电流扩展帽层。作为本专利技术的进一步改进，所述电流扩展帽层、所述P-DBR、所述氧化限制层、所述量子阱有源层被依次刻蚀至所述N-DBR，从而形成外延层刻蚀台面；所述N-欧姆接触层生长在所述外延层刻蚀台面上，所述P-欧姆接触层生长在所述电流扩展帽层上，所述光学钝化层生长在未被所述P-欧姆接触层、所述N-欧姆接触层覆盖的裸露的所述外延层上。本专利技术还提供一种可调谐VCSEL激光器芯片制造方法，包括：步骤S1：准备单晶衬底，所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底；步骤S2：生长单晶衬底正面单元，具体包括：在所述单晶衬底正面生长外延层，所述外延层依次包括N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、电流扩展帽层；形成外延层刻蚀台面，将所述电流扩展帽层、所述P-DBR、所述氧化限制层、所述量子阱有源层进行ICP刻蚀至所述N-DBR，从而形成外延层刻蚀台面；形成氧化限制区，对暴露出的所述氧化限制层进行湿法氧化处理；在所述外延层刻蚀台面上生长N-欧姆接触层，在所述电流扩展帽层上生长P-欧姆接触层，在所述未被所述P-欧姆接触层、所述N-欧姆接触层覆盖的裸露的外延层上生长光学钝化层；步骤S3：生长单晶衬底背面单元，在单晶衬底背面依次倾斜外延生长绝缘层、原子层热电堆层及电极，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料；所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料；所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差，所述第一倾角差在正负5°以内；所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内；所述电极沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。本专利技术的积极进步效果如下。（1）本专利技术创造性地将基于横向热电效应的原子层热电堆结构与传统VCSEL外延结构集成，在用具有斜切角的单晶衬底作为调控化合物半导体基VCSEL外延生长模式、掺杂并入量、表面形貌常规手段的同时，又作为原子层热电堆材料中实现横向热电效应的晶体取向和结构前提，芯片结构、功能和工艺集成度显著提高。（2）本专利技术中，当原子层热电堆层两侧电极通电、建立横向电场时，由于原子层热电堆材料在晶体学ab面内与沿c轴方向的热电势具有各向异性，在原子层热电堆层外延倾角的作用下发生横向热电效应的逆效应，即横向电场将构成原子层热电堆层上下表面的温差变化，温差变化作用于VCSEL芯片进而调制激光波长；测温反馈时，VCSEL芯片的温度变化将形成原子层热电堆层纵向的温度梯度，该温度梯度再通过横向热电效应转换为横向电信号，并由两侧电极读出，实现温度反馈；本专利技术无需搭配其他芯片或模块即可在单颗激光器芯片中同时实现波长调谐和温度反馈，芯片及其封装模块集成度高，波长调谐和温度反馈灵敏。（3）本专利技术实现一物两用，单晶衬底背面单元作为有源器件、主动施加偏压时，本专利技术能实现激光器的波长调谐；当单晶衬底背面单元作为无源器件时，通过横向响应偏压便可获得芯片温度，无需从芯片、器件或模块层面搭载测温、控温反馈单元，方便快捷，实用。（4）本专利技术中CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系属于氧化物热电材料，与传统合金热电材料相比，具有高温物理化学稳定性好、材料成本低廉、无毒无污染、使用寿命长等优点，在单晶体的生长和多晶体的热电性能改善方面具有受到广泛的关注，具有天然优势。附图说明图1为本专利技术一种可调谐VCSEL激光器芯片的整体结构示意图。附图标号说明：单晶衬底10、外延层21、N-DBR211、量子阱有源层212、氧化限制层213、P-DBR214、电流扩展帽层215、N-欧姆接触层22、P-欧姆接触层23、光学钝化层24、绝缘层31、原子层热电堆层32、电极33。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：包括：/n一单晶衬底；/n单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：/n外延层、N-欧姆接触层、P-欧姆接触层、光学钝化层；/n单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括：/n倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；/n两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。/n

【技术特征摘要】
1.一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：包括：
一单晶衬底；
单晶衬底正面单元，生长在所述单晶衬底正面，发射激光，包括：
外延层、N-欧姆接触层、P-欧姆接触层、光学钝化层；
单晶衬底背面单元，二次外延生长在所述单晶衬底背面，调谐所述激光波长，反馈芯片温度，依次包括：
倾斜外延生长的绝缘层、原子层热电堆层，所述绝缘层具有绝缘层外延倾角，所述原子层热电堆层具有原子层热电堆层外延倾角，所述原子层热电堆层外延倾角与所述绝缘层外延倾角具有第一倾角差；
两电极，沿所述原子层热电堆层倾斜方向分布在所述原子层热电堆层两侧。


2.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述第一倾角差在正负5°以内。


3.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述绝缘层材料为非掺或补偿掺杂的同质或异质外延材料。


4.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述原子层热电堆层材料为任何具有本征热电势各向异性、可实现横向热电效应的外延材料。


5.根据权利要求4所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述原子层热电堆层材料为CaCoO、YBaCuO、DyBaCuO、PtCoO、PdCoO等外延材料体系中的任意一种。


6.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述单晶衬底为斜切角不为零的双面抛光单晶衬底。


7.根据权利要求6所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述绝缘层外延倾角与所述斜切角具有第二倾角差，所述第二倾角差在正负1°以内。


8.根据权利要求1所述的一种可调谐VCSEL激光器芯片，其特征在于：所述外延层包括：依次生长的N-DBR、量子阱有源层、氧化限制层、P-DBR、...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋世金，汤惠淋，朱刘，刘留，苏小平，程勇，
申请(专利权)人：威科赛乐微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50