一种面发射激光器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体激光器领域，具体提供一种面发射激光器及其制备方法，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底，光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于第一反射镜和第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，光栅结构层位于有源区的上方或者下方，光栅结构层包括位于中心区域的主腔、围绕主腔设置的副腔以及位于主腔和副腔之间的电绝缘区，副腔内设有光栅结构，在工作时，通过在主腔上施加调制电流，在副腔上施加直流电流，使主腔光部分经过副腔反馈后返回主腔，与主腔的光产生谐振。通过调节光栅结构的占空比，增大副腔耦合进主腔的光，从而增大调制带宽，突破现有带宽上限。突破现有带宽上限。突破现有带宽上限。

【技术实现步骤摘要】
一种面发射激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器领域，特别涉及一种面发射激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]面发射激光器尤其是垂直腔面发射激光器（VCSEL），自从1977年被提出以来，由于具有圆形对称光斑、低阈值电流、易于二维集成和在面检测等优点，受到越来越多的关注，被广泛应用于光通讯、光互连、传感、光存储、激光显示、激光雷达等众多领域。随着大数据中心和超级计算机的逐渐兴起，其内部的总网络带宽超过200T bps，相互之间的数据传输引起的功耗得到了极大的重视，采用VCSEL进行数据中心之间的光互连被视为一种降低传输功耗的有效手段。
[0003]随着数据中心流量需求激增，对VCSEL的速率要求越来越高，典型的VCSEL结构受器件寄生、热效应等因素的影响，带宽进一步提高的空间有限，因此，提高VCSEL带宽的新结构的提出尤为重要。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术实施例中提供一种面发射激光器及其制备方法。
[0005]第一方面，本专利技术提供一种面发射激光器，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底；所述光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，所述光栅结构层位于所述有源区的上方或者下方；所述光栅结构层包括位于中心区域的主腔、围绕所述主腔设置的副腔以及位于所述主腔和所述副腔之间的电绝缘区，所述副腔内均设有光栅结构，通过控制所述副腔内光栅结构的占空比调整光的耦合效率。
[0006]作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔的形状为圆形、正方形或三角形或其他规则或不规则图形。
[0007]作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔的宽度为5μm
‑
150μm。
[0008]作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔均为正方形结构，所述副腔具有四个，四个所述副腔分别位于所述主腔的四条边上。
[0009]作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔的的边长均为10μm。
[0010]作为一种可选的方案，所述副腔侧壁具有或不具有高反射率结构。
[0011]作为一种可选的方案，所述高反射率结构为光子晶体全反射镜、高反射率介质膜、布拉格反射镜中的至少一个。
[0012]作为一种可选的方案，所述电绝缘区为离子注入区，所述离子注入区的区域为0
‑
25μm。
[0013]作为一种可选的方案，所述光学谐振结构还包括用来对电流和光场进行限制的电
流限制层，所述电流限制层为通过湿氮氧化工艺对外延结构中高Al掺杂的AlGaAs层进行氧化生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝层，所述氧化铝层中间部分未氧化的区域为电流孔。
[0014]作为一种可选的方案，所述电流限制层位于所述第一反射镜和所述有源区之间；或所述电流限制层位于所述有源区和所述第二反射镜之间；或所述电流限制层为两个，分别位于所述有源区的上方和下方。
[0015]作为一种可选的方案，所述第一反射镜采用P型分布式布拉格反射镜DBR、高反射膜，膜系结构为5
‑
6对SiO2/TiO2的高反射膜，或采用16
‑
25对x=0.12
‑
0.9的P型掺杂的Al
x
Ga1‑
x
As交叠层中的任一种；所述第二反射镜采用N型分布式布拉格反射镜DBR、或x=0.12
‑
0.9的n型掺杂的Al
x
Ga1‑
x
As交叠层的任一种。
[0016]作为一种可选的方案，所述有源区为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。
[0017]作为一种可选的方案，所述电流孔的孔径为2μm
‑
20μm，所述电流孔的形状为圆形、矩形、椭圆形或者三角形其他规则或不规则结构三角形中任一种。
[0018]作为一种可选的方案，所述光栅结构的形状为矩形、长方形、梯形或圆形中或其他规则或不规则结构中任一种或多种结构的结合。
[0019]作为一种可选的方案，所述第一型电极为P型电极，所述第二型电极为N型电极，所述第二型衬底为N型衬底。
[0020]作为一种可选的方案，还包括用于进行反射的N型高掺杂区，所述N型高掺杂区位于所述光学谐振结构和所述第二型衬底之间。
[0021]作为一种可选的方案，所述光栅结构为一阶光栅或二阶光栅或其他光栅类型。
[0022]第二方面，本专利技术实施例提供一种面发射激光器的制备方法，包括：S1、在第二型衬底上采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术依次生长第二反射镜、有源区以及光栅结构层；S2、在器件表面匀涂光刻胶，利用电子束曝光技术和感应耦合等离子体ICP刻蚀技术在所述光栅结构层制备一阶光栅；S3、采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术进行二次外延生长，依次生长电流限制层、第一反射镜；S4、在器件表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和感应耦合等离子体ICP刻蚀技术在第一反射镜上进行刻蚀；S5、利用氧化炉对电流限制层进行氧化；S6、进行二次光刻，在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术制备第一型电极，并生长第一型金属层；S7、进行三次光刻，在器件表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术制备电绝缘区的图形，使用离子注入机进行离子注入形成电绝缘区；S8、在器件表面生长二氧化氮层，通过光学掩膜版、利用紫外曝光和二氧化氮刻蚀技术制备第二型台面结构；
S9、去除器件表面残留的二氧化氮保护层，利用等离子体增强化学气相沉积法PECVD技术生长一层二氧化氮保护层；S10、在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第二型金属层结构，通过反应离子刻蚀RIE去除第二型金属层结构的二氧化氮保护层；S11、在第二型金属层结构上继续生长第二型金属层；S12、涂苯并环丁烯BCB光敏胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第一型金属层、第二型金属层，使用固化炉对BCB光敏胶进行固化；S13、在器件表面上匀涂光刻胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出共面电极，再进行共面电极生长，完成制备。
[0023]本专利技术实施例中提供的面发射激光器，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底，光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于第一反射镜和第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，光栅结构层位于有源区的上方或者下方，光栅结构层位于副腔内，或主腔和副腔均有。在工作时，光学谐振结构通过在副腔上施加直流电流，使主腔发出的光部分经过副腔反射后，返回主腔，和主腔的光之间产生谐振。通过调节光栅结构的占空比，增大横向衍射，减小纵向衍射，增大副腔耦合进主腔的光，提高光的耦合效率，从而增大调制带宽，能够突破现有带宽上限。本专利技术实施例中还对应提供了一种面发射激光器的制备方法，制备得到的面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面发射激光器，其特征在于，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底；所述光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，所述光栅结构层位于所述有源区的上方或者下方；所述光栅结构层包括位于中心区域的主腔、围绕所述主腔设置的副腔以及位于所述主腔和所述副腔之间的电绝缘区，所述副腔内均设有光栅结构，通过控制所述副腔内光栅结构的占空比调整光的耦合效率。2.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔的形状为圆形、正方形或三角形。3.根据权利要求2所述的面发射激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔的宽度为5μm
‑
150μm。4.根据权利要求2或3所述的面发射激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔均为正方形结构，所述副腔具有4个，四个所述副腔分别位于所述主腔的四条边上。5.根据权利要求4所述的面发射激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔的的边长均为10μm。6.根据权利要求1或2所述的面发射激光器，其特征在于，所述副腔侧壁具有或不具有高反射率结构。7.根据权利要求6所述的面发射激光器，其特征在于，所述高反射率结构为光子晶体全反射镜、高反射率介质膜、布拉格反射镜中的至少一个。8.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述电绝缘区为离子注入区，所述离子注入区的宽度为0
‑
25μm。9.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述光学谐振结构还包括用来对电流和光场进行限制的电流限制层，所述电流限制层为通过湿氮氧化工艺对外延结构中高Al掺杂的AlGaAs层进行氧化生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝层，所述氧化铝层中间部分未氧化的区域为电流孔。10.根据权利要求9所述的面发射激光器，其特征在于，所述电流限制层位于所述第一反射镜和所述有源区之间；或所述电流限制层位于所述有源区和所述第二反射镜之间；或所述电流限制层为两个，分别位于所述有源区的上方和下方。11.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于，所述第一反射镜采用P型分布式布拉格反射镜DBR、高反射膜，膜系结构为5
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6对SiO2/TiO2的高反射膜，或采用16
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25对x=0.12
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0.9的P型掺杂的Al
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Ga1‑
x
As交叠层中的任一种；所述第二反射镜采用N型分布式布拉格反射镜DBR、或x=0.12
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0.9的n型掺杂的Al
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Ga1‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：佟海霞，佟存柱，
申请(专利权)人：吉光半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：