[发明专利]表面液晶-垂直腔面发射激光器及其制备方法

说明书

技术领域

表面液晶-垂直腔面发射激光器，属于半导体光电子器件领域，涉及一种新型偏振控制垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器具有单纵模，阈值低，易与光纤耦合，可形成二维阵列，便于在线测试等优点，必将在目前快速发展的光通信、光互联、气体探测和光谱分析等领域有着非常重要而广泛的应用。然而，与边发射激光器不同，沿GaAs衬底（100）面外延生长得到的VCSEL激光器输出光束具有沿[1 1 0]和两个方向垂直的线偏振基态，由于VCSEL对称的几何结构和有源区增益的弱各向异性，偏振状态会随着温度、注入电流以及波长的改变,在上述两个正交方向间进行随机转换。VCSEL输出光的偏振不稳定会极大地增大光通信时的误码率，降低光谱测量精度，增大气体探测误差。

目前，控制垂直腔面发射激光器偏振稳定的方法主要有“非对称电流注入法”、“非对称氧化孔径法”、“选择性外延法”、“高对比度光栅法”和“弯曲薄膜反射镜法”等。然而，这些技术和结构仅依赖于偏振增益各向异性，且对温度比较敏感，而且实际研究发现上述方法往往导致非常苛刻的外延生长条件和工作温度参数。因此，我们需要发明一种新的偏振控制方式来解决上述的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面液晶-垂直腔面发射激光器，能够实现通过改变调谐电压或者环境温度来控制激光器输出光的偏振模式。

本发明的表面液晶-垂直腔面发射激光器，如图1所示，该器件结构包括垂直腔面发射激光器，带有取向膜的ITO玻璃和液晶盒三部分，其中，垂直腔面发射激光器结构从下到上依次为：N型背面电极(12)、底部GaAs衬底(11)、GaAs/AlGaAs交替生长的下DBR(10)、有源区(9)、GaAs/AlGaAs交替生长的上DBR(8)，其中，上DBR(8)为凸台结构，凸台结构的凸出部位中含有氧化限制层（13），所述的氧化限制层（13）平行上DBR(8)台面，氧化限制层（13）四周氧化而中心未氧化，中心未氧化部分形成出光孔；氧化限制层（13）位于凸出部位的某一位置，其上和其下均为上DBR（8）中交替生长的GaAs/AlGaAs；上DBR(8)凸出部位的中心位置上为调谐电极（2），调谐电极（2）正对且大于氧化限制层（13）的出光孔，上DBR(8)凸台结构的上台面除调谐电极（2）外、侧面、下台面均为保持凸台结构的SiO2绝缘层(7)，SiO2绝缘层(7)的下台面、侧面及上台面自内而外依次均为P型注入电极(6)和衬垫（4），其中P型注入电极(6)搭接在调谐电极（2）上，P型注入电极(6)和衬垫（4）在调谐电极（2）上方的位置均为缺失部分，缺失部分正对且大于上DBR(8)凸台结构的出光孔，在P型注入电极(6)缺失部位的调谐电极（2）上为取向膜（3），P型注入电极(6)和衬垫（4）的缺失部分与取向膜（3）构成槽体；在槽体与衬垫（4）的正上面为带有取向膜的ITO玻璃结构，槽体成为液晶盒，带有取向膜的ITO玻璃结构从下到上依次为：取向膜、调谐电极和玻璃。

液晶盒由垂直腔面发射激光器和带有取向膜的ITO玻璃通过衬垫（4）键合而成，液晶盒中贮存有液晶（5），利用液晶的电控、温控折射率特性，实现对激光器偏振特性的控制；本发明适用于GaAs材料系的短波长激光光源。

本发明中在衬垫（4）处留有液晶注入口和排气口，采用毛细技术将液晶注入到液晶盒内。

本发明还提供一种表面液晶-垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：

（1）在衬底（11）上依次外延生长下DBR（10）、有源区（9）、含有未被氧化的氧化限制层（13）的上DBR(8)（p型DBR），将得到的外延片光刻出圆形台阶，用DBR腐蚀液腐蚀出台面，直到在竖直侧壁露出未被氧化的氧化限制层（13）；利用高温氧化炉对氧化限制层（13）四周进行横向氧化，中间不氧化部分形成出光孔；

（2）用PECVD在步骤（1）得到的外延片上淀积SiO2绝缘层（7），光刻、腐蚀出直径大于出光孔的圆形缺失部分；

（3）用PECVD淀积透明导电层（ITO），厚度比SiO2绝缘层（7）薄，光刻、腐蚀出台面获得调谐电极（2）；

（4）溅射Ti/Au，光刻、腐蚀，被腐蚀掉的台上中央圆形部分直径大小处于SiO2绝缘层（7）缺失部分的直径和出光孔直径之间，得到P型注入电极（6）；

（5）在衬底（11）背面溅射Au/Ge/Ni/Au，得到N型背面电极（12）；