[发明专利]介质薄膜电流限制型垂直腔面发射激光器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，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。

背景技术

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.et al.,Japanese Journal of Applied Physics,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Al_xO_y，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。

发明内容

本发明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，本发明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；