一种可控模态垂直腔面发射激光器的制作方法

1.本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种可控模态垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel）。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器具有较高的光功率，同时可以很好地控制横向模态，因此在光通讯、姿态感知传感器、印刷以及磁存储等领域拥有极大的应用前景。但因其器件结构存在有源区薄，腔长短，单层增益较小等缺陷，为提高其有效光子限制能力，目前多采用氧化限制型dbr结构。氧化限制型结构形成的氧化孔对注入到有源区的电流具有非常好的横向控制能力，使得横向几乎无电流。同时这一氧化孔结构还可以将激光器有源区发出的光进行一定的横向束缚，减少激光器的模态，模态减少可以很好地稳定激光器。
3.光通信应用中不同模态间形成差异化的上升与下降时间造成眼图确定性抖动，当垂直腔面发射激光器与多模光纤耦合时会产生差模延迟现象，致使这一确定性抖动会变得更加严重。理论上降低氧化孔径可以减少激光器的模态，氧化孔径越小，激光器的模态越少，激光器发出的激光越接近单模。但是氧化工艺很难实现较小氧化孔径尺寸的控制以及氧化孔径尺寸的均一性。此外，较小氧化孔对光形成的强烈散射，造成对光强烈吸收，极大地降低激光器的光功率，影响激光器使用的可靠性。
4.为解决这一问题，部分厂家对有源区或dbr结构进行改进以尽可能抑制所不希望的高阶模态，但此类技术方案需要对vcsel激光器的基本结构和现有制程工艺进行大幅改变，且可能改变激光波长等基本参数。还有研究者提出在激光器光窗表面制作非晶硅光吸收层来吸收激光器发出的位于光窗边缘处的横向光，降低光窗边缘处横向光的强度，可以有效地降低横向光形成激光的可能性，以此达到形成对激光器模态控制的目的。但是发明人发现：非晶硅材料具有非常多的缺陷，比如空位、微空洞以及硅悬挂键等，此外非晶硅材料含有大量的氢，氢在非晶硅材料中以游离态或者气态形式存在。这些缺陷以及氢在非晶硅材料中化学性质不稳定，非晶硅材料吸收光的过程中会发生光与非晶硅材料的相互作用，释放氢气以及造成材料性质的变化，致使该材料不稳定，影响对光的吸收，最终影响激光的稳定工作。此外，非晶硅光吸收层界面光滑，这一光滑的界面对光产生一定量的反射，反射降低了非晶硅光吸收层对光的吸收能力，被反射的光相互作用形成激光震荡，形成多种横向模态，弱化了激光器模态的控制能力。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可控模态垂直腔面发射激光器，相比现有采用非晶硅吸光层的方案具有更好的模态控制能力和稳定性。
6.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种可控模态垂直腔面发射激光器，包括自上而下的上dbr层、有源层、下dbr层以及夹设于上dbr层内且中间形成有氧化孔的氧化层，在上dbr层顶面形成有用于激光出射的
光窗；所述光窗表面被分为位于中间的第一区域和包围所述第一区域的第二区域，在所述第二区域之上设置有至少一层模态调节复合层，所述模态调节复合层由下层的光取出层和上层的多晶硅吸光层组成，光取出层和多晶硅吸光层的厚度均为所述垂直腔面发射激光器四分之一发射波长的奇数倍，所述光取出层的材料折射率小于上dbr层的材料折射率。
7.优选地，所述多晶硅吸光层是通过对非晶硅材料进行激光晶化得到。
8.进一步优选地，所述激光晶化的方法具体如下：首先对非晶硅材料进行热处理以降低非晶硅材料中的氢含量，热处理温度350-450 ℃，时间30-60 min；然后对热处理后的非晶硅材料进行蓝光激光或者准分子激光照射，令非晶硅材料熔化后转变为多晶硅。
9.优选地，所述光取出层的材料为以下介质材料中的任意一种或至少两种的组合：sin
x
、sio2、sion、al2o3、tio2。
10.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：本发明采用出光层与多晶硅吸光层复合的方式取代现有非晶硅吸光层，由于多晶硅具有非常低的氢含量，空位、微空洞以及硅悬挂键等缺陷更低，这使得多晶硅化学性质非常稳定，吸收光的过程中多晶硅不会释放氢气，材料性质不会发生变化，能够持续稳定的吸收激光器发出的光，稳定激光器对模态的控制；此外多晶硅具有非常多的晶界，多晶硅也具有一定的粗糙度，这些晶界以及粗糙结构在界面处形成非光滑界面，对入射光进行散射，可降低对入射光的反射，同时增加对入射光的吸收，反射降低又进一步弱化反射光相互作用，避免了反射光形成激光震荡的可能，减少了形成多种横向模态，增强了激光器模态的控制能力。
附图说明
11.图1为本发明可控模态垂直腔面发射激光器一个具体实施例的结构示意图；图中包含以下附图标记：1.gaas衬底；2. buffer层；3. n型dbr；4. 量子阱有源层；5. 氧化层；6. p型dbr层；7. n 型金属；8. p型金属；9. 钝化层；10. 光取出层；11. 多晶硅光吸收层；图2～图17为图1所示可控模态垂直腔面发射激光器的制备流程示意图。
实施方式
12.针对现有技术采用非晶硅吸光层进行模态调控的不足，本发明的解决思路是采用出光层与多晶硅吸光层复合的方式替代非晶硅吸光层，以提高vcsel激光器的模态控制能力和性能稳定性。
13.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种可控模态垂直腔面发射激光器，包括自上而下的上dbr层、有源层、下dbr层以及夹设于上dbr层内且中间形成有氧化孔的氧化层，在上dbr层顶面形成有用于激光出射的光窗；所述光窗表面被分为位于中间的第一区域和包围所述第一区域的第二区域，在所述第二区域之上设置有至少一层模态调节复合层，所述模态调节复合层由下层的光取出层和上层的多晶硅吸光层组成，光取出层和多晶硅吸光层的厚度均为所述垂直腔面发射激光器四分之一发射波长的奇数倍，所述光取出层的材料折射率小于上dbr层的材料折射率。
14.由于多晶硅具有非常低的氢含量，空位、微空洞以及硅悬挂键等缺陷更低，这使得多晶硅化学性质非常稳定，吸收光的过程中多晶硅不会释放氢气，材料性质不会发生变化，
能够持续稳定的吸收激光器发出的光，稳定激光器对模态的控制；此外多晶硅具有非常多的晶界，多晶硅也具有一定的粗糙度，这些晶界以及粗糙结构在界面处形成非光滑界面，对入射光进行散射，可降低对入射光的反射，同时增加对入射光的吸收，反射降低又进一步弱化反射光相互作用，避免了反射光形成激光震荡的可能，减少了形成多种横向模态，增强了激光器模态的控制能力。
15.所述多晶硅吸光层可采用现有的多晶硅制备方法制备得到，例如固相结晶法、金属诱导结晶法、激光晶化法等；考虑到现有成熟的非晶硅薄膜制备工艺以及用非晶硅制备多晶硅的工艺，优选地，所述多晶硅吸光层是通过对非晶硅材料进行激光晶化得到。
16.所述激光晶化的具体工艺流程和工艺参数可根据实际膜厚进行合理设定，进一步优选地，所述激光晶化的方法具体如下：首先对非晶硅材料进行热处理以降低非晶硅材料中的氢含量，热处理温度350-450 ℃，时间30-60 min；然后对热处理后的非晶硅材料进行蓝光激光或者准分子激光照射，令非晶硅材料熔化后转变为多晶硅。
17.优选地，所述光取出层的材料为以下介质材料中的任意一种或至少两种的组合：sin
x
、sio2、sion、al2o3、tio2。这些材料均为现有vcsel制备工艺中的常用材料，较易得到且制备工艺、设备成熟。
18.为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：本实施例可控模态垂直腔面发射激光器的具体结构如图1所示，其包括： gaas衬底1、buffer层2、n型dbr3、量子阱有源层4、 氧化层5、p型dbr层6、n 型金属7、p型金属8、钝化层9、以及位于激光器光窗边缘区域之上的环形双层模态调节复合层，每一层模态调节复合层均由下层的光取出层10和上层的多晶硅光吸收层11组成，光取出层10和多晶硅吸光层11的厚度均为（2n+1）λ/4，即该垂直腔面发射激光器四分之一发射波长λ的奇数倍，所述光取出层的材料折射率小于上dbr层的材料折射率。
19.本实施例中光取出层材料为sin
x
、sio2、sion、al2o3、tio2等介质材料，在所述环形双层模态调节复合层的制备过程中，首先在光窗表面沉积（2n+1）λ/4物理膜厚的上述介质材料，对介质材料进行干刻图形化处理，仅保留激光器光窗之上的介质材料；再在上述图形化后介质材料表面沉积（2n+1）λ/4物理膜厚的非晶硅材料；对上述非晶硅材料进行干刻处理，使得非晶硅材料仅在激光器光窗外围区域（即光窗表面第二区域）保留，且保留的非晶硅与圆形光窗同圆心，呈圆环状；对上述图形化后的非晶硅材料进行热处理，热处理温度350-450 ℃，时间30-60 min，用于降低非晶硅材料中的氢含量；再对上述去氢后的非晶硅材料进行蓝光激光或者准分子激光照射，激光能量被非晶硅吸收，非晶硅材料熔化，停止激光照射后非晶硅变成多晶硅吸光层；重复以上工艺，即可得到上面一层的模态调节复合层或更多层模态调节复合层。
20.该可控模态垂直腔面发射激光器的完整工艺流程具体如下：步骤1、在图2所示外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚5-15 um；对光刻胶曝光显影，得到p-mesa圆环形光刻胶，参见图3；步骤2、采用icp干法刻蚀工艺，刻蚀步骤1得到的外延片，刻蚀气体为cl2/bcl3或cl2/sicl4，刻蚀p mesa台阶结构，使得待氧化层的高铝层暴露出来，参见图4，刻蚀至量子阱层下层1-10对p-dbr；去除光刻胶，得到p mesa台，参见图5；
步骤3、采用湿法氧化工艺氧化将待氧化高铝层al
x
ga
1-x
as层中的al氧化，得到具有氧化限制型结构的p mesa台阶结构，参见图6；步骤4、在步骤3得到的外延片表面镀钝化层，镀膜工艺为pecvd或者ald，膜层为sin
x
、sio2、sion、al2o3、tio2等，膜层可以为单层或上述膜材的叠层，膜厚为20-1000 nm，钝化层的水蒸汽阻隔能力wvtr为5e-2
~1e-4
，氧气阻隔otr为5e0~1e-1
，参见图7；步骤5、对步骤4完成的外延片进行金属via孔刻蚀，刻蚀气体为cf4+ar或者boe，得到具有via孔的外延片，参见图8；步骤6、对步骤5得到的外延片沉积金属填充via孔，金属为au、pt、ag、al等，所得到的外延片参见图9；步骤7、对步骤6得到的外延片沉积pad金属，金属为au、pt、ag、al等，所得到的外延片参见图10；步骤8、对步骤7得到的外延片沉积光取出层，光取出层物理厚度为λ(2n+1)/4，材料为sin
x
、sio2、sion、al2o3、tio2等，镀膜工艺为pecvd或者ald，所得到的外延片见图11；步骤9、对步骤8得到的外延片沉积非晶硅膜，非晶硅膜的物理厚度为λ/4，参见图12；步骤10、对步骤9得到的外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚5-15 um；对光刻胶曝光显影，得到覆盖光窗外围区域的圆环形光刻胶，参见图13；步骤11、对步骤10完成的外延片进行光吸收层图形化刻蚀，刻蚀气体为cf4+ar或者chf3+ar或者cf4+chf3+ar，得到具有圆环状光吸收层图案的外延片，参见图14；对图形化后的圆环状光吸收层进行热处理，热处理温度350-450 ℃，时间30-60 min，用于降低圆环状光吸收层非晶硅材料中的氢含量；步骤12、对步骤11完成的外延片进行蓝光激光或者准分子激光照射，准分子激光波长308 nm，蓝光激光波长445 nm，激光能量1-5w，照射时间10-60 s，参见图15；激光将光吸收层的材料由非晶硅变成多晶硅，所得到多晶硅材料的折射率为3.9-4.3，粗糙度为20-50 nm，晶粒大小0.3-1 um，参见图16；步骤13、重复步骤8～步骤12，即可得到如图17所示具有双层模态调节复合层的可控模态垂直腔面发射激光器。

技术特征：
1.一种可控模态垂直腔面发射激光器，包括自上而下的上dbr层、有源层、下dbr层以及夹设于上dbr层内且中间形成有氧化孔的氧化层，在上dbr层顶面形成有用于激光出射的光窗；其特征在于，所述光窗表面被分为位于中间的第一区域和包围所述第一区域的第二区域，在所述第二区域之上设置有至少一层模态调节复合层，所述模态调节复合层由下层的光取出层和上层的多晶硅吸光层组成，光取出层和多晶硅吸光层的厚度均为所述垂直腔面发射激光器四分之一发射波长的奇数倍，所述光取出层的材料折射率小于上dbr层的材料折射率。2.如权利要求1所述可控模态垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多晶硅吸光层是通过对非晶硅材料进行激光晶化得到。3.如权利要求2所述可控模态垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述激光晶化的方法具体如下：首先对非晶硅材料进行热处理以降低非晶硅材料中的氢含量，热处理温度350-450 ℃，时间30-60 min；然后对热处理后的非晶硅材料进行蓝光激光或者准分子激光照射，令非晶硅材料熔化后转变为多晶硅。4.如权利要求1所述可控模态垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光取出层的材料为以下介质材料中的任意一种或至少两种的组合：sin
x
、sio2、sion、al2o3、tio2。

技术总结
本发明公开了一种可控模态垂直腔面发射激光器。其包括自上而下的上DBR层、有源层、下DBR层以及夹设于上DBR层内且中间形成有氧化孔的氧化层，在上DBR层顶面形成有用于激光出射的光窗；所述光窗表面被分为位于中间的第一区域和包围所述第一区域的第二区域，在所述第二区域之上设置有至少一层模态调节复合层，所述模态调节复合层由下层的光取出层和上层的多晶硅吸光层组成，光取出层和多晶硅吸光层的厚度均为所述垂直腔面发射激光器四分之一发射波长的奇数倍，所述光取出层的材料折射率小于上DBR层的材料折射率。相比现有技术，本发明具有更好的模态控制能力和稳定性。具有更好的模态控制能力和稳定性。具有更好的模态控制能力和稳定性。


技术研发人员：李加伟 向宇 严磊
受保护的技术使用者：苏州长瑞光电有限公司
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/10/11