[发明专利]一种面发射激光器及其制作方法

说明书

本公开提供了一种面发射激光器及其制作方法，面发射激光器包括一悬浮型光栅，悬浮型光栅的制作方法包括：S1，在衬底上依次形成牺牲层和高折射率差亚波长光栅层，牺牲层所用材料为GaInP；S2，刻蚀高折射率差亚波长光栅层，得到光栅图形；S3，刻蚀所述光栅图形下方的牺牲层，得到用于支撑所述光栅图形的至少两个支撑柱，其中，根据所述光栅图形的形状采用相应的刻蚀时间。其采用GaInP作为牺牲层的组成材料，通过控制刻蚀时间和选择特定HCG图形的拓扑结构，在HCG区域四周支撑梁下面形成支撑柱，避免了HCG图形坍塌，简化了制作工艺，降低了制作成本，具有大规模生产的前景。

技术领域

本公开涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种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(VCSEL)由衬底、下布拉格反射镜、有源区、氧化层、上布拉格反射镜、正电极和负电极等构成，其激光腔由沿着材料生长方向的上/下布拉格反射镜(DBR)构成，激光沿着材料生长方向即垂直于衬底方向输出。由于VCSEL独特的器件结构，它具有功耗低、调制速度快、体积小、成本低、可靠性高、圆形光束、二维阵列集成等优势，广泛应用于光通讯、光互连、打印、显示、传感、消费电子等等领域。

布拉格反射镜(distributed Bragg reflector，DBR)由两种折射率不同的材料交替排布构成，达到99.5％的反射率需要DBR的对数在20对以上，因此整个VCSEL的厚度可到达8微米，对材料生长有极大的挑战。DBR的反射带宽有限，只有3％-9％。此外，对GaN基和InP基的VCSEL，非常难制作高质量的DBR。近年来，人们发现高折射率差亚波长光栅(high-contrast grating，HCG)具有接近于1的反射率，而且反射带宽可以达到30％，厚度只有200纳米左右，具有偏振选择性。所以，人们采用HCG替代VCSEL的全部或者部分DBR，实现了高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器(HCG-VCSEL)的单模、单偏振工作。

目前人们实现了GaAs基和InP基的悬浮型HCG，替代了近红外波段VCSEL的部分上DBR，实现了单模、单偏振、低阈值、快速波长可调谐工作。但是目前悬浮型HCG制作过程中，由于HCG区域四周支撑梁下面的牺牲层全部被湿法腐蚀去除，因此HCG完全悬空，HCG区域四周支撑梁下面没有支撑，通过HCG区域四周支撑梁和GaAs基材料层之间的悬臂连接梁支撑悬浮型HCG。因此在HCG图形释放过程中，由于水溶液的表面张力，HCG图形非常容易坍塌。目前为了避免HCG图形释放过程中的HCG图形坍塌，需要采用二氧化碳临界干燥仪，利用低表面张力的二氧化碳液体取代水溶液。但是这种HCG图形释放技术需要昂贵的特制仪器，工艺流程也复杂，成本也高。

因此本发明提供一种HCG-VCSEL及其制作方法，利用悬浮型HCG图形制作过程中，采用GaInP牺牲层，当GaInP牺牲层被湿法腐蚀时，GaInP牺牲层001和011晶向的腐蚀速率不同，通过控制腐蚀时间和选择特定HCG图形的拓扑结构，在HCG区域四周支撑梁下面形成支撑柱，在水溶液中可实现HCG图形释放，避免了HCG图形坍塌，简化了制作工艺，降低了制作成本，具有大规模生产的前景。同时，这种高折射率差亚波长光栅垂直腔面发射激光器的上反射镜包括AlGaAs系材料构成的布拉格反射镜，其中布拉格反射镜的最上面一层是厚度包括为四分之一波长奇数倍的GaAs层，可以实现半导体耦合型面发射激光器，有利于提高面发射激光器的光限制因子，降低激光器的阈值电流。本发明可以扩展到腐蚀速率依赖于晶向的AlInP、InP等材料作为牺牲层。本发明可以扩展到空气耦合型面发射激光器和拓展腔型面发射激光器。本发明不仅可以用于实现一维高折射率差亚波长光栅VCSEL，还可以实现二维高折射率差亚波长光栅VCSEL。

发明内容