（微电子学与固体电子学专业论文）基于mems技术波长可调谐vcsel模式模型建立及器件制备.pdf

一 a ， ，j- j十制 | i j j jj j j i j i i i | i | | | | i i i i j j 4 舢i i | | | y 17 8 7 8 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 劢d 6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：塑! 竺：墨 ， 摘要 捅姜 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 是一种新型的半导体激光器，其器件具有出光 方向垂直于衬底，能够实现在片测试、易与其他光电子器件集成；阈值电流低； 效率高；发散角小等优点。现代通信容量的急剧增大，迫切需要能够适应于密集 波分复用( d w d m ) 技术的波长可调谐激光器器件。通信系统的需求和垂直腔面发 射激光器的优点相结合，诞生了可调谐垂直腔面发射激光器，这种新型的器件必 然会在光通信网络、计算机光互连、光谱学仪器、光学陀螺仪、原子钟等领域中 具有广泛的应用前景。本论文围绕中心波长9 8 0 姗单片集成微机械系统 ( m i c r 0 。e l e c 们m e c h a i l i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 可调谐v c s e l 展开，在器件结构的优 化设计方法、模式模型的建立、工艺制备和器件特性分析方面进行了深入的研究。 器件制备后实现了波长从9 6 8 7 m n 到9 5 0 l l i i l 连续调谐，调谐范围达1 8 7 咖，在 m e m s 单片集成可调谐v c s e l 器件制备上，这是目前国内可见报道的最大调谐 范围。本论文主要的研究内容如下： ， 1 单片集成m e m s 可调谐v c s e l 调谐特性研究和器件结构优化设计 利用求解普通v c s e l 纵向驻波场分布和反射谱的方法，模拟计算了可调谐 v c s e l 器件的调谐特性，即调谐波长和空气层厚度的变化关系，两种方法计算 结果一致。根据器件结构和模拟计算的调谐特性，给出了优化设计方案：调谐过 程中纵向限制因子比原来器件结构大、调谐范围3 1 8 i l i i l 。 2 可调谐v c s e l 模式模型的建立 在求解纵向驻波场的基础上，利用有效折射率模型以及改进的有效折射率模 型理论，建立了可调谐v c s e l 的有效折射率模型，求解出了空气层厚度和有效 芯层折射率、有效包层折射率的关系。通过在圆柱坐标中对麦克斯韦方程的详细 求解，经过一系列计算近似，得到了模式理论表达式，并在求解出有效芯层、有 效包层折射率的基础上得到了可调谐v c s e l 的尸模式随空气层厚度的变化关 系，建立了可调谐v c s e l 的模式模型。 3 可调谐v c s e l 器件的制备 分析了器件制备过程中的关键工艺步骤：悬臂d b r 台阶的刻蚀和腐蚀、氧 化工艺以及器件制备最关键工艺：牺牲层a l o 8 g a 0 ，2 a s 湿法腐蚀工艺。通过关键 工艺步骤的单项实验探索工艺条件参数，尽量减小单步工艺对器件成品的影响。 详细研究了s i c v c l 2 的混合气体刻蚀g a a s 材料的速率，分析了影响g a a s 刻蚀 的工艺参数，利用g a a s 的最优刻蚀速率条件，确定了悬臂d b r 刻蚀工艺参数， 器件制备过程中发现，悬臂d b r 的刻蚀速率在1 6 岬1 7 岫之间；高温氧化过 程中利用s i 0 2 保护悬臂d b r 和牺牲层，保护了悬臂d b r 表面，减小了高温氧 北京工业大学工学硕士学位论文 化对悬臂d b r 的氧化深度。最后确定了单片集成m e m s 可调谐v c s e l 器件制 备工艺流程。 4 器件制备成功后，通过测试表明，调谐偏压从0 v 7 v ，器件的波长从9 6 8 7 姗 蓝移到9 5 0 n m ，调谐范围为1 8 7 1 1 i i l ，调谐过程中，最大光谱半宽为4 n m ，器件 呈现出了比较好的激光特性。将结合分布力模型应用到具体悬臂结构中，简化了 悬臂偏移量和电压关系表达式，计算结果和实验结果基本一致。 关键词单片集成；m e m s 可调谐v c s e l ；调谐特性： 模式模型；器件制备 a b s t r a ( ? r a b s t r a c t v e r t i c a lc a v 时su r ：f a c ee m i t t i n gl a s e r s ( v c s e l ) i so n en o v e ls e m i c o n d u c t o r d e v i c e s 、) l ，i mt l l ed i s t i n c ta d v 觚t a g e ss u c ha s ：l i g h te m i t t i n gp e 印e n d i c u l a l l yt ot l l e s u b s t 瑚l t e ，s oi tc a l lb et e s t e do nm e 谢e r 锄ds u i 伍b l et ob e 硫e 肿_ t e dw i mo t l l e r o p t o e l e c 仃) m cd e v i c e s ；v e d rl o w t h r e s h o l d c u l l r e n t ；h i 曲e m c i e n c ya l l d s m a l l d i v e 唱e r l c ea i l g l ee t c t h ec a p a b i l i t ) ro ft h ed a t ac o m m u i l i c a t i o na u g m e n t sr a p i d l y ，a i l d n l ew a v e l e n g mt l m a b l el a s e rd e v i c e sa r en e e d e df o r l ed e n s ew 打e l e n g t l ld i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c l l l l o l o g y t l l et u l l a b l e v e r t i c a jc a v 时s u f f a c ee m i t t i n g l a s e r s ( t - v c s e l ) a r ef a b r i c a t e dw i mm ec o m b i n a t i o no f 龇r e q u n m c 鹏o ft h e d w d m t e c l u l o l o g ya n dt h ea d v a n t a g e so ft h ev c s e l ，t h en o v e l1 b a b l e d e v i c e s 淅u b ew i d e l yu s e di n o p t i c a l c o m m u i l i c a t i o n s 、 o p t i c a l i i l t e r c o i u l e c t 、 s p e c t r o m e t r i c i i l s t n l i i l e n t s 、o p t i c a lg y r o s c o p ea n da t o mc l o c k t i l i sa n i c l ef o c u so nt 1 1 em o n o l i t l l i c m i c r o e 1 e c 缸o - m e c h a l l i c a js y s t e m s ( m e m s ) t u n a b l e v c s e l 、i t h9 8 0 姗硒m e c e n t e rw a v e l e n g t l l ，a n dh 嬲d o i l es o m er e s e a r c ho nm e o p t i m i z a t i o no ft t l es t r u c t u r eo f d e v i c e s 、m o d e lc h a r a c t e r i s t i c 、o p t i m i z a t i o no ft | l es e m i c o n d l l c t o rt e c 胁q u e sa i l dm e p e r f o m 觚c eo fd e v i c e s a n e rt t l ef a b r i c a t i o no ft 1 1 et u 珑l b l ed e v i c e s ，t e s ts h o w s 也a t m en m a b l ew a v e l e n g t l li sc o n t i n u o u s ：f b m9 6 8 7 i l i i lb l u es 1 1 i rt o9 5 0 姗，l et u i l a b l e r 趾g ei s 18 7 咖，t h i si st l l eb e s tr e s u l tf o rm o n o l i t h i ct i m a b l ev c s e lr 印o r t e do n p 印e rw i t l l i no u rc o u l l 仃yu n t i ln o w t h ei s s u e sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h et u l l a b l ec h 聪l c t 甜s t i co ft l l em o n o l i t l l i cm e m st u n a b l e v c s e la n dn l e o p t i m i z a t i o no fm es t r i j c t u 鹏 b 船e do nt l l em e t l l o d so f c a l c u l a t i n gm eo p t i c a ls t 孤d i n g w a v e a i l dn l e r e f l e c t a l l c es p e c 仃啪，舭t u 】讪l ec h a r a c t e r i s t i co f 恤et u n a b l e v c s e lw i l i c hi sm e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt t l en m a b i ew a v e l e n g 协a n dm e l i c k n e s so ft h ea i rg a pi sg o t t e n ， t 1 1 er e s u l t sg o t t e nb ym et 、om e m o d sa r e 甜m o s tt h es 锄e a c c o r d i n gt om er e s u l t s a n dt h em e t l l o d s ，m eo p t i m i z a t i o no ft t l es t n j c t u r eo ft l l et u i l a b l ed e v i c ei sg i v e n 2 t h em o d e lc h a 畿i c t e r i s t i co ft h et u n a b l e v c s e l a r e rt h eo p t i c a ls t a l l d i n g w a v e so ft 1 1 et u r m b l e v c s e lf o rd i 圩e r e n ta i rg a pa r c g o n e n ，m ee 虢c t i v e - i n d e xm o d e lo ft h et u n a b l e - v c s e l i se s t a b l i s h e db yu s i n gt h e e 虢c t i v e - i n d e x 锄dm ei m p m v e de 旋c t i v e i n d e xm o d e l ，n l er e f - m c t i v ei n d i c e so ft h e c o r e 锄dt h ec l a d d 崦f o rd i 仃e r e n ta i rg 印a r eg o t t e n s o l v i n gm em a x w e l l e q 哪i o ni n t l l ec y l i n d r i c a l - c o o r d i n a t ei nd e t a j l s ，a c c o r d i n gt os o r m 印p m x i i i l a t i o nc a l c u l a t i o n ， t h em o d e lc h a 】阳【c t e r i s t i co ft h et 吼a b l e v c s e li sa n a l y z e db yu s i n gt h ee x p r e s s i o no f t 1 1 e 三pm o d e la 1 1 d l e 洫d i c e so ft h ec o r ea 1 1 dt h ec l a d d i n g 3 t 1 1 ef 抽r i c a t i o no f t h em o n 0 1 i t h i cm e m st u n z l b l e v ( ：s e i ， - i l i - 北京工业大学工学硕士学位论文 t h e r ea r es e v e r a li m p o r r t a l l ts t e p sf o rn l ef a b r i c a t i o no fm et i m a b l e - v c s e l ：d d r a 1 1 dw e te t c ho ft h ed b rm e s af o rt h ec a m i l e v e r ：w e t l e n i l a lo x i d a t i o na n dt h em o s t i l l l p o r t a n ts t e p ：w e te t c hf o rt h es a c r i f i c ea l o 。8 g a 0 2 a sl a y e r s o m ee x p e r i m e n _ t sh a v e b e e nd o n et og e tt h e b e s te x p e r i i l l e n tp 姗e t e r sf o rr e d u c i n gt l l ed 锄a g et 0t l l e d e v i c e t h em i x t u r eo fm es i c l 4a n dc 1 2i su s e dt 0e t c hg a a s ，a n e rs o m ee x p e r i m 伽临， m eb e s tt e c h n i q u e sp a r 锄e t e r sf o rg a a sa r eg o t t e i l ，t i l e s ep 猢e t e r sa r eu s e dt oe t c h n l ed b rc a i 】t i l e v e rm e s a ，t h ee t c hr a t ei sb e t w e e n1 6 “m 1 7 岬t h es i 0 2i su s e dt o p r o t e c tt h ed b rc 趾t i l e v e rm e s aa n dm es a c r i f i c el a y e rt or e d u c em ed 锄a g et ot 1 1 e 汕f a c ea 1 1 dt h eo x i d a t i o nr a t co fm ed b r a tl a s t ，u l ef a b r i c a t i o nt e c m q u e s ， p r o c e d u r eh a sb e e nm a d e 4 a f t e rt l l ec l e v i c e sa r ef a b r i c a c e d ，t e s ts h o 、st h a t ，m et u n a b l ev o l t a g e sa r e 丘o m0 v t o7 v ，t 1 1 ew a v e l e n 醇h sb l u es h i f tf i o m9 6 8 7 衄t o9 5 0 姗，l ct u n 曲l er a n g ei s 18 7 咖，t l l em a xf u uw i d mh a l fm a ) ( i m u m ( f w h m ) i s4 衄d u r i n gt h et u l l a b l e p r o c e s s ，m ed e v i c es h o w sg o o dl a s e rc h a r a c t 嘶s t i c 1 1 1 ed i 矧b u t el o a dm o d e li su s e f o ra n a l y z i n gn l e 舭t u r eo ft l l ec a n t i l e v e r m er e l a t i o n s l l i pk 舢e e nt l l ev o l t a g e s 钺l d t 1 1 ed i s p l a c e m e n to ft l ：屺c a l l t i l e v e ri ss i i n p l i f i e d ，t l l ee x p e r i m e n tr e s u hf i t st 0t l l e s i m u l a 矗o nr e s u l t k e yw o r d si i l o n o l i “c ；m e m st u i l a b l e - v c s e l ；t u n a b l ec h a r a c t e r i s t i c ； m o d e lc h a r a c t e r i s t i c ；f a b r i c a t i o no fd e v i c e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ii i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 可调谐激光器的技术分类2 1 2 1 基于电流控制技术2 1 2 2 基于温度控制技术3 1 2 3 基于机械控制技术3 1 3 微机械可调谐v c s e l 研究历史3 1 3 1 可调谐v c s e l 研究起源3 1 3 29 0 0 r n 1 0 0 0 m 波段4 1 3 - 38 5 0 姗波段7 1 3 41 5 5 岬波段7 1 4 本论文的研究工作一8 第2 章可调谐v c s e l 基本原理1 1 2 1v c s e l 及可调谐v c s e l 基本结构1 1 2 2 可调谐v c s e l 调谐原理1 1 2 3v c s e l 光学谐振腔一1 2 2 3 1f a b r y p e r o t 标准具方程1 3 2 3 2 往返程增益和激射阈值条件1 4 2 3 3v c s e l 谐振腔腔长15 2 4 谐振腔反射镜l6 2 4 1 反射镜反射率对阈值条件的影响1 6 2 4 2 分布布拉格反射器及其工作原理一1 7 2 4 3 传输矩阵法求解d b r 反射率18 2 4 4 反射带宽的计算方法2 1 2 5i i l 0 2 g a 0 8 a s g a a s 应变量子阱增益谱计算。2 1 2 6 模式限制因子2 3 2 7 本章小结2 5 第3 章m e m s 可调谐v c s e l 模式模型的建立及结构优化设计2 7 3 1 引言一2 7 3 2 尸模式模型的计算和建立2 8 3 2 1 圆柱波导结构中解麦克斯韦方程2 8 3 2 2 尸模式截止条件的判定。3 0 3 2 3 模式的模拟3 0 3 3 可调谐v c s e l 模式模型的建立3 2 3 3 1 可调谐v c s e l 波长调谐特性计算3 2 3 3 2 芯层、包层有效折射率计算一3 7 3 3 3 可调谐v c s e l 模式特性计算模拟3 8 3 4 可调谐v c s e l 结构的优化设计4 0 3 4 1 优化设计可调谐v c s e l 要注意的限制条件4 0 3 4 2 可调谐v c s e l 结构优化设计“ 北京工业大学丁二学硕士学位论文 3 5 本章小结4 7 第4 章m e m s 可调谐v c s e l 的工艺制备4 9 4 1 引言4 9 4 2 可调谐v c s e l 制备的方法和关键工艺4 9 4 2 1 单片集成制备工艺方法4 9 4 2 2 两芯片工艺制备方法4 9 4 3m e m s 可调谐v c s e l 器件的制备特点和关键工艺5 0 4 3 1m e m s 可调谐v c s e l 器件的制备特点5 0 4 3 2 器件制备关键工艺步骤5 0 4 4m e m s 可调谐v c s e l 制作工艺流程5 7 4 5 本章小结6 0 第5 章m e m s 可调谐v c s e l 器件的测试和分析6 1 5 1 引言6 l 5 2m e m s 可调谐v c s e l 器件测试原理6 l 5 3m e m s 可调谐v c s e l 器件测试及分析6 2 5 3 1 牺牲层未被腐蚀时器件的测试6 2 5 3 2 腐蚀牺牲层后器件的测试一6 3 5 3 3 悬臂偏移量和所加电压关系6 5 5 4 本章小结6 7 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士期间发表的论文7 7 致谢。7 9 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 当代信息社会网络技术飞速发展，网络用户急剧上升，人们对高速信息处 理、高速通信能力、网络传输容量要求越来越高。波分复用技术 ( w 打e l e n g m - d i v i s i o n m u l t i p l e x i i l g ，w d m ) 是高速大容量宽带光纤网的重要解决 方案，能够满足人们不断增长的通信需求。在这项技术中，光波在频域被划分为 几个到几十个、甚至上百个相互隔离的信道，每个信道中传输一路不同波长的光 信号而相互不干扰。如果光发射端采用固定波长激光器，w d m 系统中每一个波 长都需要一个工作用的激光器和备份激光器，这将大大增加网络成本。若采用波 长可调谐激光器，只需要将器件调节到不同的波长就可以作为不同信道的光发射 机，并且在为系统备份时只用一个可调谐激光器就可以代替多个固定波长激光 器；其次，可调谐激光器能够提供动态波长，使得波长能够轻松实现从某一网络 段中加入或提出；同时，可调谐激光器能够满足大容量通信系统的要求，所以， 可调谐激光器作为光纤通信系统的光发射机，节约了通信成本，增强了光网络的 灵活性。 垂直腔面发射激光器( v e r t i c a lc a v 时s u r f 砬ee m i t t i n gl 嬲e r s ，v c s e l ) 首先由 东京工业大学的i g a 等人在2 0 世纪7 0 年代末提出来，和面发射激光器比较起来， v c s e l 的光腔和外延的方向垂直。这种简单的变化使激光的光束特性发生了根 本的变化：可以发出圆形对称的高斯波，使激光和光纤的耦合增强，并且具有在 片测试、易于实现精确的光电设计、易于外延生长、容易制作成二维激光器阵列 和功耗低等优点。此外，v c s e l 工艺与平面硅工艺兼容，便于与电子器件实现光 电子集成。上述的所有优点都有利于低成本、大规模制备这一现代工业的关键器 件。 波分复用技术( w d m ) 的应用需求和垂直腔面发射激光器的优点相结合，可 调谐垂直腔面发射激光器( t 吼a b l e v e r t i c a lc a v 时s u r ：f a c e e m i t t i n gl 硒e r s ， t v c s e l ) 应运而生。从可调谐v c s e l 具有的特点来看，这种器件不仅在未来光 通信网络中具有很大的应用潜力，而且在电子通信、计算机光互连、光谱学仪器、 光学陀螺仪、分子钟【啦j 等领域中具有非常广泛的应用前景。所以，研究宽调谐 范围、连续波长调谐、易于制作、工作稳定的可调谐v c s e l 器件成为国际国内 研究的热点。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 可调谐激光器的技术分类 可调营激光器从实现技术上主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械 控制技术。 电流控制技术是通过改变激光器内不同位置的光纤光栅和相位控制部分的 电流，使器件产生不同的光谱：温度控制技术是通过改变激光器有源区折射率来 改变激光器输出波长，该技术简单，但调谐速度慢，可调带宽窄，只有几个姗。 基于温度控制技术的器件主要有d f b ( d i s t r i bu t i 耐f e e d b a c k 分布反馈) 和d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e n e c t o r 分布布拉格反射) 激光器；机械控制主要是基于 m e m s ( m i c r o e 1 e c t r o m e c h a i l i c a ls y s t e m s 微机械系统) 技术完成波长的选择， 具有较大的可调带宽、较高的输出功率。下面对这几个方面可调谐激光器的原理 进行说明。 1 2 1 基于电流控制技术 基于电流控制技术的一般原理是通过改变可调谐激光器内不同位置的光纤 光栅和相位控制部分的电流，使光纤光栅的相对折射率发生变化，产生不同的光 谱。不同区域光纤光栅产生不同光谱的叠加进行特定波长的选择，从而产生需要 的特定波长的激光。此技术具有纳秒级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率 较小。 一种基于电流控制技术的可调谐激光器采用s g d b r ( s 锄p l e dg m t i n g d i s t r i b u t e db r a g gr e n e c t o r ) 结构【3 j ，如图1 1 所示。 该类型的激光器主要分为半导体放大区、前布拉格光栅区、有源区、相位调 整区和后布拉格光栅区。其中前布拉格光栅区、相位调整区和后布拉格光栅区分 别通过不同的电流来改变该区域的分子分布结构，从而改变布拉格光栅的周期特 性。 l i g h t o u l 二 ：。：j ： ；筑，j7 - ：。 一溉， #+ ：；j 守，笺；，一，j ： ，镬。蔫 o ? 曩，二 ：s g - d b r f 钆。参? j ” 一 图1 1 取样光栅d b r 激光器结构【3 】 f i g 1 一lt h es 仃u 咖r eo f t h es 锄p l e dg r a t i n gd b r l 嬲e r 对于在有源区产生的光谱，分别在前布拉格光栅区和后布拉格光栅区形成频 率分布有较小差异的光谱。对于需要的特定波长的激光，可调谐激光器分别对前 第l 章绪论 布拉格光栅和后布拉格光栅施加不同的电流，使得在这两个区域产生只有此特定 波长重叠的光谱，从而使需要的特定波长能够输出。同时该类型激光器还包含半 导体放大器区，使输出的特定波长的激光光功率达到1 0 m w 或者2 0 m w 。 1 2 2 基于温度控制技术 温度控制技术是通过改变激光器有源区的折射率，实现改变激光器输出波长 的技术【3 】。该技术简单、成熟、成本低，但调谐速度慢，可调谐带宽窄，只有几 个姗。基于温度控制技术的主要有d f b ( 分布反馈) 和d b r ( 分布布拉格反射) 激 光器。 基于温度控制技术主要应用在d f b 结构中，其原理在于调整光腔内的温度， 使之发射不同的波长。当改变有源区电极上的注入电流时，埋入芯片中的热沉温 度会发生改变，进而使有源区材料的折射率发生变化，导致有源区光栅的峰值波 长发生变化，从而实现对波长的调谐。但是，随着调谐温度的上升，会使激光器 输出的有效功率下降，所以，单个d f b 激光器的调谐范围受到限制，调谐范围 大约5 咖左右，这远不能满足光通信中对波长调谐范围的要求。为了扩大d f b 激光器的调谐范围，组合多个d f b 激光器形成d f b 阵列是一种有效的方法。 1 2 3 基于机械控制技术 基于机械控制技术一般采用微机械系统( m e m s ) 来实现【3 】。m e m s 可调谐垂 直腔面发射激光器结合两者的优点，具有结构简单、对波长控制简单、宽调谐范 围、生产成本低、能够实现在片测试、能够实现连续波长调谐、无跳模现象等优 点，是目前研究最为广泛的实现激光器波长可调谐的方法。本文中器件制作部分 也是研究实现m e m s 可调谐垂直腔面发射激光器制备的工艺方法。 1 3 微机械可调谐v c s e l 研究历史 1 3 1 可调谐v c s e l 研究起源 2 0 世纪9 0 年代，加州大学伯克利分校c j c h a i l g h a l s i 妇课题组先后制作了 8 8 刚和7 2 0 【5 1 v c s e l 器件阵列，与普通v c s e l 器件阵列不同的是，在材料生 长过程中，离有源区最近的几对d b r 材料厚度线性渐变，如图1 2 所示。在8 8 v c s e l 器件阵列中，6 4 个激光器器件波长在9 3 0 衄和9 5 0 m 之间，波长范围为 2 0 衄；7 x2 0 器件阵列中，器件波长在9 4 0 衄和9 8 3 哪之间，波长范围为4 3 衄， 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 0 个激光器器件具有几乎相同的阈值电流、电压、阻抗。d b r 是半导体介质材 料，v c s e l 的有效腔长包括光在上、下d b r 中的渗透深度，改变离有源区最近 的几对d b r 的厚度，器件的有效腔长发生改变，器件的激射波长也随之发生改变。 p i 妯一 p r c 纠吁岫 帮哺：a ，y n 托m 鲥噜州 l 鲫嘲鲁 脊d 矗r k kb 图1 2v c s e l 阵列结构 f i g 1 - 2v c s e la 盯a ys n l j c t u r e 由以上两个v c s e l 阵列的制备可得出，利用外部手段通过直接改变v c s e l 谐振腔的有效腔长来改变器件的激射波长。 1 3 29 0 0 n m 1 0 0 0 n m 波段 在这个波段范围内，可调谐v c s e l 器件的主要制备方法是单片集成，顾名 思义是外延片结构一次( 针对上d b r 是半导体材料，如g a a 姒l g a a s ) 或多次( 针 对上d b r 是其他材料介质，如s i 0 2 、s i n x h v 、a u 等) 生长，经过半导体微细加 工工艺，一次成型制作器件。这样的技术，又分为两种：单悬臂结构和四角悬臂 结构。由于本论文研究和制备的器件也属于这个波段范围，所以对其历史和结构 叙述较为详细。 1 3 2 1 单悬臂结构 如图1 3 所示为单悬臂结构示意图。外延生长的结构为( 白下而上) ：g 如s 衬底；下d b r ，为n 型g a a s 烈g a a s 结构；量子阱区域；中间p 型d b r ；牺 牲层，材料为g a a s ；上面n 型d b r ，材料为g a a s 舢g a a s 。利用s i c l 4 和s f 6 的混合气体对a l g a a s 、g a 触的选择性刻蚀【“7 1 ，将牺牲层除去，释放悬臂，形 成可移动悬臂结构。 制备成型的器件有三个电极：调谐电极、注入电极和衬底电极，通过调节调 谐电极和注入电极之间的电位差来调节空气层的厚度，实现器件的波长调谐功 能。利用电位差实现波长调谐的激光器，都具有和图1 3 类似的电极结构。 第l 章绪论 铡层 阱 撮 图1 3 单悬臀结构示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co ft h es i n g l ec 觚t i l e v e rs 锕_ i c t u 陀 文献【8 】利用图1 3 所示结构首先制备了调谐范围为1 5 1 1 m 的器件，调谐电压 从0 v 到5 v ，激光器波长从9 3 5 i 姐连续变化到9 2 5 姗，此后，激光器波长在f p 模式之间进行跳变，变化到了9 4 3 i l n l 。随着电压从5 5 v 变化到5 7 v ，激射波长 从9 4 3 眦不连续地变化到9 3 8 n m ，包括红移和蓝移，波长调谐覆盖范围达到了 1 5 i i l 。随后文献 9 ，1 0 】中报道了调谐范围为1 9 1 啪的可调谐v c s e l 器件，调谐 电压从0 v 到1 4 4 v ，调谐过程中，波长在9 5 5 衄附近产生跳变，跳到了9 7 4 衄。 文献【1 l ，1 2 】中器件以9 2 6 哪为中心波长，得到了2 0 眦的调谐范围。文献 1 3 】给 出了具有波长跳变调谐范围为3 1 6 i 蚰的可调谐v c s e l ，该器件以9 3 5 衄为中 心波长，这是迄今为止，采用单片集成单悬臂结构所报道最大调谐范围的器件测 试结果。 在器件结构设计过程中，通过逐步优化器件的外延片结构，取得了逐渐增大 的调谐范围。所做的优化主要是改变中间p 型d b r 的对数和材料，体现在：文献 【8 】中是6 对p 型渐变灿g a a s g a a sd b r ，所设计结构f p 腔自由谱范围为2 0 m n ；文 献f 9 ，1 0 】中4 对渐变的a l g a a s 魄sd b r ，理论设计波长调谐范围为2 2 衄；文献 【l1 ，1 2 ，1 3 】中是4 对a 1 0 5 g a o 5 a 姒l o - l g a o 9 a sp 型d b r ，所设计最大调谐范围为 3 7 姗。中间p 型d b 欧寸数会影响到器件的调谐范围，因为p 型d b r 影响了光进入 空气层的多少以及器件的物理腔长，如果p 型d b 刚对数增加，那么被反射回有源 区的光会增加，相应地，进入空气层的光会减少，这样的话，一方面，调谐效率 会降低，另一方面，增大了器件的有效腔长，减小了器件的自由谱范围，也就是 减小了整个器件的调谐范围。这种结构和本论文所研究的器件结构类似，所以在 后面部分会有专门针对p 型d b r 影响的详细计算和分析。 1 3 2 2 四角悬臂结构 四角悬臂结构示意图如图1 4 所示。其结构分为两部分：一部分是由分子束 外延( m o l e c u l a rb e 锄e p i t a ) 【ym b e ) 生长的，从下往上依次为：n 型g a a s a 从s 北京t 业大学工学硕十学位论文 下d b r 、具有量子阱的半导体腔、厚度略大于3 4 入的舢o _ 8 5 g a 0 1 5 a s 牺牲层、厚 度为1 4 入g a a s 层；另一部分是s i n 。h v 和a u ，分别由p e c v d ( 等离子体增强化 学气相沉积，p l a s m ae n h a i l c ec h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 和电子束蒸发完成，a u 即作为调谐电极端，又作为反射端，是上反射镜的组成部分，光从衬底方向出射。 利用稀释的盐酸对a l g a a s 、g a a s 的选择性腐蚀【m 】，将牺牲层除去，释放悬臂。 和图1 - 3 中的调谐原理相同，利用调谐电极和注入电极之间的电位差来调节空气 层的厚度，实现改变波长的目的。 图1 - 4 四角悬臂结构示意图 f i g 1 - 4s c h e m a t i co ft l l ef o u rl e g sc a m i l e v e rs 伽j c t u _ r e 文献 1 5 的结构为：2 2 5 对n 型掺杂g a a s a 认sd b r ，以中心波长为9 6 0 姗， 2 入长度的半导体腔包括：l 2 入p 型掺杂g a a s 电流扩展层、砧o 4 s 限制层中 间夹着三个蛔2 g a 0 以s g a a s 应变量子阱，阱层i n o 2 g a o a s 和垒层g a a s 的厚度都 为5 呦：可变形的薄膜由三部分组成：l 4 入g a a s 、s i n x h ，相位匹配层、光学厚 度为o 7 入的a u ，这个薄膜的反射可以达到9 9 8 以上。器件的电流限制采取离子 注入方法( p r o t o n i i i l p l a i i t a t i o n ) ，相比于趾g a a s 氧化限制工艺，使用离子注入工 艺制备的器件阈值电流比较大，调谐过程中最小的阈值电流为3 5 i n a ，以9 6 0 m 为中心波长得到了1 5 眦连续波长调谐范围的器件。文献【1 6 】和文献【1 5 】具有相同 的结构，不同之处在于，文献 1 6 】中器件的制备采取的是触a s 氧化技术实现对电 流的限制，器件阈值电流大约为6 5 n a ，调谐电压0 2 0 5 v ，调谐范围为1 7 9 呦， 波长从9 8 4 胁附近蓝移到了9 6 6 i 吼。文献【1 7 】以9 7 0 n m 为中心波长，与文献 1 5 1 的 不同之处在于采用光学厚度为入的半导体腔，可移动薄膜由s i n ) 【h y a u 替换为 s i 0 2 s i n x s i 0 2 a u 介质反射层，调谐电压0 1 8 v ，波长从9 6 8 2 衄蓝移到9 4 9 1 咖， 调谐范围为1 9 1 i l i i l 。文献 1 8 】和文献【1 7 】的结构相同，制作的器件调谐范围不同， 文献 1 8 】中得到了2 5 姗的调谐范围。文献 1 9 】以9 2 0 n m 为中心波长，在文献 1 7 1 基础上，将下d b i 澍数减小为1 2 5 对，采用s i n x h y 从u 为反射层，制备的器件调 谐范围为3 2 衄，调谐过程中具有非常好的光谱特性。 四角悬臂结构与单悬臂结构类似，都是通过减小有效物理腔长来扩大调谐范 第l 章绪论 围。 1 3 38 5 0 n m 波段 8 5 0 m 波段可调谐v c s e l 器件采取单片集成方式，器件制作成单悬臂结构。 文献 2 0 ，2 l 】报道了压电调谐器件，利用砧x g h l x a s 闪锌矿结构的不对称性， 在垂直电