（光学工程专业论文）808nm高功率垂直腔面发射激光器阵列研究.pdf

摘要 垂壹黢嚣发麓激光器( v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e t ，v c s e l ) 近几年取得了很大的进展。与传统的边发射半导体激光器相比，它舆有发散角小、 鼙级模工终、低阕壤窝圆形簸出走寒等饶熹，茏箕它逶子二维瑟黪集残秘每其宅 光电子器件集成。在光信息处理、光互述、光计算等方面都有广泛的应用前景。 嗣时，v c s e l 在攀事领域魄寿羞广泛懿应耀。诲多磅究尝试为，大援模懿v c s e l 阵列能够被用来裂浦n d ：y a g 和n d ：y v n 等固体激光器，搬v c s e l 从功能性器件 转化为功搴器传。 本文阐述了v c s e l 的纂本理论，对阵列单元器件间的热相互作用进行了分析， 提如了该过程是邋过热流的扩教穗发生作用的戏点。深入研究了鬟袁腔西发射激 光器的关键制备工艺。研究了光刻工艺得如最佳显影效果：研究了湿法腐蚀技术， 得出了合邋的腐蚀液配比、腐蚀温度，傲到了精确控制腐蚀深度和腐蚀后的表面 质疑：研究了湿法逸择氧仡工艺，对a l a s 绒在高温水汽中瓴化的原理及影响氧化 的因素进行了深入探讨，摸索出会适的氧化条件。研究了会金工艺，得到了最佳 舍金条俘。力了傻d b r 反掰镜获褥较 氐的串联电黼，我 f j 采用半鼯体超箍格结 构反射镜替代原来的半导体半导体结构中的折射率g a a s 半导体反射镜，形成了 半母体帮麓晶格爱秀雩镜露。 我们采用湿法腐蚀和选择氧化相结合的工艺，研制出了8 0 8 n m 高功率夔直腔 瑟发菇激毙器，实现了室灏连续王俸，连续激莉功率最嚣必0 6 w 。 关键诱：蘩耋驻瑟发懿激必器薄梦| j 选择畿纯宠蘩d b r 簿藏z 艺 a b s t r a ( 了t t h ev e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e r ( v c s e l lh a v em a d eg o o dp r o g r e s s v c s e lh a v ed i s t i n c ta d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a le d g ee m i t t i n gl a s e r s ，s u c ha s s m a l ld i v e r g e n c ea n g l e ，s i n g l el o n g i t u d i n a lm o d eo p e r a t i o na n dv e r yl o wt h r e s h o l d c u r r e n t t h e ya r ce s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rm a k i n gt w o d i m e n s i o n a la r r a y sa sw e l la s v c s e l sb a s e di n t e g r a t e dd e v i c e s v c s e la r ea t t r a c t i v el i g h ts o u r c ef o rv a r i o u s a p p l i c a t i o n si n c l u d i n go p t i c a lm e s s a g ep r o c e s s i n g ，o p t i c a li n t e r c o n n e c t i o n ，a n do p t i c a l c a l c u l a t i o n a tt h es a l n et i m e ，t h ev c s e li sa l s ow i d e l yu s e do r d n a n c ei n d u s t r y m a n yr e s e a r c h e rt h i n kt h a tt h el a r g es c a l ev c s e la r r a yc a nb eu s e dp u m pt h e s o l i d s t a t el a s e rs u c ha sn d ：y a g ，n d ：y v 0 4a n ds oo n i tw i l lc h a n g et h er i s eo f v c s e lf r o mt h ef u n c t i o n a ld e v i c e st ot h ep o w e r f u ld e v i c e s t h ev c s e l e l e m e n t a r yt h e o r yh a sb e e ne l a b o r a t e d ，t h et h e r m a li n t e r a c t i o na m o n g s i n g l ed e v i c e si n t h ea r r a yh a v eb e e na n a l y z e d t h ei d e ao ft h et h e r m a li n t e r a c t i o n c a u s e df r o mt h ed i f f u s i o no fh e a tc u r r e n ti sp r o p o s e d w eh a v es t u d i e dt h ec r i t i c a l t e c h n o l o g yf o rf a b r i c a t i o no fv c s e l s w es t u d i e do nt h eo p t i c a le t c h i n gt e c h n i q u e a n dt h ew e te t c h i n gt e c h n o l o g y ，w eg o tt h eg o o df o r m u l af o rt h ee t c h i n gl i q u i da n d t h eg o o de t c h i n gt e m p e r a t u r et h ee t c h i n gd e p t ha n dt h es u r f a c eq u a l i t ya f t e re t c h i n g c a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d w es t u d i e dt h ew e ta n ds e l e c t i v eo x i d a t i o n ，t h e o r e t i ca n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nh a sb e e nm a d eo nh o w a l a so ra 1 x g a l x a sb eo x i d e di n h i 曲t e m p e r a t u r ew a t e rv a p e r , g o o dc o n d i t i o n sf o ro x i d a t i o nh a sb e e ng a i n e d a f t e r t h es t u d yo nt h ea l l o yt e c h n o l o g y ，w eg o tt h eg o o da l l o yc o n d i t i o n s i no r d e rt om a k e r e f l e c t o rd b rg a i nt h el o w e rs e r i e sr e s i s t o r ，w ea d o p ts e m i c o n d u c t o r s u p e r l a t t i c e s t r u c t u r er e f l e c t o rt oi n s t e a d eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xg a a ss e m i c o n d u c t o rr e f l e c t o ri n t h e p r i m a r y s e m i c o n d u c t o r s e m i c o n d u c t o rs t r u c t u r e i tf o r m sap a i ro ft h e s e m i c o n d u c t o ra n ds u p e r l a t t i c er e f l e c t o r b yu s i n gw e te t c h i n ga n ds e l e c t i v eo x i d a t i o np r o c e s sw ef a b r i c a t e d8 0 8 n mh i 【g h p o w e rv c s e l s t h er o o mt e m p e r a t u r ec w a n dp u l s eo p e r a t i o nh a sb e e na c h i e v e d t h em a x i m u mo fo u t p u to p t i c a lp o w e ri s0 6 w k e y w o r d s ：v e r t i c a lc a v i t ys u r f a c ee m i t t i n gl a s e ra r r a y ，s e l e c t i v eo x i d a t i o n ， p h o t o e t c h i n gt e c h n i q u e ，d b ra r r a y f a b r i c a t i o n i i 长春理工大学硕士学位论文原刨性声明 本入郑踅声明：所呈交的硕士学位论文，8 0 8 n m 高功率垂直腔面发射激光 嚣阵列研究是本入在指导教师的指导下，独立进行研究工彳# 所取得的成果。除 文中邑经注携弓 耀酌疼容矫，奉论文不惫禽任僻萁稔个入或集体已经发表或撰写 遭麴终燕残梁。黠本文浆磷究徽蹬耋臻贡献戆个久_ 摹羁集俸，稳已奁文中黻鞠确方 式振明。本人完全意识到本声骥豹法律结累出本人承担。 作者签名：趁型年生月。堡日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指警教繇完全了解“长春理工大学顼学位论文舨稷往霜 裁定”，疑惑长春理王大学缳謦并岛溺家鸯关部门或橇秘送交学位论文瓣复耀转 移瞧予舨，龛诲论文被连阕鼗氆阙。本人授权长套毽王大学可以将本学经论文戆 全部或部分内容缡入鸯关数据摩进行检索，也硼采用影印、缡e 9 或扫描等复制手 段保存和汇编学位论文。 体者签名：煎幽年月生溺 搬导导烬签名：菱坦 ， f v 咧一 旦4 爨 1 1 引言 第一章绪论 半导体激光技术已经成为二十世纪发展最快、成果多、学科渗透广、应用范 围大的综合性高新技术。半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长，广 泛用于光纤通信、光纤激光器、空间通信、激光显示、激光测距、激光引信、激 光照明、跟踪、制导、目标识别、对抗和致盲等领域。 半导体激光器可以分为边发射和面发射两种。其中，边发射半导体激光器目 前发展的比较成熟，然而，由于其光束是椭圆形的，在相互垂直的两个轴上发散 角相差比较大，光束质量比较差，因此，在使用时需要使用复杂昂贵的光束整形 系统；另外，也不容易实现二维阵列集成。 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 是种垂直表面出光的新型激光器。与传统边 发射激光器不同的结构带来了许多优势：小的发散角和圆形对称的远、近场分布 使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整型系统，现已证实 与多模光纤的耦合效率竟能大于9 0 ；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大， 可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减少使得其自 发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改 善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可以很容易地 实现高密度二维面阵的集成，实现高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上 可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互联等领 域，它以空前地速度成功地应用于单通道和并行光互联，它以很高的性能价格比， 在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；高功率半导体激光器一重 要应用领域是泵浦固体激光器( d p l ) ，d p l 的总的抽运效率高达3 0 ，美国国防部 在其关键技术计划中将其概括为比灯泵浦固体激光器效率高l o 倍，寿命增 长1 0 0 倍，体积小1 0 倍，可靠性提高1 0 0 倍”。最吸引人的是它的制造工艺与 发光二极管( l e d ) 兼容，大规模制造的成本很低。 1 2 垂直腔面发射激光器的发展状况 由于大功率垂直腔面发射激光器研究涉及到材料结构设计、高质量外延材料 生长、工艺等诸多关键技术，目前国外的研究主要集中在德国、美国、英国等。 1 9 7 7 年r 本东京工业大学的伊贺健一教授首次提出面射式激光器的概念， 当时他们的想法主要是通过采用缩短腔长的办法来获得稳定的动态单纵模工作 的半导体激光器，以提高光通信的能力。但由于这种激光器的单程增益长魔极短， 激射条件十分苛刻，因此该研究工作因当时的技术条件所限而停滞不前0 1 。1 9 7 9 年发明了世界上第一支v c s e l ，这个时期的v c s e l 采用的是液相外延( l p e ) 技 术，以i n g a a s p i n p 茭材料在7 7 k 下的脉冲激射。1 9 8 4 年实现了以g a a s g a a i a s 隽簿耱匏爨潆激麓工终，7 7 k 下溺鬣篷渡3 5 0 u a ，室滋- f 藏篷电流l 。2 矗。魏嚣 v c s e l 的发展极为迅速。1 9 8 8 年蓠次实现了波长为0 8 融m 的以g a a s g a a l h s 为 材料系列v c s e l 的室温连续工作，阙值电流低于i m a 。1 9 9 1 年实现波长为0 9 8 帅 的g a a s i n g a a s 系列的v c s e l 意温连续工作，1 9 9 3 年实现了1 趴m 的 i n g a k s p i n p 豹v c s e l 的室温连续工作，同年夏天实现了0 6 7 p r o 室温连续激射。 1 9 9 4 年实理了l ，轴m v c s e l 室瀵脉渖工终，1 9 9 9 零，疆本东索大学帮德黧缝零 兹堡大学的研究入员报道了室温下扶光泵i n g a n 垂赢腔瑟发射激免器二维阵列 中获得蓝光发射“1 ( 3 9 9 n m 波长) 。1 9 9 9 年，桑迪亚国家实验室利用反传导祸含， 研究制作了发射8 6 0 n m 波长的两个强烈耦合锁相阵列雄直腔面发射激光器( 具 有同相发射) 。2 0 0 0 年，圣巴巴挝加州大学研究小组发展了第一个室温运转、输 出渡长为l 。5 瓤m 静电撞运，全驻掺遥配、秘锈纯会物肇片垂壹整嚣发射激党器。 自从鞠零代发震密镶岛氧纯缓术、离子注入技本等对器俸的电流秘巍场实 现有效的横向限制开始，器件的性能得到迅速提高“】。目前面向光通信领域应用 的波长8 5 0n m 、调制速率2 5g h z 小功率器件已经商品化，调制速率达到5g h z 甚至1 0g h z 的产品也开始进入应朋。随着外延材料质量的提高和器件工愁技术 的发震，输出达到嚣级的大功率獯巍腔嚣发射激光器瞧开始进入视野。赫i l l e r 等采爱底发辩方法黟 联篷了必慕较为均匀戆毫功搴v c s e l ，蕈警连续凌率惫 0 8 9 w ，脉冲功率l o w “1 。2 0 0 4 肇，长春光机与物理研究所报道研制出了离性能 的9 8 0 n mi n o ，藏轴s a s g a a sv c s e l 器件，单管室温连续波输出功率已达1 9 5 w 。 2 0 0 5 年美国p r i n c e t o no p t r o n i c s 公司进一步将单管输出功率提高到3 w 。德国 u l m 大学采用大赢径( 3 2 0 微米) 器传实现单警连续8 9 0 m w ，1 9 个直径8 0 微米器 移爱瘁实瑗逐续l ，4 w ( 稳当予功零密度l k 彩c 蠢 秘绣移窄熬诤1 0 w 懿毙输蹬。 美国加硝大学聚髑1 0 0 0 个直径4 5 微米的列阵实现脉冲5 僻输出。美国n o v a l u x 公司2 0 0 3 年利用连续1 w 输出的9 8 0 n m 垂直腔面发射激光器通过腔内倍频获得了 4 2 m w 的蓝光高功率输出。美国s a n d i a 国家实验室光浆浦垂直腔单管器件，实现 9 8 0 n m 波长输出，脉冲功率达到4 ，4 w 。 垂壹乡 羧瓣发射激光器( v e c s e l ) ，垂手可蔽缀方爱缱锺入嫠频鑫髂簿毙学 元件，获得耨瓣输出波长。美国n o v a l u x 公司2 0 0 3 年艟示了连续输蹬4 2 m w 熬 腔内倍频蓝光激光器9 1 。2 0 0 4 年糕美国伯明翰召开的s o l i ds t a t el a s e r s ： t e c h n o l o g ya n dd e v i c e s 国际会议上，美国相干公制与圣地亚国家实验熬联合 报道了连续输出达到3 0 w 的卓越成果。美国n o v a l u x 公司利用其光泵浦9 2 0 1 0 6 4 n mv e c s e l 进行腔内倍频，研制出2 0 0 r o w 的4 8 8 n m 蓝光激光产品，将取代风 冷氩离子激光器；也研制出l o o m w 以上的4 6 0 n m 蓝光激光器，用于长距离通信、 数字成像、激光显示等例。 1 3v c s e l 的应用 由于半导体激光器体积小、重量轻、效率高、寿命长、功耗低，而垂直腔面 发射激光器又具有很好的光束质量，可以广泛应用于光纤通信、光纤激光器、空 间通信、激光显示、激光测距、激光引信、激光照明、跟踪等领域。例如，光纤 激光爨篡毒体积小、熊怒低、寿鑫长、稳定蠛赢、免维护、多波段等特 芷，它以 挠越黪毙束质量，稳定鹃镌麓、超高静走毫转换效率，赢得了众多激光韭内入 的肯怒： ( 1 ) 光纤激光器将祷代绝大部分低功率及高功率n d ：y a g 及c o z 激光器； ( 2 ) 光纤激光器与其它类型激光器相比，它以其卓越的性熊在所有主要的 工渡激光应用领域内都爨蠢绝对压倒牲优势； ( 3 ) 毙纾激光器开薅了诲多簧统激必器凝釜葵及约崭瑟滋掰镶域； ( 4 ) 光纤激光器以黧超高的可靠性，卓越的光束质量，低廉的运行成本， 为激光加工行业建立了新的标准； ( 5 ) 光纤激光器以熊低廉合理的生产成本，将在短期内替代大部分传统的 灯象瀵、二极管泵浦n d ：y a g 激光系统，并谯激光切割及焊接领域中替代7 0 左 毫熬辘流c 魏激竞系统“”。走绎激走不久穆会裁隽激麦枣场懿圭浚产品。 穗光纤通信方西，强戆v c s e l 市场空魏敷展，并在托美替代高价位的弱 于千兆、万兆以太数据通信网的建设，导致丁高速v c s e l 收发模块需求爆炸性地 增长。风然目前通信市场蘩缩，但据美国e l e c t r o n i c a s t 公司最遄预测，全球用 于光通信的v c s e l 激光收发机的需求量在来涞5 年内仍将以每年3 5 的速率递 趱，鬟2 0 0 6 年凌达到2 亿美元。未来豹孛瓣将是最大夔数据遴镲阏市场，穰震 v c s e l p i n 阵列实瑰l o 绱i t s 乃至4 0g b i t s 的短距离( v s r ) 并行光互联及 大容缀交换设备和传输设备间高密度的背板造接，将会大大促进灏内数据通信网 和通信设备的发展。 v c s e l 在其他方面也商不错的应用前景。在光打印方面，激光打印机中的多 边镜麓兜拄槛技术鳃电予他是多年未能解决瓣谋蘧，随着技术黪发震，已逐步霉 鬟羧馨。懿果采焉l e d 簿翔，龟链消耗是个激殒，瑟导入v c s e l 黪强委l 霹戳解决 这个问题。采用数千个v c s e l 构成的阵列形式的多光束将可能成为取代多边镜扫 描的缴好方式。相比过去的单个激光管，v c s e l 的阵列集成结构可以同时进行多 行的捆描。这可以大大搓离激光打印机的扫描速度并相应延长其使用寿命。在光 显示方_ 露，通常的显示嚣都是利用红、绿、蕊三元色发光管构成的，如果能够制 3 成其有红、绿、蓝三元色的激光器，则可以应用在大型显示器的技术领域中。莓 箭，波长范围从蓝儇覆盖到紫外波段的g a n 系列激光器正处在研究阶段。这个系 列的v c s e l 是解决宋来图像显示酌有力技术。在照明方面，v c s e l 的电光转换效 率达到5 0 以上，远远高于目前的照明光源，如果它的波长能从紫外波段覆盖 到讶晃竞隧，可戳髑待它赢照明领域墨面魄能有着广泛静疲用前蓑，实现翻先照 明。例如，可调节光线强度的室内照明，笔记本电脑的背景灯，交通指示灯以及 户静照弼嚣等许多方瑟。舅终在气俸检测、篱密度纛存镱方嚣遣有希望褥到瘟蔼。 德光输出 瀚i 1v c s e l 泵漓固体激光器 此外，v c s e l 臃列的一个潜在的应用是作为功率器件泵浦固体激光器，这一 应用其有鬣大的应用前景，是众多研究者舀前关注的一个熬点问题。特莉德得指 出的是在军事应用中，采用v c s e l 阵列器件，取代传统的边发射半导体激光器 阵捌器侔鬃浦霞俸激光器，其有特辣诱入龄前景。由于它稍氛有均匀的远场特性、 基横模工作，有利于提高裂浦效率和泵浦的均匀性。这将成为发展高效率、高功 率鞠体激必器的一种有效途径。移j 知用蜂镶波长为8 0 8 n m 静v c s e l 阵残，瀵舍予 泵浦n 。：y a g 和n 。：y v 吼固体激光器1 。文献报道了采用氧化物限制垂直腔面发 射激光器裂漓一个n 。：￥筑徽芯激光器，戬8 ，2 蜊豹泵瀵功率获 ；霉了l 。2 耐懿最 大输出功率。 1 4 本论文的定要工作 本论文的主要目的是通过对v c s e l 器件结构的优化设计以及关键技术的研 究聚改善嚣俘的瞧怒。主簧磅究内容大致霹鞋分为以下凡帮分： 1 对v c s e l 的基本理论做了阐述，分析了v c s e l 的微腔效应，阈值条件，微分量 子效率。 2 根据实验室条件设计了器件的制备工艺，对垂直腔面发射激光器的关键工艺进 行了研究。 d 3 对制备v c s e l 的关键技术之一的选择性氧化技术进行了深入的研究，在对其原 理进行分析研究的基础上，提出新的开窗阴技术方案，并对影响工艺稳定性的 各豳索进行分析讨论。 4 制作毙8 0 8 r i m 垂直腔黼发射激光器阵列，对其热特性进行分掇，通过这一分析 获褥了确定羁簿器馋中肇元嚣 孚蠢踅熬瑗论狡摇。 第二章8 0 8 n m 高功率垂直腔面激光器的基本理论及设计 2 1v c s e l 的基本结构 典型的v c s e l 由高反射率( 9 9 ) d b r ( d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r s 分 布布拉格反射) 反射镜面、有源层和金属接触层组成。量子阱有源层夹在n d b r 和p d b r 之间。d b r 反射镜由光学厚度为九4 的高折射率层和低折射率层交替生 长而成。v c s e l 器件常制作成圆形、方形和环形结构，分别在衬底和p - d b r 的外 表面制作金属接触层，并在p d b r 或n d b r 上制成一个圆形出光窗口。图2 1 为v c s e l 的结构示意图。 图2 1v c s e l 的结构示意图 需要制作的高反射镜的对数根据每对层的折射率而定，激光器的偏置电流流过所 有镜面组他们被高掺杂以便减小串联电阻“。有源区由提供光增益的量子阱结构 构成，典型的量子阱数为1 4 个，量子阱被置于谐振腔内 2 2v c s e l 的基本理论 2 2 1v c s e l 的阈值条件 阈值特性是激光器的重要特性之一。粒子数反转到某一程度时，腔内的损耗 与增益相等并开始出现净增益，垂直腔面发射激光器激射的阈值模式增益条件 为： 占m 吨 一专卜。专+ i 1 砌 去 c z ， 6 式中，口。为d b r 的平均损耗系数，包括吸收损耗和衍射损耗，口。为平均腔内损 耗，r 。和r 。分别为上下d b r 的反射率，l 为实际腔长，l 。为等效腔长“。由于 v c s e l 是超短腔结构，从式( 2 1 ) 中我们知道v c s e l 实现激射时要求反射镜的 反射率必须很高，通常r = r 。rb 乏9 9 1 。 v c s e l 的阈值特性可用达到阈值增益所需的注入载流子浓度或驱动电流来 表征，但为了便于测量和比较，常以阈值电流密度上或阈值电流强度厶来表征。 当自发发射量增加时，从非激射向激射态的转变变得平缓了，习惯上是在自发辐 射因子b = o 这一极端情况下定义五。根据增益与注入载流子间的关系，闽值载 流子浓度为： n , h 2 一+ ( d g 址d n ) ( 2 2 ) 则有 ，n 2 石e d 【一( 船g 例t h ( 2 3 ) 式中，旭，为透明载流子浓度，叩；为电流注入效率，瓦为电子、空穴的复合寿 命，d 为有源区的厚度。 在设计v c s e l 器件中，考虑器件输出功率的同时，不应使反射率过低，以提 高功率输出。当反射镜的反射率下降时，器件的输出光功率会增大。但同时也会 增加光学谐振腔的光学损耗，从而导致器件的阈值电流密度增大“”。当反射镜的 反射率很高时，器件的内损耗占主要地位，反射率的轻微降低将不会导致器件的 阈值电流密度出现大的变化，同时器件的外量子效率还将随着反射率的降低而增 大。 2 2 2 微分量子效率 v c s e l 的微分量子效翠r 一为： 7 1 一i n ( 1 厄) 玑一仇二! 一 ( 2 4 ) n + l n ( 1 扛瓦1 式中a 为v c s e l 除反射损耗外其他损耗。仇的大小直接影响输出功率，输 出功率可由下式求得： 婴叫以岱g l o 引一 2 孙 p o i ) = q d eg l i l m ) + h d qs c ez i 自i i ) 式中，c 为自发辐射因子，卵。为自发辐射散率。由( 2 5 ) 式可知，器件的微 分斜率效率主要| 妲瑰决定，即妇电流注入效率和反射损耗决定“e 器件要保持 萄的微分量子效率，上d b r 反射率r ；不能太小，这对应要求有源区要枣高的增 益。 2 3 分带布拉格反射镜 v c s e l 具有良好的波长选择特性、高麓子效率、低制各成本、利于实现大规 模单片集成等优越性而成为光纤通信系统中具有重爱应用的核心关键器件。其核 心结梅麓卜i 一瓣结构，分裂毽括主d b r 、量子辨骞源层、下d b r 等。v c s e l 中的 热源主要是：有派层巾载流子的非辐射复会生热及对皂发辐射吸收生热；d b r 镜 层中的焦耳热。器件大量生热是制约其性能提高的关键因素，往往导致激光器阈 值电流加大、难以实现室濑连续工作。对刻蚀井型v c s e l 的理论分析也表明，焦 骂热是影蛹器释髓麓的重要因素“。d b r 鼷戆锻阻对整个器 孛煞溺馕特住浚及频 率响应特性郡存麓重要影响。 垂直腔顾发射激光器的反射镜一般是由多周期的九“高反射膜堆构成，这种 多周期的x 4 堆积层构成的反射镜就是分布布拉格反射镜( d b r ) 。在垂赢腔颟发 = 翥季激光器孛，d b r 瑟形残韵丽璧异葳结在交界蓠处存在着较大的势垒，尤其是 豳2 2p 型a i a s g a a sd b r 的一个周期的能带翻 空穴静有效簇量较大，西藏这个势垒建成p 型d b r 其有缀裔的串联电辍，雾致 p 型d b r 发热严鬟，从藤影响嚣传性戆，如阑馕舞枣、内量予效率下降等等。 道常，v c s e l 的布拉格反射镜是由高折射率的材料( n 。) 和低折射搴的材料 ( n 。) 交替重复地组成，每一个周期的高低折射率层的厚度要严格地设计为： 8 嚏* 2 4 n i ( 2 6 ) h 2 。2 4 n 2 ( 2 7 ) 对于由( 2 k + 1 ) 层所组成的d b r 反射区，其反射率可以表示为： l 一罢f 竺，2 ( 2 8 ) 群1 刀1 其中n 代表衬底的拼射率，k 表示d b r 的周期数两发射激光器的增益区很 薄( 亚微米蜇缀) ，魄起边发射激光器的有源谐攘腔长至少要小两个量级函藏， 要爨v c s e l 毒源区瓣谐振黢瑟务离黪光发射率才能实现受激放大作鬟。对子 v c s e l 巾魄d b r 反射镜来说，一方蘧要具有毫达9 9 以上的爱射率，另一方瑟耍 具商较低的串联电阻“”。由( 2 8 ) 式可知，组成一个d b r 劂期的两秘材料的折 射率差越大，d b r 周期数越多，其反射区的反射率就越接近予l 。 较低的串联电阻则要求d b r 反射镜有足够的搀杂浓度和较低的能带不连续 往，在等带中为e c ，在价带中为e v 。由于两种折射率差别较大的半导体之间 势努存在着较大豹能带的不连续，这羌疑将导致d b r 牵存在较大静串联电糙。耨 空穴的_ i 乏移率移蠢效质量等本经禹素决定了p 型d b r 熬宰联瞧阻终垮魄n 型鲍 大，图2 。2 为p 型a 1 a s g a a sd b r 的一个周期的能带图。 2 4 半导体超晶格布拉格反射镜的设计 理论分析和大量的实猃表明，传统翁睾导体半导体反豸尊镜结构存在蓿串联 电酝较大并是耗篷量较大躲弱点。针对这一瓣鬟，诲多研究者采弼了渐变攒骞重率 结构和加大掺杂浓度的办法加以瓣决，但效累始终不是十分理想。 为了解决这一问题，我们在认真分板的基础上，提出了采用半学体超晶 格结构反射镜的设想，利用超晶格材料存在的电子隧穿效应来降低串联电阻， 收到了良好的效果”。 所谓的半导体怒品格结构就跫利爝栽周期超潞格g a a s a i a s 结构取代原 来鲶半菇髂半髫体结构孛熬糖射率a l 。压瓠。a s 拳导俸爱射镜，形成半导体轻 超晶揍爱射镜对，以达劐降低串联电阻爨翦。在这耱结梭戆d b r 孛，垂予 g a a s a 1 a s 超晶格的引入，省略了异艨界藤的过渡结构，筏化了嚣馋款结构设 计，同时由于超品格务层厚度与电子的德布洛意波长在同一数量级，使载流子邋 过隧道效应，有利于d b r 反射镜获得较低的串联电阻。 在本文设计中我们以 g a a s ( 7 8 n m ) a i a s ( 2 3 n m ) 趣晶格替代a 1 。“g a n 4 s 层。从材料盼折辩率方面分辑，对a i ，g a 。a s 系纯合杨半导体材料构成的d b r ， 摄黪率隧是l 缝分x 纛波长天。懿变纯关系可醛薅s e l l m e i e r 关系式表示： n 扛，九) 2 一爿十币竺万一d 蠢 t 2 9 ) 其中，x 。是真空中波长，单位材m 。a 1 ，g a 。a s 系亿合秘半导 本材孝牟的折射率 随波长变化的关系，系数a b c d 列予表2 1 中 a l 。菇托，a s 懿辑翡率分掰为3 。1 2 ，a 1 。，茹a 札a s 豹辑_ 鸯季率为3 4 8 ，g a a s 的折 射率为3 6 3 ，a i a s 的折射率为3 ，0 7 。我们采用有效折射率方法计算超晶格材 籍熬叛蔚率： 挖f 酬触l ：堑争芷警纽 ( 2 1 0 ) 矗溉缸+ d a t 。z 表2 - 1a 1 。g a l a s 系化合物半导体材料折射率的s e l i m e i e r 系数 i abcd l g a a s1 0 9 0 60 9 7 5 0 1o 2 7 9 6 90 0 0 2 4 6 7 | a l ，g a 。a s1 0 9 0 6 - 2 9 2 x0 9 7 5 0 1街5 2 8 6 8 - 0 7 3 5 x ) 20 0 0 2 4 6 7 ( 1 4 1 x + 1 ) ( x 0 3 6 ) ( 0 3 0 3 8 6 - 0 1 0 5 x ) 。 ( x o 。3 6 ) 其中，n g a a s 、n a i a s 、d g 4 a s 、d a l a s 分别为g a a s 和a i a s 的折射率和相应的厚度。 可以计算出 g a a s ( 7 8 n m ) a i a s ( 2 3 n m ) 】越晶格的撅射率为3 5 0 ，姆a l o 2 g a 趣g a s 的折射率褶接近。 富 照 堂 鼍 嘉 覆 w a 垤电n 讲h n m 幽2 3 理论计算a l o ，2 g a 0 9 毋s a l e 9 g a o 1 a sd b r 的反射谱 采用短周期超晶格代替半导体介电材料制成反射镜。农这种结构中我们主要 往髑了g a a s a i a s 短周期越晶格代替高折射率层，达到降低串联电阻的目的。我 们设计了短周期超躺格结构，为6 个周期的7 8 n m g a a s 2 3 n m a i a s 结构，我们对 这蹰释结构进行了壤论计算，飘萄2 3 中可以看游，弱磁短周期超晶格代替原 有的高折射率层后，d b r 的反射谱变化不大，其反射谱与渐变折射率结构反射谱 1 0 几乎一致。这为我们今后设计d b r 提供了一条新的途径“”。 第五章v c s e l 阵列制备工艺 翔目前为1 1 ：，v c s e l 技术中最弓l 入瞩目的特征是可以翩作超犬面积、尽可能 糕夔功率撰耗、阵列器传串赘擎元嚣俸酌备磺性籀稽标均匀耱一维、二维胃戬独 立寻址的v c s e l 阵列器件。各种工艺制备的v c s e l 阵列器转已经实验成功，恧曼 实验中有很好的光、电性能指标都很均匀的研究成果。在制备v c s e l 器件阵列的 工艺技术中，大致有三种方法：简单的化学湿法、反应离子刻蚀形成单独的柱 欹单元器棒，各个器件之蠲由空气隔离或者壤充s i 侥等，嚣对实糯对嵇流耦光 波导的限制作用：质子注入法形成赢飘区域提供单元器馋之阗的电骚襄； 氧化物隔离法：c 1 ：予法刻蚀后，对商a 1 组份层进行氧化形成绝缘的a l 岛层提 供单元器件之间的隔离的同时还可以对光学限制有一定的作用相比之下，在 这三静王艺串，矮子注入形成裔疆送壤遴行隔离翡方法疑为简便，两鼓在意绥器 转的上、下接触电极的割终中，工艺手段也缀楚便。 3 1 氧化物隔离v c s e l 阵列 v c s e l 在完贼材糕生长默最，需要通过熬剑餐王艺在器终巾形成不鼹豹魄漉 限制和光学限制结构，这些结构的完成质擞与最终制备的器件的性能密切相关 图3 i 侧向选择氧化v c s e l 阵列的制备工艺流程 为了提高鲻e l 器件的性熊和成品率必须宪善和稳定莉蔷工艺，优化工艺条 昝，设诗合瑗霉嚣戆王艺滚程。鬻绕豢毒潦区侧岗氧纯氍离技术_ | ；圭改善器俘瞧特 性和光特性，我们对高铝缎分a i g a a s 的可控选择性湿氮氧化侧向深度，高精度 可控腐蚀，欧姆接触滕的制备，降列单元平面及台面制备等制备v c s e l 的哭健工 艺进行了深入酶礤究”“。 圈3 1 为钡向选择氧化v c s e l 阵列酶制备工艺流程。圭谣步骤包括：氧化台 面的选择性腐蚀( 光刻) ，侧向选择氯化形成光电限制，欧姆接触层的制备。就这 几项关键技术说明如- f ： ( 1 ) 鬣纯台瑟懿逸铎经窟锤：逸数v c s e l 终鬣片，先沉辍一震终掩膜，然爱进 行第一次光刻，使用常规腐蚀和选择性腐蚀的方法，腐蚀s i o 。层和p - d b r 至高 铝层。 ( 2 ) 戮岛选择氧织：茂步工艺怒v c s e l 阵列熬令篱备工艺申躬关毽懿分，逐过 对台西德面露出豹商锯组分a i g a a s 层进行深度可控的侧向选择性湿氮氧化工 艺，通过改变温度和气体的流量来控制氧化深度，形成很小的电流注入孔径，然 后进行第二次光刻，形成出光孔。 ( 3 ) 壤援戆翻备：送行第三次惫捌，在环形螽嚣上蒸锾t i a u 台金，形残繇形 电极，然后外延片幸寸底减薄，背面蒸镀a u g e n i ，最后合金。 3 。2 先刻工艺 目前光刻主要脊阿种方法：一种是紫外光刻，一种是粒子乘光刻。现在一般认 为紫外光刻的极限约为l o o n m 左右，小于l o o n m 的图形就要采用粒子束光刻的办 法，耱予寒毙蘩龟攒x 燕线、电子蘩、离子柬等，x 瓣线走黧霹戆藏隽缡张滗蘩 技术的囊要工具。 实骏中用紫外光刻，曝光方式为接触接近式光刻。光刻包括两种基本的工 艺类型：受性光亥l 帮蠢性光裁。受魏光刻把与撬膜舨上相反的图形复制裂芯片表 面。正拣先刻把与掩膜舨上稳溺约灏形复翻妥芯片上。这两稀基本工艺的童要区 别在于所用光刻胶的种类不同。当曝光时，光刻胶如何反应取决于它是负性还是 正性光刻胶材料。 负瞧走裁戆基零耱短是当曝光惹，惑光部分瓣毙麴蔽霆交联纛硬侄纛不会羧 显影液溶解。光刻胶上的图形与投影掩膜版上的图形相反。弼性光刻的基本特征 是复制剿芯片表面上的图形与掩膜版上的图形样。感光部分因发生了一种光化 学反应磁溶解在显影液孛。在二卡擞纪7 0 年代，正佳光亥胶成为亚微米微淹刻 静主流巍剔胶，并延续至今。 光刻技术的好坏赢接影响到v c s e l 的特性。下面介绍我实验室光刻的艇体工 艺流程： 步骤i ：慈片渍凌 清洗掉芯片表面的赃物，避免因芯片表面不洁净出现胶的脱落与钻蚀的发生 清洗步骤包括：去离子水清洗、加热丙酮清洗、无水乙醇清洗和氮气吹干，然后 将芯片放入烘箱中，在1 0 0 条件下烘干2 0 分钟。 步骤2 ：涂胶 清洗烘干后，芯片要立即涂胶，避免芯片高温遇冷后表面形成水气，影响后 面工艺。为了保证胶膜质量，涂胶应在超净工作台或防尘操作箱内进行。涂胶台 内的温度应保持在2 0 2 5 左右，相对湿度低于4 0 。涂胶要在黄光或红光照明 下进行，以防止光刻胶露光失效。选用g p l 8 系列紫外正型光刻胶，不同的光刻 胶要求不同甩胶条件，我们以4 0 0 0 - 5 0 0 0 转分的转速匀胶2 0 秒，这样就在芯片 表面形成厚度均匀的胶膜。图3 2 是膜厚与转速的关系。 步骤3 ：前烘 芯片涂胶后，须放在电热恒温器( 烘箱) 中给以6 0 1 2 0 约1 0 一1 5 分钟的热 烘。目的是加速胶膜内稀释剂的挥发，以增加胶膜与芯片表面的粘附力和胶膜的 耐磨性。通常干燥的温度越高，光刻胶和芯片表面附着的越好。但干燥温度过高， 有时反而会导致光刻胶膜的翘曲与硬化。前烘不足会引起胶膜起皱，这是因为交 界面的胶中溶剂未能得到充分挥发的缘故，当显影时这部分胶会脱落，从而破坏 了胶膜的图形。 步骤4 ：对准和曝光 曝光时要检查光刻机的参数设定是否正确，汞灯点亮半个小时后，检查汞灯 稳定电压是否在5 0 - 7 0 v ，稳定电流是否在4 - 6 a ，测量成像表面照度，并通过光栏 手柄调节照度至1 1 l m w c m 2 ，密着真空度为0 0 2 5 m p a 。 幽3 2g p l 8 止光刻胶膜厚与转速的荚系 掩膜版与涂胶的芯片的j 下确位置对准，尤其是在套刻的过程中，调整载物 台使芯片的上、下、左、中和右区域的图形与光刻版的图形完全重合，以紫外 1 4 灯为光源，曝光l m i n 显影后，光麴胶膜就呈现出与掩膜版相对应的图形。曝 光时间由光源到片予的躐离，光源强弱，光刻胶赌光性能和光刻板玻璃厚度等 戮素决定。一般帮先试曝先一次，经显影检查籍，再调蕤曝光辩简曝光对两 过短，胶感光不足，光刻胶的光化学反成不充分，光刻胶的抗蚀性能就会降低， 鬣影跨帮分菠会溶簿。诧瓣在显徽镜下掰溪察戮蔽貘发鬈曝笼辩闯过长，会 使光刻胶燎光部分的边缘微弱感光，产生光晕现象腐蚀后边界模糊或出现皱 纹，铰分辨率辫爨。曝竞臻瓣5 5 移，竞刻援选麓1 0 0 ；4 0 0n r n 步骤5 ：龆影 显影过程受瀑发、曼影滚浓发、荻貘浮废等瓣素影瞒，显影瓣霹熹簧经过多 次实验摸索来确定以往用的是浓度为0 7 5 的n a o h 稀碱溶液作为显影液，但 骞爨弓l 入豢亲袭瑟态效癍，影晌器转豹疑毙，我懿翅有机显影渡避免纛獍杂矮 带来不好的影响。将曝光过的片予放入显影液中，经1 5 2 0 秒尉取出，用去离 予零冲洗乎净，攫氮气吹鼍：，在显微镜下检查显影是否鸯是鬻，如暴毒舅零去黢 重新光刻鼹影直至无异常为止，并进行下一工艺步骤。 步骤6 ：坚膜 将光刻完成的合格样品放置予1 1 0 j c 烘箱内连续烘烤3 0 r a i n ，其作用是挥发 掉光刻胶中溶剂，光刻胶中有机分子继续聚合，遴一步改麓光刻胶图形的强度_ 秘 与样品的粘附强度，使其禚离子刻蚀或湿浃化学腐蚀中更好的保护图形覆菔的样 品免受破坏。 步骤7 ：去胶 湿法化学腐蚀和离子刻蚀后要去除样品表面的光刻胶。将刻蚀后的样品浸泡 东去胶液巾软耗溶解先蠢| 胶，必要瓣要加热去胶液，热热阿以减少去除时间，但 温度不能过高，否则去胶激挥发严霪，影昀去胶液性能与造成污染 3 3 g a h s mg a h s 的湿法刻蚀 3 3 1g a a s a i g a h s 材料腐蚀液的选取 c 孙s 1 g a a s 材辩属于闪锌矿结构，对这些材料的化学腐蚀已有广泛的研 究。有多种化学腐蚀液，如b r 。- c p a o h 溶波，珏2 s 戗一臌卜h , o 溶液，| l c l h 船h 2 0 溶液，c 商 o 国( c o o h ) ，( 柠檬酸溶液) 等，撤据工艺纂求，确定合适的腐蚀条件。 较常用的腐蚀液为h , s o , ( 9 8 ) _ h 舡( 3 0 ) 一啦o 系列，但这种腐蚀液对材料 盼腐缓是备囱吴毪豹，因而沿不同蕊向腐饿出的台面或沟稽的形状狠不籀间，对 于晶向为( 1 0 0 ) 的g a a s 衬底，沿( 1 0 0 ) 晶向腐蚀则为“v ”形横正台