（物理电子学专业论文）新型分布孔结构面发射激光器研究.pdf

摘要 本文提出并设计了一种全新结构的垂直腔面发射激光器：新型分布孔结构垂直腔面 发射激光器。新型结构克服了原有v c s e l 发射功率低，大电流注入时发热量大等缺点， 改善了器件的热特性和输出特性，减小了p - d b r 热阻。生长了所需新结构v c s e l 的外 延片，通过对刻蚀、氧化以及欧姆接触等工艺的优化和设计，制作了新型分布孔面发射 激光器。经测试单管最低阈值电流为1 8 m a ，输出功率达到7 9 6 m w ，其输出功率是传 统结构的1 3 倍左右。 关键词：垂直腔面发射激光器分布孔结构热特性光输出功率 a b s t r a c t i nt h i sp a p e ran e ws t r u c t u r ew h i c hv 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 ) w i t h n e wd i s t r u b i u t e dg r o o v es t r u c t u r ew a sd e s i g n e da n de x p l o r e d ，i ne x p e r i m e n t sg r o w t ht h e m u t i q u a n t u mw e l i s ( m q w ) b ym o l e c u l a rb e a me p i t a x y ( m b e ) b yu s i n go p t i m i z a t i o n p r o c e s sa n dd e s i g no fr e a c t i v ei o ne t c h i n g ( r a e ) ，o x i d ec o n f i n e da n dt h eo h mc o n t a c t o c t t h eh i 曲p e r f o r m a n c ew i t hn e ws t r u c t u r et h a to fd i s t r i b u t e dg r o o v eo fv c s e l sw e r e f a b r i c a t e d t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wm a tt h e s ev c s e l so p e r a t ew i t hg o o dp e r f o r m a n c e t h e n e ws t r u c t u r eo fv c s e l sc a l lr e d u c et h ev a l u et h e r m a lr e s i s t a n c eo fp - t y p ed i s t r i b u t e b r a g gr e f l e c t o r s ( p - d b r l a n d a g a i n s tt h e l o w l i g h to u t p u tp o w e r , i m p r o v et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h el i g h to u t p u ta n dt h e r m a lc h a r a c t e r i s t i ce f f e c t i v e l y t h el o w e s t t h r e s h o l dc u r r e n t so ft h ed i s t r i b u t e dg r o o v eo fv c s e li s1 8 m a , t h eh i g h e s to ft h e o u t p o w e ri s7 9 6m w , l i g h to u t p u tp o w e ri sa b o u t 1 3t i m e sa sm u c ha sc o n v e t i o n a l s t r u c t u r e k e y w o r d s ：v c s e l ，d i s t r i b u t e dg r o o v e , t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ， l i g h to u t p u tp o w e r 长春理工大学硕士学位论文原创- 陛声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，新型分布孔结构面发射激光器研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：盔型b 缓舞三月创 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导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 盗复互垄年j 月翊 指删雠：选肇! 翌年月且 第一章绪论 1 1 垂直腔面发射激光器概述 由于半导体激光器的体积小、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格低廉等 优点。使得它已在激光技术中占有显赫的地位，它的成功应用已遍及光电子学、激光通 信、光网络存储、光互联、光集成等许多重要领域。半导体激光器现在己成为我们日 常生活最广泛使用和最重要的激光器。其中传统的边发射激光器( e e l ) ，由于其固有 结构的限制，很难实现高密度的二维阵列及其光电集成，并且具有测试成本高、与光 纤耦合精度要求高、耦合效率低以及工作电流高等缺点，不利于未来光网络在中短程 的应用1 1 捌。 为了克服边发射半导体激光器在上述方面应用的难点，1 9 7 7 年，日本东京工业大 学的k i g a 首次提出用外延片的表里( 上下) 两面作为激光反射镜的面发射激光器 ( s e l ) ，光从衬底表面上射出【4 5 】。1 9 7 9 年k i g a 等人又第一次通过电流注入实现了 g a i n a s p 系列激光器的激光振荡，此后这种新型的半导体激光器以垂直腔面发射半导 体激光器为名在世界范围内被广泛使用。经过2 0 多年的发展，垂直腔面发射半导体 激光器作为光纤通信、高速光局域网、光盘、激光打印机、光互连等许多光电子技术 新领域【6 7 】中的重要器件，成为研究最活跃的半导体激光器之一。 v c s e l 由于单纵模、波长可连续调谐、无模式跳跃、波长分布范围广等特点，已被 广泛用于多种激光领域的应用与研究。垂直腔面发射半导体激光器的应用之所以随处 可见，与多媒体信息社会的发展息息相关。它在网络、存储器等方面的应用，强有力 的推动了信息社会的发展。现在主干信息通信网几乎全部都实现了光通信，今后光纤 也将进入每个家庭。另外，大规模图像信息的传送和处理、超并行光传输系统、连接 多个计算机或l s i 芯片的并行光互连以及光并行信息处理等系统中，光电子技术起着主 导作用i s - 1 4 1 ，其中垂直腔面发射半导体激光器的地位不可小觑。 由于v c s e l 具有可批量生产、性能高、易于检验与封装、成本低等优点，在激光器 领域有其不可替代的地位，并且v c s e l 的研究在多方面都已取得迅速发展。随着光互 联二维光信息处理的发展，微小尺寸、极低功耗和高集成度激光器阵列的需求将日益 增长。v c s e l 正具有高密度、高传输率、高平行光传输和易于进行二维宅间组合的特 点，是理想的集成光电子学有源器件和空间光学以及光计算机并行处理的器件。v c s e l 的高速响应，使其在波分复用( w d m ) 光纤通信、计算机中的芯片光互连和自由空间光 互连等方面有着广泛的应用前景。现在v c s e l 的研究发展方向成了世人瞩目的一个焦 点。 1 1 1 垂直腔面发射激光器的进展 1 9 7 7 年日本东京工业大学以k e n i c h ii g a 教授为首的研究小组首次提出了垂直腔 面发射激光器的概念。当时他们主要是想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 度极短( t ，m 时， ，2 厶+ 瓦e 石p ( 2 2 1 ) 厶= 厶口( d z ) 2( 2 2 2 ) 其中，是出射光的频率，p 是输出光功率密度，r d 是外微分量子效率。在串联 电阻减小的情况下，闺值电流是降低的。 2 3d b r 反射率 对于v c s e l 中d b r 反射镜的反射率有很多方法进行处理，如矢晕法、多光束干涉 法、矩阵法等经典的多层光学介质薄膜理论。其中的矩阵法是一种非常简便的方法， 直接_ h j 矩阵相乘的形式求出反射率。考虑一介质层b ，其厚度为d ，折射率为 ，层中 的线性吸收系数为a o ，通过求解层两侧的麦克斯韦方程，对于t e m 波正入射的情况下 我们可以得出一个描述在两个界面上的电场e 和磁场日关系的传输矩阵： f e 2 。、 ：i 文+ j a b 们体j - - s i n ( k o “风力j (223，( , 1 7 0 片( o ) j 【i n s i n ( ( 心d + 觑d ) c 。o s ( k 。d + 觑d ) j 、 其中吒由f 式给出：以= 竿，其中凡为真空中的波长，r o 为真空中的磁导率。 这样一来，对于一个多层结构中的第i 层介质其厚度为以的矩阵就定义出来了。考虑 在此总长度为三一= z 的叠层中的多层效应，我们可以用一个矩阵m 来联系输入 输出场： 肌耳m2 巴意 考虑波阻抗，此叠层的反射系数的振幅，可以由下式表示为： r=nomll+non,m12-m21-rlm ” f 2 2 5 ) n o m l i + r l o n x m l 2 一m 2 i + 仇“2 2 其中m 是m 的元素，n o 、n 。分别指入射介质和衬底介质，而且。是波长的函数。 在一个反射镜中包含m 对k 4 的折射率为n l 和能的周期性多层介质，在所有界面的反射 同位相f l e b r a g g 波长x ，4 反射条件下得到一个很强的反射。对于一个无损耗具有m 个反 射周期的x 4 的叠层结构，在b r a g g 反射条件下反射率为： ( 2 2 6 ) 可以看出当m 很大时，反射率r 可以近似接近于1 ，而且当h l l e l 9 p 2 2 2 1 x 2 2 2 0 x 2 2 1 9 x 2 2 1 8 x 2 2 a l x g a l o s a i x g a l a s a i x g a l 舢 a k g a l x a s a i x g a l a s a i x g a l * a s a l x g a l q a s a l 。g a l 抽 a l x g a l - x a s a l x g a l k a s g a a s o 1 2 0 9 0 1 2 0 9 0 1 2 o 9 o 1 2 o 9 8 1 2 0 9 8 0 9 0 6 o 3 a i x g a l 。a s 0 3 g a a s a i x g 8 1 小s a i x g a i x a $ a l 。g 8 1 x a s a l 。g a l x a s a i ，g a l x a s a i ，g a l o s a i 。g a l - x a s a i x g a l a s g a a s 0 3 0 6 o 9 0 1 2 0 9 0 1 2 0 9 0 1 2 o 9 o 1 2 0 9 b u f f e rl a y e r “ 2 0 4 9 2 0 4 0 2 0 3 0 3 l 9 3 1 0 8 l o 8 1 0 9 3 6 0 2 0 4 0 2 0 4 9 2 0 5 0 0 t e l 9 3 e 1 8 ，2 e 1 8 2 e 1 8 ，2 e 1 8 3 e 1 8 2 e 1 8 2 e 1 8 2 e 1 8 2 e 1 8 2 e 1 8 2 e 1 8 2 5 e 1 8 ，2 e 1 8 2 5 e 1 8 ，2 e 1 8 25 e 1 8 ，2 e 1 8 2 5 e 1 8 ，2 e 1 8 2 5 e l8 2 e 1 8 2 5 e 1 8 ，2 e 1 8 2 5 e 1 8 2 e 1 8 0g a a ss u b s t r a t e3 e 1 8 n 1 7 p p p p p p p p u u u u u u u n n n n n n n 2 2 6 6 6 6 ：宝 ” h 佗 叭 姒 9 8 7 6 弼 弼 粥 粥 。 3 1 3 外延材料的表征 ( 一) 外延片的s e m 测试 把生长后的外延片放在日、- r ( h i t a c h i ) 场发射扫描电子显微镜( s e m ) 下观察。图3 2 是本章设计的v c s e l 结构的外延片断扫描电子显微镜( s e m ) 照片。外延层结构中 的上、下d b r 、有源层，各界面层次分明，清晰平直，结构完整，具有良好的周期 重复性，生长质量完好，与设计的结构基本吻合。 图3 2 $ 5 0 n m 新结构v c s e l 外延片的s e m ( 二) 外延片的x 射线双晶衍射测试， 外延片的双晶x 射线衍射测量结果如图3 3 所示。测试条件如下：采用日本理学 的双晶x 射线衍射仪测试，测试电压3 8 k v ，电流9 6 m a ，测角采用了r i n t 2 0 0 0 微 步进测角仪，计数器采用闪烁计数器，连续扫描方式，扫描速度为0 3 度分，扫描精 度为0 0 0 1 度，扫描范围3 5 2 5 度到3 5 5 度。 号 8 蚤 高 岂 ： ，一l l yu 九 一2 0 ( a r c s e c ) 图3 3 新结构双晶x 射线衍射测量结果 ( 三) 外延片的光致发光谱测试 v c s e l ：，b 延片的光致发光谱的测量采用r i o r a d 公司的r p m 2 0 0 0 测试系统，测量 条件为：测量温度2 2 3 ，扫描范围7 5 0 n m - 9 5 0 n m ，狭缝宽度o 0 0 5 m m ，光栅3 0 0 9 m m ， 探测器为c c d 阵列，所用的激光光源的波长为5 3 2 n m ，功率为9 0 m w 。测试结果如 图3 4 为外延片p l 峰值波长为8 4 7 n m ，经计算得出其半峰宽约为3 2 5 n m 。这种情况与 8 n m 阱宽g a a s a 1 0 3 g a o7 a sq w 的跃迁能对应波长8 4 7 n m 基本符合。 号 8 置 高 皇 量 8 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0 8 5 0 9 0 0 9 5 01 0 0 01 0 5 0 w a v e l e n g h t h ( n m ) 图3 48 5 0 n m 新型分布孔结构v c s e l 外延片的光荧光谱图 f 四) 外延片的d b r 反射谱测试 对生长的v c s e l 外延片的d b r 反射谱进行了测量，测试采用b i o - p a d 公司的 r p m 2 0 0 0 测试系统，测量条件为：测量温度2 3 2 c ，扫描范围7 5 0 n m 9 5 0 n m ，狭缝 宽度o 0 0 5 m m ，光栅3 0 0 9 m m ，探测器为c c d 阵列。测量的结果如图3 5 所示，即 采用b i o r a dr p m - 2 0 0 0 测试的外延片的反射谱。f p 模波长为8 4 7 6 r i m ，理论计算 的f p 模波长为8 4 9 9 n m ，实际外延片的f - p 模波长与设计值相当符合。从图中可以 看出高反射率部分起始点在8 0 4 n m ，中止点在8 9 2 n m ，带宽为8 8 n m 。 w a v e l e n g h t h ( n m ) 圈3 58 5 0 n m 新结构v c s e l 外延片的反射谱图 1 9 oo#母uqij 3 2 新型分布孔结构v c s e l 的工艺制备 3 2 1 结构设计 设计的新型面分布孔v c s e l 的结构，如图3 6 所示。这种全新结构设计的面分 布孔结构v c s e l 与以往采用的结构比较，具有以下特点：可降低p 型d b r 体电阻， 减少热源；形成发散散热通道，增大散热体积，减小热阻；改善激光输出模式；减少 工艺步骤等。同时可以降低激光器功耗，提高转换效率，改善器件的电学特性、热学 特性以及光学特性，是探索获取高功率、高效率面发射激光器的新途径。 这种激光器的面分布孔结构适用于目前已知的垂直腔面发射半导体激光器p 面出 光( 正装) 、n 面出光( 倒装) 和扩展腔等多种面发射半导体激光器。为大功率垂直 腔面发射半导体激光器阵列及其阵列模块的实现，提供技术储备。这种结构形成的发 散电流注入路径均与衬底相通，增加了数倍于原结构的导热通道面积，极大的减小了 热阻。同时由于面分布孔结构所形成的孔道，增加了器件的表面积，它的对流散热作 用也显著提高。 图3 6 面分布孔v c s e l 原理示意图 然后我们根据器件具体结构设计、加工符合工艺流程光刻套版。进行光刻、掩膜、 剥离、腐蚀、反应离子刻蚀、套刻、离子溅射、减薄、电极制备、热沉制各、欧姆接 触、键合、封装工艺。具体_ 艺如图3 7 所示。 2 0 图3 7 新结构v c s e l 的制备工艺流程 新结构v c s e l 制备工艺流程的主要步骤包括：氧化台面的选择性腐蚀( 光刻) ， 侧向选择氧化形成光电限制，欧姆接触层的制备。 就这几项关键技术说明如下： ( 1 ) 氧化台面的选择性腐蚀：选取v c s e l 外延片，先沉积一层s i 0 2 作掩膜，然后 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 z 层和p d b r 至高铝层。 ( 2 ) 侧向选择氧化：此步工艺是v c s e l 整个制备工艺中的关键部分，通过对台 面侧面露出的高铝组分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 ) 电极的制备：进行第三次光刻，在环形台面上蒸镀t i a u 合金，形成环形电 极，然后外延片衬底减薄，背面蒸镀g e n i a u ，最后合金。 3 2 2 外延片的刻蚀 为了形成v c s e l 器件，必须对外延片进行刻蚀处理。刻蚀包括湿法刻蚀和干法刻 蚀。湿法刻蚀的优点是反应速度快，外延片处理简单，设备简单，技术成熟等，但它 的缺点也很突出，那就是刻蚀的选择性较差，不容易刻蚀出垂直度较好的沟壁，刻蚀 效粜粗糙。干法刻蚀】的优点是刻蚀选择性好，刻蚀控制精确，能够刻蚀出垂直度较 好的沟壁。它的缺点是反应速度慢，设备造价高，外延片处理困难，刻蚀气体毒性大 等。所以在本设计中综合采用了两种刻蚀方法。 本设计在图案初步得样采用了干法刻蚀，在二、三次嵌套采用了湿法刻蚀h 6 】。具 2 l 体方法如下： ( 一) 干法刻蚀 干法刻蚀有许多种，例如活性离子刻蚀( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ，r i e ) ，电感耦合等 离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a , i c p ) 刻蚀，电子迥旋共振( e l e c t r o nc y c l o t r o n r e s o n a n c e ，e c r ) 刻蚀，变压器耦合等离子体( t r a n s f o r m e r - c o u p l ep l a s m a , t c p ) 刻 蚀，表面声波耦合等离子体( s u r f a c ew a v ec o u p l ep l a s m a , s w p ) 刻蚀等方法，其中 r i e 和i c p 方法已经广泛地用于半导体科学和工程中。各种等离子体反应器的刻蚀机制 与压力范围如表3 - 2 所示【4 5 - 4 7 ： 表3 - 2 等离子反应器的刻蚀机制与压力范围 本设计在刻蚀工艺中使用了r i e 刻蚀技术，以求获得高的刻蚀速率和刻蚀质量。 为了进行干法刻蚀，我们首先要对芯片进行钝化处理。在钝化处理前，与湿法刻蚀相 同都要进行芯片的清洗，清洗的方法也与湿法刻蚀相同。把经过清洗处理的芯片放入 到p e c v d 的反应室中，生长1 3 p m 厚的s i 3 n 4 的钝化层，生长的条件是：气体源使用 n 2 和s i h 4 ，它们的流速分别为9 0 s c c m 和3 0 s c c m ，生长温度为2 5 0 c ，反应室气压为 4 0 m t o r r 。 生长好钝化层后进行光刻，刻出需要的形状，然后进行r i e 刻蚀。试验选择的台 而的大小为l l o p m ，沟的宽度为1 0 1 x m ，深度为4 p m ，刻好后形状如图3 8 和图3 9 所示。 图3 8 经r i e 刻蚀后的s e m 图图3 9 局部放大图 ( 二) 湿法刻蚀 为了进行湿法刻蚀，首先，要对外延片进行钝化处理，在外延片上生长2 0 0 n m 厚 的s i 3 n 4 。在生长钝化层之前，要先清洗芯片。清洗分三个步骤进行：首先，使用丙酮 清洗芯片。把芯片放入丙酮中，放在超声波震动槽中震动5 分钟取出；然后再用甲醇 清洗芯片。同样要把芯片放入甲醇中，放在超声波震动清洗槽中清洗5 分钟取出；最 后再用去离子水清洗。把芯片放入超声波震动清洗槽中清洗5 分钟取出，用氮气吹干 芯片，马上开始生长钝化层。 钝化层的生长是在p e c v d 进行。把清洗好的芯片放入p e c v d 的生长室中开始生 长，生长源使用n 2 和s j 地，生长的温度为2 5 0 ，n 2 的流量为9 0 s c o r n ，s i h 4 的流量为 3 0 s c c m 。 生长好钝化层后，将芯片再一次清洗，然后进行光刻处理。具体步骤如下： ( 1 ) 在芯片表面涂上光刻胶。在5 0 0 0 8 0 0 0 转分的转速下，旋转3 0 秒，使光刻 胶均匀地涂在芯片的表面： ( 2 ) 进行软烤。放入烘箱中，在1 0 0 ( 2 条件下，软烤3 0 分钟； ( 3 ) 将软烤后的芯片放入光刻机，用适当的掩模阻挡后进行曝光； ( 4 ) 将曝光后的芯片放入烘箱中。在1 0 0 c 的温度下，硬烤3 0 秒后就可以进行湿 法刻蚀了。 湿法刻蚀采用的刻蚀液为h 3 p 0 4 、h 2 0 2 和h 2 0 的混合溶液，在进行刻蚀前，首先 用h f 缓冲液刻蚀掉表面的s i 3 n 4 ，然后再用体积比为3 ：1 ：5 0 的h 3 p 0 4 、h 2 0 2 和h 2 0 的混 合溶液刻蚀a i g a a s 层，刻蚀速度大约为6 0 0 n m m i n 。 3 2 3 高铝氧化层的湿法氧化过程 一定的温度下，通过氮气携带水蒸气，在a i o9 8 g a o t r z a s 层氧化形成的a l2 0 3 性能 稳定，并且其折射率仅为1 6 。掩埋的a i g a a s a 1 2 0 3 结构不仅能将电流注入区缩小到 数微米，还能形成折射率光波导。因此，氧化限制型v c s e l 的性能有极大的提高。由 于影响a 1 0 9 8 g a 0 0 2 a s 层氧化的因素较多，如何获得稳定的氧化速度和如何精确控制最 终的氧化孔径显得非常重要。因此，a 1 0 9 8 g a 0 0 2 a s 层的湿法氧化是氧化限制型v c s e l 制作中的关键工艺，同时也是本论文制作的激光器的最为重要的一步。本节对影响 a i o9 s g a 0 0 2 a s 层湿法氧化的因素以及刻蚀面分布孔结构工艺进行了研究，并制作了氧 化限制型v c s e l 。 氧化的过程包括三个过程：氮气中的水蒸气扩散通过气相氧化物界面：水蒸气 在氧化物中的扩散；水蒸气在氧化层端面与a 1 0 9 8 g a o o 雄s 层反应。完整的物理模型结 果表明，氧化的深度与氧化时间的关系表示为： 如2 + 4 丸= b t ( 3 1 ) 其中：口与水蒸气在氧化物中的扩散系数有关，a 与水在氧化物中的扩散系数以 及化学反应速率有关。当氧化深度较浅或者氧化时