一种微机电系统、垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

本公开涉及半导体光电器件技术领域，具体涉及一种微机电系统、垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器在光通信领域中具有广泛的应用，结合密集波分复用技术，可以实现高容量高效率信号传输，然而传统的垂直腔面发射激光器，其发射波长是不变的，若是将不同波长的激光器直接集成在一起，不仅会引起系统的不稳定，并且还会增加生产成本。利用基于微机电系统的可调谐垂直腔面发射激光器，通过静电力牵引上反射镜发生形变，可以实现单光源多波长输出，实现系统稳定，同时还大大地简化了系统的复杂程度，使得通信成本大大降低。

目前传统的微机电系统垂直腔面发射激光器中，微机电系统的悬臂梁多为等截面结构，悬臂梁容易出现应力集中，导致悬臂失效，器件损坏，这一影响会严重限制器件波长的调谐范围，降低器件的可靠性。

技术实现要素：

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种用于垂直腔面发射激光器的微机电系统结构、垂直腔面发射激光器及其制备方法，通过合理设计匀扇叶悬臂结构，解决了微机电系统中悬臂梁受力不均匀，易产生应力集中，影响波长调谐范围等问题。

本公开的一个方面提供了一种用于垂直腔面发射激光器的微机电系统结构，包括：注入电极，其设于欧姆接触层表面的一端；牺牲层，其设于欧姆接触层表面的另一端，以与注入电极相对；上反射镜层，其设于牺牲层的表面，其中，上反射镜层形成有均匀扇叶悬臂结构，均匀扇叶悬臂结构包括一圆形反射镜和多个扇叶悬臂；其中，多个扇叶悬臂之间通过空气间隔，均匀扇叶悬臂结构下方的牺牲层通过腐蚀去除以使均匀扇叶悬臂结构悬空；调谐电极，其设于上反射镜层的表面。

进一步地，圆形反射镜的半径为5～20μm。

进一步地，多个扇叶悬臂的数量为3个，其扇叶张角度数为15°～60°，扇叶长度为10～50um。

进一步地，多个扇叶悬臂的数量为4个，其扇叶张角度数为15°～45°，扇叶长度为10～50μm。

进一步地，圆形反射镜包括光栅结构，该光栅结构的光栅周期为0.638um，占空比为0.38。

进一步地，上反射镜层为分布布拉格反射镜或高对比度亚波长光栅或高反射镜。

本公开的另一个方面提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：用于垂直腔面发射激光器的微机电系统。

本公开的另一个方面提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，该方法包括：s1，在衬底2上依次生长缓冲层、下分布布拉格反射镜、有源层、电流限制层、欧姆接触层及上反射镜层；s2，采用光刻并利用pecvd生长掩膜，然后利用icp刻蚀暴露出电流限制层；s3，通过氧化在电流限制层上形成电流注入限制孔径；s4，采用光刻并利用带胶剥离工艺，在上反射镜层上形成调谐电极；s5，采用光刻并利用带胶剥离工艺，在欧姆接触层上形成电流注入电极；s6，利用光刻和icp刻蚀，在上反射镜层上刻蚀出均匀扇叶悬臂结构，该均匀扇叶悬臂结构包括一圆形反射镜和多个扇叶悬臂；其中，多个扇叶悬臂之间通过空气间隔；s7，利用湿法选择性腐蚀，腐蚀掉均匀扇叶悬臂结构下方的牺牲层，并清洗之后利用氮气吹干释放均匀扇叶悬臂结构，以使均匀扇叶悬臂结构悬空；s8，将衬底进行减薄、抛光；s9，在衬底背面蒸发沉积背面电极层；s10，进行解理划片、初测、焊接及封装，形成完整的垂直腔面发射激光器。

本公开提供的一种用于垂直腔面发射激光器的微机电系统、垂直腔面发射激光器及其制备方法，其采用均匀扇叶结构替代传统微机电系统的等截面悬臂梁，使得悬臂和上反射镜的应力分布更均匀，有效减小了悬臂的最大应力，增大了该激光器的波长调谐范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的垂直腔面发射激光器的立体图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的垂直腔面发射激光器的俯视图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的垂直腔面发射激光器a-a方向的横截面图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的三均匀扇叶悬臂结构和四均匀扇叶悬臂结构的俯视图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的扇叶悬臂上表面对称轴方向上的应力对比图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的四扇叶悬臂在不同扇叶长度下扇叶悬臂上表面对称轴方向上的应力及圆形反射镜位移量的对比图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的四扇叶悬臂在不同扇叶张角下扇叶悬臂上表面对称轴方向上的应力及圆形反射镜位移量的对比图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的垂直腔面发射激光器的制备流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

如图1至图3所示，本公开实施例的用于垂直腔面发射激光器的微机电系统200，该系统包括：注入电极9，其设于欧姆接触层8表面的一端，欧姆接触层8为p型重掺杂algaas层，掺杂浓度为1×10²⁰，层厚为30nm，注入电极9为au层，层厚为300nm；牺牲层10，其设于欧姆接触层8表面的另一端，以与注入电极9相对，牺牲层10为未掺杂gaas层，层厚为1.1μm；上反射镜层11，其设于牺牲层10的表面，其中，上反射镜层11形成有均匀扇叶悬臂结构，均匀扇叶悬臂结构包括一圆形反射镜111和多个扇叶悬臂112；其中，多个扇叶悬臂112之间通过空气间隔，匀扇叶悬臂结构下方的牺牲层10通过腐蚀去除以使均匀扇叶悬臂结构悬空，上反射镜层11为n型al0.6ga0.4as层，掺杂浓度为1×10²⁰，层厚为0.145μm；调谐电极12，其设于上反射镜层11的表面，调谐电极12为au层，层厚为300nm；该均匀扇叶悬臂结构用于调谐该垂直腔面发射激光器的有效腔长，且该均匀扇叶悬臂结构的最大宽度小于上反射镜层11的宽度及长度。

本公开实施例中，该均匀扇叶悬臂结构用于调谐激光器的有效腔长原理为：在调谐电极12和注入电极9之间加反向电压，使得上反射镜11和欧姆接触层8之间产生静电吸引力，在静电力的作用下使得多个扇叶悬臂112向下弯曲，进而使得圆形反射镜111向下偏移，以使整个激光器的谐振腔腔长变小，其相应的谐振波长随之也发生变化，发生波长蓝移，从而实现该激光器谐振波长的调谐。

如图4所示，本公开一实施例中，圆形反射镜111半径为8μm，多个扇叶悬臂112数量为3个，其与圆形反射镜111构成三均匀扇叶悬臂结构，其中，该三个扇叶悬臂112的扇叶张角度数均为20°，其相互空气间隔角度为100°。该结构下根据实际设计需求，该圆形反射镜111半径优选10～50μm，该三个扇叶悬臂112的扇叶悬臂长度优选10～50μm，其扇叶张角根据需求优选15°～60°。本公开实施例中该扇叶悬臂长度指的是扇叶悬臂112与圆形反射镜111连接的一端到与上反射镜层11连接的另一端的距离，即扇叶悬臂112最大圆半径与圆形反射镜111半径的差值。

如图4所示，本公开另一实施例中，圆形反射镜111半径为8μm，多个扇叶悬臂112数量为4个，其与圆形反射镜111构成一四均匀扇叶悬臂结构，其中，该四个扇叶悬臂112的扇叶张角度数均为15°，其相互空气间隔角度为75°。该结构下根据实际设计需求，该圆形反射镜111半径优选10～50μm，该四个扇叶悬臂112的扇叶悬臂长度优选10～50μm，其扇叶张角根据需求优选15°～45°。

图5示意性示出了根据本公开实施例的扇叶悬臂上表面对称轴方向上的应力对比图，传统等截面悬臂结构包括一方形悬臂及多个长方形悬臂支撑中间的方形悬臂，通过建模仿真，设计传统等截面悬臂结构、三均匀扇叶悬臂结构及四均匀扇叶悬臂结构的表面积相等，悬臂材料及厚度均相同，且长方形悬臂、三扇叶悬臂及四扇叶悬臂的长度均为12μm，且在悬臂结构面积相等且悬臂长度相等的情况下，三扇叶悬臂和四扇叶悬臂的扇叶张角度数分别为20°和15°，并在注入电极9与调谐电极12之间施加10v的电压，通过仿真得到各悬臂上表面对称轴方向上的应力不同，如图5所示，悬臂上远离中心反射镜的端面处应力最大，且三均匀扇叶悬臂结构的外端面最大应力相较于传统等截面悬臂结构上端面最大应力下降28.9％，四均匀扇叶悬臂结构的外端面最大应力相较于传统等截面悬臂结构上端面最大应力下降50.2％。可知，均匀扇叶悬臂结构能够有效优化悬臂上的应力分布，有效降低了扇叶悬臂上最大应力的大小，防止悬臂上产生应力集中从而导致悬臂发生断裂。

图6示意性示出了根据本公开一实施例的四扇叶悬臂在不同扇叶长度下扇叶悬臂上表面对称轴方向上的最大应力及圆形反射镜位移量的对比图，取四扇叶悬臂的张角度数为15°，如图6所示，随着扇叶悬臂的长度的增加，其上表面对称轴方向上最大应力大小随之增大，且圆形反射镜111向下的位移量也随之增大，因此，扇叶悬臂长度的设定应该根据扇叶悬臂可承受的最大应力及圆形反射镜111所需要的位移量来综合考虑设计。

图7示意性示出了根据本公开一实施例的四扇叶悬臂在不同扇叶张角下扇叶悬臂上表面对称轴方向上的最大应力及圆形反射镜位移量的对比图，取四扇叶悬臂的长度为12μm，如图7所示，随着扇叶悬臂的张角度数的增加，其上表面对称轴方向上最大应力大小随之减小，且圆形反射镜111向下的位移量也随之减小，因此，扇叶悬臂张角大小的设定应该根据扇叶悬臂可承受的最大应力及圆形反射镜111所需要的位移量来综合考虑设计。结合图5至图7分析结果可知，扇叶悬臂上每一端面处的应力大小不同，且其对称轴方向上端面最大应力大小与悬臂长度及其张角度数有关，根据实际应用过程中所需的圆形反射镜111向下的位移量，合理设计扇叶悬臂的长度、张角度数可降低其端面最大应力的大小，达到较好的激光器调谐效果。

本公开的一些实施例中，如图2和图4所示，圆形反射镜111包括光栅结构113，光栅结构113的光栅周期为0.638um，占空比为0.38，光栅层厚为0.145μm，其相较于dbr反射镜高对比度亚波长光栅(hcg)要轻薄的多，调谐速度更快，使得激光器的调谐功耗更小。该光栅结构113的光栅周期、占空比及层厚等参数根据实际需求的激光器激射波长的大小设计，并不仅限与本公开提供的设计参数。

如图1至图3所示，本公开一实施例的垂直腔面发射激光器，该激光器包括：在衬底2上依次生长有缓冲层3、下分布布拉格反射镜100、有源层6、电流限制层7、欧姆接触层8及用于垂直腔面发射激光器的微机电系统200，在衬底2背面设置的背面电极层1。其中，下分布布拉格反射镜100包括交替生长的多个高折射率材料层4及多个低折射率材料层5；用于垂直腔面发射激光器的微机电系统200包括注入电极9，其设于欧姆接触层8表面的一端；牺牲层10，其设于欧姆接触层8表面的另一端，以与注入电极9相对；上反射镜层11，其设于牺牲层10的表面，其中，上反射镜层11形成有均匀扇叶悬臂结构，该均匀扇叶悬臂结构包括一圆形反射镜111和多个扇叶悬臂112；其中，多个扇叶悬臂112之间通过空气间隔，且均匀扇叶悬臂结构下方的牺牲层10通过腐蚀去除以使均匀扇叶悬臂结构悬空；调谐电极12，其设于上反射镜层11的表面。该缓冲层3、下分布布拉格反射镜100及有源层6水平宽度相等，电流限制层7及欧姆接触层8水平宽度相等且小于有源层6的水平宽度，牺牲层10及上反射镜层11的水平宽度小于欧姆接触层8的水平宽度，且整个激光器器件成轴对称结构。

其中，背面电极层1为au层，层厚为300nm；衬底2为gaas层，层厚为8×10⁴nm；缓冲层3为gaas层，，层厚为200nm；多个高折射率材料层4为al0.12ga0.88as，层厚为60.6nm，多个低折射率材料层5为al0.9ga0.1as，层厚为70.2nm，其中，交替生长的多个高折射率材料层4及多个低折射率材料层5构成34对n型的下分布布拉格反射镜100；有源层6为包括由3个量子阱的al0.3ga0.7as/gaas层，层厚为8nm/6nm；电流限制层7为al0.98ga0.02as层，层厚为71.3nm，其通过氧化形成有电流限制孔，该电流限制孔的直径为10μm；欧姆接触层8为p型重掺杂algaas层，掺杂浓度为1×10²⁰，层厚为30nm；注入电极9为au层，层厚为300nm；牺牲层10为未掺杂的gaas层，层厚为1.1μm；上反射镜层11为n型al0.6ga0.4as层，掺杂浓度为1×10²⁰，层厚为0.145μm；调谐电极12为au层，层厚为300nm。

本公开的实施例中，根据实际应用需求，多个扇叶悬臂112可设置为2个或3个或4个或5个等其他数量的扇叶悬臂数量，其扇叶悬臂的长度及扇叶张角度数与圆形反射镜111的半径大小根据扇叶悬臂可承受的最大应力及圆形反射镜111需要移动的偏移量设计，如上述内容，此处不再表述。

图8示意性示出了根据本公开实施例的垂直腔面发射激光器的制备流程图。

如图8所示，本公开的实施例提供了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：s1，在衬底2上依次生长缓冲层3、下分布布拉格反射镜100、有源层6、电流限制层7、欧姆接触层8、牺牲层10及上反射镜层11；s2，采用光刻并利用pecvd生长掩膜，并利用icp刻蚀暴露出电流限制层7；s3，通过氧化在电流限制层7上形成电流注入限制孔径；s4，采用光刻并利用带胶剥离工艺，在上反射镜层11上形成调谐电极12；s5，采用光刻并利用带胶剥离工艺，在欧姆接触层8上形成电流注入电极9；s6，利用光刻和icp刻蚀，在上反射镜层11上刻蚀出均匀扇叶悬臂结构，该均匀扇叶悬臂结构包括一圆形反射镜111和多个扇叶悬臂112；其中，多个扇叶悬臂112之间通过空气间隔；s7，利用湿法选择性腐蚀，腐蚀掉均匀扇叶悬臂结构下方的牺牲层10，并清洗之后利用氮气吹干释放均匀扇叶悬臂结构，以使均匀扇叶悬臂结构悬空；s8，将衬底2进行减薄、抛光；s9，在衬底2背面蒸发沉积背面电极层1；s10，进行解理划片、初测、焊接及封装，形成完整的垂直腔面发射激光器。其中，下分布布拉格反射镜100由34对交替生长的高折射率材料层4及低折射率材料层5构成。其中，缓冲层3、下分布布拉格反射镜100及有源层6水平宽度相等，电流限制层7及欧姆接触层8水平宽度相等且小于有源层6的水平宽度，牺牲层10及上反射镜层11的水平宽度小于欧姆接触层8的水平宽度，且整个激光器器件成轴对称结构。

本实施例中，缓冲层3、下分布布拉格反射镜100、有源层6、电流限制层7、欧姆接触层8、牺牲层10及上反射镜层11一次外延生长形成，其中，各材料层(层1-12)的制备材料及层厚如上述实施例所示，在此不再详细说明。

需具体说明的是，各材料层具体厚度根据该激光器的出光波长决定。一般来说，下分布布拉格反射镜100，有源层6、电流限制层7的层厚为有效波长的1/4，即，n×d＝λ/4，其中n为各材料层的折射率，d为其物理层厚，λ为该激光器的谐振波长。因此，在其他实施例中，根据实际需求，不同激光器的谐振波长其对应的各材料层的层厚不一样。

此外，牺牲层10的厚度也是根据设计来决定，本公开提供的实施例中，牺牲层10层厚为1.1μm。同理，根据实际应用需求，交替生长的多个高折射率材料层4及多个低折射率材料层5构成的下分布布拉格反射镜100也不仅限与上述提到的34对n型下分布布拉格反射镜100，其也可以为其他对数的下分布布拉格反射镜100。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。