[发明专利]内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器及其制备方法

权利要求书

1.内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于，该结构自下而上依次主要包括激光器背面电极(8)、GaAs衬底(1)、下DBR(2)、有源区(3)、在有源区(3)上设置有氧化限制层(5)，在氧化限制层(5)单元的上层为P++掺杂GaAs层(4)；在上述产品外延结构包封有一层SiO₂钝化层(6)，即包括氧化限制层(5)和P++掺杂GaAs层(4)的上端面以及侧面同时还包括阵列之间的有源区(3)上均包封SiO₂钝化层(6)，且SiO₂钝化层(6)在每单元对应的P++掺杂GaAs层(4)的上端面中间刻蚀有孔A即对应激光器出光孔，使得暴露P++掺杂GaAs层(4)；在每个单元的SiO2钝化层(6)的四周外侧设有VCSEL电极(7)，且VCSEL电极(7)还通过孔A的内侧面与P++掺杂GaAs层(4)连接；在每个单元的VCSEL电极(7)的四周包封SiO2隔离层(9)，且包封SiO2隔离层(9)在边缘位置被刻蚀，使得暴露VCSEL电极(7)；在包封的SiO2隔离层(9)上方沉积一层液晶下电极(10)；在沉积的液晶下电极(10)的上方柱状台面位置刻蚀形成亚波长光栅层(11)此时形成Half-VCSEL；液晶槽(12)环绕Half-VCSEL圆柱状台面；且液晶槽(12)内进行液晶(17)填充；在液晶(17)的上方为液晶取向层(16)，且液晶取向层(16)位于液晶槽(12)的内侧；在液晶取向层(16)的上方为上液晶电极(15)，且上液晶电极(15)边缘部分均在液晶槽(12)的外侧，使得暴露上液晶电极(15)；在上液晶电极(15)的上方设有具有玻璃基板(13)的上DBR(14)；

亚波长光栅层选择使液晶分子取向的材料，液晶材料分子受施加电场的变化而定向偏转。

2.如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于：亚波长光栅高折射率部分为GaAs高折射率半导体材料，光栅层的低折射率部分为E7液晶材料，厚度为245nm，占空比为0.34，周期为270nm。

3.如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于：液晶槽的材料为SiO₂或光刻胶，并可通过光刻技术形成凹槽结构；中间凹槽的深度为1～5微米，其深度取决于器件具有最佳波长调谐范围的深度。

4.如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于：液晶材料为E7；在电场的控制下，所述液晶E7材料，可以实现△n＝0.22范围的折射率调制。

5.如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于：液晶上下电极材料均为透明导电电极，其厚度为90～100纳米。

6.如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于：液晶取向层为聚酰亚胺或者SD-1材料。

7.如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器，其特征在于：介质DBR层是在透明玻璃基板上利用PECVD交替生长的介质薄膜构成。

8.制备如权利要求1所述的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积首先在n型GaAs衬底上交替生长n-Al_0.9Ga_0.1As层与n-GaAs层共26对，构成下DBR；再生长GaAs/In_0.2Ga_0.8As量子阱结构构成有源区；再生长Al_0.98Ga_0.02As层形成氧化限制层，限制有源区电流和光场的分布；再生长重掺杂p型AlGaAs；

步骤2、在步骤1中生长的外延片上光刻激光器阵列图形，使用RIE刻蚀将光刻后的外延片刻蚀成柱状台面结构，刻蚀深度至露出Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层侧壁；

步骤3、利用高温氧化炉通过湿氮氧化法对步骤2中外延片进行横向氧化形成氧化限制层，制作注入电流限制孔；

步骤4、使用等离子体增强化学气相沉积淀积SiO₂钝化层，并光刻、腐蚀出激光器出光孔；

步骤5、采用磁控溅射技术，溅射Ti/Au形成VCSEL激光器注入电极，并剥离光刻胶形成出光孔；

步骤6、采用磁控溅射技术，溅射AuGeNi/Au形成VCSEL激光器背面电极，并进行退火，使金属层与半导体材料形成欧姆接触；

步骤7、紧接着对步骤6中外延片使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)淀积300nm厚的SiO₂隔离层，并光刻、腐蚀露出激光器注入电极；

步骤8、利用磁控溅射技术，在淀积SiO₂隔离层的外延片上溅射一层ITO作为液晶层下电极，并光刻、腐蚀露出激光器注入电极，于此同时需要对ITO进行退火，此时液晶层下电极与激光器注入电极制备完成，二者由于中间存在一层电学隔离层从而有效的避免了电路互联；

步骤9、利用电子束曝光工艺以及感性耦合等离子体刻蚀在器件表面形成一层亚波长光栅；

步骤10、最后生长液晶槽用以控制液晶层厚度，至此完成具有亚波长光栅的Half-Vcsel部分；

步骤11、选择一片薄玻璃基板，利用PECVD交替生长4.5对SiO₂/TiO₂介质DBR；

步骤12、利用磁控溅射在制备完成的介质DBR上溅射一层ITO作为液晶层上电极；

步骤13、液晶层上电极旋涂一层取向膜，放置在烘箱，烘干后，采用摩擦取向的方式对取向膜取向，用以控制液晶分子初始取向；

步骤14、向具有间隔层的亚波长光栅Half-Vcsel滴涂液晶，将制备完成的玻璃基板与滴涂液晶后的器件部分结合，完整的内腔亚波长光栅液晶可调谐垂直腔面发射激光器制备完成。