專利名稱：一種帶有出光窗口的高功率垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體激光器領域，涉及垂直腔面發(fā)射激光器的結構設計。
背景技術：
垂直腔面發(fā)射半導體激光器是當前光電子領域最活躍的研究課題之一，與邊發(fā)射半導體激光器相比，垂直腔面發(fā)射激光器件具有較小的遠場發(fā)散角、圓形光斑、易于單縱模激射，以及易于二維光集成等優(yōu)勢，因此在光通訊、光互連以及光集成等方面有著廣泛的應用前景，引起了人們的極大興趣。小尺寸(≤20微米)、低光功率(≤10mW)的器件在光互連光并行傳輸等領域已經得到了廣泛的應用。與此同時，高功率半導體激光器在光泵浦、醫(yī)療、材料處理、自由空間通信傳輸等領域的巨大應用市場使得高功率垂直腔面發(fā)射半導體激光器件的研究近年來也得到了重視和發(fā)展。與邊發(fā)射半導體激光器相比，為了實現高功率光輸出，垂直腔面發(fā)射激光器件的總發(fā)光面積應相應的增大。為了增大器件的出光面積，一方面，可以利用面發(fā)射器件易于二維列陣的優(yōu)勢；另一方面，可以增大單個器件的出光窗口來獲得較大的總的光功率輸出。在面發(fā)射器件的制備工藝方面，氧化限制工藝將AlAs氧化成化學性質穩(wěn)定的AlxOy層，并由此層作為GaAs/AlGaAs和InGaAs/GaAs系列面發(fā)射半導體激光器件結構的電流限制層和比較弱的光限制層，實驗結果表明，此器件結構已經實現了有效的電流限制和光限制，是實現垂直腔面發(fā)射半導體激光器優(yōu)異性能的保證。以分子束外延、金屬有機化學氣相沉積等尖端半導體器件多層結構外延生長技術的不斷完善和發(fā)展進一步推動了各種垂直腔面發(fā)射半導體激光器的發(fā)展，也為高功率垂直腔面發(fā)射半導體激光器的發(fā)展打下了良好的理論和實驗基礎。高功率垂直腔面發(fā)射激光器的報道還很少。目前僅有的報道主要在德國Ulm大學。2001年該大學實現了單管連續(xù)890mW的光輸出。器件采用了直徑為320微米的出光窗口和襯底出光的方式。器件的輸出光功率還未達到瓦級以上，要想獲得更高的光功率輸出，器件的結構需進行進一步的優(yōu)化設計，并采用更大直徑的出光窗口。不過，并非垂直腔面發(fā)射激光器的出光窗口越大越好，存在一個最理想的出光窗口直徑范圍。與此同時，器件還需具有好的圓對稱光束質量。
以往在為垂直腔面發(fā)射激光器的出光窗口制作抗反射膜時，一般采用SiO2、Al2O3材料或SiO2/Si多層膜結構，不過，由于SiO2、Al2O3材料或SiO2/Si材料的稀疏不致密性，以及與III-V族半導體材料如GaAs，InP系的粘附性差等特點，制作的抗反射膜穩(wěn)性差，保護性差，同時由于SiO2材料或SiO2/Si材料的折射率是1.46-1.50，與III-V族半導體材料所要求的抗反射膜材料的折射率的范圍1.8-1.9相差很大，而且SiO2的導熱性也不是很好，同時與III-V族半導體材料的粘附性也不是很好。因此需要一種更理想的抗反射膜，特別是應用在高功率垂直腔面發(fā)射激光器中的出光窗口中。同時還需具有很好的抗激光損傷的能力。
本發(fā)明的詳細內容背景技術中垂直腔面發(fā)射激光器輸出光功率低，抗反射膜存在粘附性差，抗反射膜穩(wěn)性差，保護性差、有效折射率與III-V族半導體材料不匹配的問題，為了解決上述的問題，本發(fā)明的目的是提高輸出光功率，實現器件瓦級以上、圓對稱光束質量的光輸出，抗反射膜粘附性好、穩(wěn)性高、保護性好、有效折射率與III-V族半導體材料有效折射率相匹配，為此本發(fā)明將提供一種帶有出光窗口的高功率垂直腔面發(fā)射激光器的器件結構。
為了實現上述目的，本發(fā)明的一種帶有出光窗口的高功率垂直腔面發(fā)射激光器包括高鋁組分氧化物限制層、上分布布拉格反射鏡、上金屬電極、散熱片、熱沉、鈍化膜、中間有源增益區(qū)、下分布布拉格反射鏡、襯底、下金屬電極、出光窗口、抗反射膜和臺面結構，出光窗口的下端面與襯底的上端面固定連接，抗反射膜的下端面與出光窗口的上端面固定連接，有源增益區(qū)的p面與上分布布拉格反射鏡和鈍化膜的上端面固定連接，有源增益區(qū)的n面與下分布布拉格反射鏡的下端面固定連接，高鋁組分氧化物限制層和上分布布拉格反射鏡的側面與鈍化膜的側面連接。
出光窗口直徑范圍選擇在400微米到800微米，其中600-800微米直徑器件為出光窗口的理想直徑范圍。出光窗口直徑小于臺面結構直徑。鈍化膜采用Al2O3材料制成；抗反射膜采用HfO2材料制成，抗反射膜選擇的有效折射率為neff=n0n1,]]>其中HfO2材料選擇的有效折射率為1.85-1.90。
本發(fā)明工作時器件以電注入方式(電激勵、電泵浦)工作。載流子由上金屬電極注入，經過上分布布拉格反射鏡和高鋁組分氧化物限制層，進入中間有源增益區(qū)，另一側載流子由下金屬電極注入，經過下分布布拉格反射鏡，進入中間有源增益區(qū)，電子和空穴進行復合，產生受激發(fā)射，并經過諧振腔選模振蕩，激光從出光窗口出射。
本發(fā)明采用大出光窗口的垂直腔面發(fā)射激光器、采用HfO2多層膜組合技術及Al2O3鈍化膜技術來提高輸出功率。在改善大出光窗口垂直腔面發(fā)射激光的光束質量方面，采用出光窗口小于臺面直徑的設計方案，可以實現較均勻的注入電流分布，使器件有圓形均勻的發(fā)光區(qū)，從而獲得圓對稱光束質量，其發(fā)散角小于10度，利于光束耦合。利用本發(fā)明進行實驗測量得到出光窗口直徑為400微米和700微米時，其光輸出功率從曲線22和曲線23可以看出光輸出功率分別為1.26瓦和1.95瓦；本發(fā)明的光輸出功率是背景技術中光輸出功率890mW的2.1倍。本發(fā)明提高了輸出光功率，實現器件瓦級以上、圓對稱光束質量的光輸出。本發(fā)明采用的抗反射膜可以獲得99.99％以上的透過率，HfO2抗反射膜性能穩(wěn)定、且可以用于苛刻的環(huán)境中。本發(fā)明的抗反射膜用于III-V族半導體材料時粘附性好、膜結構致密、均勻、無針孔、在有效通光孔徑內膜層無裂紋、擦痕、點子、灰霧及色斑，具有耐濕性、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，同時具有很好的抗激光損傷的能力，薄膜微觀結構引起的散射損耗低等優(yōu)良的性能。本發(fā)明的抗反射膜可以應用于III-V族半導體材料制成的光電、電光器件中。


圖1是本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器結構主視圖；圖2是本發(fā)明出光窗口小于臺面直徑的設計方案的主視圖；圖3是計算本發(fā)明實施例1選擇980nm垂直腔面發(fā)射激光器輸出功率與出光窗口直徑及注入電流的關系。
圖4是本發(fā)明實施例2選擇400微米直徑垂直腔面發(fā)射激光器的實驗測量光輸出光功率曲線。
圖5是本發(fā)明實施例2選擇700微米直徑垂直腔面發(fā)射激光器的實驗測量輸出光功率曲線。
圖6是本發(fā)明實施例3選擇帶有抗反射膜的邊發(fā)射激光器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明，但本發(fā)明不限于這些實施例。實施例中包括高鋁組分氧化物限制層1、上分布布拉格反射鏡2、上金屬電極3、散熱片4、熱沉5、鈍化膜6、中間有源增益區(qū)7、下分布布拉格反射鏡8、襯底9、下金屬電極10、出光窗口11、抗反射膜12和臺面結構13。
實施例1高鋁組分氧化物限制層1是AlAs材料制成，上分布布拉格反射鏡2由20對AlGaAs/GaAs材料交替制成，上金屬電極3由鈦、鉑、金三種金屬材料制成，散熱片4由金剛石材料制成，熱沉5由無氧銅材料制成，鈍化膜6由Al2O3材料制成，中間有源增益區(qū)7由三層InGaAs和兩層GaAs材料交替制成，下分布布拉格反射鏡8由30對AlGaAs/GaAs材料交替制成，襯底9由GaAs材料制成，下金屬電極10由金、鍺、鎳三種金屬材料制成，出光窗口11由GaAs材料制成，抗反射膜12由HfO2材料制成，臺面結構13由中間有源增益區(qū)7和上分布布拉格反射鏡2制成。
本發(fā)明在工藝方面，采用減薄、清洗、生長鈍化膜、多次光刻、腐蝕臺面、側氧化、上下電極電子束蒸發(fā)、襯底面減薄、拋光、雙面對準光刻、生長增透膜、解理、壓焊、封裝、散熱等工藝制備帶有出光窗口的高功率垂直腔面發(fā)射激光器。
本發(fā)明中采用HfO2材料做抗反射膜，具有損傷閾值高。根據設計原理，要求所鍍材料的折射率要滿足neff=n0n1,]]>當采用III-V族半導體材料如GaAs或InP系列，neff＝1.80～1.90，因此我們應該尋找有效折射率在neff區(qū)間的介質材料。HfO2材料的有效折射率為1.85～1.90，恰好與III-V族半導體材料抗反射膜所需的有效折射率范圍1.8-1.9相符合。本發(fā)明的抗反射膜在制作工藝方面采用離子輔助沉積方法。蒸發(fā)室本底真空度高于5×10-4Pa，為了使膜牢固，襯底需要加熱200℃左右。加熱鎢絲使外層電子動能大于束縛能而逸出，并利用高電位差加速電子及磁場控制電子束軌跡，使其撞擊到蒸發(fā)源產生高熱讓蒸發(fā)源部分蒸發(fā)為氣體，并在高真空的環(huán)境下附著在被鍍物體上。
本發(fā)明采用半導體激光器輸出特性計算公式P=hvq(I-Ith)η(1-ΔTToff),]]>并結合垂直腔面發(fā)射激光器的結構特點，計算獲得不同出光窗口直徑的980nm垂直腔面發(fā)射激光器的光輸出功率與注入電流的計算結果如圖3中所示曲線14為出光窗口直徑為100微米時計算的光輸出功率；曲線15為出光窗口直徑為200微米時計算的光輸出功率；曲線16為出光窗口直徑為300微米時計算的光輸出功率；曲線17為出光窗口直徑為400微米時計算的光輸出功率；曲線18為出光窗口直徑為500微米時計算的光輸出功率；曲線19為出光窗口直徑為600微米時計算的光輸出功率；曲線20為出光窗口直徑為700微米時計算的光輸出功率；曲線21為出光窗口直徑為800微米時計算的光輸出功率。
計算表明，出光窗口直徑在400-800微米時，輸出功率可以到達最大(瓦級以上)。為此，利用本發(fā)明實驗測量出光窗口直徑為400微米時的光輸出功率曲線22；出光窗口直徑為700微米時垂直腔面發(fā)射激光器實驗測量的光輸出功率曲線23。
實施例2高鋁組分氧化物限制層1是AlGaAs材料制成，鈍化膜6由Al2O3或SiO2材料制成，抗反射膜12由HfO2或Si/SiO2材料制成，其它部件與實施例1相同。
實施例3如圖6上金屬電極3由鈦、鉑、金三種金屬材料制成，中間有源增益區(qū)7由InGaP和GaAs或AlGaAs和GaAs材料制成，襯底9由GaAs材料制成，下金屬電極10由金、鍺、鎳三種金屬材料制成，抗反射膜12由HfO2材料制成，高反射膜24由HfO2和SiO2材料制成。
實施例4中間有源增益區(qū)7為GaAs/AlGaAs量子阱材料，其它部件與實施例1相同。
實施例5中間有源增益區(qū)7為GaInAsP/InP量子阱材料，其它部件與實施例1相同。
實施例6中間有源增益區(qū)7為GaInNAs/GaAs量子阱材料，其它部件與實施例1相同。
實施例7本發(fā)明的抗反射膜可用于III-V族半導體材料制成的激光器。
權利要求
1.一種帶有出光窗口的高功率垂直腔面發(fā)射激光器，包括高鋁組分氧化物限制層(1)、上分布布拉格反射鏡(2)、上金屬電極(3)、散熱片(4)、熱沉(5)、下分布布拉格反射鏡(8)、襯底(9)、下金屬電極(10)和臺面結構(13)，其特征在于鈍化膜(6)、中間有源增益區(qū)(7)、出光窗口(11)、抗反射膜(12)，出光窗口(11)的下端面與襯底(9)的上端面固定連接，抗反射膜(12)的下端面與出光窗口(11)的上端面固定連接，有源增益區(qū)(7)的p面與上分布布拉格反射鏡(2)和鈍化膜(6)的上端面固定連接，有源增益區(qū)(7)的n面與下分布布拉格反射鏡(8)的下端面固定連接，高鋁組分氧化物限制層(1)和上分布布拉格反射鏡(2)的側面與鈍化膜(6)的側面連接。
2.根據權利要求1所述的帶有出光窗口的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于出光窗口(11)直徑范圍選擇在400微米到800微米。
3.根據權利要求2所述的帶有出光窗口的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于出光窗口(11)直徑小于臺面結構(13)直徑。
4.根據權利要求1所述的帶有出光窗口的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于鈍化膜(6)采用Al2O3材料制成。
5.根據權利要求1所述的帶有出光窗口的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于抗反射膜(12)采用HfO2材料制成，抗反射膜(12)選擇的有效折射率為neff=n0n1,]]>其中HfO2材料選擇的有效折射率為1.85-1.90。
全文摘要
本發(fā)明涉及垂直腔面發(fā)射激光器包括高鋁組分氧化物限制層1、上分布布拉格反射鏡2、上金屬電極3、散熱片4、熱沉5、鈍化膜6、中間有源增益區(qū)7、下分布布拉格反射鏡8、襯底9、下金屬電極10、出光窗口11、抗反射膜12和臺面結構13。本發(fā)明采用大出光窗口垂直腔面發(fā)射激光器、HfO
文檔編號H01S5/183GK1697272SQ20041001106
公開日2005年11月16日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2004年8月27日
發(fā)明者寧永強, 晏長嶺, 秦莉, 孫艷芳, 王青 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所