專利名稱：多孔缺陷匹配型光子晶體面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是關(guān)于一種新型垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)與制作。
背景技術(shù)：
面發(fā)射激光器有低閾值電流、動(dòng)態(tài)單縱模工作、小發(fā)散角的、圓對(duì)稱光束、高調(diào)制帶寬、易于二維集成等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于光通訊、光存儲(chǔ)和光顯示等領(lǐng)域。常見的氧化限制型垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器材料主要由三五族化合物半導(dǎo)體材料通過分子束外延(MBE)或金屬化學(xué)汽相淀積(MOCVD)技術(shù)外延得到。經(jīng)過半導(dǎo)體工藝得到垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖I所示。常見為單個(gè)管芯和陣列結(jié)構(gòu)。通過在面發(fā)射激光器的上DBR 3中引入光子晶體結(jié)構(gòu)是一種有效的實(shí)現(xiàn)面發(fā)射激光器單模大功率工作的方法。它可以成功的克服常見的氧化限制型面發(fā)射激光器以下缺
點(diǎn)
1、傳統(tǒng)的氧化限制型腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器提高輸出功率一般只能采用增大出光孔面積或增大電流注入的方法。采用增大出光孔面積方法會(huì)使有源區(qū)載流子密度的分布變差，中心電流密度變小，使得閾值電流增大；采用大電流注入時(shí)，有源區(qū)的載流子分布會(huì)出現(xiàn)空間燒孔，影響到增益和折射率的分布，出現(xiàn)多橫模激射。2、為實(shí)現(xiàn)單模工作，必須使有源區(qū)中心部分的載流子密度分布比較均勻，故一般氧化孔直徑小于5 ii m時(shí)，才較易實(shí)現(xiàn)單模工作。如此小的氧化孔直徑必然引起大的串聯(lián)電阻。同時(shí)很大的串聯(lián)電阻必然會(huì)產(chǎn)生很多熱量使器件的熱穩(wěn)定性變差。制作小氧化孔直徑在工藝上很難實(shí)現(xiàn)。較小的氧化孔直徑也使得有效發(fā)光面積減小，單模輸出功率降低。但是光子晶體結(jié)構(gòu)在面發(fā)射激光器上DBR3中的使用會(huì)帶來以下的問題在光子晶體空氣孔直徑較小的光子晶體結(jié)構(gòu)中，器件的模式泄露很嚴(yán)重，器件一般很難激射。當(dāng)光子晶體空氣孔直徑較大時(shí)，器件的高階模式損耗增加，器件的閾值電流會(huì)反常的增高。單缺陷光子晶體面發(fā)射激光器的光子晶體缺陷孔直徑與氧化孔直徑的比例較小，器件的大部分注入電流被散射損耗掉了。因此光子晶體面發(fā)射激光器普遍存在模式損耗較高、閾值電流大、單模功率小和熱穩(wěn)定性差等問題。為了克服光子晶體面發(fā)射激光器以上問題，我們?cè)诠庾泳w結(jié)構(gòu)上采用了多缺陷光子晶體結(jié)構(gòu)，同時(shí)將氧化孔和光子晶體缺陷孔匹配耦合起來以制備出多缺陷低閾值電流高單模輸出功率的光子晶體面發(fā)射激光器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服以上現(xiàn)有技術(shù)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制作一種低閾值電流、小串聯(lián)電阻、高單模輸出功率的光子晶體面發(fā)射激光器。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的多孔缺陷匹配型光子晶體面發(fā)射激光器是將氧化限制型面發(fā)射激光器與多缺陷光子晶體結(jié)合設(shè)計(jì)和制作的新型的光子晶體面發(fā)射激光器。
多孔缺陷匹配型光 子晶體面發(fā)射激光器，依次包括有在襯底上依次生長(zhǎng)下DBR，有源區(qū)，氧化限制層，上DBR和P型歐姆接觸層，氧化限制層設(shè)有氧化孔；其特征在于在上DBR和P型歐姆接觸層中刻蝕出光子晶體空氣孔制作出多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)，多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)包括光子晶體空氣孔以及光子晶體缺陷孔；多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)周期1-3微米，占空比為0. 3-0. 9，多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)為三角晶格結(jié)構(gòu)時(shí)的缺陷孔個(gè)數(shù)小于19 ;多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)為正方晶格結(jié)構(gòu)時(shí)個(gè)數(shù)小于16個(gè)，刻蝕深度在1-2微米，同時(shí)氧化孔的直徑D比光子晶體缺陷孔的直徑d大一個(gè)光子晶體空氣孔直徑b，即D = b+d。本發(fā)明有效的將多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)和氧化孔結(jié)合起來，可以有效的降低面發(fā)射激光器的閾值電流，實(shí)現(xiàn)單橫模高功率面發(fā)射激光器。實(shí)現(xiàn)了單模光子晶體面發(fā)射激光器器件制備，獲得低閾值單模高功率輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、制備工藝簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜工藝，在普通的面發(fā)射激光器的外延芯片上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件的單模大功率和低閾值工作。2、在光子晶體結(jié)構(gòu)上采用了小周期多缺陷結(jié)構(gòu)，成功的抑制了小周期空氣孔光子晶體結(jié)構(gòu)的模式泄露問題和大周期空氣孔的高階模式損耗帶來的閾值電流過大等問題。3、提高了光子晶體缺陷孔直徑與氧化孔直徑的比例(如單缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器周期為5微米，光子晶體空氣孔直徑2. 5微米器件(d/D) = (7/10)，而七孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器周期為2微米，光子晶體空氣孔直徑I微米器件則是(d/D)=(7/8))4、利用多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)與氧化孔的縱向匹配方法來實(shí)現(xiàn)器件的閾值電流限制和模式限制，能有效的降低器件的閾值電流和模式損耗，同時(shí)可有效的增加器件的激射功率。5、更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的傳輸速度、(幾十分貝以上的的邊模抑制比)更窄線寬、更強(qiáng)的調(diào)制特性、同時(shí)通過使用非對(duì)稱光子晶體缺陷結(jié)構(gòu)可以控制激光器的偏振方向。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明上金屬電極(P型金屬電極)I ;P型歐姆接觸層2 ;周期交替生長(zhǎng)的上分布布拉格反射鏡(上DBR) 3 ；Al0.98Ga0.02As氧化限制層4 ;有源區(qū)5 ;下分布布拉格反射鏡(下DBR) 6 ；襯底7 ;N型金屬電極8 ;氧化孔9 ;出光孔10 ;光子晶體空氣孔11 ;缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12(包括11和13);光子晶體缺陷孔13。圖I、氧化限制型面發(fā)射激光器示意圖。圖2、多孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3、七孔缺陷匹配型光子晶體面發(fā)射激光器正面示意圖。圖4、七孔缺陷匹配型光子晶體面發(fā)射激光器立體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式器件材料是利用分子束外延(MBE)或金屬化學(xué)汽相淀積(MOCVD)等外延生長(zhǎng)工藝制備技術(shù)外延得到。具體的制作工藝如下在襯底7上依次生長(zhǎng)下DBR6，有源區(qū)5，Ala98Gaatl2As氧化限制層4，上DBR 3和P型歐姆接觸層2。得到面發(fā)射激光器的外延材料。再通過普通的面發(fā)射激光器工藝制作出面發(fā)射激光器未解理芯片，再在該芯片上通過電子束曝光技術(shù)(EBL)和感應(yīng)耦合離子刻蝕技術(shù)(ICP-RIE)在已有的器件的出光孔10內(nèi)的上DBR 3的端面上刻蝕出一定深度的光子晶體空氣孔11制作出多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12(如圖2)以制備出多孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器。如圖3。本發(fā)明通過在面發(fā)射激光器中引入多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12，來實(shí)現(xiàn)對(duì)面發(fā)射激光器的橫向模式限制來實(shí)現(xiàn)單模輸出。多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12主要在上DBR3中。這樣的結(jié)構(gòu)與單孔缺陷光子晶體結(jié)構(gòu)12有所不同，器件工作的單模條件與缺陷孔個(gè)數(shù)有關(guān)。對(duì)與三角晶格的器件，我們發(fā)現(xiàn)器件的多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12的孔的個(gè)數(shù)應(yīng)小于19個(gè)。7孔缺陷光子晶體結(jié)構(gòu)12是常用的多孔缺陷型光子晶腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)。對(duì)與正方晶格結(jié)構(gòu)，器件的缺陷型光子晶體孔12的個(gè)數(shù)應(yīng)小于16個(gè)，常用的是4孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12。由于要實(shí)現(xiàn)器件單模工作的光子晶體缺陷孔13的直徑一般在3-8微米左右，所以多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12的周期不能過大，一般在1-3微米左右。這是因?yàn)槿绻芷谔?，非輻射符合非常?yán)重，器件很難工作。同時(shí)器件的周期過大，光子晶體缺陷孔13的直徑太大，器件無法實(shí)現(xiàn)單模工作。對(duì)與多孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器的缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12的占空比一般也不能太小，因?yàn)楣庾泳w缺陷孔13的直徑較大，所以器件的折射率差要相應(yīng)的增加，所以占空比一般在0. 3-0. 9器件才能工作在單模狀態(tài)?？涛g的光子晶體空氣孔11與一般的光子晶體面發(fā)射激光器也有所區(qū)別。通?？涛g深度1-2微米左右。不需要刻蝕的很深就可以實(shí)現(xiàn)器件的穩(wěn)定單模工作。因此，多孔缺陷光子晶體面發(fā)射激光器的單模條件是要求光子晶體周期1-3微米，占空比在0. 3-0. 9左右，多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12的缺陷孔個(gè)數(shù)小于19 (三角晶格結(jié)構(gòu))或者小于16個(gè)(正方晶格結(jié)構(gòu))，刻蝕深度在2微米以下就可以實(shí)現(xiàn)器件單模工作。同時(shí)要想實(shí)現(xiàn)器件的低閾值電流和單模大功率輸出，我們還要用氧化孔9與多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12進(jìn)行匹配耦合。對(duì)與光子晶體面發(fā)射激光器其出光功率由光子晶體缺陷孔13的直徑d決定，而其閾值電流是由器件的氧化孔9的直徑D決定的。要想同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件的低閾值電流和單模大功率，就必須在保證器件工作在單模的情況下，來縮小器件的氧化孔9的直徑D。同過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)氧化孔9的直徑D比光子晶體缺陷孔13的直徑d大一個(gè)光子晶體空氣孔11直徑b時(shí)即D = b+d，器件才能工作在單模裝態(tài)。綜合以上要求，我們制備了如圖3七孔缺陷光子晶體面發(fā)射激光器，器件實(shí)現(xiàn)了單模、大功率、低閾值電流、小串聯(lián)電阻等特性。通過以上各種方法制備的多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12就可以與面發(fā)射激光器進(jìn) 行橫向的模式耦合將激光器的高階模抑制使基橫模從光子晶體的缺陷孔13激射。同時(shí)光子晶體缺陷孔13提高了其相對(duì)周圍區(qū)域的有效折射率，與實(shí)心光子晶體光纖工作原理相似，可形成導(dǎo)波結(jié)構(gòu)對(duì)橫模進(jìn)行更有效的控制，使其在出光孔徑較大時(shí)依然可以實(shí)現(xiàn)單橫模工作。這樣在保證單模工作同時(shí)，氧化孔9的直徑D可相對(duì)增加到十幾個(gè)微米，使得面發(fā)射激光器可以獲得大單模輸出功率，單模功率從原來ImW以下提高到幾個(gè)毫瓦。同時(shí)也降低串連電阻一般氧化限制型面發(fā)射激光器的串聯(lián)電阻在幾百歐姆，而多孔缺陷光子晶體面發(fā)射激光器的電阻可以小到幾十歐姆以下。從而減少熱效應(yīng)的不利影響并有利于器件高速調(diào)制特性。(以波長(zhǎng)850nm為例)1、通過在在N+型GaAs襯底上生長(zhǎng)得到襯底7利用MOCVD方法依次在襯底上生長(zhǎng)0. 3微米的GaAs緩沖層然后再生長(zhǎng)N+Al0. !Ga0.9As (60nm摻雜濃度3 X IO18cnT3)和n+Al0 9Ga01As (68. 19nm摻雜濃度3 X IO17CnT3)構(gòu)成的28個(gè)周期的下DBR6、GaAs和Ala3Gaa7AS組成的單有源區(qū)5、Ala98Gaatl2As (30nm摻雜濃度I X IO18CnT3)氧化限制層4、P+摻雜的 Al0. fa。. As^OnmAla9GaaiAs (68. 19nm)構(gòu)成的 24 周期的上 DBR3、AlaiGaa9As 重?fù)诫s的歐姆接觸層2。(或者IQE生產(chǎn)的普通的850nm面發(fā)射激光器外延片)2、再利用常規(guī)的氧化限制性面發(fā)射激光器的制作工藝制作出臺(tái)面75-95微米、出光孔10孔徑40-50微米、氧化孔9直徑5-25微米、500納米TiAu的P電極I的氧化限制型面發(fā)射激光器芯片(不作減薄、濺射背面電極和解離工藝)3、將以次用丙酮和無水乙醇以及去離子水洗凈烘干的樣品放入到化學(xué)汽相淀積(PECVD)在樣品表面淀積一層厚度300納米左右致密的SiO2氧化膜。4、再在淀積了 SiO2氧化膜的表面甩上一層Z印520電子束膠，前烘堅(jiān)膜、電子束曝光、顯影、后烘。制備出光子晶體的周期1-3微米。占空比等于0.5，光子晶體空氣孔11的直徑從1-2微米光子晶體圖形。5、用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕掉未被保護(hù)的SiO2氧化膜、去膠。將膠上圖形轉(zhuǎn)移到SiO2掩膜上。6、將帶有SiO2掩膜的樣品放入到感應(yīng)耦合離子刻蝕(ICP-RIE)的真空室中刻蝕?？涛g深度1-2微米，將刻蝕后的樣品用SiO2腐蝕液漂去表面剩余的SiO2掩膜。7、減薄到100微米左右、派射背面電極8 (背面電極AuGeNiAu厚度300nm)、合金、解離、壓焊。就可得到所需要的激光器。8、測(cè)試用儀器測(cè)量了以下幾種光子晶體面發(fā)射激光器通過使用儀器測(cè)試周期為2微米占空比為0. 5的刻蝕深度I. 5微米氧化孔直徑8微米時(shí)，七孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器其譜線寬為0. I納米，邊模抑制比35dB。用近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡觀察其光斑特性顯示其為單模。用激光測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其單模功率I. 7mW。閾值電流0. 7mA、串聯(lián)電阻70歐姆。周期為2. 2微米，占空比為0. 5，刻蝕深度I. 8微米和氧化孔直徑9微米時(shí)，七孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器其譜線寬為0. I納米，邊模抑制比35dB。單模功率2. 5mW。閾值電流0. 9mA、串聯(lián)電阻53歐姆。周期為2微米，占空比為0. 5，刻蝕深度I. 5微米和氧化孔直徑8微米時(shí)，正方晶格九孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器其譜線寬為0. I納米，邊模抑制比35dB。單模功率
2.lmW。閾值電流0.9mA、串聯(lián)電阻64. 35歐姆。周期為3微米，占空比為0. 5，刻蝕深度I. 9微米和氧化孔直徑9微米時(shí)，正方晶格四孔缺陷型光子晶體面發(fā)射激光器其譜線寬為0. I納米，邊模抑制比45dB。單模功率2.2mW。閾值電流0. 9mA、串聯(lián)電阻73歐姆。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)可以增大器件的單模輸出功率而同時(shí)采用氧化孔與光子晶體缺陷孔匹配耦合可以同時(shí)使器件工作在高的單模輸出功率和低閾值電流狀體。未采用氧化孔與光子晶體缺陷孔匹配耦合的器件雖然能夠?qū)崿F(xiàn)單模工作，但是器件的閾值電流隨著氧化孔直徑的增加而急劇增大。采用匹配耦合器件閾值電流比其氧化孔直徑大兩倍器件的閾值電流降低了一個(gè)量級(jí)，單模輸出功率增加了近50%。
權(quán)利要求
1.多孔缺陷匹配型光子晶體面發(fā)射激光器，依次包括有在襯底上依次生長(zhǎng)下DBR，有源區(qū)，氧化限制層，上DBR和P型歐姆接觸層，氧化限制層設(shè)有氧化孔； 其特征在于在上DBR和P型歐姆接觸層中刻蝕出光子晶體空氣孔制作出多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)，多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)包括光子晶體空氣孔以及光子晶體缺陷孔； 多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)周期1-3微米，占空比為0. 3-0. 9，多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)為三角晶格結(jié)構(gòu)時(shí)的缺陷孔個(gè)數(shù)小于19 ;多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)為正方晶格結(jié)構(gòu)時(shí)個(gè)數(shù)小于16個(gè)，刻蝕深度在1-2微米，同時(shí)氧化孔的直徑D比光子晶體缺陷孔的直徑d大一個(gè)光子晶體空氣孔直徑b，即D = b+d。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子領(lǐng)域，是多孔缺陷匹配型光子晶體面發(fā)射激光器。依次包括有在襯底上依次生長(zhǎng)下DBR，有源區(qū)，氧化限制層，上DBR和P型歐姆接觸層，氧化限制層設(shè)有氧化孔；其特征在于在上DBR和P型歐姆接觸層中刻蝕出光子晶體空氣孔制作出多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)，多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)包括光子晶體空氣孔以及光子晶體缺陷孔；多孔缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)周期1-3微米，占空比為0.3-0.9，刻蝕深度在1-2微米，同時(shí)氧化孔的直徑D比光子晶體缺陷孔的直徑d大一個(gè)光子晶體空氣孔直徑b，即D＝b+d。本發(fā)明使器件工作在低閾值電流、小串聯(lián)電阻、高單模輸出功率狀態(tài)，應(yīng)用于氧化限制型光子晶體面發(fā)射激光器，不受波長(zhǎng)范圍影響。
文檔編號(hào)H01S5/183GK102623890SQ20121008475
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者徐晨, 曹田, 朱彥旭, 毛明明, 王春霞, 解意洋, 鄧軍, 闞強(qiáng), 陳弘達(dá), 魏思民 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)