一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构制造技术

本发明专利技术公开了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其包括：衬底，其上制作有双沟道脊型波导结构，脊型区中设有激光器有源区；光栅层，制作在衬底上表面；电隔离层，制作在光栅层上表面，在光栅层与脊型区对应的上表面处断开形成电注入窗口；双沟填充物，填充在双沟道中；下欧姆接触层，制作在衬底的下表面；亚波长金属等离子体天线，制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，在脊型区对应的上表面处断开，在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。本发明专利技术有效的降低面发射激光器慢轴方向的远场发散角，实现小发散角准圆斑甚至圆斑面发射器件的制作。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其包括：衬底，其上制作有双沟道脊型波导结构，脊型区中设有激光器有源区；光栅层，制作在衬底上表面；电隔离层，制作在光栅层上表面，在光栅层与脊型区对应的上表面处断开形成电注入窗口；双沟填充物，填充在双沟道中；下欧姆接触层，制作在衬底的下表面；亚波长金属等离子体天线，制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，在脊型区对应的上表面处断开，在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。本专利技术有效的降低面发射激光器慢轴方向的远场发散角，实现小发散角准圆斑甚至圆斑面发射器件的制作。【专利说明】一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构
本专利技术涉及半导体光电
，特别涉及一种改善面发射半导体激光器慢轴远 场的金属天线结构。
技术介绍
远场是半导体激光器一项重要的指标。采用二级布拉格分布反馈光栅的面发射 半导体激光器，因其在腔长方向（快轴）上有很小的远场发散角，且器件封装简易而被广 泛应用于大气环境监测、光纤通信以及自由空间光通信发射端系统中。但是由于器件构型 的原因，面发射半导体激光器的远场并不完美，其脊宽方向（慢轴）的远场保持一个较大 的发散角，通常在10°至30°之间。面发射半导体激光器的远场截面呈现为狭长的单瓣 或双瓣枣核状轮廓，与标准的激光器圆斑远场还存在一定的差距。国际上采用光子晶体 和一级光栅反馈二级光栅垂直发射的结构可以实现准圆斑激光器远 场，但是上述的结构一般要求较大有源区的宽度，对于一些类型的半导体激光器而言（例 如量子级联激光器），在宽脊情况下几乎不可能实现室温下的连续工作。半导体激光器远 场的改善还可以利用波前工程技术，如周期为亚波长的金属光栅与出射光束之间若满足相 位匹配条件，则会耦合出沿金属表面传播的等离子体波，在经过金属凹槽时垂直散射组成 一组分立相干的辐射源，从而扩展出射光束的近场宽度，改善光束的远场分布。哈佛大学 Capasso教授领导的课题组就在金属等离子体结构改善边发射激光器件远场发散角方面做 了很多的工作〇 但 由于在激光器腔面上制作金属图形需要用到聚焦离子束刻蚀（FIB)技术，工艺难度大且价 格极其昂贵，不适宜大面积批量化的生产。
技术实现思路
鉴于以上技术问题，本专利技术综合考虑物理原理以及各种波前光束调制技术工艺实 现难度等因素，提出基于二级分布反馈光栅面发射半导体激光器的表面等离子体结构光束 整形技术，实现高光束质量面发射半导体激光器的研制。为此本专利技术提出了一种改善面发 射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构。该结构利用周期性金属等离子天线结构对面发 射构型的半导体激光器出射光束慢轴方向的近场进行调制，实现慢轴方向远场发散角的改 善。 本专利技术提出了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其包括： 衬底、光栅层、电隔离层、双沟填充物、下欧姆接触层和亚波长金属等离子体天线，其中 ： 所述衬底上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型区中 设有激光器有源区； 所述光栅层制作在所述衬底的上表面； 所述电隔离层制作在所述光栅层的上表面，且在所述光栅层与所述脊型区对应的 上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口； 所述双沟填充物填充在所述双沟道脊型波导结构的双沟道中； 所述下欧姆接触层制作在所述衬底的下表面； 所述亚波长金属等离子体天线制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，且在 所述脊型区对应的上表面处断开，断开的宽度小于所述电注入窗口的宽度，断开区域在形 成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。 其中，所述衬底为InP或GaAs衬底。 其中，所述激光器有源区包括光波导层，所述光波导层中包含有重掺杂半导体材 料的盖层，所述光栅层位于所述光波导层中。 其中，所述激光器有源区为异质结激光器结构、带间级联激光器有源区结构或者 量子级联激光器有源区结构。 其中，所述双沟道脊型波导的沟道深度大于激光器有源区的高度。 其中，所述双沟道脊型波导结构的脊型区的宽度为5-20 μ m，所述脊型区两侧沟道 的宽度为20-100 μ m。 其中，所述电隔离层的制作材料为二氧化硅或氮化硅。 其中，所述双沟填充物为聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻胶。 其中，所述亚波长金属等离子体天线包含的光栅周期小于激光器激射波长，为亚 波长尺寸，光栅的深度为〇. 1-1 μ m。 其中，所述下欧姆接触层和所述亚波长金属等离子体天线均由金属膜层组成，所 述下欧姆接触层的金属膜层为Au/Ge/Ni/Au四层膜，所述亚波长金属等离子体天线的金属 膜层为Ti/Au两层膜，其中，Au层的厚度为0. 5-2 μ m。 从上述技术方案可以看出，本专利技术提出的一种改善面发射半导体激光器慢轴远场 的金属天线结构具有以下有益效果：与传统平面工艺相兼容，仅需要在面发射激光器工艺 基础上多一步双沟填充和一版光刻工艺。相比较基于衬底发射激光器图形制作于衬底面上 而言，工艺更加简单，不需要双面套刻，因此套刻精度高，成品率有保证。 本专利技术天线结构利用激光器出射光与周期性金属光栅结构之间的相互作用，耦合 出横向传播的表面等离子体波，通过散射形成相干光束阵列，等同于拓展光束近场，从而有 效的降低面发射激光器慢轴方向的远场发散角，实现小发散角准圆斑甚至圆斑面发射器件 的制作。 【专利附图】【附图说明】 图1为根据本专利技术一实施例的改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属等离子 体天线的三维结构示意图； 图2为根据本专利技术一实施例的亚波长金属光栅受激产生横向传播的等离子体波 的原理示意图。 【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术进一步详细说明。 本专利技术提供了一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，图1给出 了根据本专利技术一实施例的改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线的三维结构示意 图。如图1所示，所述天线包括：衬底1、光栅层2、电隔离层3、双沟填充物4、下欧姆接触层 5、亚波长金属等离子体天线6,其中： 所述衬底1上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型 区，即双沟道之间设有激光器有源区； 其中，所述衬底1为InP或GaAs衬底；所述激光器有源区包括光波导层， 所述光波导层中包含有重掺杂半导体材料的盖层，所述盖层掺杂的载流子浓度为 5X10 18-lX1019cnT3;所述激光器有源区可以为异质结激光器结构、带间级联激光器有源区 结构或者量子级联激光器有源区结构；所述双沟道脊型波导的沟道深度大于激光器有源区 的高度；所述双沟道脊型波导结构的脊型区的宽度为5-20 μ m，所述脊型区两侧沟道的宽 度为 20-100 μ m。 所述光栅层2制作在所述衬底1的上表面； 在本专利技术一实施例中，所述光栅层2位于所述光波导层中。 在本专利技术一实施例中，所述光栅层2为二级分布反馈布拉格光栅。 所述电隔离层3制作在所述光栅层2的上表面，且在所述光栅层2与所述脊型区 对应的上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口； 其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善面发射半导体激光器慢轴远场的金属天线结构，其特征在于，该天线包括：衬底、光栅层、电隔离层、双沟填充物、下欧姆接触层和亚波长金属等离子体天线，其中： 所述衬底上制作有双沟道脊型波导结构，且所述双沟道脊型波导结构的脊型区中设有激光器有源区； 所述光栅层制作在所述衬底的上表面； 所述电隔离层制作在所述光栅层的上表面，且在所述光栅层与所述脊型区对应的上表面处断开，断开的部分形成电注入窗口； 所述双沟填充物填充在所述双沟道脊型波导结构的双沟道中； 所述下欧姆接触层制作在所述衬底的下表面； 所述亚波长金属等离子体天线制作在所述电隔离层和双沟填充物的上表面，且在所述脊型区对应的上表面处断开，断开的宽度小于所述电注入窗口的宽度，断开区域在形成电注入欧姆接触区域的同时形成光输出窗口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚丹阳，张锦川，周予虹，贾志伟，闫方亮，王利军，刘俊岐，刘峰奇，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11