本发明专利技术涉及内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器，属于半导体光电子领域。普通氧化限制性垂直腔面发射半导体激光器多横模激射、单模输出功率低、阈值电流大、串联电阻大等问题。本发明专利技术在器件的有有源区上采用了多有源区结构。同时将缺陷型光子晶体结构引入到垂直腔面发射半导体激光器的上ＤＢＲ中，通过合理的优化光子晶体周期，空气孔径，刻蚀深度，器件直径，氧化孔径等，得到了单模工作氧化孔径几十微米、单模功率几个毫瓦、串联电阻几十欧姆、边模抑制４０分贝以上的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体面发射激光器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是属于光电子
，具体是关于一种新型垂直腔面发射半导 体激光器的设计与制作。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(VCSEL)有低阈值电流、动态单纵模工作、小发散角 的、圆对称光束、高调制带宽、易于二维集成等优势，可广泛应用于光通讯、 光存储和光显示等领域。常见的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器从结构上又分为内腔式和 外腔式两种，内腔式垂直腔面发射半导体激光器材料主要由三五族化合物半 导体材料通过分子束外延(MBE)或金属化学汽相淀积(M0CVD)技术外延得 到。经过半导体工艺得到内腔式垂直腔面发射半导体激光器器件，其基本结 构如图1所示。上金属电极(P型金属电极)1; P型欧姆接触层2;周期结构的 上分布布拉格反射镜(上DBR) 3， Al。98Ga。。2As氧化限制层4;单有源区5;周期结构下分布布拉格反射镜(下DBR) 6;衬底7; N型金属电极8;氧化孔9;出光孔IO。常见为单个管芯和阵列结构。常见的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器有以下缺点1、 传统的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器提高输出功率一般只能 采用增大出光孔面积或增大电流注入的方法。采用增大出光孔面积方法会使有源区载流子密度的分布变差，中心电流密度变小，使得阈值电流增大；采用大电流注入时，有源区的载流子分布会出现空间烧孔，影响到增益和折射 率的分布，出现多横模激射。2、 为实现单模工作，必须使有源区中心部分的载流子密度分布比较均匀， 故一般氧化孔9小于5um时，才较易实现单模工作。如此小的氧化孔径必然 引起大的串联电阻。同时很大的串联电阻必然会产生很多热量使器件的热稳 定性变差。制作小氧化孔9在工艺上很难控制。较小的氧化孔9使得有效发 光面积小，单模输出功率低
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服以上现有技术缺点，设计和制作一种低阈值电流、 小串联电阻、高单模输出功率的半导体垂直腔面发射半导体激光器。为达到上述目的，本专利技术的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导 体激光器将多有源区内腔式氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器与光子晶 体结合设计和制作了新型的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激 光器。本专利技术的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器，其特征 在于-从下至上依次为背面电极8、衬底7、下DBR6、由反向隧道结级联的多 个单有源区构成的多有源区14 ;氧化限制层4，氧化限制层4中心为氧化孔 径为10-30 um的氧化孔；P型欧姆接触层2、上DBR3;上金属电极1;在上DBR的端面上刻蚀1-3微米深度制作出缺陷型光子晶体结构12;缺 陷型光子晶体结构的周期为l-7个微米，占空比小于0.7;该光子晶体上至少 有3圈孔径为0. 2-5微米空气孔11。器件材料利用MOCVD或MBE等外延生长工艺制备。具体的制作工艺如下 在衬底7上生长下DBR6。然后生长由反向隧道结级联的多个单有源区5构成 的多有源区14; Al。.98Ga。.。2As氧化限制层4; P型欧姆接触层2;上DBR 3的多 有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的外延材料。再通过传统的加工工艺制作出内腔式多有源区垂直腔面发射半导体激光 器未解理芯片，再在该芯片上通过电子束曝光技术(EBL)和感应耦合离子刻 蚀技术(ICP)在已有的器件的出光孔IO内的上DBR 3的端面上刻蚀一定深 度制作出缺陷型光子晶体结构12以实现内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发 射半导体激光器结构如图2，缺陷型光子晶体如图3。由于在本专利技术中引入了光子晶体结构，器件的氧化孔9的光限制功能己 经被缺陷型光子晶体12代替，其主要作用为限制电流注入。为了提高器件的 单模输出功率，需要增加氧化孔径，大于一般VCSEL单横模限制条件5um， 而不用考虑其激射模式分布。同时由于受到载流子扩散的影响氧化孔径也不 宜过大，否则会降低载流子注入的均匀性，增加阈值电流和工作电流，不利于模式选择。所以在制作内腔式垂直腔面发射半导体激光器时制作氧化孔径为10-30um的大氧化孔径内腔式垂直腔面发射半导体激光器。本专利技术通过在内腔式多有源区垂直腔面发射半导体激光器中引入缺陷型 光子晶体结构12，来实现对多有源区垂直腔面发射半导体激光器模式限制来 实现单模输出。缺陷型光子晶体结构12主要在上DBR3中。这样的结构与实 心光子晶体光纤就有所不同，器件工作的单模条件与刻蚀深度有关。首先， 由于用于制作成的芯片厚度在8微米左右，在刻蚀较小的空气孔ll时要想 完全将其刻顶部刻到底部现有工艺很难做到，同时刻蚀到多有源区14以后会 增加非辐射复合。所以通常刻蚀深度1-3微米左右。在刻蚀深度为1. 2微米 时，对应不同的周期缺陷型光子晶体12只要其占空比(空气孔ll直径与光 子晶体周期比值)小于0. 7就满足单模条件。而对于刻蚀深度为3微米的器 件，器件的占空比不能大于0.5。因此合理浅刻蚀引入更小的微扰将更加有利 于模式的选择，当然在实际器件制作中，还必须考虑到器件温度漂移对折射 率的改变， 一般而言，其影响在对有效折射率的影响在O.Ol左右。所以光子 晶体的刻蚀深度不能太浅，刻蚀深度太浅会使得光子晶体的作用被正常工作 温度漂移效应所掩盖。通常刻蚀深度在l-3微米。对于光子晶体周期(两空气孔ll中心之间的距离)，由于尺寸效应当占 空比小于0.5的时候，都可以满足光子晶体波导结构中的单横模条件。所以 为了获得大功率输出，同时方便工艺制作，采用尽可能大的光子晶体周期。 然而，实际器件中还必须考虑热效应对材料折射率的影响，器件中心区域因 为激光谐振被材料吸收，相对外侧温度较高，内外温差导致材料折射率差产 生，为了使得器件中光子晶体调制的模式不会受到温度漂移的影响，那么光 子晶体区域与出光缺陷孔之间的有效折射率差必须克服这种温度漂移，光子 晶的折射率差随着周期增加而变小。为了防止光子晶体对模式调制效应被热 效应所湮没，光子晶体的周期要尽量小。综合以上考虑本专利技术采用了周期为 几个微米的多种光子晶体周期结构。同时，在减小空气孔ll的直径时，传导模式会整体向低频移动，高阶 导波模式被限制，无法在光子晶体缺陷腔13波导中传播。所以，占空比变小 时，导波带中的模式明显减少，仅仅只有基横模能在光子晶体单缺陷腔13波 导中传输。此时，将光子晶体的缺陷腔13作为VCSEL的出光孔IO,直径很大时仍可以形成单模振荡激射.由于光子晶体实现了横向模式选择，决定输出 功率的氧化孔径也可不受模式选择的限制，只需要单独调节电流注入。因为 内腔式光子晶体多有源区垂直腔面发射半导体激光器的电流扩散不经过缺陷型光子晶体12和上DBR3，所以它不会引入非辐射复合，空气孔ll的直径可 以不受电流注入限制。空气孔ll的直径主要有占空比和工艺决定。制作了孔 径从0. 2-5微米的空气孔11光子晶体。同时因为电流不经过上DBR3也可以 减小其串联电阻。通过实验发现光子晶体缺陷腔13的外层空气孔11的排数越多，对光的 限制越好，随着占空比的增大，泄露到光子晶体缺陷腔13外的光越少，当占 空比一定时，泄露随着空气孔ll排数的增大而减小。实现单模限制空气孔ll 的圈数至少需要3圈。缺陷型光子晶体12具体制作通过使用PECVD在器件芯片表面生长一层 Si02，再在S本文档来自技高网...
【技术保护点】
内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于： 从下至上依次为：背面电极、衬底、下ＤＢＲ、由反向隧道结级联的多个单有源区构成的多有源区；氧化限制层，氧化限制层中心为氧化孔径为１０－３０μｍ的氧化孔；Ｐ型欧姆接触层、上金属电极、上ＤＢＲ； 在上ＤＢＲ的端面刻蚀１－３微米深度制作出缺陷型光子晶体结构；缺陷型光子晶体结构的周期为１－７个微米，占空比小于０．７；光子晶体缺陷腔被至少３圈孔径为０．２－５微米空气孔包围。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐晨，解意洋，沈光地，陈弘达，阚强，王春霞，刘英明，王宝强，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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