外腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器制造技术

外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。普通的垂直腔面发射半导体激光器存在单程光增益小、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３５分贝以上的外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。适合于多种波长的(650nm、 850nm、 980nm等)垂直 腔面发射半导体激光器。
技术介绍
垂直腔面发射半导体激光器(vertical cavity surface emitting lasers ， VCSELS)是一种性能优异的半导体激光器。VCSELS具有与光纤耦合 效率高，易形成二维阵列和集成；低阈值，单纵模，调制速度高；可靠性和 性价比高等特点。在高密度面阵，光网络，数据传输、光互联、光存储、光 计算等方面有很好的应用前景，并在光通信本地网数据通讯、短距离光互联、 数据传输，计算机局域网及计算机主板间的自由空间光互联等中得到广泛应 用。传统的垂直腔面发射半导体激光器结构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(MOCVD)技术外延得到。经过 半导体工艺得到传统的垂直腔面发射搬到激光器器件。其基本结构如图1所 示(以波长850nmGaAs/AlGaAs为例)上金属电极(P型金属电极)1; P型 欧姆接触层2;周期交替生长的上分布布拉格反射镜(上DBR) 3; Al。.98Ga。.。2AS 高铝组分的氧化限制层4;单有源区5;周期交替生长的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10。 一般为单个器 件或者阵列结构。该种激光器一般存在以下缺点1、普通垂直腔面发射半导体激光器单程光增益小，为提高输出功率， 一般采用增大出光面积或增大 电流注入的方法。采用增大出光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。此外，大电流注入情况下，器件的热稳定性变差。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，出光面积太大很难实现单模工作。为保证VCSEL稳定的单模输出，氧化孔径必须在5um以下。3、较小的 氧化孔必然引起大的串联电阻，制作小氧化孔在工艺上很难控制。单模输出 功率低，阈值电流大。
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，设计和制作一种高增益、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。由于影响光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的器件参数主要包括有源 层结构，光子晶体周期，空气孔径，刻蚀深度，器件直径，氧化孔径等。本专利技术的外腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器，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10-30 Pm的氧化孔；上DBR;P型欧姆接触层；上金属电极；刻蚀上DBR中1-3微米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13被至少3圈孔 径为0. 5-5微米空气孔包围。本专利技术在器件的有源区结构上采用了多有源区14结构。利用M0CVD或MBE 外延生长技术生长了外腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的 外延片。具体的制作工艺如下在衬底7上生长下DBR6。然后生长通过反向 隧道节级联的多个单有源区构成的多有源区14; Al。.98Gao.Q2As氧化限制层4; 上DBR3; P型欧姆接触层2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。多有源区14引入到光子晶体垂直腔面发射半导体激光器中可以在较小的 注入电流时达到较高的光输出功率，避免了大注入电流时引起的光束质量变 差的问题。解决了普通光子晶体垂直腔面发射半导体激光器增益低等问题。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的模式限制功能 己经被缺陷型光子晶体12代替，氧化孔9的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9的孔径，大于一般VCSEL单横 模限制条件5pm，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。所以在制作外腔式垂直腔面发射半导体激 光器时制作氧化孔9的孔径为10-30 u m的大氧化孔径外腔式垂直腔面发射半 导体激光器。本专利技术通过在外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，器件工作的模式与刻蚀深度有关。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11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(光子晶体孔11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1-3微米。对于光子晶体周期(两空气孔11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11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10，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到模式选择的限制，只需要单独调节电流注入。因 为外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要经过缺 陷型光子晶体12和上DBR3，所以它会引入非辐射复合，空气孔ll的直径要 受到电流注入限制。空气孔ll的直径不能太小，否者将无法激射。制作了孔 径从0. 2-3. 5微米的空气孔11光子晶体。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外的光越少本文档来自技高网...

【技术保护点】
外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；上ＤＢＲ；Ｐ型欧姆接触 层；上金属电极；　刻蚀上ＤＢＲ中１－３微米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１３被至少３圈孔径为０．５－５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：沈光地，徐晨，解意洋，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]