一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器制造技术

本发明专利技术涉及半导体光电子器件技术领域，公开了一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、ｎ型衬底、下ＤＢＲ、有源层、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上ＤＢＲ、ｐ型盖层和上环形电极构成。其中，该光子晶体垂直腔面发射激光器的上ＤＢＲ表面的光子晶体区为高损耗区和耦合区，环形区和缺陷区为光输出区域；该光子晶体垂直腔面发射激光器的电极蒸镀在上ＤＢＲ的ｐ型盖层的表面和ｎ型衬底的下表面。利用本发明专利技术，既提高了单模输出功率，又抑制了发散角。

A single mode high power and low divergence angle photonic crystal vertical cavity surface emitting laser

The invention relates to the technical field of semiconductor optoelectronic devices, and discloses a high-power single-mode photonic crystal vertical cavity surface emitting laser with low divergence angle, the photonic crystal vertical cavity surface emitting laser followed by the bottom by a lower electrode, a n type substrate, DBR, active layer, oxide layer, surface engraved photonic crystal pattern the defect cavity, a circular region of DBR, P type of cover and ring electrodes. Among them, the photonic crystal photonic crystal vertical cavity surface emitting laser on the surface of DBR for high loss and coupling area, annular area and defect area for light output region; electrodes of the photonic crystal vertical cavity surface emitting laser deposition in P DBR on the cover surface and N surface lining at the end of the. By using the present invention, the output power of single mode is improved and the divergence angle is suppressed.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体光电子器件
，尤其涉及一种单模大功 率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器。
技术介绍
垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为激光器家族中的一员，具有 边发射半导体激光器无法比拟的优势，如光束垂直衬底出射易于单片 集成，出射光束圆形对称发散小有利于高效耦合，谐振腔体积小能够 实现极低阈值激射，光腔极短易实现单纵模工作，能够在片测试、简 化工艺降低成本等，在光通信、光存储、光互联、光计算、固态照明、 激光打印和生物传感等领域受到广泛应用，引起了人们的浓厚兴趣和 密切关注。与边发射激光器如FP激光器、DFB激光器相比，VCSEL除了上述 提到的优势之外，它还克服了FP激光温度漂移系数大及DFB激光器需 要外加调制器的缺点。实际应用中都要求VCSEL单模大功率工作，实 验证实氧化孔径很小时，容易实现稳定的单横模工作，却限制了输出 功率。文献l: C. Jung， R. Jager, M. Grabherr， K丄Ebeling, et al， ELECTRONICS LETTERS, 1997(33): 1790报道的工作波长为850nm GaAs基VCSEL，其氧化孔径约为3,时才能实现稳定的单模输出，输 出功率不超过5mW。此外，小孔径导致串联电阻增大，调制速度降低，发热增加，效 率降低，寿命縮短，使得器件的综合性能下降。为了提高输出功率， 应增大有源区的面积，扩大氧化孔径，但热效应和空间烧孔现象将导 致高阶模的产生，使器件的性能恶化。因此，实现单模工作和提高输 出功率两者之间始终是一对矛盾。4为了获得大功率单模的VCSEL， 一方面需增大氧化孔径尺寸，另一方面需千方百计抑制高阶模的产生。到目前为止，已报道的实现单模大功率VCSEL结构有很多种，有如文献2: H. Martinsson， J. A. Vukuvsi'c, K. J. Ebeling, et al，正EE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1999(11): 1536报道的表面刻蚀法，文献3: Delai Zhou, Luke J. Mawst, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2002(38): 1599报道的反波导法，和文献4: Dae-Sung Song， Se-Heon Kim， Yong-Hee Lee, et al, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2002(80): 3901报道的光子晶体波导法等。光子晶体波导法作为一种实现大功率单模大功率VCSEL的方法， 自从提出后就受到广泛关注和深入研究。但是文献5: A丄Danner, T.S. Kim， K.D. Choquette， ELECTRONICS LETTERS, 2005(41)，，报道的单模 光子晶体垂直腔面发射激光器的最大输出功率只有3.1mW，而其发散 角没有见过报道。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种单模大功率低发散角 的光子晶体垂直腔面发射激光器，以克服光子晶体垂直腔面发射激光 器单模输出功率不高的瓶颈，并达到光束低发散角输出的目的。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种单模大功率低发散角的光子 晶体垂直腔面发射激光器，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上 依次由下电极、n型衬底、下DBR、有源层、氧化层、面刻光子晶体 图形的缺陷腔结构、环形出光区的上DBR、 p型盖层和上环形电极构 成。优选地，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体是三角 晶格空气柱型，或者是四方晶格空气柱型；该光子晶体的元胞是圆形 空气柱，或者是椭圆形空气柱。优选地，所述空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50%至80%的上DBR厚度。优选地，所述面刻光子晶体图形的缺陷腔结构是单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。优选地，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的光子晶体所在区 域既是高损耗区，也是耦合区。优选地，所述缺陷腔结构和环形出光区均为出光区，且它们通过 光子晶体区实现同相位耦合输出。、优选地，所述上环形电极蒸镀在上DBR上的p型盖层的表面，所^下电极蒸镀在n型衬底的下表面。优选地，所述上环形电极材料为TiAu合金，下电极材料为AuGeNiAu合金。优选地，所述下DBR的反射率比上DBR的反射率高。优选地，该光子晶体垂直腔面发射激光器的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、 本专利技术提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发 射激光器，采用环形区和缺陷区的激光耦合输出，解放了单模激射对 氧化孔径的依赖，使器件结构设计更加灵活。2、 本专利技术提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发 射激光器，采用环形区和缺陷区的激光耦合输出，增大了有源区的面 积，提高了输出功率，单模输出功率能够突破10mW。3、 本专利技术提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发 射激光器，增大了有源区的面积，减小了微分电阻，延长了寿命，提 高了效率，增大了带宽。4、 本专利技术提供的这种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发 射激光器，采用环形区和缺陷区的激光同相位耦合输出，减小了发散 角，提高了耦合效率。附图说明图1为本专利技术提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构示意图；图中z坐标方向代表器件垂直方向；x、 7坐 标方向代表器件水平方向；图2为本专利技术提供的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发 射激光器的上DBR的表面形貌的俯视图3为依照本专利技术第一个实施例提供的单模大功率低发散角的光 子晶体垂直腔面发射激光器发散角的计算曲线示意图4依照本专利技术第二个实施例提供的光子晶体垂直腔面发射激光 器的上DBR的表面形貌的俯视图5为依照本专利技术第二个实施例提供的单模大功率低发散角的光 子晶体垂直腔面发射激光器发散角的计算曲线示意图中，1为下电极，2为n型衬底，3为下DBR， 4为有源区，5 为氧化层，6为上DBR， 7为p型盖层，8为上环形电极，9为环形出 光区，IO光子晶体缺陷腔，ll为光子晶体耦合区。具体实施例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。如图1所示，图1为本专利技术提供的这种单模大功率低发散角的光 子晶体垂直腔面发射激光器的结构示意图，该单光子源由下至上依次 由下电极l、 n型衬底2、下DBR3、有源区4、氧化层5、上DBR6、 p型盖层7和上环形电极8、环形出光区9、光子晶体缺陷腔IO、光子 晶体耦合区11构成。所述光子晶体是三角晶格空气柱形，或者是四方晶格空气柱形。 所述光子晶体的元胞为圆形空气柱，或者椭圆形空气柱。所述光子晶 体缺陷腔为单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。所述光子晶体区既是高损耗区，同时也是耦合区。所述缺陷腔和 环形区为出光区，且它们通过光子晶体区实现同相位耦合输出。所述 空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50%至80%的上DBR厚度。所述上电7极蒸镀在上DBR上的p型盖层的表面，所述下电极蒸镀在n型衬底的 下表面。所述上环形电极材料为TiAu合金，下电极材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、ｎ型衬底、下ＤＢＲ、有源区、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上ＤＢＲ、ｐ型盖层和上环形电极构成。

【技术特征摘要】
1、一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，该光子晶体垂直腔面发射激光器由下至上依次由下电极、n型衬底、下DBR、有源区、氧化层、面刻光子晶体图形的缺陷腔结构、环形出光区的上DBR、p型盖层和上环形电极构成。2、 根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔 面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体垂直腔面发射激光器中的 光子晶体是三角晶格空气柱型，或者是四方晶格空气柱型；该光子晶 体的元胞是圆形空气柱，或者是椭圆形空气柱。3、 根据权利要求2所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔 面发射激光器，其特征在于，所述空气柱型光子晶体的刻蚀深度为50% 至80。/。的上DBR厚度。4、 根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔 面发射激光器，其特征在于，所述面刻光子晶体图形的缺陷腔结构是 单孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。5、 根据权利要求1所述的单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔 面发射激光器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，刘安金，王科，渠宏伟，邢名欣，陈微，周文君，
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：11[中国|北京]