本发明专利技术公开了本发明专利技术公开了一种FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，该激光器具有深刻蚀孔的光子晶体结构，该光子晶体结构具有带边面发射性质，且位于FP脊形条上，FP脊形条宽度较宽，FP腔长度较长，P电极完全位于脊形条上，根据光子晶体的对称性，可以扩展FP腔的结构。利用本发明专利技术，能够实现低成本的电注入光子晶体带边面发射激光器，且本结构可以用于集成光路中特征信号的读出器，通过对FP腔结构的扩展，可以实现多通道耦合增强。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体光电子器件
，尤其涉及一种法布里-珀落 (Fabry-Perot, FP)腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器。
技术介绍
光子晶体概念的出现距今已有二十多年之久，其间光子晶体的理论和器件都得到了突飞猛进的发展，目前光子晶体各种已知的特性都已经被发掘出来用于不同功能的光子晶体器件中。有一类光子晶体带边面发射激光器由于其在科研、医疗器械、光通信、光存储等领域有着广阔的应用前景而备受人们关注。如图1所示，图1是现有技术中光子晶体带边面发射激光器的结构示意图。光子晶体带边面发射激光器利用光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场的分布特点，能在光子晶体区域2形成大面积驻波谐振，在垂直于有源层8的方向(即光子晶体周期性的法线方向)相干耦合输出，输出光束的发散角非常小，国外最好水平做到0. Γ。制作光子晶体带边面发射激光器需要利用电子束曝光工艺制作大面积的光子晶体区域2以提供足够的反馈，这使得制作成本非常高，但如果减小光子晶体区域2面积，谐振模式就会因为得不到足够的反馈使器件不能激射。要解决该问题就必须在小光子晶体区域2面积情况下，利用廉价的方式给谐振模式提供足够的增益，传统的FP腔恰好可以满足这个需求。传统的脊形条型FP激光器的结构示意图如图2所示，其中3为脊形条。脊形条型FP激光器的制作工艺成熟且廉价，可以方便的实现电注入室温连续激射。将FP腔与光子晶体结合，又同时解决了光子晶体激光器的电注入这一设计难题。光子晶体也会对FP腔进行调制，抑制FP腔中的多纵模多侧模，而光子晶体带边模式则会被选择性的增强。制作FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器需要用到感应耦和等离子体干法深刻蚀技术，要求对具有量子阱结构的有源晶片进行从表面到穿通有源层8的百纳米尺寸图形的深刻蚀，刻蚀深度要求达到2微米以上。目前，这种深刻蚀技术在无源晶片上可以实现，但要在有源晶片上实现深刻蚀，仍是一个巨大的挑战。不过我们已经通过大量的实验在该项工艺中获得重大技术突破，达到的刻蚀深度满足了制作本专利技术中激光器的要求。由此可以确定，将FP腔与光子晶体结合，制作FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，是很有价值且实际可行的设计方案。
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FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，以解决在较小光子晶体区域面积情况下，激光器的电注入室温连续激射问题， 降低制作成本。(二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，该激光器包括深刻蚀孔1、光子晶体区域2、脊形条3、两个相互平行的自然解理镜面 4、P电极5、有源晶片结构和N电极11，其中，有源晶片结构由上到下依次包括高掺杂层6、 上波导层7、有源层8、下波导层9和衬底层10，P电极5形成于高掺杂层6之上，脊形条3 形成于上波导层7的上部，脊形条3的上表面与高掺杂层6的下表面接触，且P电极5、高掺杂层6和脊形条3完全对准；光子晶体区域2形成于高掺杂层6上，位于P电极5中间，光子晶体区域2中具有多个深刻蚀孔1，其深度从有源晶片结构的表面一直贯穿有源层8至下波导层9 ；N电极11形成于衬底层10的背面；两个相互平行的自然解理镜面4是利用自然解理工艺在垂直于脊形条3的方向上形成的，其构成FP腔。 上述方案中，所述两个相互平行的自然解理镜面4之间的距离为500微米，相对于光子晶体区域2的宽度较长。上述方案中，所述P电极5形状为一长方形，长500微米，宽100微米，中间有一个直径80微米的圆孔，这是为后续制作光子晶体区域2所预留的位置。所述P电极5的形成过程如下在有源晶片结构的高掺杂层6上，利用磁控溅射或电子束蒸发工艺形成一层P面金属层，该金属层为Ti/Au合金，厚度为300纳米，接着用紫外光学光刻和湿法腐蚀工艺将该金属层制作成P电极5。上述方案中，所述脊形条3的厚度为1. 5微米，小于高掺杂层6到有源层8的距离，所以脊形条3的底面位于上波导层7中。所述脊形条3的宽度为120微米，相对于单侧模FP激光器的脊形条宽要宽，单侧模FP激光器的脊形条宽为1微米。所述脊形条3的形成过程如下采用紫外光学光刻和湿法腐蚀工艺在有源晶片结构的上波导层7中形成脊形条3，即在紫外光学光刻过程中用套刻对准技术，使脊形条3的模板图形和P电极5对应重合，制作出由上至下依次为P电极5、高掺杂层6和脊形条3的结构。上述方案中，所述深刻蚀孔1的截面形状是具有一定对称性的任意几何形状，深刻蚀孔1中的介质是空气，或者是具有特定折射率或非线性效应的可填充介质。上述方案中，所述有源层8的折射率高于上波导层7和下波导层9。上述方案中，所述N电极11是将衬底层10减薄至100微米，再通过电子束蒸发工艺形成于衬底层10的背面，该N电极11为Au/Ge/Ni/Au合金材料，厚度为300纳米。(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FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其具有深刻蚀孔的光子晶体结构可以对有源层和FP腔进行强调制，形成光子晶体带边模式，并抑制FP腔中的多纵模多侧模。2、本专利技术提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其光子晶体结构具有带边面发射性质，利用Γ点第二序带边的单极模，不但能在光子晶体周期平面内形成大面积的驻波谐振，还能在垂直平面方向耦合输出。3、本专利技术提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其光子晶体结构位于脊形条上，可以对FP腔内的谐振模式进行直接的强调制，同样，FP腔也会给光子晶体模式提供强烈的反馈。虽然制作的光子晶体区域较小，光子晶体模式仍能得到足够的反馈，使激光器激射。激光器的制作成本也会随光子晶体区域的减小而降低。4、本专利技术提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其FP脊形条宽度相对于传统的FP激光器宽很多，为光子晶体和电极引线的焊点提供足够大的平台。5、本专利技术提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其FP腔长相对于光子晶体区域长度较长，可以为光子晶体模式提供足够的反馈。6、本专利技术提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其P电极完全位于脊形条上，省去了传统FP激光器工艺中制作导电窗口的步骤，简化了工艺流程，提高了器件的可靠性。7、本专利技术提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，具有较强的可扩展性，其根据光子晶体晶格结构的对称性，可以在某些对称轴方向上再制作多个FP腔， 使其对该方向的谐振模式进行反馈增强，形成多通道耦合谐振。附图说明图1是现有技术中光子晶体带边面发射激光器的结构示意图。图2是传统的脊形条型FP激光器的结构示意图。图3为依照本专利技术第一实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器的三维结构局部剖面示意图。图4为依照本专利技术第一实施例的光子晶体的平面图。图5为依照本专利技术第一实施例的光子晶体的能带图。图6为依照本专利技术第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的平面图。图7为依照本专利技术第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的垂直剖面图。图8为依照本专利技术第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式的垂直发射场分布的垂直剖面图。图9为依照本专利技术第一本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种ＦＰ腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其特征在于，该激光器包括：深刻蚀孔（１）、光子晶体区域（２）、脊形条（３）、两个相互平行的自然解理镜面（４）、Ｐ电极（５）、有源晶片结构和Ｎ电极（１１），其中，有源晶片结构由上到下依次包括高掺杂层（６）、上波导层（７）、有源层（８）、下波导层（９）和衬底层（１０），Ｐ电极（５）形成于高掺杂层（６）之上，脊形条（３）形成于上波导层（７）的上部，脊形条（３）的上表面与高掺杂层（６）的下表面接触，且Ｐ电极（５）、高掺杂层（６）和脊形条（３）完全对准；光子晶体区域（２）形成于高掺杂层（６）上，位于Ｐ电极（５）中间，光子晶体区域（２）中具有多个深刻蚀孔（１），其深度从有源晶片结构的表面一直贯穿有源层（８）至下波导层（９）；Ｎ电极（１１）形成于衬底层（１０）的背面；两个相互平行的自然解理镜面（４）是利用自然解理工艺在垂直于脊形条（３）的方向上形成的，其构成ＦＰ腔。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑婉华，周文君，陈微，刘安金，王海玲，
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
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