CN101588018B - 内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明在器件的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。

Description

内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明是属于光电子技术领域，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。

背景技术

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(MOCVD)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_0.98Ga_0.02As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10。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5μm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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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10-30μm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1-7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_0.98Ga_0.02As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10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。

由于在本发明中引入了光子晶体结构，器件的氧化孔9的光限制功能已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5μm，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10-30μm的大氧化孔径内腔式垂直腔面发射半导体激光器。

本发明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(空气孔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0.01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。综合以上考虑本发明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11的直径可以不受电流注入限制。空气孔11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11排数的增大而减小。实现单模限制空气孔11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SiO₂，再在SiO₂表面甩上一层电子束胶，利用电子束曝光(EBL)技术将设计好的图形直写在电子束胶上。再通过显影将胶上得到如图3中所示的缺陷型光子晶体12图形，在利用感应耦合离子刻蚀(ICP)刻蚀掉未被保护的SiO₂去胶得到图3中所示的缺陷型光子晶体12SiO₂图形。然后再用感应耦合离子刻蚀技术(ICP)刻蚀、去除残余的SiO₂就把缺陷型光子晶体12制作出来了。除了以上制备方法外还可以通过用深紫外光光刻的方法，用光刻胶掩膜制备缺陷型光子晶体12。具体步骤是依次用丙酮乙醇去离子水洗净器件芯片，然后烘干、在器件芯片表面甩上一层光刻胶、前烘坚膜、光刻、显影、后烘、ICP刻蚀、去胶。也可得到缺陷型光子晶体12。

通过以上各种方法制备的缺陷型光子晶体12就可以与内腔式多有源区垂直腔面发射激光器进行横向的模式耦合将激光器的高阶模被抑制。基横模则不会被损耗从光子晶体的缺陷腔13出射到空气中。同时光子晶体缺陷腔13提高了其相对周围区域的有效折射率，与实心光子晶体光纤工作原理相似，可形成导波结构对横模进行更有效的控制，使其在出光孔径较大时依然可以实现单横模工作。这样在保证单模工作同时，氧化孔径可相对增加到几十微米，使得隧道再生多有源区垂直腔面发射半导体激光器可以在大功率下获得单模输出，单模功率从原来1mW以下提高到几个毫瓦。同时也降低串连电阻一般氧化限制型垂直腔面发射激光器的串联电阻在几百欧姆，而内腔式多有源区的光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的电阻可以小到几十欧姆以下。从而减少热效应的不利影响并有利于器件高速调制特性。得到了更高的边模抑制比实验可制得大于几十分贝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。

本发明有效的将光子晶体和多有源区结合起来，可以有效的降低VCSEL的阈值电流，实现单横模高功率面发射激光器。实现了多有源纵向光耦合与光子晶体单模传输特性相结合的多有源高增益单模光子晶体VCSEL器件制备，获得低阈值单模高功率输出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点

1、单模工作的氧化孔9可以从原来的几个微米增加到几十微米，极大地减小了器件的串联电阻，从而提高了器件的热稳定性，器件具有更长的使用寿命。

2、实现了多有源纵向光耦合与光子晶体单模传输特性相结合，单模工作状态下的发光面积增大，单模功率比普通的氧化限制型和普通的光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的功率大，获得低阈值单模高功率输出。

3、更强的抗干扰能力、更高的传输速度、(几十分贝以上的的边模抑制比)更窄线宽、更强的调制特性、同时通过使用非对称光子晶体结构可以控制激光器的偏振方向。

4、缺陷型光子晶体12对电流扩散不会产生影响，阈值电流不会因为加入缺陷型光子晶体12而增加。缺陷型光子晶体12只影响其传播模式。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明

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_0.98Ga_0.02As氧化限制层4；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；空气孔11；缺陷型光子晶体12光子晶体缺陷腔13、多有源区14。

图1、内腔式氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器

图2、内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器

图3、缺陷型光子晶体示意图

具体实施方式

(以波长850nm为例)

1、通过在在N⁺型GaAs衬底上生长得到衬底7利用MOCVD方法依次在衬底上生长0.3微米的GaAs缓冲层然后再生长N⁺Al_0.1Ga_0.9As(60nm掺杂浓度3×10¹⁸cm^-3)和n⁺Al_0.9Ga_0.1As(68.19nm掺杂浓度3×10¹⁷cm^-3)构成的28个周期的下DBR6、In_0.18Al_0.12Ga_0.7As和Al_0.22Ga_0.78AS组成的单有源区5经重掺杂的N⁺GaAs和P⁺GaAs反向隧道节级联的多有源区(三有源区)14、Al_0.98Ga_0.02As(30nm掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3)氧化限制层4、Al_0.1Ga_0.9As重掺杂的欧姆接触层2、不掺杂的Al_0.1Ga_0.9As(60nm)和Al_0.9Ga_0.1As(68.19nm)构成的24周期的上DBR3。

2、再利用传统的的氧化限制性垂直腔面发射半导体激光器的制作工艺制作出台面75-95微米、出光孔10孔径40-50微米、氧化孔径10-30微米、500纳米TiAu的P电极1的多有源区氧化限制性垂直腔面发射半导体半成品芯片(不作减薄、溅射背面电极和解离工艺)

3、将以次用丙酮和无水乙醇以及去离子水洗净烘干的样品放入到化学汽相淀积(PECVD)在样品表面淀积一层厚度300纳米左右致密的SiO₂氧化膜。

4、然后再在淀积了SiO₂氧化膜的表面甩上一层Zep520电子束胶，前烘坚膜、再将样品放入电子束曝光机中曝光、显影、后烘在胶上得到所需图形。图形中光子晶体的周期从0.5-7微米。占空比从0.1-0.5空气孔的孔径从200纳米到3.5微米。(胶上图形如图3)

5、用感应耦合离子刻蚀(ICP)刻蚀掉未被保护的SiO₂氧化膜、去胶。将胶上图形转移到SiO₂氧化膜上。(SiO₂上图形如图3)

6、将带有SiO₂掩膜的样品放入到感应耦合离子刻蚀(ICP)的真空室中刻蚀。刻蚀深度1-3微米，将刻蚀后的样品用SiO₂腐蚀液漂去表面剩余的SiO₂掩膜。

7、减薄到100微米左右、溅射背面电极8(背面电极AuGeNiAu厚度300nm)、合金、解离、压焊。就可得到所需要的激光器。

8、测试

用仪器测量了以下几种内腔多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器

通过使用光谱分析仪测试周期为7微米占空比为0.15的刻蚀深度1.5微米单缺陷内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器发现其谱线宽为0.3纳米，边模抑制比45dB。用近场光学显微镜观察其光斑特性显示其为单模。用激光测试系统测试其单模功率3.0mW。阈值电流3.3mA、串联电阻37欧姆。

周期为7微米占空比为0.4的刻蚀深度3微米单缺陷内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器发现其谱线宽为0.2纳米，边模抑制比35dB、单模功率2.8mW、阈值电流3.1mA、串联电阻30欧姆。

周期为5微米占空比为0.2的刻蚀深度2微米单缺陷内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器发现其谱线宽为0.5纳米，边模抑制比40DB。单模功率2.5mW。阈值电流2.7mA、串联电阻41欧姆。

周期为5微米占空比为0.5的刻蚀深度2.5微米单缺陷内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器发现其谱线宽为0.5纳米，边模抑制比40DB。单模功率2.0mW。阈值电流1.9mA、串联电阻35欧姆。

周期为1微米占空比为0.2的刻蚀深度1微米单缺陷内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器发现其谱线宽为0.2纳米，边模抑制比45DB。单模功率1.2mW。阈值电流0.9mA、串联电阻73欧姆。

周期为1微米占空比为0.5的刻蚀深度1.2微米单缺陷内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器发现其谱线宽为0.5纳米，边模抑制比40DB、单模功率1.0mW、阈值电流0.8mA、串联电阻57欧姆。

可见性能明显优于其他光子晶体垂直腔面设半导体激光器和传统氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器。

Claims (1)

1.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，占空比不能大于0.5；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。

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