CN103107482A - 单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法。该单模光子晶体垂直腔面发射激光器，利用透明导电层透光和导电特性，使得电流均匀的注入有源区，从而解决了电流注入问题，提高了单模输出功率。

Description

单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种垂直表面出光的激光器，与传统边发射半导体激光器相比有以下优点：1)光束质量好，易于光纤耦合；2)腔长非常短，纵模间距大，较宽温度范围内实现单纵模工作；3)超窄的线宽、高调制速率；4)出光方向垂直衬底，易于二维高密度集成；5)发光效率高、功耗极低；6)在片测试，低制作成本等。目前，VCSEL已广泛应用于光纤通信、工业传感、办公设备、生物医疗、激光打印、原子钟、照明显示、气体检测、高密度光存储及国防工业等方面。

但在诸多应用领域，多要求VCSEL处于具有稳定的单模工作特性，特别是高功率低发散角的单模工作。传统的制备单模VCSEL的方法是减小氧化孔径，减小有源区发光面积，导致输出功率降低，微分电阻增大、调制速率和效率降低，寿命缩短，器件整体性能下降。为了提高输出功率，需要增加氧化孔径尺寸，但热效应和空间烧孔现象将会导致高阶模式产生，使得器件性能恶化。

为了获得单模高功率VCSEL，人们采用离子注入和氧化限制相结合、表面刻蚀，反波导结构、楔形孔状、花瓣孔状结构、外腔结构等多种不同的方法，但这些方法得到的单模VCSEL，不同程度存在制作工艺复杂、重复性差、变形的高阶模式或发散角大等问题。

与其他方法相比，光子晶体VCSEL具有设计简单、可重复性好、低阈值电流、高输出功率、低发散角等潜在的优势。但截止到目前为止光子晶体VCSEL的单模输出功率仅有3.1mW。此外，光子晶体VCSEL是在其上DBR上刻蚀带有缺陷的周期性分布的空气孔，虽然可带来单模功率性能的改善，但光子晶体结构的引入，会影响注入电流的分布，导致电流扩展不均匀，影响有源区载流子分布和模式变化等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器，包括：衬底；N型电极，形成于衬底的背面；N型DBR，形成于衬底的正面，用于形成电流注入通道；有源区，形成于N型DBR的上方，用于提供光增益；台形P型DBR，形成于有源区上方，用于提供高反射率，并形成电流注入通道；绝缘层，形成于台形P型DBR的侧面、除台形P型DBR覆盖面积之外的N型DBR的上方，并在台形P型DBR上方形成第一环形结构；P型电极，形成于绝缘层的上方，并在台形P型DBR上方形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径，该第二环形结构内构成激光器的出光窗口；光子晶体，形成于出光窗口下方的台形P型DBR上；以及透明导电层，形成于P型电极和第二环形结构的上方。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备方法，用于制备上述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，包括：制备外延片，该外延片包括衬底、及依次制备在衬底上的N型DBR、有源区和P型DBR；对外延片上的P型DBR进行刻蚀，从而形成台形P型DBR；在台形P型DBR的上方及外侧淀积绝缘层；刻蚀台形P型DBR的上方的绝缘层，形成第一环形结构；在绝缘层的上方，包括第一环形结构的上方，沉积P型电极；刻蚀第一环形结构内中心处的P型电极，形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径，该第二环形结构内构成激光器的出光窗口；在出光窗口内的台形P型DBR上刻蚀光子晶体；在P型电极的上方，包括第二环形结构的上方，沉积透明导电层；以及刻蚀去除该单模光子晶体垂直腔面发射激光器区域外的透明导电层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法具有以下有益效果：利用透明导电层透光和导电特性，使得电流均匀的注入有源区，且透明导电层本身又不会阻碍光的出射，又不影响激光器压焊，从而解决了电流注入问题，提高了单模输出功率，预计输出功率可以提高20-40％。

附图说明

图1为根据本发明实施例透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2是图1所示在圆柱形台面上光刻制备光子晶体显微镜照片图；

图3是图1所示透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器在制备透明导电层之前的显微镜照片图；

图4是图1所示透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器在制备透明导电层后的显微镜照片图；

图5是带透明导电层和不带透明导电层的光子晶体VCSEL的P-I对比曲线；

图6是带透明导电层和不带透明导电层的光子晶体VCSEL的V-I对比曲线；

图7是图1所示带透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器的光谱图；

图8是图1所示带透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器的远场发散角图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明单模垂直腔面发射激光器及其制备方法中，通过在出光窗口上引入缺陷型光子晶体，实现单模输出，改善发散角；同时引入透明导电层，利用透明导电层透光和导电特性，使得电流均匀的注入有源区，且本身又不会阻碍光的出射，解决电流注入问题，从而减小阈值电流和提高单模输出功率。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种850nm GaAs/AlGaAs多量子阱带透明导电层的垂直腔面发射激光器。请参照图1，本实施例垂直腔面发射激光器自下而上包括：N型电极1，衬底2，N型分布布拉格反射镜(DBR)3，氧化限制层4，有源区5，P型DBR6，SiO₂绝缘层7，P型电极8，透明导电层9，光子晶体10，出光窗口11。

衬底2为N型GaAs衬底。

N型电极1形成于衬底2的背面，其材料为AuGeNi/Au。

N型DBR3形成于衬底2的正面，为34.5个周期的调制掺杂且组分渐变的Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As材料交替组成，用于提供高的反射率，同时形成电流注入通道。

有源区4形成于N型DBR3的上方，三明治式夹置N型DBR3和P型DBR6之间，由3个GaAs量子阱组成，用于提供光增益，有源区厚度为1λ，λ为激射波长。

台形的P型DBR6与能够提供增益的有源区4连在一起，为20.5对个周期调制掺杂且组分渐变的Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As材料交替组成，用于提供高的反射率，同时形成电流注入通道，组成DBR的每对材料为调制掺杂且组分渐变的AlGaAs材料，提供低的电阻和高反射率。同时，在该P型DBR6靠近有源区4包含的一层高铝组分氧化限制层5，其是通过对最下一层Al_0.98Ga_0.1As进行湿法氧化而形成的，其作用是对电和光进行限制。

SiO₂绝缘层7，形成于台形P型DBR6的外侧、除台形P型DBR6覆盖面积之外的N型DBR6的上方，并在台形P型DBR6上方形成第一环形结构，从而将P型DBR6包覆起来。该SiO₂绝缘层7将有源区4和P型DBR6与外界绝缘。

P型电极8，形成于SiO₂掩膜7上方，并在台形P型DBR6上方形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径。该第二环形结构内构成激光器的出光窗口。该P型电极8的电极材料为Ti/Au，此外，该P型电极8也可以环绕SiO₂掩膜7的一侧生长。

光子晶体10形成于出光窗口11上，光子晶体的直径在2-3μm左右，周期为6μm，占空比0.5，缺陷区的直径为8.65μm，刻蚀深度占50-80％上DBR层厚度，用于改善VCSEL模式特性，降低发散角。该光子晶体结构为可以带缺陷区的圆型孔状、三角形孔或花瓣状孔的光子晶体结构。

透明导电层9位于P型电极8及第二环形结构的上方，为厚度λ/4的氧化铟锡(ITO)材料，其中λ为激射波长。该透明导电层9使得电流均匀的注入有源区，减小阈值电流和提高单模输出功率。透明导电层9可通过蒸发方式或磁控溅射方式生长，并通过湿法腐蚀或剥离方法制备。透明导电层不仅起增透膜作用，还解决了电流均匀注入有源区的问题，同时又不影响激光器压焊。

图2为普通光刻技术制备光子晶体的显微镜照片，其中光子晶体周期6μm，空气孔直径2.5μm，普通光刻技术制备，低成本；图3为制备的不带透明导电层子晶体VCSEL显微镜图，图4带透明导电层的光子晶体VCSEL显微镜图，对比图3和图4，可以发现由于带透明导电层的引入，带透明导电层VCSEL的光子晶体区域和环形电极区域要比不带透明导电层VCSEL相应区域颜色发深。

本实施例单模垂直腔面发射激光器中，通过引入光子晶体将电流限制和光场限制分离，形成弱折射率导引的波导结构，并通过合理的优化光子晶体周期，空气孔径，刻蚀深度，器件台面直径，氧化孔径等，实现垂直腔面发射激光器单模激射，改善发散角，使得器件设计更加灵活。此外，利用透明导电层透光和导电特性，使得电流均匀的注入有源区，且本身又不会阻碍光的出射，解决电流注入问题，降低阈值电流和提高单模输出功率。

需要说明的是，虽然上述实施例以GaAs/AlGaAs多量子阱为例进行说明，但本发明并不以此为限，例如衬底还可以为N型DBR还可以为InP/InGaAsP；有源区还可以为InGaAs，AlGaInAs，InGaN等量子阱或量子点材料；P型DBR还可以为InP/InGaAsP；绝缘层还可以为氮化硅；透明导电层还可以为ZnO。以上的变形同样包括在本发明的保护范围之内。

下文以上述实施例的GaAs/AlGaAs多量子阱的单模垂直腔面发射激光器的制备为例，来对本发明单模垂直腔面发射激光器制备方法进行说明。

在本发明的另一个实施例中，还提供了一种单模垂直腔面发射激光器的制备方法。如图2所示，本实施例包括：

步骤A，制备包括衬底2、N型DBR、有源区、P型DBR的外延片；

步骤B，用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀P型DBR6，刻蚀深度至少露出P型DBR最下一层的Al_0.98Ga_0.1As的侧壁；

步骤C，通过湿法氧化工艺将暴露出侧壁Al_0.98Ga_0.02As层进行侧向氧化，形成高铝组分氧化限制层5，即电、光限制孔径，氧化孔径控制在10～20μm左右；

湿法氧化工艺条件：氮气N₂流量1L/min，水浴温度95℃，氧化炉温度400℃，氧化时间30-50分钟。

步骤D，在圆柱形台面的上方及外侧采用PECVD方法高温300℃淀积绝缘层SiO₂7。

步骤E，在圆柱形台面上旋涂光刻胶，通过光刻形成圆形掩膜图形，该圆形掩模图形与所述圆柱形台面的中心为中心，其半径略小于圆柱形台面的半径；

步骤F，以该圆形掩模图形为掩膜，采用HF∶NH₄F∶H₂O(3ml∶6g∶10ml)腐蚀液，腐蚀SiO₂层7，从而在圆柱形台面上形成环形的SiO₂层7；

步骤G，采用磁控溅射技术溅射P型电极层(Ti/Au)8。

步骤E，在圆柱形台面上旋涂光刻胶，通过光刻形成圆形掩膜图形，该圆形掩模图形与所述圆柱形台面的中心为中心，其半径小于环形的SiO₂层的半径；

步骤F，以该圆形掩模图形为掩膜，湿法腐蚀P型电极TiAu，形成P型环形电极；

步骤G，通过普通光刻技术结合ICP刻蚀技术在出光窗口外圈刻蚀出光子晶体10，光子晶体孔径2-3μm，刻蚀深度为50-80％的DBR层厚度。

步骤H，溅射110nm后的氧化铟锡(ITO)材料作为透明导电层；

步骤I，在圆柱形台面上旋涂光刻胶，通过光刻形成圆形掩膜图形，该圆形掩模图形与所述圆柱形台面的中心为中心，其半径大于等于圆柱形台面的半径；

步骤J，结合湿法腐蚀技术，用HCL∶H₂O(2∶1)光刻腐蚀透明导电层ITO，解决电流注入问题，降低阈值电流和提高单模输出功率。

步骤K，减薄、抛光背面GaAs衬底，蒸发AuGeNi/Au作为N型电极，然后合金形成欧姆接触，在快速退火炉内430-450℃退火60秒。

步骤L，解理、压焊、封装。利用激光划片机把制备好的带透明导电层和不带透明导电层的光子晶体VCSEL分别解理成单个管芯，然后烧结在热沉上，最后压焊引入P型电极引线，最后在封装到TO₃管壳上，从而制备出单模垂直腔面发射激光器。

图5和图6分别为带透明导电层和不带透明导电层的光子晶体VCSELP-I和V-I曲线，台面尺寸65μm，氧化孔径15μm，光子晶体周期6μm，空气孔直径2.5μm，光子晶体刻蚀深度1.5μm。在室温直流相同电流10mA下，带ITO和不带ITO的光子晶体VCSEL输出功率分别3.2mW和2.2mW，输出功率明显提高，提高大约30％的水平；阈值电流分别为0.8mA和0.9mA，不带ITO的光子晶体VCSEL阈值电流约有减小。

图7为上述带透明导电层的光子晶体VCSEL光谱图。器件整个工作电流范围均为单模，光谱测试精度0.02nm，室温直流10mA注入电流下，发射波长844.7nm；边模抑制比大于34dB。相应的远场发散角见图8，水平发散角5.4°，垂直发散角5.2°

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

衬底；

N型电极，形成于所述衬底的背面；

N型DBR，形成于所述衬底的正面，用于形成电流注入通道；

有源区，形成于所述N型DBR的上方，用于提供光增益；

台形P型DBR，形成于所述有源区上方，用于提供高反射率，并形成电流注入通道；

绝缘层，形成于台形P型DBR的侧面、除台形P型DBR覆盖面积之外的N型DBR的上方，并在台形P型DBR上方形成第一环形结构；

P型电极，形成于所述绝缘层的上方，并在台形P型DBR上方形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径，该第二环形结构内构成激光器的出光窗口；

光子晶体，形成于所述出光窗口下方的台形P型DBR上；以及

透明导电层，形成于P型电极和所述第二环形结构的上方。

2.根据权利要求1所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述透明导电层为厚度λ/4的氧化铟锡材料。

3.根据权利要求1所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体的刻蚀深度为P型DBR厚度的50-80％。

4.根据权利要求3所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体的直径在2-3μm左右，周期为6μm，占空比0.5。

5.根据权利要求3所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光子晶体为带缺陷区的圆型孔状、三角形孔或花瓣状孔的光子晶体。

6.根据权利要求1所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于：

所述N型DBR为预设周期的调制掺杂且组分渐变的Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As材料交替组成；

所述P型DBR为预设周期的调制掺杂且组分渐变的Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As材料交替组成。

7.根据权利要求6所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：

高铝组分氧化限制层，为所述P型DBR中最下一层Al_0.98Ga_0.1As进行湿法氧化而形成。

8.根据权利要求1所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源区为预设个数的GaAs量子阱、InGaAs量子阱等，其厚度为Nλ，λ为激射波长，N为整数。

9.一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备权利要求1所述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

制备外延片，该外延片包括衬底、及依次制备在衬底上的N型DBR、有源区和P型DBR；

对所述外延片上的P型DBR进行刻蚀，从而形成台形P型DBR；

在所述台形P型DBR的上方及外侧淀积绝缘层；

刻蚀所述台形P型DBR的上方的绝缘层，形成第一环形结构；

在所述绝缘层的上方，包括所述第一环形结构的上方，沉积P型电极；

刻蚀所述第一环形结构内中心处的P型电极，形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径，该第二环形结构内构成激光器的出光窗口；

在所述出光窗口内的台形P型DBR上刻蚀光子晶体；

在所述P型电极的上方，包括所述第二环形结构的上方，沉积透明导电层；以及

刻蚀去除该单模光子晶体垂直腔面发射激光器区域外的透明导电层。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述沉积透明导电层的步骤中，所述透明导电层为厚度λ/4的氧化铟锡材料。

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