CN104377546A - 具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器 - Google Patents

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具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器属于半导体激光器技术领域。现有带切口的椭圆盘型腔微腔激光器激射阈值高，电光转换效率低，温升高，光输出功率低；现有椭圆环形腔半导体激光器成品率低，且难以实现高光功率输出。本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器其组成部分自上而下依次为上电极、上波导层、有源增益层、下波导层、衬底、下电极，下电极焊接到铜热沉上，上电极、上波导层、有源增益层、下波导层为椭圆盘型，在有源增益层的外边界椭圆短轴一端有一个半椭圆切口；其特征在于，上波导层的中心区域为高阻区，所述高阻区系在上波导层上制作上电极之前，采用光刻掩膜、质子注入方法形成。

Description

具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器
技术领域
本发明涉及一种具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
在现有微腔激光器中，有一种带切口的椭圆盘型腔微腔激光器，能够产生近乎单一方向的光输出，如2010年12月出版的“Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States ofAmerica(PNAS)”第107期第22407页就记载了一种所述椭圆盘型腔微腔激光器，如图1、图2所示，其组成部分自上而下依次为上电极1、上波导层2、有源增益层3、下波导层4、衬底5、下电极6，下电极6由焊料焊接到铜热沉上；在椭圆盘型有源增益层3的椭圆外边界短轴一端有一个半椭圆切口7。这种微腔激光器在注入电流的激励下，在耳语回廊模式下工作，光输出方向近乎单一。这种微腔激光器的上电极1的形状与有源增益层3的形状相同，这种形状的电极易于连接引线。不过，这种微腔激光器工作时整个椭圆盘型腔都有电流注入，但在耳语回廊模式下光的谐振仅在椭圆盘型腔的周边区域进行，注入到椭圆盘型腔中心区域的电流对光增益没有贡献，其后果是激光器的激射阈值提高，电光转换效率降低，温升提高，光输出功率降低。
鉴于此，在现有技术中出现了一种称为“椭圆环形腔半导体激光器”的方案，该方案由申请号为201110146856的中国专利文献所公开。所述椭圆环形腔半导体激光器的上电极、上波导层、有源增益层、下波导层均为椭圆环形，在有源增益层椭圆外边界短轴一端有一个半椭圆切口，所述的椭圆环形结构使得该半导体激光器的谐振腔为椭圆环形腔。实际上，所述的椭圆环形结构是在椭圆盘型结构的基础上采用光刻掩模湿法刻蚀或者反应离子刻蚀方法形成，之后在椭圆环形的上波导层制作的上电极也呈椭圆环形。该方案的目的在于，去掉了现有椭圆盘型腔的中心区域，电流注入集中在椭圆环形结构区域，从而解决现有椭圆盘型腔微腔激光器存在的技术问题。然而，由于受光刻掩模湿法刻蚀或者反应离子刻蚀方法的工艺特点所限，所述的椭圆环形结构的宽度难以做得很窄，通常都在30微米以上，例如50微米，如此宽度的椭圆环形腔不能对径向模式起到有效的选择。并且，相对于长轴192微米、短轴160微米的椭圆环形结构来说，去掉的无效电流注入区域并不算大，由于在耳语回廊模式下光的谐振依然在椭圆环形腔的周边区域进行，因此，依然存在较多的无效电流注入，在改善电光转换效率等方面效果并不理想。再有，在光刻掩模湿法刻蚀或者反应离子刻蚀过程中，由于该工艺可控性差，椭圆环形结构内壁粗糙，由此引入很大的光学损耗，为了维持有效光输出，必须加大电流注入，这样则可能导致器件损毁，器件成品率因此而很低。另外，虽然椭圆环形的上电极的宽度较大，例如50微米，但是，由于单根金丝引线的直径都在25微米以上，例如50微米，因此，将如此粗细的引线焊接在如此宽度的上电极上还是很有难度的，容易造成腔体边缘破损，降低器件成品率；由于无法焊接多根金丝引线，注入电流难以加大，高光功率输出难以实现。
发明内容
为了提高椭圆环形腔微腔激光器的电光转换效率，提高成品率，我们发明了一种具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器。
本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器其组成部分自上而下依次为上电极1、上波导层2、有源增益层3、下波导层4、衬底5、下电极6，下电极6焊接到铜热沉上，上电极1、上波导层2、有源增益层3、下波导层4为椭圆盘型，在有源增益层3的外边界椭圆短轴一端有一个半椭圆切口7；其特征在于，如图3～6所示，上波导层2的中心区域为高阻区8，所述高阻区8系在上波导层2上制作上电极1之前，采用光刻掩膜、质子注入方法形成。
本发明其技术效果在于，虽然本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器中的上电极1、上波导层2、有源增益层3、下波导层4依然为椭圆盘型，作为微腔激光器，其谐振腔依然为椭圆环形腔，但是，由于采用光刻掩膜、质子注入方法在上波导层2的中心区域形成高阻区8，高阻区8能够有效阻挡电流注入，所以，注入的电流都流向椭圆环形腔的周边区域，因此，与现有椭圆环形腔半导体激光器相比，同样能够提高器件的电光转换效率。但是，本发明其技术效果并不限于此，由于光刻掩膜、质子注入方法可控性好，所以，高阻区8的大小能够准确控制，椭圆环形腔的宽度能够做得很窄，例如10微米以下，所以，不仅实现了对微腔激光器中的径向模式的控制，而且，注入的电流基本上都能够被用于光的激发，因此，器件的电光转换效率的提高幅度大于现有椭圆环形腔半导体激光器。再有，由于本发明并未对包括有源增益层3在内的各有关结构层进行刻蚀，因此，不存在额外的器件光学损耗，只需提供正常的电流注入即可维持有效光输出，不会发生器件的非正常损毁，提高了器件的成品率。另外，在椭圆盘型的上电极1焊接金丝引线有较大余地，能够避免腔体边缘破损，避免器件成品率因此而降低；焊接多根金丝引线也成为可能，注入电流的加大能够得到允许，进而实现器件的高光功率输出。
附图说明
图1是现有带切口的椭圆盘型腔微腔激光器结构的主视示意图。图2是现有带切口的椭圆盘型腔微腔激光器结构的局部剖视俯视示意图。图3是本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器结构俯视示意图。图4是本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器结构剖视主视示意图。图5是本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器结构主视示意图。图6是本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器结构局部剖视俯视示意图，该图同时作为摘要附图。图7是本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器在形成高阻区之前在上波导层表面制作的椭圆环形掩膜俯视示意图。
具体实施方式
本发明之具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器其组成部分自上而下依次为上电极1、上波导层2、有源增益层3、下波导层4、衬底5、下电极6，下电极6焊接到铜热沉上，上电极1、上波导层2、有源增益层3、下波导层4为椭圆盘型，在有源增益层3的外边界椭圆短轴一端有一个半椭圆切口7。上电极1为Ti-Au电极。上波导层2为InGaAsP。有源增益层3为发射波长为10微米的InGaAs/InAlAs量子级联结构。下波导层4为InGaAsP。衬底5为InP。下电极6为Au-Ge-Ni电极。所述椭圆盘型的外边界的半长轴尺寸为Ry1，Ry1＝96微米，半短轴尺寸为Rx1，Rx1＝80微米，RY1/Rx1＝1.2。为了便于制作，所述切口7从上电极1延续到下波导层4；切口7的开口宽度为3微米，切口7的深度为2微米。如图3～6所示，上波导层2的中心区域为高阻区8，其电阻率为1×1013Ωcm以上，如1～3×1013Ωcm。所述高阻区8的形状为椭圆，如图3、图6所示，该椭圆的中心与上波导层2外边界椭圆的中心重合，该椭圆的长轴、短轴分别与上波导层2外边界椭圆的长轴、短轴方向相同，该椭圆的长轴、短轴分别短于上波导层2外边界椭圆的长轴、短轴。所述高阻区8系在上波导层2上制作上电极1之前，采用光刻掩膜、质子注入方法形成。所述光刻掩膜、质子注入方法为：掩模9图形为椭圆环形，所述椭圆环形的宽度为5～15微米，如10微米，如图7所示，所述椭圆环形的外边界与所述椭圆盘型的外边界重合，所述椭圆环形的内边界与所述高阻区8椭圆的边界重合；掩膜9的材料为光刻胶；所述质子注入为H+注入，注入方向为与上波导层2垂直的方向呈2～4°角注入，如3°角，注入电压为200～300keV，如280keV，注入剂量为5～8×1014cm-2，如7×1014cm-2，注入深度为上波导层2的厚度；去掉所述光刻胶掩膜9。

Claims (5)

1.一种具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器，其组成部分自上而下依次为上电极(1)、上波导层(2)、有源增益层(3)、下波导层(4)、衬底(5)、下电极(6)，下电极(6)焊接到铜热沉上，上电极(1)、上波导层(2)、有源增益层(3)、下波导层(4)为椭圆盘型，在有源增益层(3)的外边界椭圆短轴一端有一个半椭圆切口(7)；其特征在于，上波导层(2)的中心区域为高阻区(8)，所述高阻区(8)系在上波导层(2)上制作上电极(1)之前，采用光刻掩膜、质子注入方法形成。
2.根据权利要求1所述的具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器，其特征在于，所述高阻区(8)电阻率为1×1013Ωcm以上。
3.根据权利要求1所述的具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器，其特征在于，所述高阻区(8)的形状为椭圆，该椭圆的中心与上波导层(2)外边界椭圆的中心重合，该椭圆的长轴、短轴分别与上波导层(2)外边界椭圆的长轴、短轴方向相同，该椭圆的长轴、短轴分别短于上波导层(2)外边界椭圆的长轴、短轴。
4.根据权利要求1所述的具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器，其特征在于，所述光刻掩膜、质子注入方法为：掩模(9)图形为椭圆环形，所述椭圆环形的宽度为5～15微米，所述椭圆环形的外边界与所述椭圆盘型的外边界重合；掩膜(9)的材料为光刻胶；所述质子注入为H+注入，注入方向为与上波导层(2)垂直的方向呈2～4°角注入，注入电压为200～300keV，注入剂量为5～8×1014cm-2，注入深度为上波导层(2)的厚度。
5.根据权利要求3、4所述的具有高阻区的椭圆环形腔微腔激光器，其特征在于，所述椭圆环形的内边界与所述高阻区(8)椭圆的边界重合。
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