CN113745960A - 一种光子晶体面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

一种光子晶体面发射激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种光子晶体面发射激光器及其制作方法，在面发射激光器内以n‑InP为衬底的半导体叠层的区域外，增加同由InP覆层覆盖的无法导通注入电流的阻流区域。其采用金属有机物化学气相沉积法外延生长有源区及波导结构，结合电子束光刻和干法刻蚀制作光子晶体形成激光外延片，通过常规光刻、氧化和刻蚀工艺制作PCSEL激光芯片；通过增加反向PN结来控制注入电流的范围，通过优化光限制因子来减小PCSEL的阈值电流，从而提高PCSEL的参数特性。本发明通过注入电流在反向pn结中无法导通，只能在中间无反向pn结区域导通，达到控制电流分布的目的，其结构简单，操作方便，注入电流的控制效果好，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种光子晶体面发射激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种激光器的制作方法，具体涉及一种光子晶体面发射激光器及其制作方法，涉及单模大功率半导体激光器芯片技术领域。
背景技术
边发射激光器(EEL)由于有多种材料体系选择可以实现很宽的波长范围激射，能应用于广泛的应用领域。但由于制作工艺中需要形成解理腔面，不能兼容片上检测，因此制造成本较高且腔面易损坏。
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)兼容圆片工艺，制造成本低，可靠性好。但由于材料体系特性VCSEL能实现的激射波长有限，且功率偏小。此外，无论是EEL加了光栅还是VCSEL都不能实现瓦级的单模光束。
光子晶体表面发射激光器(PCSEL)是一种全新的半导体激光器种类，它结合了EEL和VCSEL的优势，既能实现EEL的宽波长覆盖范围，高功率，又具有VCSEL相似的低成本制程工艺。此外，由于其独特的光子限制特性，通过增大有源区的增益面积，PCSEL能实现瓦级的单模光束，成为了未来理想的激光光源。
目前报导的PCSEL激光器阈值都偏大，主要原因是除了光子晶体本身材料缺陷造成的光吸收很大之外，注入电流分布和光场不能很好的在空间上交叠，造成光限制因子较小。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光子晶体面发射激光器的制作方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种光子晶体面发射激光器的制备方法，在面发射激光器内以n-InP为衬底的半导体叠层的区域外，增加同由InP覆盖层覆盖的无法导通注入电流的阻流区域。
上述阻流区域包括反向pn结，包括在n-InP衬底上生长的p型InP层和n型InP层。
上述半导体叠层包括，在n-InP衬底上生长的层叠A、光子晶体层和InP覆盖内层；所述层叠A包括应变量子阱有源区及其两侧的波导层。
进一步的，上述层叠A的两侧还生长InP垫层，包括顶侧的InP垫片层和底侧的InP缓冲层。
进一步的，上述InP覆盖层(13)的顶部覆有层叠B，包括保护层、接触层、绝缘层。
一种光子晶体面发射激光器，根据上述的制备方法制得，包括置于n-InP衬底和InP覆盖层之间的垂直腔内的半导体叠层，于垂直腔外设置反向pn结；
由保护层、接触层、绝缘层构成的层叠B覆于InP覆盖层顶面；
p面电极设于绝缘层开设的p面电极窗口内，n面电极设于n-InP衬底的底面；
所述半导体叠层包括层叠A、光子晶体层和InP覆盖内层；层叠A包括应变量子阱有源区及其两侧的波导层。
所述反向pn结包括p型InP层上的n型InP层(12)。
InP垫片层设于层叠A的顶侧，InP缓冲层设于层叠A的底侧。
上述的一种光子晶体面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在n-InP衬底上依次外延生长InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、应变量子阱有源区、AlGaInAs上波导层、InP垫片层、和InGaAsP光栅层；
S2、在InGaAsP光栅层(7)中制作光子晶体层(8)；
S3、于光子晶体层上外延InP覆盖内层后，再生长氧硅硬掩模；
S4、光刻定义出半导体叠层区域，腐蚀掉该区域外的氧硅硬掩模；
S5、腐蚀掉半导体叠层区域外部生长的材料，直至衬底；
S6、在半导体叠层区域外部依次生长p型InP和n型InP，形成反向pn结；
S7、去除剩余氧硅硬掩模，外延InP覆盖层，上保护层和InGaAs接触层；
S8、在外延片上生长二氧化硅做绝缘层；
S9、在绝缘层开出电极窗口，在电极窗口内沉积金属形成p面电极，将n-InP衬底减薄后沉积金属形成n面电极。
上述步骤S2中采用电子束曝光和干法刻蚀法在InGaAsP光栅层中制作光子晶体层；步骤S5中采用干湿结合的半导体制程工艺将半导体叠层区域外部的生长材料腐蚀至衬底。
本发明的有益之处在于：
一种光子晶体面发射激光器及其制作方法，采用金属有机物化学气相沉积法外延生长有源区及波导结构，结合电子束光刻和干法刻蚀制作光子晶体形成激光外延片，通过常规光刻、氧化和刻蚀工艺制作PCSEL激光芯片；通过增加反向PN结来控制注入电流的范围，通过优化光限制因子来减小PCSEL的阈值电流，从而提高PCSEL的参数特性。
本发明的PCSEL通过注入电流在反向pn结中无法导通，只能在中间无反向pn结区域导通，达到控制电流分布的目的，其结构简单，操作方便，注入电流的控制效果好，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为基于光栅层的半导体叠层的结构示意图。
图2为刻蚀光栅层的结构示意图。
图3为光子晶体外延InP覆盖内层后的结构示意图。
图4为腐蚀后的半导体叠层的结构示意图。
图5为生长反向pn结的结构示意图。
图6为生长反向pn结的扫描电镜图。
图7为外延InP覆盖层后的结构示意图。
图8为光子晶体面发射激光器的结构示意图。
附图中标记的含义如下：1、n-InP衬底，2、InP缓冲层，3、下波导层，4、应变量子阱有源区，5、上波导层，6、InP垫片层，7、光栅层，8、光子晶体，9、InP覆盖内层，10、氧硅硬掩模，11、p型InP，12、n型InP，13、InP覆盖层，14、保护层，15、接触层，16、氧硅绝缘层，17、p面电极，18、n面电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种光子晶体面发射激光器，是一种再生长型的PCSEC(Photonic CrystalSurface Emitting Laser光子晶体面发射激光器)，其结构由n-InP衬底1、半导体叠层、反向pn结、InP覆盖层13、层叠B和p面电极17、n面电极18组成。
如图8所示，生长于n-InP衬底上的半导体叠层构成注入电流区域，反向pn结生长于n-InP衬底上的半导体叠层外，即于注入电流区域外构成无法导通注入电流的阻流区域。InP覆盖层覆于半导体叠层和反向pn结的顶面。反向pn结由覆于p型InP层11上的n型InP层12组成。
层叠B覆于InP覆盖层顶面，由依次叠覆的保护层、接触层、绝缘层构成。绝缘层开设有电极窗口，p面电极设于电极窗口内，n面电极设于n-InP衬底的底面。
半导体叠层包括依次叠覆的InP缓冲层2、下波导层、应变量子阱有源区4、上波导层、InP垫片层6、光子晶体层8、InP覆盖内层9。
InP覆盖内层起到在反向pn结的过程中保护光子晶体层的作用，同时便于生长氧硅硬掩模。
上波导层和下波导层的材料优选AlGaInAs。
光子晶体层的母料衍射光栅优选InGaAsP。
n侧电极的材料优选Au等金属，包括Au、AuGe、AuGe/Au。
p侧电极的材料优选Au、Ti、Pt、Cr等金属。
具体的，PCSEL中的半导体叠层(注入电流的区域)的材料参数，包括具体材料的选择和各层的厚度，根据需求的性能参数给出定义。
一种光子晶体面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、在n-InP衬底上依次外延生长InP缓冲层、AlGaInAs下波导层3、应变量子阱有源区4、AlGaInAs上波导层5、InP垫片层6、和InGaAsP光栅层7，如图1所示。
S2、如图2所示，采用电子束曝光和干法刻蚀在InGaAsP光栅层中制作光子晶体。
S3、如图3所示，于光子晶体层上外延InP覆盖内层后，再生长氧硅硬掩模10。
S4、光刻定义出注入电流(半导体叠层)区域，腐蚀掉该区域外的氧硅硬掩模。
S5、采用干湿结合的半导体制程工艺，腐蚀掉注入电流区域外部生长的材料，直至衬底，如图4所示。
S6、在注入电流区域外部依次生长p型InP和n型InP，形成反向pn结，如图5所示。
S7、去除剩余氧硅硬掩模，外延InP覆盖层，上clad保护层14和InGaAs接触层15，如图7所示。
S8、在外延片上生长二氧化硅做绝缘层。
S9、在绝缘层开出电极窗口，在电极窗口内沉积金属形成p面电极，将n-InP衬底减薄后沉积金属形成n面电极，如图8所示。
如图6所示，为生长的反向pn结的扫描电镜图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，在面发射激光器内以n-InP(1)为衬底的半导体叠层的区域外，增加同由InP覆盖层(13)覆盖的无法导通注入电流的阻流区域。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述阻流区域包括反向pn结，包括在n-InP(1)衬底上生长的p型InP层(11)和n型InP层(12)。
3.根据权利要求1所述的一种光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述半导体叠层包括，在n-InP衬底(1)上生长的层叠A、光子晶体层(8)；
所述层叠A包括应变量子阱有源区及其两侧的波导层。
4.根据权利要求3所述的一种光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述层叠A的两侧还生长InP垫层，包括顶侧的InP垫片层(6)和底侧的InP缓冲层(2)。
5.根据权利要求3所述的一种光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述InP覆盖层(13)的顶部覆有层叠B，包括保护层(14)、接触层(15)、绝缘层(16)。
6.一种光子晶体面发射激光器，其特征在于，根据权利要求1-5任一所述的制备方法制得，包括置于n-InP衬底(1)和InP覆盖层(13)之间的垂直腔内的半导体叠层，于垂直腔外设置反向pn结；
由保护层(14)、接触层(15)、绝缘层(16)构成的层叠B覆于InP覆盖层(13)顶面；
p面电极(17)设于绝缘层(16)开设的p面电极窗口内，n面电极(18)设于n-InP衬底(1)的底面；
所述半导体叠层包括层叠A、光子晶体层(8)；层叠A包括应变量子阱有源区及其两侧的波导层；
所述反向pn结包括p型InP层上的n型InP层(12)。
7.根据权利要求6所述的一种光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述层叠A的顶侧设有InP垫片层(6)，底侧设有InP缓冲层(2)。
8.根据权利要求6所述的一种光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在n-InP衬底(1)上依次外延生长InP缓冲层(2)、AlGaInAs下波导层(3)、应变量子阱有源区(4)、AlGaInAs上波导层(5)、InP垫片层(6)、和InGaAsP光栅层(7)；
S2、在InGaAsP光栅层(7)中制作光子晶体层(8)；
S3、于光子晶体层上外延InP覆盖内层(9)后，再生长氧硅硬掩模(10)；
S4、光刻定义出半导体叠层区域，腐蚀掉该区域外的氧硅硬掩模；
S5、腐蚀掉半导体叠层区域外部生长的材料，直至衬底；
S6、在半导体叠层区域外部依次生长p型InP(11)和n型InP(12)，形成反向pn结；
S7、去除剩余氧硅硬掩模(10)，外延InP覆盖层(13)，上保护层(14)和InGaAs接触层(15)；
S8、在外延片上生长二氧化硅做绝缘层(16)；
S9、在绝缘层开出电极窗口，在电极窗口内沉积金属形成p面电极(17)，将n-InP衬底(1)减薄后沉积金属形成n面电极(18)。
9.根据权利要求8所述的一种光子晶体面发射激光器的制作方法，所述步骤S2中采用电子束曝光和干法刻蚀法在InGaAsP光栅层(7)中制作光子晶体层(8)。
10.根据权利要求8所述的一种光子晶体面发射激光器的制作方法，所述步骤S5中采用干湿结合的半导体制程工艺将半导体叠层区域外部的生长材料腐蚀至衬底。
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