CN115085010A - 可调谐面发射激光器阵列及制作方法 - Google Patents

可调谐面发射激光器阵列及制作方法 Download PDF

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陈静瑄
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Abstract

本发明公开了一种可调谐面发射激光器阵列及制作方法，包括N面电极层；有源外延组件设置于N面电极层上，有源外延组件顶部相对的两侧刻蚀形成脊形波导，脊形波导包括位于有源外延组件中部的凸起部和位于凸起部两侧的凹陷部；电隔离层生长于凹陷部的上表面和凸起部的两侧；以及P面电极层生长于有源外延组件和电隔离层之上，P面电极层设有发光孔，发光孔内设有多个光子晶体孔，多个光子晶体孔阵列分布并贯穿脊形波导；其中N面电极层、有源外延组件、电隔离层和P面电极层形成多个阵列分布的晶体单元，两个晶体单元相邻处的P面电极层通过刻蚀形成电隔离区，不同晶体单元的光子晶体孔的间距不同，实现可调谐的波长输出并提供大规模高效光源。

Description

可调谐面发射激光器阵列及制作方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种可调谐面发射激光器阵列及制作方法。
背景技术
近年来，信息传输和传感的发展为人工智能技术的发展提供了新的契机。人工智能技术的发展取决于先进传感系统的迭代进步，作为精密传感系统核心的激光器是解决未来人工智能自动化的最基础要素。
光子晶体面发射激光器是新型激光器芯片结构的重要研究方向。光子晶体面发射激光器利用光子晶体结构，将边发射激光器的高输出功率、低发散角和窄线宽的优势同垂直腔面发射激光器的2D片上阵列及低成本封装的优势相结合，形成输出波长可调谐并提供大规模高效光源的激光器，提升传感的并发规模、灵活度，降低功耗，为人工智能架构开拓新方向。
发明内容
本发明提供一种可调谐面发射激光器阵列及制作方法，用于至少部分解决以上技术问题，实现输出可调谐的波长并提供大规模高效光源。
为了实现上述目的，作为本发明提供一种可调谐面发射激光器阵列，包括：
N面电极层；
有源外延组件，设置于所述N面电极层上方，所述有源外延组件的顶部相对的两侧通过刻蚀形成脊形波导，所述脊形波导包括位于有源外延组件的中部的凸起部以及位于所述凸起部两侧的凹陷部；
电隔离层，生长于所述凹陷部的上表面和凸起部的两侧；以及
P面电极层，生长并覆盖于所述有源外延组件和所述电隔离层的上表面，位于所述凸起部的所述P面电极层设有通过蚀刻形成的发光孔，所述发光孔内设置有多个光子晶体孔，多个所述光子晶体孔呈矩形阵列分布，且多个所述光子晶体孔贯穿所述有源外延组件的脊形波导；
其中，所述N面电极层、所述有源外延组件、所述电隔离层和所述P 面电极层形成多个晶体单元，多个所述晶体单元呈阵列分布，相邻的两个所述晶体单元相邻处的P面电极层通过刻蚀形成电隔离区，所述不同晶体单元的光子晶体孔的间距不同。
根据本公开的实施例，所述有源外延组件包括N型衬底、N型高掺层、 N型盖层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型盖层和P型高掺层自下而上依次层叠分布。
根据本公开的实施例，所述发光孔位于所述脊形波导的凸起部的中心。
根据本公开的实施例，所述发光孔的直径范围为80-380微米。
根据本公开的实施例，所述相邻光子晶体孔之间的间距范围为 450-550纳米。
根据本公开的实施例，所述光子晶体孔内填充有气体或固体介质。
根据本公开的实施例，所述N面电极层和所述有源外延组件的长为 500微米，宽为500微米。
根据本公开的实施例，所述脊形波导的长度与所述有源外延组件的长度相等，所述脊形波导的凸起部的宽度范围为100-400微米。
根据本公开的实施例，所述电隔离区的长度与所述有源外延组件的边沿的长度相等，所述电隔离区的宽度范围为10-100微米。
本发明实施例还提供一种可调谐面发射激光器阵列的制作方法，包括：。
在有源外延组件的顶部相对的两侧进行刻蚀，以形成脊形波导，所述脊形波导包括位于中部的凸起部以及位于所述凸起部两侧的凹陷部；
在所述脊形波导的所述凹陷部的上表面和所述凸起部的两侧生长电隔离层；
在所述有源外延组件和所述电隔离层的上表面生长并覆盖P面电极层；
在所述凸起部的所述P面电极层的中心蚀刻发光孔；
在所述发光孔内蚀刻多个呈矩形阵列分布的光子晶体孔，多个所述光子晶体孔贯穿所述脊形波导的所述凸起部；
在所述有源外延组件的底部生长N面电极层；
在晶体单元相邻处的P面电极层通过刻蚀形成电隔离区。
根据本发明提供的可调谐面发射激光器阵列，脊形波导用于限制电流侧向扩散并形成弱折射率导引机制，对整个激光器内模场分布进行限制；光子晶体孔能够形成谱宽窄、边模抑制比高并且低发散角的模式振荡；此外，通过对晶体单元分别注电，由于不同晶体单元的光子晶体孔的间距不同，可以在不同注电条件下，实现可调谐的波长输出并提供大规模高效光源。
附图说明
图1是根据本发明实施例的可调谐面发射激光器阵列的晶体单元的立体示意图；
图2是根据本发明实施例的可调谐面发射激光器阵列的立体示意图；
图3是根据本发明实施例的可调谐面发射激光器阵列的俯视图。
附图标记
1、N面电极层；
2、有源外延组件；
21、N型衬底；
22、N型高掺层；
23、N型盖层；
24、N型波导层；
25、有源层；
26、P型波导层；
27、P型盖层；
28、P型高掺层；
3、脊形波导；
31、凸起部；
32、凹陷部；
4、电隔离层；
5、P面电极层；
6、发光孔；
7、光子晶体孔；
8、电隔离区；
9、晶体单元。
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，对本发明作进一步的详细说明。
在此公开本发明结构实施例和方法的描述。应当了解，这并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，本发明可以通过使用其它特征，元件、方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、 B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
图1是根据本发明实施例的可调谐面发射激光器阵列的晶体单元的立体示意图；图2是根据本发明实施例的可调谐面发射激光器阵列的立体示意图。
本发明实施例提出一种可调谐面发射激光器阵列，包括N面电极层1、有源外延组件2、电隔离层4和P面电极层5。N面电极层1适用于注入电流；有源外延组件2设置于N面电极层1上方，有源外延组件2的顶部相对的两侧通过刻蚀形成脊形波导3，脊形波导3包括位于有源外延组件2 的中部的凸起部31以及位于凸起部31两侧的凹陷部32；电隔离层4生长于凹陷部32的上表面和凸起部31的两侧；以及P面电极层5生长并覆盖于有源外延组件2和电隔离层4的上表面，位于凸起部31的P面电极层5 设有通过蚀刻形成的发光孔6，发光孔6内设置有多个光子晶体孔7，多个光子晶体孔7呈矩形阵列分布，且多个光子晶体孔7贯穿有源外延组件 2的脊形波导3；其中，N面电极层1、有源外延组件2、电隔离层4和P 面电极层5形成多个晶体单元9，多个晶体单元9呈阵列分布，相邻的两个晶体单元9相邻处的P面电极层5通过刻蚀形成电隔离区8，不同晶体单元9的光子晶体孔7的间距不同。
在一种示例性实施例中，参见图1，有源外延组件2包括N型衬底21、 N型高掺层22、N型盖层23、N型波导层24、有源层25、P型波导层26、 P型盖层27和P型高掺层28自下而上依次层叠分布。N型衬底21位于N 面电极层1上方；N型高掺层22用于电流有效注入，减小器件电阻；N型盖层23用于限制光场及电流注入；N型波导层24用于扩展有源区中产生的光场，有源层25用于形成光增益，可以是量子点、量子阱或者量子级联结构等；P型波导层26用于扩展有源区中产生的光场；P型盖层27用于限制光场，折射率低于P型波导层26，P型高掺层28位于P型波导层 26上方。
其中，脊形波导3包括位于有源外延组件2的中部的凸起部31以及位于凸起部31两侧的凹陷部32。凹陷部32是P型波导层26的顶部相对的两侧通过刻蚀形成两侧凹陷的结构，凸起部31是P型波导层26的中部凸起处上依次盖设P型盖层27和P型高掺层28形成。脊形波导3用于限制电流侧向扩散并形成弱折射率导引机制，对整个可调谐激光器的内模场分布进行限制。
具体地，刻蚀可以是紫外光学光刻与干法刻蚀。
在一种示例性实施例中，电隔离层4生长在凹陷部32的上表面和凸起部31的两侧；P面电极层5生长并覆盖于有源外延组件2和电隔离层4 的上表面，P面电极层5与P型高掺层28的顶面形成欧姆接触。
在一种示例性实施例中，参见图1和2，N面电极层1、有源外延组件 2、电隔离层4和P面电极层5形成多个晶体单元9，多个晶体单元9呈矩形阵列分布并相互接触，相邻的两个晶体单元9相邻处的P面电极层5通过刻蚀形成电隔离区8，不同晶体单元9的光子晶体孔7的间距不同。凸起部31处的P面电极层5设有通过蚀刻形成的发光孔6；多个光子晶体孔 7位于发光孔6内，多个光子晶体孔7呈矩形阵列分布，且多个光子晶体孔7贯穿有源外延组件2的脊形波导3，即贯穿P型波导层26、P型盖层 27和P型高掺层28。
根据上述实施例的可调谐面发射激光器阵列，脊形波导3用于限制电流侧向扩散并形成弱折射率导引机制，对整个激光器内模场分布进行限制；光子晶体孔7能够形成谱宽窄、边模抑制比高并且低发散角的模式振荡；此外，通过对晶体单元9分别注电，由于不同晶体单元9的光子晶体孔7 的间距不同，可以在不同注电条件下，实现可调谐的波长输出并提供大规模高效光源。
在一种示例性实施例中，参见图1和2，N面电极层1和有源外延组件2的长为大约500微米，宽为大约500微米。脊形波导3的长度与有源外延组件2的长度相等，脊形波导3的凸起部31的宽度范围为100-400 微米，例如，可以为100微米、140微米、180微米、220微米、260微米、 300微米、340微米、380微米或者400微米。
在一种示例性实施例中，发光孔6位于脊形波导3的凸起部31的中心，发光孔6通过电子束曝光与感应耦合等离子体刻蚀实现，发光孔6的直径范围为80-380微米，例如，可以为80微米、120微米、160微米、 200微米、240微米、280微米、320微米、360微米或者380微米，发光孔6为后续形成光子晶体孔7预留区域。
图3是根据本发明实施例的可调谐面发射激光器阵列的俯视图。
在一种示例性实施例中，光子晶体孔7也通过电子束曝光与感应耦合等离子体刻蚀实现，光子晶体孔7的深度大于脊形波导3的厚度，以实现足够的折射率差，从而对其中光场的分布与传播进行调控。本实施例中，光子晶体孔7为圆形孔，光子晶体孔7的孔径为200纳米，相邻光子晶体孔7之间的间距范围为450-550纳米，不同晶体单元9的光子晶体孔7的间距不同，参见图3，相邻光子晶体孔7之间的间距为a，每个晶体单元9 的光子晶体孔7之间的间距不同，分别为a1、a2、a3和a4，a1、a2、a3 和a4均不相同，a1、a2、a3和a4之间的依次的差值可以相等或不等。光子晶体孔7能够形成谱宽窄、边模抑制比高并且低发散角的模式振荡；此外，通过对晶体单元9分别注电，由于不同晶体单元9的光子晶体孔7的间距不同，可以在不同注电条件下，实现可调谐的波长输出并提供大规模高效光源。
在一种示例性实施例中，光子晶体孔7内填充有气体或固体介质，比如空气。
在一种示例性实施例中，电隔离区8通过腐蚀位于晶体单元9相邻处的P面电极层5上方淀积的金属实现的，电隔离区8的长度与有源外延组件2的边沿的长度相等，电隔离区8的宽度范围为10-100微米，例如，可以为10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、60微米、70微米、 80微米、90微米或者100微米，电隔离区8将每个晶体单元9进行分隔。
本发明实施例还提供一种可调谐面发射激光器阵列的制作方法，包括：。
在有源外延组件2的顶部相对的两侧通过紫外光学光刻与干法刻蚀进行刻蚀，以形成脊形波导3，脊形波导3包括位于中部的凸起部31以及位于凸起部31两侧的凹陷部32；
在脊形波导3的凹陷部32的上表面和凸起部31的两侧生长电隔离层 4；
在有源外延组件2和电隔离层4的上表面生长并覆盖P面电极层5；
在凸起部31的P面电极层5的中心通过电子束曝光与感应耦合等离子体刻蚀形成发光孔6；
在发光孔6内通过电子束曝光与感应耦合等离子体刻蚀多个呈矩形阵列分布的光子晶体孔7，多个光子晶体孔7贯穿脊形波导3的凸起部31，光子晶体孔7的深度大于脊形波导3的厚度；
在有源外延组件2的底部生长N面电极层1；
在晶体单元9相邻处的P面电极层5通过刻蚀形成电隔离区8。
根据本公开的可调谐面发射激光器阵列，脊形波导3用于限制电流侧向扩散并形成弱折射率导引机制，对整个激光器内模场分布进行限制；光子晶体孔7能够形成谱宽窄、边模抑制比高并且低发散角的模式振荡；此外，通过对晶体单元9分别注电，由于不同晶体单元9的光子晶体孔7的间距不同，可以在不同注电条件下，实现可调谐的波长输出并提供大规模高效光源。
上述具体实施例，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，应理解的是，以上上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)

1.一种可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，包括：。
N面电极层(1)；
有源外延组件(2)，设置于所述N面电极层(1)上方，所述有源外延组件(2)的顶部相对的两侧通过刻蚀形成脊形波导(3)，所述脊形波导(3)包括位于有源外延组件(2)的中部的凸起部(31)以及位于所述凸起部两侧的凹陷部(32)；
电隔离层(4)，生长于所述凹陷部(32)的上表面和凸起部(31)的两侧；以及
P面电极层(5)，生长并覆盖于所述有源外延组件(2)和所述电隔离层(4)的上表面，位于所述凸起部(31)的所述P面电极层(5)设有通过蚀刻形成的发光孔(6)，所述发光孔(6)内设置有多个光子晶体孔(7)，多个所述光子晶体孔(7)呈矩形阵列分布，且多个所述光子晶体孔(7)贯穿所述有源外延组件(2)的脊形波导(3)；
其中，所述N面电极层(1)、所述有源外延组件(2)、所述电隔离层(4)和所述P面电极层(5)形成多个晶体单元(9)，多个所述晶体单元(9)呈阵列分布，相邻的两个所述晶体单元(9)相邻处的P面电极层通过刻蚀形成电隔离区(8)，所述不同晶体单元(9)的光子晶体孔(7)的间距不同。
2.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述有源外延组件(2)包括N型衬底(21)、N型高掺层(22)、N型盖层(23)、N型波导层(24)、有源层(25)、P型波导层(26)、P型盖层(27)和P型高掺层(28)自下而上依次层叠分布。
3.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述发光孔(6)位于所述脊形波导(3)的凸起部(31)的中心。
4.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述发光孔(6)的直径范围为80-380微米。
5.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述相邻光子晶体孔(7)之间的间距范围为450-550纳米。
6.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述光子晶体孔(7)内填充有气体或固体介质。
7.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述N面电极层(1)和所述有源外延组件(2)的长为500微米，宽为500微米。
8.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述脊形波导(3)的长度与所述有源外延组件(2)的长度相等，所述脊形波导(3)的凸起部(31)的宽度范围为100-400微米。
9.根据权利要求1所述的可调谐面发射激光器阵列，其特征在于，所述电隔离区(8)的长度与所述有源外延组件(2)的边沿的长度相等，所述电隔离区(8)的宽度范围为10-100微米。
10.一种根据权利要求1-9中任一所述的可调谐面发射激光器阵列的制作方法，其特征在于，包括：。
在有源外延组件(2)的顶部相对的两侧进行刻蚀，以形成脊形波导(3)，所述脊形波导(3)包括位于中部的凸起部(31)以及位于所述凸起部两侧的凹陷部(32)；
在所述脊形波导(3)的所述凹陷部(32)的上表面和所述凸起部(31)的两侧生长电隔离层(4)；
在所述有源外延组件(2)和所述电隔离层(4)的上表面生长并覆盖P面电极层(5)；
在所述凸起部(31)的所述P面电极层(5)的中心蚀刻发光孔(6)；
在所述发光孔(6)内蚀刻多个呈矩形阵列分布的光子晶体孔(7)，多个所述光子晶体孔(7)贯穿所述脊形波导(3)的所述凸起部(31)；
在所述有源外延组件(2)的底部生长N面电极层(1)；
在晶体单元(9)相邻处的P面电极层(5)通过刻蚀形成电隔离区(8)。
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