CN1242633A

CN1242633A - 单模垂直腔面发射半导体激光器

Info

Publication number: CN1242633A
Application number: CN 98103136
Authority: CN
Inventors: 黄永箴
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2000-01-26
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: CN1098552C

Abstract

本发明公开了一种单模垂直腔面发射半导体激光器的器件结构,其结构特征是在激光器的上部布拉格反射器的顶层进行区域选择腐蚀形成一柱形结构,并保证基横模的光强主要限制在柱形中心未腐蚀的区域,而高阶横模则有较大比例的光强分光在顶层部分或全部腐蚀掉的较低反射率区域,达到抑制高阶横模的目的。部分区域腐蚀掉顶层对横向波导的影响几乎可忽略不计,因此横向光场分布可独立控制,有利于选择最佳的控制条件。

Description

单模垂直腔面发射半导体激光器

本发明涉及半导体激光器(或半导体器件)，更具体地，本发明涉及垂直腔面发射半导体激光器。

垂直腔面发射半导体激光器的纵向是由有源区和限制层组成的谐振腔夹在上部和下部高反射率反射器所构成的，其反射器的反射率一般在99％以上，而横向的电流限制和波导结构一般有柱形折射率波导，质子轰击增益波导，以及氧化物限制的折射率波导等。有源区可以是GaAs，InGaAs，InGaAsP，AlGaInP，GaN等半导体体材料、量子阱、量子线、或量子点，高反射率反射器通常是多层半导体或介质布拉格反射器。由于其谐振腔长极短，垂直腔面发射半导体激光器很容易实现单纵模工作，但横模控制就比较困难。在许多实际应用中，都要求垂直腔面发射激光器具有稳定的基横模工作特性，特别是高输出功率的基横模工作。这样的垂直腔面发射激光器可以满足高密度光存储和读出，自由空间光互连，以及单模光纤中数据高速传输等诸多需要。垂直腔面发射半导体激光器在提高基横模工作稳定性以及单模输出功率方面不断取得进展。1996年7月授予的美国专利US Patent No：5539759“具有无源反波导模式选择器的单模激光器”(“Single mode laser with a pasive antiguideregion mode selector”)，提出了一种通过二次外延生长形成的反波导结构。在这种结构中激光腔周围是折射率比中心区高的包层，因而形成反波导，导致高阶横模有较大的泄漏损耗，有利于单基横模工作。这种反波导结构模式选择性很好，然而二次外延技术要求很高，工艺也比较复杂。最近，在J.Appl.Phys.，vol.83，no.7，pp.3769-3772，1998.4.1的文章“氧化层限制的垂直腔面发射激光器中氧化层界面的反射系数对横模选择的作用”(“Effect of reflectivity at the interface of oxide layer ontransverse mode control in oxide confined vertical-cavity surface-emitting lasers”)中，本发明人提出在AlAs氧化层限制的垂直腔面发射激光器中通过调节氧化层的厚度和位置，使氧化层形成较弱的横向波导，同时氧化层的反射系数与布拉格反射器的反射系数反相，也可以实现横模控制。但这种方法对氧化层位置控制要求很严，而且所能得到的阈值增益差不是很大。

本发明的目的是提出一种结构简单，易于实施，并能够有效抑制高阶横模，能在较大出光孔径条件下实现单峰远场工作的垂直腔面发射半导体激光器。

本发明的核心思想是通过对垂直腔面发射半导体激光器中上部布拉格反射器的高折射率顶层进行区域选择腐蚀，以控制基横模和高阶横模的透射损耗，而实现单模工作。通过改变顶层的厚度，可以调节光在空气界面的反射系数与上部布拉格反射器其它各层的反射系数间的位相差，从而改变上部布拉格反射器的总反射系数。本发明的结构特征在于顶层选择腐蚀出一个柱形结构，并保证垂直腔面发射激光器的基横模光强主要限制在未腐蚀的柱形中心区域，而高阶横模有较大比例的光强分布在腐蚀掉顶层的区域内。在腐蚀区内由于空气界面的反射系数与布拉格反射器其它各层的反射系数反相，这个区域的反射系数大大低于未腐蚀区，因此基横模加权平均的模式反射系数大于高阶模加权平均的模式反射系数。对于在GaAs衬底上生长的20周期980nm的Al_0.9Ga_0.1As/GaAs分布布拉格反射器的反射系数可达0.999067，而如果把顶层四分之一波长GaAs全部腐蚀掉，则布拉格反射器的反射系数峰值只有0.988633，比13周期布拉格反射器的反射系数0.988882还小。而且顶层腐蚀在垂直腔面发射半导体激光器所引起的横向波导只相当于10^-5的折射率差，对模式横向光场分布影响很小，横向光场分布可以独立控制。设基模和一阶模限制在中心未腐蚀区光强比例分别为99％和95％，则加权平均的基横模和一阶模的模式反射系数分别为R₀＝0.998963和R₁＝0.998545，一阶模和基模的透射损耗之比为(1-R₁)/(1-R₀)＝1.40，这样如果透射损耗要求基模具有400cm^-1的有源区增益，则一阶模要比基模多40％，即160cm^-1。

通过生长过程的控制，特别是生长介质布拉格反射器时，也有可能在顶层直接形成一个柱形结构。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，由于尺寸相差太大，图中未按比例绘出各层大小。

图1为氧化层限制垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；

图2为根据本发明在顶层腐蚀出沟槽的氧化层限制垂直腔面发射激光器的剖面

结构示意图，以及激光器的基模和一阶模的径向光强分布示意图；

图3为根据本发明在垂直腔面发射激光器顶层选择腐蚀图形的顶视图；

图4为本发明第一实施例InGaAs氧化层限制垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；

图5为本发明第二实施例GaAs质子轰击垂直腔面发射激光器的剖面结构示意图；

图6为根据本发明制作单模质子轰击垂直腔面发射激光器的步骤。

图1是氧化层限制垂直腔面发射激光器40的剖面结构示意图，器件结构为在衬底18上生长下部布拉格反射器16，下限制层14，有源区12，上限制层10，以及上部布拉格反射器6。上部布拉格反射器6中有一层Al含量远高于其它各层的A1GaAs层，材料生长以后，腐蚀台面或一系列园孔到达高Al含量的AlGaAs层，经过高温湿氮氧化高Al含量的AlGaAs层形成氧化物8，氧化物8实现对激光器的电流限制并形成横向光波导，激光从出光孔1输出，电流注入经过电极4和电极20。

图2为根据本发明在顶层腐蚀出沟槽的氧化层限制垂直腔面发射激光器100的剖面结构示意图，以及激光器的基模34和一阶模36的径向光强分布示意。器件为在衬底18上生长下部布拉格反射器16，下限制层14，有源区12，上限制层10，以及上部布拉格反射器6。上部布拉格反射器6中有一AlAs层，材料生长以后，腐蚀台面或一系列园孔到达AlAs层，经过高温湿氮氧化AlAs层形成氧化层8，氧化层8实现对激光器的电流限制并形成横向光波导，而其它各层受湿氮氧化影响很小。在上部布拉格反射器6的顶层5围绕出光孔1腐蚀出深度小于顶层厚度而宽度为500nm以上的沟槽3，中心未腐蚀区域2的孔径与氧化形成的电流和波导孔径的尺寸基本相等。具体尺寸可根据基模34和一阶模36的径向光强分布以及所要求的基模和高阶模的透射损耗差决定，不过要求基模和高阶模的透射损耗差越大，基模的阈值增益也越高。电流注入经过电极4和电极20。

图3为根据本发明在垂直腔面发射激光器上选择腐蚀出几种图形的顶视图，中心区2为没有腐蚀的区域，阴影区3为腐蚀区。图3A和图3B保留了阴影区周围的顶层4以利于做电极，图3C和图3D则只保留了中心区没有腐蚀，这适于上部布拉格反射器为介质材料或电极不做在顶层的。腐蚀区可以只对顶层腐蚀，也可以腐蚀掉几对布拉格反射器的半导体或介质层，只要腐蚀停止在低折射率层或高折射率层只保留一小部分。但腐蚀掉几对布拉格反射器的半导体或介质层可能形成较强的横向波导对光场分布有影响。

图4为本发明第一实施例InGaAs氧化层限制垂直腔面发射激光器200的剖面结构示意图，器件为在n型GaAs衬底18上依次生长16.5到30.5周期n型Al_0.9Ga_0.1As/GaAs布拉格反射器16，AlGaAs下限制层14，InGaAs量子阱有源区12，A1GaAs上限制层10，上下限制层10和14以及量子阱有源区12的光学厚度之和为一个激光波长或多个激光波长，上部16到30周期p型Al_0.9Ga_0.1As/GaAs布拉格反射器6，并在布拉格反射器6中插入一层30nm的AlAs。材料生长以后，腐蚀台面到达AlAs层，经过高温湿氮氧化AlAs层形成氧化层8，氧化层8实现对激光器的电流限制并形成横向光波导，然后在上部布拉格反射器6的顶层GaAs5围绕出光孔1腐蚀出深度在10到70nm而宽度为500到10000nm的沟槽3，中心未腐蚀区域2的孔径与氧化形成的电流和波导孔径的尺寸基本相等，保证基横模光强基本上限制在中心区2，而高阶模有较大比例在腐蚀区3中。电流注入经过电极4和电极20。

图5为本发明第二实施例GaAs质子轰击垂直腔面发射激光器300的剖面结构示意图，器件为在衬底18上依次生长16.5到30.5周期n型A1As/Al_0.1Ga_0.9As布拉格反射器16，AlGaAs下限制层14，GaAs量子阱有源区12，A1GaAs上限制层10，上下限制层10和14以及量子阱有源区12的光学厚度之和为一个激光波长或多个激光波长，上部16到30周期p型AlAs/Al_0.1Ga_0.9As布拉格反射器6，质子轰击区7实现对激光器的电流限制，在上部布拉格反射器6的顶层GaAs 5围绕出光孔1腐蚀出深度在10到59nm而宽度为500到10000nm的沟槽3，中心未腐蚀区域2的孔径根据电流注入所形成的增益波导决定，其大小可小于质子轰击形成的注入电流孔径，电流注入经过电极4和电极20。

图6为制作单模质子轰击垂直腔面发射激光器的步骤：步骤1为采用分子束外延或金属有机化合物气相外延在衬底18上生长包含布拉格反射器16，上下限制层和量子阱有源区组成的谐振腔11，上部布拉格反射器6的外延片；步骤2为对外延片进行质子轰击，在上部布拉格反射器6中形成高阻区7，质子轰击阻挡层可为光刻胶或金属等，在阻挡层处形成电流通道；步骤3为根据电流通道的大小在顶层腐蚀出沟槽3，图中沟槽3深度和宽度以及中心区2的大小不成比例；步骤4为制作电极4和20。

Claims

1.一种基横模垂直腔面发射半导体激光器，它包括下部布拉格反射器，含有源区的谐振腔和上部布拉格反射器，其特征在于：在基横模光场分布中心区周围选择腐蚀上部布拉格反射器，或上部布拉格反射器高折射率的顶层只在基横模光场分布中心区选择生长。

2.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于选择腐蚀区内上部布拉格反射器顶层部分或全部腐蚀掉。

3.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于腐蚀区内上部布拉格反射器有多层介质或半导体被腐蚀掉。

4.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于腐蚀区可为园形、方形或多边形环状结构。

5.根据权利要求1所述的面发射激光器，其特征在于上部布拉格反射器顶层除中心区外都腐蚀掉。