專利名稱：基于tm模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于 TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體微盤激光器是一種小體積、低閾值、低功
耗的新型激光器它的諧振腔與普通的Fabry—Perot
腔不同，而是一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)模式在該諧振腔中傳播
時(shí)，在盤邊緣和空氣界面上進(jìn)行全反射得到高品質(zhì)因
子的回音壁模式因此，它是一種利用全反射形成特
殊的回音壁模式進(jìn)行工作的激光器
半體微盤激光器制作工藝簡(jiǎn)單，只需通過(guò)普通
刻蝕工藝在有源材料上得到微盤形狀即可。經(jīng)過(guò)十幾
年的實(shí)驗(yàn)研究，巨前的微盤激光器比較多地采用兩種
典型結(jié)構(gòu)，~ 種是圓柱狀結(jié)構(gòu)(A.F.了.Levi,etc.,
Room—temperatur 61a si ngactioniInGaP/InGaAsmicrocy1inder laser diodes, Appl. Phys. Lett. 62，pp. 2 0 2 1-2 0 2 3(1 9 9 3"， 通過(guò)亥!j蝕
形成 一 個(gè)圓柱，其中的有源層，上下限制層都具有相 同的半徑，縱向光場(chǎng)限制主要由低折射率的上下限制 層來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是柱子支撐的微盤結(jié)構(gòu)(S. L. McCall， etc., Whispering-ga 11ery mode microdisk lasers, Appl. Phys. Lett.6 0 , pp 2 8 9 — 2 9 1
1992 ))，先通過(guò)刻蝕形成圓柱狀結(jié)構(gòu)，然后通
過(guò)選擇性腐蝕將下限制層腐蝕成細(xì)柱作為支撐，這種
結(jié)構(gòu)的縱向光限制由上限制層和下層空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)。
獲得高Q值的模式是優(yōu)化微盤激光器性能的重要
參數(shù)，在圓柱狀結(jié)構(gòu)的微盤激光器中，TM模在弱限制
下仍然保持高Q值。本發(fā)明的目的在于針對(duì)這種情況，通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，在弱限制條件下獲得高Q值的TM
模，而達(dá)到優(yōu)化半導(dǎo)體微盤激光器性能的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供 一 種基于TM模激射的圓
柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其是考慮不同的上限制層對(duì)
微盤激光器的不同偏振模式品質(zhì)因子的影響，從而選
擇合適的微盤結(jié)構(gòu)及增益介質(zhì)材料，以實(shí)現(xiàn)低閾值的
高性能微盤激光器或單光子發(fā)射器件。其可改善器件
結(jié)構(gòu)以在弱波導(dǎo)限制的微盤諧振腔中得到高品質(zhì)因子
的TM模，從而實(shí)現(xiàn)縱向半導(dǎo)體限制的利于電注入的微
腔半導(dǎo)體激光滯或單光子發(fā)射器件。
本發(fā)明的百的是通過(guò)以下方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明一種基于TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激
光器，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括
襯底；
下限制層，該下限制層生長(zhǎng)或鍵合在襯底上
采用同種材料或晶格匹配的材料，該下限制層的上半
部經(jīng)刻蝕成為圓柱形結(jié)構(gòu)；
一有源區(qū)，該有源區(qū)制作在下限制層的上半部，
其為圓柱形結(jié)構(gòu)，利于電注入的基于TM模激射的微腔
半導(dǎo)體激光器或單光子發(fā)射器件；
一上限制層，該上限制層制作在有源區(qū)上，上限
制層可以減小場(chǎng)在襯底的拖尾，降低刻蝕深度要求以
及提高器件性能
中襯底的材料為InP， GaAs， Si或藍(lán)寶石，
其中下限制層的材料為各種III 一 V族材料限制層
材料InP, AlAs， AlGaAs， AlGaN， GaN。
其中有源區(qū)的材料為半導(dǎo)體張應(yīng)變體材料 InGaAsP， GaAs, InGaAs， InGaN， InAs。
其中有源區(qū)的材料為半導(dǎo)體 InGaAsP/InGaAsP,
InGaAs/InGaAsP， InGaAs/GaAs， InGaN/GaN張應(yīng)變量 子阱。
其中有源區(qū)的材料為半導(dǎo)體 InGaAs/GaAs ， GaAs/InP， InGaN/GaN量子點(diǎn)。
其中上限制層的材料為各種III 一 V族材料限制層 材料InP， AlAs， AlGaAs， AlGaN， GaN。


為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的以及結(jié)構(gòu)和所能達(dá) 到的功效，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作 一 詳細(xì) 的描述，其中
圖1為本發(fā)明的半導(dǎo)體圓柱形微盤激光器的結(jié)構(gòu) 示意圖2為圖1的側(cè)視剖面圖3為TM模與TE模的Q值隨限制層的折射率改 變的變化規(guī)律(有源層折射率3.4);
圖 4為無(wú)限厚上下限制層圓柱形結(jié)構(gòu)中TM模的 場(chǎng)分布圖5為0 . 4 u m厚上限制層圓柱形結(jié)構(gòu)中TM模
的場(chǎng)分布圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明 一 種弱限制條件下基于TM模激射的微盤激
光器，首先如圖1和圖2所示，半導(dǎo)體圓柱形微盤激
光器，結(jié)構(gòu)包括由襯底1 0 ，以及限制層2 0，有源
層30和上限制層4 0構(gòu)成的圓柱形結(jié)構(gòu)。
該襯底1 0 ，可以是各種III - V族的材料，InP ，
GaAs,也可以是IV族材料Si， Ge， SiC，也可以是非半 導(dǎo)體材料藍(lán)寶石。
該下限制層2 0和上限制層4 0為同種材料的限 制層，可以采用與1 0同樣的材料以及晶格匹配的材 料，通過(guò)直接生長(zhǎng)或者鍵合制作在l0上，包括各種 m-V族材料InP， AlAs， AlGaAs， AlGaN， GaN，增益 區(qū)為圓盤形便于TM模工作的張應(yīng)變體材料和量子阱或 量子點(diǎn)有源區(qū)3 0 ，包括各種III - V族體材料InGaAsP， GaAs， InGaAs， InGaN， InAs， 以及I nGaAsP/InGaAsP， InGaAs/InGaAsP, InGaAs/GaAs， InGaN/GaN量子阱， InGaAs/GaAs， GaAs/InP， InGaN/GaN量子點(diǎn)，采用張應(yīng) 變有源區(qū)使有源區(qū)對(duì)偏振的選擇為TM模。其優(yōu)勢(shì)在于 即使在折射率對(duì)比小的結(jié)構(gòu)中能存在高品質(zhì)因子的TM 模式，便于獲得激射，利于制作低閾值的電注入的微 腔半導(dǎo)體激光器或單光子發(fā)射器件。
圖3描述了在有源層折射率3.4的情況下，對(duì)應(yīng) 于不同折射率襯底，TE模和TM模Q值隨襯底折射率提 高時(shí)的變化，可以看出在高折射率襯底結(jié)構(gòu)中，TE模 的Q值大大下降不適合獲得激射，而TM模在高折射率 襯底情況下仍保持高Q值，這使得在半導(dǎo)體材料體系 中能獲得高Q值的TM模。
對(duì)于不同折射率的有源區(qū)和上下限制層材 限制層的厚度以及下限制層的刻蝕深度的要求 不同，上限制層厚度的選取應(yīng)保證減小電磁場(chǎng) 制層中的場(chǎng)分布，同時(shí)為了保證高品質(zhì)因子的 當(dāng)在刻蝕面上場(chǎng)約等于零。適當(dāng)?shù)纳舷拗茖涌?br> 對(duì)刻蝕深度的要求以及維持高Q值的模式。
圖4和圖5分別畫(huà)出了有源層厚度0.2um無(wú)
限厚限制層和0.4 um厚上限制層圓柱形在縱向的磁
場(chǎng)分布，可以看出上限制層的厚度減小會(huì)增大電磁場(chǎng)
分布的不對(duì)稱性，增加在下限制層中的拖尾。上限制
層厚度的選取可以通過(guò)無(wú)限上限制層厚度的場(chǎng)分布圖
4，上限制層的上界面取到場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度約為o .2處
已經(jīng)可以保證場(chǎng)分布對(duì)稱性而不會(huì)造成場(chǎng)在下限制層
中的分布改變。而下限制層的厚度應(yīng)該保證刻蝕面上
場(chǎng)約為零(相對(duì)強(qiáng)度小于0 . 0 1 )對(duì)于上下限制層折
射率3.1 '7的情況，上限制層厚度可以取為1 y m
下限制層4此外可以增加有源層厚度增加光限制料，上 會(huì)有所
在下限
模式應(yīng) 以降低
以降低對(duì)刻蝕深度的要求，有源層厚度的增加應(yīng)維持 微盤的單模特性，即厚度僅支持基模，高階模均被截 止。
前面以折射率為3.4的InGaAsP有源層例對(duì)本發(fā) 明進(jìn)行了說(shuō)明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明適 用于各種有源區(qū)和限制層的半導(dǎo)體材料。
權(quán)利要求
1、一種基于TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一襯底；一下限制層，該下限制層生長(zhǎng)或鍵合在襯底上，采用同種材料或晶格匹配的材料，該下限制層的上半部經(jīng)刻蝕成為圓柱形結(jié)構(gòu)；一有源區(qū)，該有源區(qū)制作在下限制層的上半部，其為圓柱形結(jié)構(gòu)，利于電注入的基于TM模激射的微腔半導(dǎo)體激光器或單光子發(fā)射器件；一上限制層，該上限制層制作在有源區(qū)上，上限制層可以減小場(chǎng)在襯底的拖尾，降低刻蝕深度要求以及提高器件性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，其中襯底的材料為InP，GaAs ， Si或藍(lán)寶石。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，中下限制層的材料為各種III 一 V族材料限制層材料InP7AlAsAlGaAs， AlGaN， GaN。
4 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TM模激射的圓柱 形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，其中有源區(qū)的材 料為半導(dǎo)體張應(yīng)變體材料 InGaAsP， GaAs， InGaAs， InGaN, InAs。
5 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TM模激射的圓柱 形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，其中有源區(qū)的材 料為半導(dǎo)體 InGaAsP/InGaAsP ， InGaAs/InGaAsP， InGaAs/GaAs ， InGaN/GaN張應(yīng)變量子阱。
6 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，其中有源區(qū)的材 料為半導(dǎo)體InGaAs/GaAs， GaAs/InP， InGaN/GaN量子 點(diǎn)。
7 、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TM模激射的圓柱 形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，其中上限制層的 材料為各種III — V族材料限制層材料InP ， AlAs ， AlGaAs， AlGaN， GaN。
全文摘要
本發(fā)明一種基于TM模激射的圓柱形結(jié)構(gòu)的微盤激光器，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括一襯底；一下限制層，該下限制層生長(zhǎng)或鍵合在襯底上，采用同種材料或晶格匹配的材料，該下限制層的上半部經(jīng)刻蝕成為圓柱形結(jié)構(gòu)；一有源區(qū)，該有源區(qū)制作在下限制層的上半部，其為圓柱形結(jié)構(gòu)，利于電注入的基于TM模激射的微腔半導(dǎo)體激光器或單光子發(fā)射器件；一上限制層，該上限制層制作在有源區(qū)上，上限制層可以減小場(chǎng)在襯底的拖尾，降低刻蝕深度要求以及提高器件性能。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101174757SQ20061011419
公開(kāi)日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月1日
發(fā)明者楊躍德, 羅賢樹(shù), 沁 陳, 黃永箴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所