專利名稱：一種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種單模大功 率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)作為激光器家族中的一員，具有 邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器無法比擬的優(yōu)勢，如光束垂直襯底出射易于單片 集成，出射光束圓形對稱發(fā)散小有利于高效耦合，諧振腔體積小能夠 實(shí)現(xiàn)極低閾值激射，光腔極短易實(shí)現(xiàn)單縱模工作，能夠在片測試、簡 化工藝降低成本等，在光通信、光存儲、光互聯(lián)、光計(jì)算、固態(tài)照明、 激光打印和生物傳感等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用，引起了人們的濃厚興趣和 密切關(guān)注。
與邊發(fā)射激光器如FP激光器、DFB激光器相比，VCSEL除了上述 提到的優(yōu)勢之外，它還克服了FP激光溫度漂移系數(shù)大及DFB激光器需 要外加調(diào)制器的缺點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中都要求VCSEL單模大功率工作，實(shí) 驗(yàn)證實(shí)氧化孔徑很小時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單橫模工作，卻限制了輸出 功率。
文獻(xiàn)l: "C. Jung， R. Jager, M. Grabherr， K丄Ebeling, et al， ELECTRONICS LETTERS, 1997(33): 1790"報(bào)道的工作波長為850nm GaAs基VCSEL，其氧化孔徑約為3,時(shí)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的單模輸出，輸 出功率不超過5mW。
此外，小孔徑導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大，調(diào)制速度降低，發(fā)熱增加，效 率降低，壽命縮短，使得器件的綜合性能下降。為了提高輸出功率， 應(yīng)增大有源區(qū)的面積，擴(kuò)大氧化孔徑，但熱效應(yīng)和空間燒孔現(xiàn)象將導(dǎo) 致高階模的產(chǎn)生，使器件的性能惡化。因此，實(shí)現(xiàn)單模工作和提高輸 出功率兩者之間始終是一對矛盾。
4為了獲得大功率單模的VCSEL， 一方面需增大氧化孔徑尺寸，另
一方面需千方百計(jì)抑制高階模的產(chǎn)生。到目前為止，已報(bào)道的實(shí)現(xiàn)單
模大功率VCSEL結(jié)構(gòu)有很多種，有如文獻(xiàn)2: "H. Martinsson， J. A. Vukuvsi'c, K. J. Ebeling, et al，正EE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 1999(11): 1536"報(bào)道的表面刻蝕法，文獻(xiàn)3: "Delai Zhou, Luke J. Mawst, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2002(38): 1599"報(bào)道的反波導(dǎo)法，和文獻(xiàn)4: "Dae-Sung Song， Se-Heon Kim， Yong-Hee Lee, et al, APPLIED PHYSICS LETTERS, 2002(80): 3901"報(bào)道的光子晶體波導(dǎo)法等。
光子晶體波導(dǎo)法作為一種實(shí)現(xiàn)大功率單模大功率VCSEL的方法， 自從提出后就受到廣泛關(guān)注和深入研究。但是文獻(xiàn)5: "A丄Danner, T.S. Kim， K.D. Choquette， ELECTRONICS LETTERS, 2005(41)，，報(bào)道的單模 光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的最大輸出功率只有3.1mW，而其發(fā)散 角沒有見過報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種單模大功率低發(fā)散角 的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，以克服光子晶體垂直腔面發(fā)射激光 器單模輸出功率不高的瓶頸，并達(dá)到光束低發(fā)散角輸出的目的。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種單模大功率低發(fā)散角的光子 晶體垂直腔面發(fā)射激光器，該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器由下至上 依次由下電極、n型襯底、下DBR、有源層、氧化層、面刻光子晶體 圖形的缺陷腔結(jié)構(gòu)、環(huán)形出光區(qū)的上DBR、 p型蓋層和上環(huán)形電極構(gòu) 成。
優(yōu)選地，所述光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器中的光子晶體是三角 晶格空氣柱型，或者是四方晶格空氣柱型；該光子晶體的元胞是圓形 空氣柱，或者是橢圓形空氣柱。優(yōu)選地，所述空氣柱型光子晶體的刻蝕深度為50%至80%的上
DBR厚度。
優(yōu)選地，所述面刻光子晶體圖形的缺陷腔結(jié)構(gòu)是單孔缺陷腔，或
者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。
優(yōu)選地，所述光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器中的光子晶體所在區(qū) 域既是高損耗區(qū)，也是耦合區(qū)。
優(yōu)選地，所述缺陷腔結(jié)構(gòu)和環(huán)形出光區(qū)均為出光區(qū)，且它們通過 光子晶體區(qū)實(shí)現(xiàn)同相位耦合輸出。
、優(yōu)選地，所述上環(huán)形電極蒸鍍在上DBR上的p型蓋層的表面，所
^下電極蒸鍍在n型襯底的下表面。
優(yōu)選地，所述上環(huán)形電極材料為TiAu合金，下電極材料為
AuGeNiAu合金。
優(yōu)選地，所述下DBR的反射率比上DBR的反射率高。
優(yōu)選地，該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的工作波長覆蓋深紫外
到遠(yuǎn)紅外波段。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提供的這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā) 射激光器，采用環(huán)形區(qū)和缺陷區(qū)的激光耦合輸出，解放了單模激射對 氧化孔徑的依賴，使器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活。
2、 本發(fā)明提供的這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā) 射激光器，采用環(huán)形區(qū)和缺陷區(qū)的激光耦合輸出，增大了有源區(qū)的面 積，提高了輸出功率，單模輸出功率能夠突破10mW。
3、 本發(fā)明提供的這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā) 射激光器，增大了有源區(qū)的面積，減小了微分電阻，延長了壽命，提 高了效率，增大了帶寬。
4、 本發(fā)明提供的這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā) 射激光器，采用環(huán)形區(qū)和缺陷區(qū)的激光同相位耦合輸出，減小了發(fā)散 角，提高了耦合效率。


圖1為本發(fā)明提供的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)
射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中z坐標(biāo)方向代表器件垂直方向；x、 7坐 標(biāo)方向代表器件水平方向；
圖2為本發(fā)明提供的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā) 射激光器的上DBR的表面形貌的俯視圖3為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例提供的單模大功率低發(fā)散角的光 子晶體垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)散角的計(jì)算曲線示意圖4依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例提供的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光 器的上DBR的表面形貌的俯視圖5為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例提供的單模大功率低發(fā)散角的光 子晶體垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)散角的計(jì)算曲線示意圖中，1為下電極，2為n型襯底，3為下DBR， 4為有源區(qū)，5 為氧化層，6為上DBR， 7為p型蓋層，8為上環(huán)形電極，9為環(huán)形出 光區(qū)，IO光子晶體缺陷腔，ll為光子晶體耦合區(qū)。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的這種單模大功率低發(fā)散角的光 子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)示意圖，該單光子源由下至上依次 由下電極l、 n型襯底2、下DBR3、有源區(qū)4、氧化層5、上DBR6、 p型蓋層7和上環(huán)形電極8、環(huán)形出光區(qū)9、光子晶體缺陷腔IO、光子 晶體耦合區(qū)11構(gòu)成。
所述光子晶體是三角晶格空氣柱形，或者是四方晶格空氣柱形。 所述光子晶體的元胞為圓形空氣柱，或者橢圓形空氣柱。所述光子晶 體缺陷腔為單孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。
所述光子晶體區(qū)既是高損耗區(qū)，同時(shí)也是耦合區(qū)。所述缺陷腔和 環(huán)形區(qū)為出光區(qū)，且它們通過光子晶體區(qū)實(shí)現(xiàn)同相位耦合輸出。所述 空氣柱型光子晶體的刻蝕深度為50%至80%的上DBR厚度。所述上電
7極蒸鍍在上DBR上的p型蓋層的表面，所述下電極蒸鍍在n型襯底的 下表面。所述上環(huán)形電極材料為TiAu合金，下電極材料為AuGeNiAu 合金。所述的下DBR的反射率比上DBR的反射率高。
該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的工作波長覆蓋深紫外到遠(yuǎn)紅外 波段。
如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的單模大功率低發(fā)散角的光子晶 體垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR的表面形貌的俯視圖。圖2中8為環(huán) 形電極，9為環(huán)形出光孔，IO為光子晶體缺陷腔，ll為光子晶體耦合 區(qū)。光子晶體耦合區(qū)11的光子晶體周期為/i、占空比(空氣柱的直徑 和周期的比值)刻蝕深度為/i。
基于圖1和圖2所述的這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直 腔面發(fā)射激光器，以下結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明提供的這種單模大 功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例一
本實(shí)例中這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光 器的工作波長為0.S5iim。本實(shí)例的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的上 DBR的表面形貌俯視示意圖如圖2所示。
本實(shí)例的下電極為AuGeNiAu合金，上電極為TiAu合金，下DBR 為34.5對的n型GaAs/AlGaAs，有源區(qū)為3對GaAs量子阱，氧化孔 徑為34pm，上DBR為20.5對p型GaAs/AlGaAs;上DBR表面刻有 單缺陷腔的光子晶體圖形，光子晶體的周期為4pm，占空比為0.5，刻 蝕深度為10對DBR;缺陷區(qū)周圍是由三圈空氣柱組成的光子晶體高損 耗區(qū)；環(huán)形電極的內(nèi)徑為39pm。
本實(shí)例的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3為依照本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例 提供的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)散角的 計(jì)算曲線示意圖，從圖3中可以看到這種單模大功率低發(fā)散角的光子 晶體垂直腔面發(fā)射激光器的發(fā)散角(FWHM)約為2° 。實(shí)施例二
本實(shí)例中這種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光
器的工作波長為1.3|im。如圖4所示，圖4依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例提 供的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR的表面形貌的俯視圖。
本實(shí)例的下電極為AuGeNiAu合金，上電極為TiAu合金，下DBR 為33.5對的n型GaAs/AlGaAs，有源區(qū)為3對GaAs量子阱，氧化孔 徑為32[im，上DBR為23對p型GaAs/AlGaAs;上DBR表面刻有單 缺陷腔的光子晶體圖形，光子晶體的周期為5pm，占空比為0.5，刻蝕 深度為18對DBR;缺陷區(qū)周圍是由兩圈空氣柱組成的光子晶體高損耗 區(qū)；環(huán)形電極的內(nèi)徑為34nm。
本實(shí)例的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5為依照本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例 提供的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器發(fā)散角的 計(jì)算曲線示意圖，從圖5中可以看到這種單模大功率低發(fā)散角的光子 晶體垂直腔面發(fā)射激光器的發(fā)散角(FWHM)約為4° 。
以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實(shí)施例而己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
9
權(quán)利要求
1、一種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器由下至上依次由下電極、n型襯底、下DBR、有源區(qū)、氧化層、面刻光子晶體圖形的缺陷腔結(jié)構(gòu)、環(huán)形出光區(qū)的上DBR、p型蓋層和上環(huán)形電極構(gòu)成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器中的 光子晶體是三角晶格空氣柱型，或者是四方晶格空氣柱型；該光子晶 體的元胞是圓形空氣柱，或者是橢圓形空氣柱。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述空氣柱型光子晶體的刻蝕深度為50% 至80。/。的上DBR厚度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述面刻光子晶體圖形的缺陷腔結(jié)構(gòu)是 單孔缺陷腔，或者是7孔缺陷腔，或者是拉伸的各缺陷腔。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器中的 光子晶體所在區(qū)域既是高損耗區(qū)，也是耦合區(qū)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述缺陷腔結(jié)構(gòu)和環(huán)形出光區(qū)均為出光 區(qū)，且它們通過光子晶體區(qū)實(shí)現(xiàn)同相位耦合輸出。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述上環(huán)形電極蒸鍍在上DBR上的p型 蓋層的表面，所述下電極蒸鍍在n型襯底的下表面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述上環(huán)形電極材料為TiAu合金，下電 極材料為AuGeNiAu合金。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器，其特征在于，所述下DBR的反射率比上DBR的反射率高。
10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直 腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的工 作波長覆蓋深紫外到遠(yuǎn)紅外波段。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種單模大功率低發(fā)散角的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器由下至上依次由下電極、n型襯底、下DBR、有源層、氧化層、面刻光子晶體圖形的缺陷腔結(jié)構(gòu)、環(huán)形出光區(qū)的上DBR、p型蓋層和上環(huán)形電極構(gòu)成。其中，該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR表面的光子晶體區(qū)為高損耗區(qū)和耦合區(qū)，環(huán)形區(qū)和缺陷區(qū)為光輸出區(qū)域；該光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的電極蒸鍍在上DBR的p型蓋層的表面和n型襯底的下表面。利用本發(fā)明，既提高了單模輸出功率，又抑制了發(fā)散角。
文檔編號H01S5/00GK101588017SQ20081011220
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者劉安金, 周文君, 渠宏偉, 科 王, 邢名欣, 鄭婉華, 微 陳 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所