專利名稱：環(huán)形腔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，尤其涉及一種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面 發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)以其光束垂直襯底出射、光束對稱好、低功耗、易于 實(shí)現(xiàn)單模工作和二維陣列集成等優(yōu)勢，在光通信、光存儲、光互聯(lián)、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。在眾多應(yīng)用場合都要求 VCSEL單模大功率工作，當(dāng)氧化孔徑很小時，容易實(shí)現(xiàn)單橫模工作，卻限制了輸出功率。實(shí)驗 結(jié)果表明當(dāng)氧化孔徑減小到3 y m時，波長為850nm的VCSEL能夠?qū)崿F(xiàn)單模輸出，但是它的 最大輸出功率不到3mW。為了提高輸出功率，需增大氧化孔徑尺寸，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。為了實(shí)現(xiàn)單模大功率VCSEL，基于模式的選擇損耗機(jī)制，有如文獻(xiàn)1 "H. Martinsson, J. A. Vuku ^ si ' c, K. J. Ebeling, et al.，IEEE PH0T0NICSTECHN0L0GY LETTERS, 1999(11) : 1536”報道的表面刻蝕結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn) 2 :"Delai Zhou, Luke J. Mawst,IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2002 (38) : 1599” 報道的反波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，和文獻(xiàn) 3 :“Akio Furukawa, Satoshi Sasaki, Mitsunari Hoshi, Atsushi Matsuzono, et al. , Appl. Phys. Lett. 2004(85) :5161”報道的三角孔狀結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)都實(shí)現(xiàn)了單模大功率激射，但是 需要精確控制，制作工藝復(fù)雜。而光子晶體為改善光電子器件的性能提供了一個絕佳的平臺，光子晶體垂直腔面 發(fā)射激光器就是一個成功典范。在光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器(PC-VCSEL)中，氧化孔 徑比出光孔徑大，所以氧化孔徑只限制電流，光場由光子晶體空氣孔限制。我們知道，在垂 直腔面發(fā)射激光器中，輸出功率正比于有源區(qū)面積，因此在光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器 中，缺陷腔的大小決定了輸出功率。由于單缺陷腔的輸出功率始終有限，而出光孔徑改為7 孔缺陷腔時又會導(dǎo)致高階模的產(chǎn)生，所以文獻(xiàn)4 “ James J. Raftery, Jr. , Ann C. Lehman, Aaron J. Danner, et al. , Appl. Phys. Lett. 2006 (89) :081119” 報道了通過微調(diào)耦合區(qū)空 氣孔的大小制作了 2X1和2X2陣列的光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，并得到了相干耦合 輸出的PC-VCSEL，其遠(yuǎn)場分布在原點(diǎn)有一個主瓣。但是，無論是雙腔耦合還是四腔耦合的 PC-VCSEL，由于其有源區(qū)的面積有限，其輸出功率仍受到限制。

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環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光 器，以克服單缺陷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，并基于相干耦 合實(shí)現(xiàn)光束低發(fā)散角輸出的目的。( 二)技術(shù)方案
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為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，該垂 直腔面發(fā)射激光器由下至上依次由下電極1、n型襯底2、下DBR3、有源區(qū)4、氧化層5、刻有 空氣孔的上DBR6、p型蓋層7和上環(huán)形電極8、空氣孔區(qū)9和環(huán)形出光孔區(qū)10構(gòu)成。上述方案中，所述空氣孔區(qū)9中的空氣孔是三角晶格排列的光子晶體空氣孔，或 者是四方晶格排列的光子晶體空氣孔。上述方案中，所述三角晶格排列光子晶體空氣孔或者四方晶格排列的光子晶體空 氣孔，其元胞是圓形空氣孔型、橢圓形空氣孔型或者方形空氣孔型。上述方案中，所述環(huán)形出光孔區(qū)10為被空氣孔包圍的區(qū)域。上述方案中，所述空氣孔區(qū)9是高損耗區(qū)。上述方案中，該垂直腔面發(fā)射激光器所設(shè)計的氧化孔徑比環(huán)形出光孔的外徑大。上述方案中，所述空氣孔區(qū)9中空氣孔的刻蝕深度為上DBR3厚度的40% 80%。上述方案中，所述上環(huán)形電極8蒸鍍在p型蓋層7的表面，所述下電極1蒸鍍在n 型襯底2的下表面。上述方案中，所述上環(huán)形電極8采用的材料為TiAu合金，下電極1采用的材料為 AuGeNiAu 合金。上述方案中，所述下DBR3的反射率高于所述上DBR6的反射率。上述方案中，該垂直腔面發(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)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器增了有源區(qū)的面積，提 高了輸出功率，有望實(shí)現(xiàn)10mW量級的功率輸出。2、本發(fā)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，可被簡化為一個2X 1 的垂直腔面發(fā)射激光器陣列，能夠?qū)崿F(xiàn)相干耦合輸出，在提高輸出功率的同時輸出低發(fā)散 角光束。3、本發(fā)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，由于其氧化孔徑很 大，既減小了微分電阻，提高了效率，又延長了器件的壽命和可靠性。


圖1為本發(fā)明提供的這種環(huán)形腔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、y坐標(biāo)方向代表器件水平方向；圖2為本發(fā)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR刻有三角 晶格排列的圓形空氣孔的環(huán)形腔光子晶體面發(fā)射激光器的表面形貌俯視示意圖，其中心空 氣孔也可以被調(diào)大或者調(diào)小；圖3為本發(fā)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR刻有四方 晶格排列的圓形空氣孔的環(huán)形腔光子晶體面發(fā)射激光器的表面形貌俯視示意圖，其中心空 氣孔也可以被調(diào)大或者調(diào)??；圖4為本發(fā)明第一個實(shí)例提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的上 DBR的掃描電子顯微鏡圖，其中心孔被調(diào)大；圖5為本發(fā)明第一個實(shí)例提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器測量得到的功率-電流-電壓曲線。圖6為本發(fā)明第一個實(shí)例提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器在電 流34毫安時測量得到的遠(yuǎn)場分布。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為空氣孔區(qū)，10為環(huán)形出光孔區(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)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，該垂 直腔面發(fā)射激光器由下至上依次由下電極1、n型襯底2、下DBR3、有源區(qū)4、氧化層5、刻有 空氣孔的上DBR6、p型蓋層7和上環(huán)形電極8、空氣孔區(qū)9和環(huán)形出光孔區(qū)10構(gòu)成。所述空氣孔區(qū)9中的空氣孔是三角晶格排列的光子晶體空氣孔，或者是四方晶格 排列的光子晶體空氣孔。所述三角晶格排列光子晶體空氣孔或者四方晶格排列的光子晶體空氣孔，其元胞 是圓形空氣孔型、橢圓形空氣孔型或者方形空氣孔型。所述環(huán)形出光孔區(qū)10為被空氣孔包圍的區(qū)域。所述空氣孔區(qū)9是高損耗區(qū)。該垂直腔面發(fā)射激光器所設(shè)計的氧化孔徑比環(huán)形出光孔的外徑大。所述空氣孔區(qū)9中空氣孔的刻蝕深度為上DBR3厚度的40% 80%。所述上環(huán)形電極8蒸鍍在p型蓋層7的表面，所述下電極1蒸鍍在n型襯底2的 下表面。所述上環(huán)形電極8采用的材料為TiAu合金，下電極1采用的材料為AuGeNiAu合
^^ o所述下DBR3的反射率高于所述上DBR6的反射率。該設(shè)計中的垂直腔面發(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和圖3所示，圖2和圖3分別為本發(fā)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔 面發(fā)射激光器的上DBR刻有三角晶格排列的光子晶體圓形空氣孔的環(huán)形腔光子晶體垂直 腔面發(fā)射激光器的表面形貌俯視示意圖和上DBR刻有四方晶格排列的光子晶體圓形空氣 孔的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的表面形貌俯視示意圖。圖中9為光子晶體區(qū)， 10為環(huán)形出光孔。光子晶體區(qū)9的光子晶體周期為A、占空比(空氣孔的直徑和周期的比 值)為d/A、刻蝕深度為h?；趫D1、圖2和圖3所述的這種環(huán)形腔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)明提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器作進(jìn)一步詳細(xì)說 明。本實(shí)施例中這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器的工作波長為0. 85 y m。本 實(shí)例的垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR的表面形貌俯視示意圖如圖4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 Al0.12Ga0.88As/Al0.9Ga0. .ks, 有源區(qū)為3對GaAs/AlGaAs量子阱，氧化孔徑為25 y m，上DBR為20. 5對p型Ala 12Ga0.88As/
5Alo^Gao^As ；上DBR表面刻有三角晶格排列的光子晶體圓形空氣孔圖形，中心孔的直徑 為3. 8 y m，中心空氣孔最鄰近的一圈空氣孔被去除形成了環(huán)形出光孔，光子晶體的周期為 5 U m,空氣孔的直徑為3 u m，刻蝕深度為10對DBR ；出光孔徑周圍是光子晶體空氣孔形成的 高損耗區(qū)。本實(shí)施例的測量結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5是依照本發(fā)明第一個實(shí)例提供的這 種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器測量得到的功率-電流-電壓曲線，其最大的輸出 功率為4. 6毫瓦。圖6是依照本發(fā)明第一個實(shí)例提供的這種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射 激光器在電流34毫安時測量得到的遠(yuǎn)場分布，其半高寬度為7. 2度。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)施例而已，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)。
權(quán)利要求
一種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該垂直腔面發(fā)射激光器由下至上依次由下電極(1)、n型襯底(2)、下DBR(3)、有源區(qū)(4)、氧化層(5)、刻有空氣孔的上DBR(6)、p型蓋層(7)和上環(huán)形電極(8)、空氣孔區(qū)(9)和環(huán)形出光孔區(qū)(10)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述空 氣孔區(qū)(9)中的空氣孔是三角晶格排列的光子晶體空氣孔，或者是四方晶格排列的光子晶 體空氣孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述三 角晶格排列光子晶體空氣孔或者四方晶格排列的光子晶體空氣孔，其元胞是圓形空氣孔 型、橢圓形空氣孔型或者方形空氣孔型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述環(huán) 形出光孔區(qū)(10)為被空氣孔包圍的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述空 氣孔區(qū)(9)是高損耗區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該垂直 腔面發(fā)射激光器所設(shè)計的氧化孔徑比環(huán)形出光孔的外徑大。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述空 氣孔區(qū)(9)中空氣孔的刻蝕深度為上DBR(3)厚度的40% 80%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔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(8)蒸鍍在p型蓋層(7)的表面，所述下電極(1)蒸鍍在n型襯底(2)的下表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔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(8)采用的材料為TiAu合金，下電極(1)采用的材料為AuGeNiAu合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述下 DBR(3)的反射率高于所述上DBR(6)的反射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該垂直 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)明公開了一種環(huán)形腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，該垂直腔面發(fā)射激光器由下至上依次由下電極(1)、n型襯底(2)、下DBR(3)、有源區(qū)(4)、氧化層(5)、刻有空氣孔的上DBR(6)、p型蓋層(7)和上環(huán)形電極(8)、空氣孔區(qū)(9)和環(huán)形出光孔區(qū)(10)構(gòu)成。其中，該垂直腔面發(fā)射激光器的上DBR表面的空氣孔區(qū)為高損耗區(qū)，空氣孔包圍的環(huán)形區(qū)域為光輸出區(qū)；該垂直腔面發(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，能實(shí)現(xiàn)相干耦合輸出，提高激光器的輸出功率，改善激光器的光束質(zhì)量。
文檔編號H01S5/30GK101867153SQ200910081989
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者劉安金, 周文君, 渠宏偉, 邢名欣, 鄭婉華, 陳微, 陳良惠 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所