專利名稱：低閾值內(nèi)腔三有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器的制作方法
技術領域：
本實用新型是屬于光電子技術領域，具體是關于一種新型垂直腔面發(fā)射 半導體激光器的設計與制作。
背景技術：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)有低閾值電流、動態(tài)單縱模工作、小發(fā)散角 的、圓對稱光束、高調(diào)制帶寬、易于二維集成等優(yōu)勢，可廣泛應用于光通訊、 光存儲和光顯示等領域。
常見的氧化限制型垂直腔面發(fā)射半導體激光器從結構上又分為內(nèi)腔式和 外腔式兩種，內(nèi)腔式垂直腔面發(fā)射半導體激光器材料主要由三五族化合物半 導體材料通過分子束外延(MBE)或金屬化學汽相淀積(M0CVD)技術外延得 到。經(jīng)過半導體工藝得到內(nèi)腔式垂直腔面發(fā)射半導體激光器器件，其基本結 構如
圖1所示。上金屬電極(P型金屬電極)1; P型歐姆接觸層2;周期結構的 上分布布拉格反射鏡(上DBR) 3， Alo訓Ga。。2As氧化限制層4;單有源區(qū)5;周
期結構下分布布拉格反射鏡(下DBR) 6;襯底7; N型金屬電極8;氧化孔9;
出光孔IO。常見為單個管芯和陣列結構。
常見的氧化限制型垂直腔面發(fā)射半導體激光器有以下缺點
1、 傳統(tǒng)的氧化限制型垂直腔面發(fā)射半導體激光器提高輸出功率一般只能 采用增大出光孔面積或增大電流注入的方法。釆用增大出光孔面積方法會使
有源區(qū)載流子密度的分布變差，中心電流密度變小，使得閾值電流增大；采 用大電流注入時，有源區(qū)的載流子分布會出現(xiàn)空間燒孔，影響到增益和折射 率的分布，出現(xiàn)多橫模激射。
2、 為實現(xiàn)單模工作，必須使有源區(qū)中心部分的載流子密度分布比較均勻，
故--般氧化孔9小于5 u m時，才較易實現(xiàn)單模工作。如此小的氧化孔徑必然 引起大的串聯(lián)電阻。同時很大的串聯(lián)電阻必然會產(chǎn)生很多熱量使器件的熱穩(wěn) 定性變差。制作小氧化孔9在工藝上很難控制。較小的氧化孔9使得有效發(fā) 光面積小，單模輸出功率低。
實用新型內(nèi)容
3本實用新型的目的在于克服以上現(xiàn)有技術缺點，設計和制作一種低閾值 電流、小串聯(lián)電阻.、高單模輸出功率的半導體垂直腔面發(fā)射半導體激光器。
本實用新型的低闊值內(nèi)腔三有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光 器，其特征在于
從下至上依次為背面電極、襯底、下DBR、由反向隧道結級聯(lián)的多個單
有源區(qū)構成的多有源區(qū)；氧化限制層，氧化限制層中心為氧化孔徑為10-30 um的氧化孔；P型歐姆接觸層、上金屬電極、上DBR;
在上DBR的端面刻蝕1-3微米深度制作出缺陷型光子晶體結構；缺陷型 光子晶體結構的周期為l-7個微米，占空比小于0。7;光子晶體缺陷腔被至少 3圈孔徑為0. 2-5微米空氣孔包圍。
器件材料利用MOCVD或MBE等外延生長工藝制備。具體的制作工藝如下 在襯底7上生長下DBR6。然后生長由反向隧道結級聯(lián)的多個單有源區(qū)5構成 的多有源區(qū)4; AL。.98Ga。.。2As氧化限制層4; P型歐姆接觸層2;上DBR 3的多 有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器的外延材料。
再通過傳統(tǒng)的加工工藝制作出內(nèi)腔式多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射半導體激光 器未解理芯片，再在該芯片上通過電子束曝光技術(EBL)和感應耦合離子刻 蝕技術(ICP)在已有的器件的出光孔10內(nèi)的上DBR 3的端面上刻蝕一定深 度制作出缺陷型光子晶體結構12以實現(xiàn)內(nèi)腔式多有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā) 射半導體激光器結構如圖2，缺陷型光子晶體如圖3。
由于在本實用新型中引入了光子晶體結構，器件的氧化孔9的光限制功 能已經(jīng)被缺陷型光子晶體12代替，其主要作用為限制電流注入。為了提高器 件的單模輸出功率，需要增加氧化孔徑，大于一般VCSEL單橫模限制條件5 wm，而不用考慮其激射模式分布。同時由于受到載流子擴散的影響氧化孔徑 也不宜過大，否則會降低載流子注入的均勻性，增加閾值電流和工作電流， 不利于模式選擇。所以在制作內(nèi)腔式垂直腔面發(fā)射半導體激光器時制作氧化 孔徑為10-30 u m的大氧化孔徑內(nèi)腔式垂直腔面發(fā)射半導體激光器。
本實用新型通過在內(nèi)腔式多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射半導體激光器中引入缺 陷型光子晶體結構12，來實現(xiàn)對多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射半導體激光器模式限 制來實現(xiàn)單模輸出。缺陷型光子晶體結構12主要在上DBR3中。這樣的結構 與實心光子晶體光纖就有所不同，器件工作的單模條件與刻蝕深度有關。首先，由于用于制作成的芯片厚度在8微米左右，在刻蝕較小的空氣孔ll時要 想完全將其刻頂部刻到底部現(xiàn)有工藝很難做到，同時刻蝕到多有源區(qū)14以后 會增加非輻射復合。所以通常刻蝕深度1-3微米左右。在刻蝕深度為1.2微 米時，對應不同的周期缺陷型光子晶體12只要其占空比(空氣孔ll直徑與 光子晶體周期比值)小于0.7就滿足單模條件。而對于刻蝕深度為3微米的 器件，器件的占空比不能大于().5。因此合理淺刻蝕引入更小的微擾將更加有 利于模式的選擇，當然在實際器件制作中，還必須考慮到器件溫度漂移對折 射率的改變， 一般而言，其影響在對有效折射率的影響在0. 01左右。所以光 子晶體的刻蝕深度不能太淺，刻蝕深度太淺會使得光子晶體的作用被正常工 作溫度漂移效應所掩蓋。通?？涛g深度在1-3微米。
對于光子晶體周期(兩空氣孔ll中心之間的距離)，由于尺寸效應當占 空比小于0.f;的時候，都可以滿足光子晶體波導結構中的單橫模條件。所以 為了獲得大功率輸出，同時方便工藝制作，采用盡可能大的光子晶體周期。 然而，實際器件中還必須考慮熱效應對材料折射率的影響，器件中心區(qū)域因 為激光諧振被材料吸收，相對外側溫度較高，內(nèi)外溫差導致材料折射率差產(chǎn) 生，為了使得器件中光子晶體調(diào)制的模式不會受到溫度漂移的影響，那么光 子晶體區(qū)域與出光缺陷孔之間的有效折射率差必須克服這種溫度漂移，光子 晶的折射率差隨著周期增加而變小。為了防止光子晶體對模式調(diào)制效應被熱 效應所湮沒，光子晶體的周期要盡量小。綜合以上考慮本實用新型采用了周 期為幾個微米的多種光子晶體周期結構。
同時，在減小空氣孔ll的直徑時，傳導模式會整體向低頻移動，高階 導波模式被限制，無法在光子晶體缺陷腔13波導中傳播。所以，占空比變小 時，導波帶中的模式明顯減少，僅僅只有基橫模能在光子晶體單缺陷腔13波 導中傳輸。此時，將光子晶體的缺陷腔13作為VCSEL的出光孔IO，直徑很 大時仍可以形成單模振蕩激射.由于光子晶體實現(xiàn)了橫向模式選擇，決定輸出 功率的氧化孔徑也可不受模式選擇的限制，只需要單獨調(diào)節(jié)電流注入。因為 內(nèi)腔式光子晶體多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射半導體激光器的電流擴散不經(jīng)過缺陷 型光子晶體12和上DBR3，所以它不會引入非輻射復合，空氣孔ll的直徑可 以不受電流注入限制?？諝饪譴l的直徑主要有占空比和工藝決定。制作了孔
5徑從0. 2-5微米的空氣孔11光子晶體。同時因為電流不經(jīng)過上DBR3也可以 減小其串聯(lián)電阻。
通過實驗發(fā)現(xiàn)光子晶體缺陷腔13的外層空氣孔11的排數(shù)越多，對光的 限制越好，隨著占空比的增大，泄露到光子晶體缺陷腔13外的光越少，當占 空比一定時，泄露隨著空氣孔ll排數(shù)的增大而減小。實現(xiàn)單模限制空氣孔ll 的圈數(shù)至少需要3圈。
缺陷型光子晶體12具體制作通過使用PECVD在器件芯片表面生長一層 Si02，再在Si()2表面甩上一層電子束膠，利用電子束曝光(EBL)技術將設計 好的圖形直寫在電子束膠上。再通過顯影將膠上得到如圖3中所示的缺陷型 光子晶體12圖形，在利用感應耦合離子刻蝕(ICP)刻蝕掉未被保護的Si02 去膠得到圖3中所示的缺陷型光子晶體12 Si02圖形。然后再用感應耦合離子 刻蝕技術(:[CP)刻蝕、去除殘余的Si02就把缺陷型光子晶體12制作出來了。 除了以上制備方法外還可以通過用深紫外光光刻的方法，用光刻膠掩膜制備 缺陷型光子晶體]2。具體步驟是依次用丙酮乙醇去離子水洗凈器件芯片，然 后烘干、在器件芯片表面甩上一層光刻膠、前烘堅膜、光刻、顯影、后烘、 ]:CP刻蝕、去膠。也可得到缺陷型光子晶體12。
通過以上各種方法制備的缺陷型光子晶體12就可以與內(nèi)腔式多有源區(qū)垂 直腔面發(fā)射激光器進行橫向的模式耦合將激光器的高階模被抑制?；鶛M模則 不會被損耗從光子晶體的缺陷腔13出射到空氣中。同時光子晶體缺陷腔13 提高了其相對周圍區(qū)域的有效折射率，與實心光子晶體光纖工作原理相似， 可形成導波結構對橫模進行更有效的控制，使其在出光孔徑較大時依然可以 實現(xiàn)單橫模工作。這樣在保證單模工作同時，氧化孔徑可相對增加到幾十微 米，使得隧道再生多有源區(qū)垂直腔面發(fā)射半導體激光器可以在大功率下獲得 單模輸出，單模功率從原來lmW以下提高到幾個毫瓦。同時也降低串連電阻 一般氧化限制型垂直腔面發(fā)射激光器的串聯(lián)電阻在幾百歐姆，而內(nèi)腔式多有 源區(qū)的光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器的電阻可以小到幾十歐姆以下。 從而減少熱效應的不利影響并有利于器件高速調(diào)制特性。得到了更高的邊模 抑制比實驗可制得大于幾十分貝內(nèi)腔式多有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導 體面發(fā)射激光器。本實用新型有效的將光子晶體和多有源區(qū)結合起來，可以有效的降低
VCSEL的閾值電流，實現(xiàn)單橫模高功率面發(fā)射激光器。實現(xiàn)了多有源縱向光 耦合與光子晶體單模傳輸特性相結合的多有源高增益單模光子晶體VCSEL
器件制備，獲得低閾值單模高功率輸出。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點
1、 單模工作的氧化孔9可以從原來的幾個微米增加到幾十微米，極 大地減小了器件的串聯(lián)電阻，從而提高了器件的熱穩(wěn)定性，器件 具有更長的使用壽命。
2、 實現(xiàn)了多有源縱向光耦合與光子晶體單模傳輸特性相結合，單模 工作狀態(tài)下的發(fā)光面積增大，單模功率比普通的氧化限制型和普 通的光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器的功率大，獲得低閾值 單模高功率輸出。
3、 更強的抗干擾能力、更高的傳輸速度、(幾十分貝以上的的邊模 抑制比)更窄線寬、更強的調(diào)制特性、同時通過使用非對稱光子 晶體結構可以控制激光器的偏振方向。
4、 缺陷型光子晶體12對電流擴散不會產(chǎn)生影響，閾值電流不會因為 加入缺陷型光子晶體12而增加。缺陷型光子晶體12只影響其傳 播模式。
以下結合附圖及實施例對本實用新型進一步詳細說明
上金屬電極(P型金屬電極)1; P型歐姆接觸層2;周期交替生長的上分
布布拉格反射鏡(上DBR) 3; Al。.98Gao.。2As氧化限制層4;周期交替生長
的下分布布拉格反射鏡(下DBR) 6;襯底7; N型金屬電極8;氧化孔9;
出光孔10;空氣孔11;缺陷型光子晶體12光子晶體缺陷腔13、多有源區(qū) 14。
圖1、內(nèi)腔式氧化限制型垂直腔面發(fā)射半導體激光器
圖2、內(nèi)腔式多有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器
圖3、缺陷型光子晶體示意圖
具體實施方式
7從下至上依次為背面電極8、襯底7、下DBR6、由反向隧道結級聯(lián)的多 個單有源區(qū)構成的多有源區(qū)14 ;氧化限制層4，氧化限制層4中心為氧化孔 徑為10-30ym的氧化孔；P型歐姆接觸層2、上DBR3;上金屬電極l;
在上DBR的端面上刻蝕1-3微米深度制作出缺陷型光子晶體結構]2;缺 陷型光子晶體結構的周期為1-7個微米，占空比小于0.7;該光子晶體上至少 有3圈孔徑為().2-5微米空氣孔11。 (以波長850nm為例)
1、 通過在在W型GaAs襯底上生長得到襯底7利用M0CVD方法依次在 襯底上生長O,. 3微米的GaAs緩沖層然后再生長N+Al。.,Ga。.9As (60nm摻雜濃度3X 1018cm—3)禾卩。11.。.^3。.^(68. 19醒摻雜濃度3 X l()17cra—3)構成的28個周期的下 DBR6、 In。.uiAL?！?Ga。.7As和Al。.22Ga。.78AS組成的單有源區(qū)5經(jīng)重摻雜的IfGaAs和 P+GaAs反向隧道節(jié)級聯(lián)的多有源區(qū)(三有源區(qū))14、 Al。.98Ga(,.。2As(30nm摻雜濃 度lXl(Tcm,氧化限制層4、 Al。.,Ga。.9As重摻雜的歐姆接觸層2、不摻雜的 Al^Ga。,9As (60nm)和Al。力Ga。.iAs (68. 19nm)構成的24周期的上DBR3。
2、 再利用傳統(tǒng)的的氧化限制性垂直腔面發(fā)射半導體激光器的制作工藝制 作出臺面75-95微米、出光孔10孔徑40-50微米、氧化孔徑10-30微米、500納 米TiAu的P電極l的多有源區(qū)氧化限制性垂直腔面發(fā)射半導體半成品芯片(不 作減薄、濺射背面電極和解離工藝)
3、 將以次用丙酮和無水乙醇以及去離子水洗凈烘干的樣品放入到化學汽 相淀積(PECVD)在樣品表面淀積一層厚度300納米左右致密的Si02氧化膜。
4、 然后再在淀積了Si02氧化膜的表面甩上一層Z印520電子束膠，前烘堅 膜、再將樣品放入電子束曝光機中曝光、顯影、后烘在膠上得到所需圖形。 圖形中光子晶體的周期從0.5-7微米。占空比從O. 1-0.5空氣孔的孔徑從200 納米到3.5微米。(膠上圖形如圖3)
5、 用感應耦合離子刻蝕(ICP)刻蝕掉未被保護的Si02氧化膜、去膠。將 膠上圖形轉移到Si02氧化膜上。(Si02上圖形如圖3)
6、 將帶有Si02掩膜的樣品放入到感應耦合離子刻蝕(ICP)的真空室中刻 蝕。刻蝕深度1-3微米，將刻蝕后的樣品用Si02腐蝕液漂去表面剩余的Si02掩 膜。7、減薄到100微米左右、濺射背面電極8 (背面電極AuGeNiAu厚度300nm)、 合金、解離、壓焊。就可得到所需要的激光器。
用儀器測量了以下幾種內(nèi)腔多有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光
器
通過使用光譜分析儀測試周期為7微米占空比為0. 15的刻蝕深度1. 5微米
單缺陷內(nèi)腔式多有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)現(xiàn)其譜線寬為 0.3納米，邊模抑制比45dB。用近場光學顯微鏡觀察其光斑特性顯示其為單 模。用激光測試系統(tǒng)測試其單模功率3.0mW。閾值電流3.3mA、串聯(lián)電阻 37歐姆。
周期為7微米占空比為0.4的刻蝕深度3微米單缺陷內(nèi)腔式多有源區(qū)光子 晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)現(xiàn)其譜線寬為O. 2納米，邊模抑制比35dB 、 單模功率2.8mW、閾值電流3. lmA、串聯(lián)電阻30歐姆。
周期為5微米占空比為0.2的刻蝕深度2微米單缺陷內(nèi)腔式多有源區(qū)光子 晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)現(xiàn)其譜線寬為O. 5納米，邊模抑制比40D B。單模功率2。5mW。閾值電流2. 7mA、串聯(lián)電阻41歐姆。
周期為5微米占空比為0. 5的刻蝕深度2. 5微米單缺陷內(nèi)腔式多有源區(qū)光 子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)現(xiàn)其譜線寬為O. 5納米，邊模抑制比40D B。單模功率2。0mW。閾值電流1.9mA、串聯(lián)電阻35歐姆。
周期為1微米占空比為0.2的刻蝕深度1微米單缺陷內(nèi)腔式多有源區(qū)光子 晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)現(xiàn)其譜線寬為O. 2納米，邊模抑制比45D B。單模功率1.2mW。閾值電流0.9mA、串聯(lián)電阻73歐姆。
周期為l微米占空比為O. 5的刻蝕深度1. 2微米單缺陷內(nèi)腔式多有源區(qū)光 子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器發(fā)現(xiàn)其譜線寬為O. 5納米，邊模抑制比40D B、單模功率LOmW、閾值電流0.8mA、串聯(lián)電阻57歐姆。
可見性能明顯優(yōu)于其他光子晶體垂直腔面設半導體激光器和傳統(tǒng)氧化限 制型垂直腔面發(fā)射半導體激光器。
權利要求1.低閾值內(nèi)腔三有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器，其特征在于從下至上依次為背面電極、襯底、下DBR、由反向隧道結級聯(lián)的多個單有源區(qū)構成的多有源區(qū)；氧化限制層，氧化限制層中心為氧化孔徑為10-30μm的氧化孔；P型歐姆接觸層、上金屬電極、上DBR；在上DBR的端面刻蝕1-3微米深度制作出缺陷型光子晶體結構；缺陷型光子晶體結構的周期為1-7個微米，占空比小于0.7；光子晶體缺陷腔被至少3圈孔徑為0.2-5微米空氣孔包圍。
專利摘要低閾值內(nèi)腔三有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體激光器，屬于半導體光電子領域。普通氧化限制性垂直腔面發(fā)射半導體激光器多橫模激射、單模輸出功率低、閾值電流大、串聯(lián)電阻大等問題。本實用新型在器件的有源區(qū)上采用了多有源區(qū)結構。同時將缺陷型光子晶體結構引入到垂直腔面發(fā)射半導體激光器的上DBR中，通過合理的優(yōu)化光子晶體周期，空氣孔徑，刻蝕深度，器件直徑，氧化孔徑等，得到了單模工作氧化孔徑幾十微米、單模功率幾個毫瓦、串聯(lián)電阻幾十歐姆、邊模抑制40分貝以上的內(nèi)腔式多有源區(qū)光子晶體垂直腔面發(fā)射半導體面發(fā)射激光器。
文檔編號H01S5/183GK201435527SQ20092010974
公開日2010年3月31日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權日2009年6月26日
發(fā)明者劉英明, 晨 徐, 王寶強, 王春霞, 解意洋, 強 闞 申請人:北京工業(yè)大學