[發明專利]單模光子晶體垂直腔面發射激光器及其制備方法

無效

• 申請號: 201310034295.X
• 申請日: 2013-01-29
• 公開（公告）號: CN103107482A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 渠紅偉;張冶金;張建心;劉磊;齊愛誼;王海玲;馬紹棟;石巖;鄭婉華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 曹玲柱

技術領域

本發明涉及半導體激光器領域，尤其涉及一種單模光子晶體垂直腔面發射激光器及其制備方法。

背景技術

垂直腔面發射激光器(VCSEL)是一種垂直表面出光的激光器，與傳統邊發射半導體激光器相比有以下優點：1)光束質量好，易于光纖耦合；2)腔長非常短，縱模間距大，較寬溫度范圍內實現單縱模工作；3)超窄的線寬、高調制速率；4)出光方向垂直襯底，易于二維高密度集成；5)發光效率高、功耗極低；6)在片測試，低制作成本等。目前，VCSEL已廣泛應用于光纖通信、工業傳感、辦公設備、生物醫療、激光打印、原子鐘、照明顯示、氣體檢測、高密度光存儲及國防工業等方面。

但在諸多應用領域，多要求VCSEL處于具有穩定的單模工作特性，特別是高功率低發散角的單模工作。傳統的制備單模VCSEL的方法是減小氧化孔徑，減小有源區發光面積，導致輸出功率降低，微分電阻增大、調制速率和效率降低，壽命縮短，器件整體性能下降。為了提高輸出功率，需要增加氧化孔徑尺寸，但熱效應和空間燒孔現象將會導致高階模式產生，使得器件性能惡化。

為了獲得單模高功率VCSEL，人們采用離子注入和氧化限制相結合、表面刻蝕，反波導結構、楔形孔狀、花瓣孔狀結構、外腔結構等多種不同的方法，但這些方法得到的單模VCSEL，不同程度存在制作工藝復雜、重復性差、變形的高階模式或發散角大等問題。

與其他方法相比，光子晶體VCSEL具有設計簡單、可重復性好、低閾值電流、高輸出功率、低發散角等潛在的優勢。但截止到目前為止光子晶體VCSEL的單模輸出功率僅有3.1mW。此外，光子晶體VCSEL是在其上DBR上刻蝕帶有缺陷的周期性分布的空氣孔，雖然可帶來單模功率性能的改善，但光子晶體結構的引入，會影響注入電流的分布，導致電流擴展不均勻，影響有源區載流子分布和模式變化等。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為解決上述的一個或多個問題，本發明提供了一種單模光子晶體垂直腔面發射激光器及其制備方法。

(二)技術方案

根據本發明的一個方面，提供了一種單模光子晶體垂直腔面發射激光器，包括：襯底；N型電極，形成于襯底的背面；N型DBR，形成于襯底的正面，用于形成電流注入通道；有源區，形成于N型DBR的上方，用于提供光增益；臺形P型DBR，形成于有源區上方，用于提供高反射率，并形成電流注入通道；絕緣層，形成于臺形P型DBR的側面、除臺形P型DBR覆蓋面積之外的N型DBR的上方，并在臺形P型DBR上方形成第一環形結構；P型電極，形成于絕緣層的上方，并在臺形P型DBR上方形成第二環形結構，該第二環形結構的半徑小于上述第一環形結構的半徑，該第二環形結構內構成激光器的出光窗口；光子晶體，形成于出光窗口下方的臺形P型DBR上；以及透明導電層，形成于P型電極和第二環形結構的上方。

根據本發明的另一個方面，還提供了一種制備方法，用于制備上述的單模光子晶體垂直腔面發射激光器，包括：制備外延片，該外延片包括襯底、及依次制備在襯底上的N型DBR、有源區和P型DBR；對外延片上的P型DBR進行刻蝕，從而形成臺形P型DBR；在臺形P型DBR的上方及外側淀積絕緣層；刻蝕臺形P型DBR的上方的絕緣層，形成第一環形結構；在絕緣層的上方，包括第一環形結構的上方，沉積P型電極；刻蝕第一環形結構內中心處的P型電極，形成第二環形結構，該第二環形結構的半徑小于上述第一環形結構的半徑，該第二環形結構內構成激光器的出光窗口；在出光窗口內的臺形P型DBR上刻蝕光子晶體；在P型電極的上方，包括第二環形結構的上方，沉積透明導電層；以及刻蝕去除該單模光子晶體垂直腔面發射激光器區域外的透明導電層。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明單模光子晶體垂直腔面發射激光器及其制備方法具有以下有益效果：利用透明導電層透光和導電特性，使得電流均勻的注入有源區，且透明導電層本身又不會阻礙光的出射，又不影響激光器壓焊，從而解決了電流注入問題，提高了單模輸出功率，預計輸出功率可以提高20-40％。

附圖說明

圖1為根據本發明實施例透明導電層的光子晶體垂直腔面發射激光器的結構示意圖；

圖2是圖1所示在圓柱形臺面上光刻制備光子晶體顯微鏡照片圖；

圖3是圖1所示透明導電層的光子晶體垂直腔面發射激光器在制備透明導電層之前的顯微鏡照片圖；

圖4是圖1所示透明導電層的光子晶體垂直腔面發射激光器在制備透明導電層后的顯微鏡照片圖；

圖5是帶透明導電層和不帶透明導電層的光子晶體VCSEL的P-I對比曲線；