[發(fā)明專利]一種面發(fā)射激光器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011275473.4
• 申請(qǐng)日: 2020-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN112397998B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉安金;張靖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): H01S5/11
• 分類號(hào): H01S5/11;H01S5/183;H01S5/065;H01S5/042
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周天宇

本公開提供了一種面發(fā)射激光器，其特征在于，包括：襯底；多層結(jié)構(gòu)，設(shè)置在襯底上，其包括多個(gè)低折射率材料層、多個(gè)高折射率材料層及有源層，多個(gè)低折射率材料層及多個(gè)高折射率材料層交替生長形成周期性或準(zhǔn)周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，有源層位于最后生長的一層低折射率材料層上；其中，周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)中多個(gè)低折射率材料層及多個(gè)高折射率材料層的厚度分別相等，準(zhǔn)周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)中至少有一層材料層的厚度與其他同折射率材料層的厚度不等；光子晶體層，其設(shè)置在多層結(jié)構(gòu)上。本公開還提供了一種面發(fā)射激光器的制備方法。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面發(fā)射激光器及其制備方法。

背景技術(shù)

垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)由襯底、下布拉格反射鏡、有源區(qū)、氧化層或者隧道結(jié)、上布拉格反射鏡、正電極和負(fù)電極等構(gòu)成，其激光腔由沿著材料生長方向的上/下布拉格反射鏡(DBR)構(gòu)成，激光沿著材料生長方向即垂直于襯底方向輸出。由于VCSEL獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)，它具有功耗低、調(diào)制速度快、體積小、成本低、可靠性高、圓形光束、二維陣列集成等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于光通訊、光互連、打印、顯示、傳感、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector，DBR)由兩種折射率不同的材料交替排布構(gòu)成，達(dá)到99.5％的反射率需要DBR的對(duì)數(shù)在20對(duì)以上，因此整個(gè)VCSEL的厚度可到達(dá)8μm，對(duì)材料生長有極大的挑戰(zhàn)。DBR的反射帶寬有限，只有3％～9％。此外，對(duì)GaN基和InP基的VCSEL，非常難制作高質(zhì)量的DBR。近年來，人們發(fā)現(xiàn)高折射率差亞波長光柵(high-contrast grating，HCG)具有接近于1的反射率，而且反射帶寬可以達(dá)到30％，厚度只有200nm左右，具有偏振選擇性。所以，人們采用HCG替代VCSEL的全部或者部分DBR，實(shí)現(xiàn)了HCG-VCSEL的單模、單偏振工作。但是HCG-VCSEL的設(shè)計(jì)和制作也非常復(fù)雜。

目前，無論是基于DBR-DBR垂直腔結(jié)構(gòu)的VCSEL，還是基于HCG-DBR垂直腔結(jié)構(gòu)的VCSEL，還是基于HCG-HCG垂直腔結(jié)構(gòu)的VCSEL，它們都基于傳統(tǒng)的激光器工作原理，需要構(gòu)建激光腔，而且含有DBR結(jié)構(gòu)的VCSEL需要復(fù)雜的材料生長。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中上述問題，本公開提供了一種面發(fā)射激光器及其制備方法，通過多個(gè)低折射率材料層及多個(gè)高折射率材料層交替生長形成周期性或準(zhǔn)周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，通過引入周期性光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)中的布洛赫表面模的能帶折疊，從而實(shí)現(xiàn)了激光面發(fā)射功能，該面發(fā)射激光器可以實(shí)現(xiàn)單模、偏振可選擇、大出光孔徑工作，起到提高單模輸出功率的作用。

本公開的一個(gè)方面提供了一種面發(fā)射激光器，包括：襯底；多層結(jié)構(gòu)，設(shè)置在襯底上，其包括多個(gè)低折射率材料層、多個(gè)高折射率材料層及有源層，多個(gè)低折射率材料層及多個(gè)高折射率材料層交替生長形成周期性或準(zhǔn)周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，有源層位于最后生長的一層低折射率材料層上；其中，周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)中多個(gè)低折射率材料層及多個(gè)高折射率材料層的厚度分別相等，準(zhǔn)周期性的布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)中至少有一層材料層的厚度與其他同折射率材料層的厚度不等；光子晶體層，其設(shè)置在多層結(jié)構(gòu)上。

進(jìn)一步地，光子晶體層具有一維或二維周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)，其通過微納加工形成；其中，具有一維周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)為在一維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能帶折疊，具有二維周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)為二維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能帶折疊。

進(jìn)一步地，有源層下表面生長有布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，多個(gè)低折射率材料層或多個(gè)高折射率材料層中至少有一層材料層包括電流限制孔徑，其為氧化孔徑或隧道結(jié)孔徑或鋅擴(kuò)散形成的電流限制孔徑或質(zhì)子注入形成的電流限制孔徑。

進(jìn)一步地，該面發(fā)射激光器還包括P型及N型電極層，P型電極層設(shè)置在光子晶體層或有源層上，N型電極層設(shè)置在襯底背面或襯底之上。