[发明专利]内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器

说明书

技术领域

本发明是属于光电子技术领域，具体是关于一种新型垂直腔面发射半导体激光器的设计与制作。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)有低阈值电流、动态单纵模工作、小发散角的、圆对称光束、高调制带宽、易于二维集成等优势，可广泛应用于光通讯、光存储和光显示等领域。

常见的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器从结构上又分为内腔式和外腔式两种，内腔式垂直腔面发射半导体激光器材料主要由三五族化合物半导体材料通过分子束外延(MBE)或金属化学汽相淀积(MOCVD)技术外延得到。经过半导体工艺得到内腔式垂直腔面发射半导体激光器器件，其基本结构如图1所示。上金属电极(P型金属电极)1；P型欧姆接触层2；周期结构的上分布布拉格反射镜(上DBR)3，Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层4；单有源区5；周期结构下分布布拉格反射镜(下DBR)6；衬底7；N型金属电极8；氧化孔9；出光孔10。常见为单个管芯和阵列结构。

常见的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器有以下缺点：

1、传统的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器提高输出功率一般只能采用增大出光孔面积或增大电流注入的方法。采用增大出光孔面积方法会使有源区载流子密度的分布变差，中心电流密度变小，使得阈值电流增大；采用大电流注入时，有源区的载流子分布会出现空间烧孔，影响到增益和折射率的分布，出现多横模激射。

2、为实现单模工作，必须使有源区中心部分的载流子密度分布比较均匀，故一般氧化孔9小于5μm时，才较易实现单模工作。如此小的氧化孔径必然引起大的串联电阻。同时很大的串联电阻必然会产生很多热量使器件的热稳定性变差。制作小氧化孔9在工艺上很难控制。较小的氧化孔9使得有效发光面积小，单模输出功率低。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术缺点，设计和制作一种低阈值电流、小串联电阻、高单模输出功率的半导体垂直腔面发射半导体激光器。

为达到上述目的，本发明的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器将多有源区内腔式氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器与光子晶体结合设计和制作了新型的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器。

本发明的内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于：

从下至上依次为：背面电极8、衬底7、下DBR6、由反向隧道结级联的多个单有源区构成的多有源区14；氧化限制层4，氧化限制层4中心为氧化孔径为10-30μm的氧化孔；P型欧姆接触层2、上DBR3；上金属电极1；

在上DBR的端面上刻蚀1-3微米深度制作出缺陷型光子晶体结构12；缺陷型光子晶体结构的周期为1-7个微米，占空比小于0.7；该光子晶体上至少有3圈孔径为0.2-5微米空气孔11。

器件材料利用MOCVD或MBE等外延生长工艺制备。具体的制作工艺如下：在衬底7上生长下DBR6。然后生长由反向隧道结级联的多个单有源区5构成的多有源区14；Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层4；P型欧姆接触层2；上DBR 3的多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的外延材料。

再通过传统的加工工艺制作出内腔式多有源区垂直腔面发射半导体激光器未解理芯片，再在该芯片上通过电子束曝光技术(EBL)和感应耦合离子刻蚀技术(ICP)在已有的器件的出光孔10内的上DBR 3的端面上刻蚀一定深度制作出缺陷型光子晶体结构12以实现内腔式多有源区光子晶体垂直腔面发射半导体激光器结构如图2，缺陷型光子晶体如图3。

由于在本发明中引入了光子晶体结构，器件的氧化孔9的光限制功能已经被缺陷型光子晶体12代替，其主要作用为限制电流注入。为了提高器件的单模输出功率，需要增加氧化孔径，大于一般VCSEL单横模限制条件5μm，而不用考虑其激射模式分布。同时由于受到载流子扩散的影响氧化孔径也不宜过大，否则会降低载流子注入的均匀性，增加阈值电流和工作电流，不利于模式选择。所以在制作内腔式垂直腔面发射半导体激光器时制作氧化孔径为10-30μm的大氧化孔径内腔式垂直腔面发射半导体激光器。