[发明专利]单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种垂直表面出光的激光器，与传统边发射半导体激光器相比有以下优点：1)光束质量好，易于光纤耦合；2)腔长非常短，纵模间距大，较宽温度范围内实现单纵模工作；3)超窄的线宽、高调制速率；4)出光方向垂直衬底，易于二维高密度集成；5)发光效率高、功耗极低；6)在片测试，低制作成本等。目前，VCSEL已广泛应用于光纤通信、工业传感、办公设备、生物医疗、激光打印、原子钟、照明显示、气体检测、高密度光存储及国防工业等方面。

但在诸多应用领域，多要求VCSEL处于具有稳定的单模工作特性，特别是高功率低发散角的单模工作。传统的制备单模VCSEL的方法是减小氧化孔径，减小有源区发光面积，导致输出功率降低，微分电阻增大、调制速率和效率降低，寿命缩短，器件整体性能下降。为了提高输出功率，需要增加氧化孔径尺寸，但热效应和空间烧孔现象将会导致高阶模式产生，使得器件性能恶化。

为了获得单模高功率VCSEL，人们采用离子注入和氧化限制相结合、表面刻蚀，反波导结构、楔形孔状、花瓣孔状结构、外腔结构等多种不同的方法，但这些方法得到的单模VCSEL，不同程度存在制作工艺复杂、重复性差、变形的高阶模式或发散角大等问题。

与其他方法相比，光子晶体VCSEL具有设计简单、可重复性好、低阈值电流、高输出功率、低发散角等潜在的优势。但截止到目前为止光子晶体VCSEL的单模输出功率仅有3.1mW。此外，光子晶体VCSEL是在其上DBR上刻蚀带有缺陷的周期性分布的空气孔，虽然可带来单模功率性能的改善，但光子晶体结构的引入，会影响注入电流的分布，导致电流扩展不均匀，影响有源区载流子分布和模式变化等。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种单模光子晶体垂直腔面发射激光器，包括：衬底；N型电极，形成于衬底的背面；N型DBR，形成于衬底的正面，用于形成电流注入通道；有源区，形成于N型DBR的上方，用于提供光增益；台形P型DBR，形成于有源区上方，用于提供高反射率，并形成电流注入通道；绝缘层，形成于台形P型DBR的侧面、除台形P型DBR覆盖面积之外的N型DBR的上方，并在台形P型DBR上方形成第一环形结构；P型电极，形成于绝缘层的上方，并在台形P型DBR上方形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径，该第二环形结构内构成激光器的出光窗口；光子晶体，形成于出光窗口下方的台形P型DBR上；以及透明导电层，形成于P型电极和第二环形结构的上方。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备方法，用于制备上述的单模光子晶体垂直腔面发射激光器，包括：制备外延片，该外延片包括衬底、及依次制备在衬底上的N型DBR、有源区和P型DBR；对外延片上的P型DBR进行刻蚀，从而形成台形P型DBR；在台形P型DBR的上方及外侧淀积绝缘层；刻蚀台形P型DBR的上方的绝缘层，形成第一环形结构；在绝缘层的上方，包括第一环形结构的上方，沉积P型电极；刻蚀第一环形结构内中心处的P型电极，形成第二环形结构，该第二环形结构的半径小于上述第一环形结构的半径，该第二环形结构内构成激光器的出光窗口；在出光窗口内的台形P型DBR上刻蚀光子晶体；在P型电极的上方，包括第二环形结构的上方，沉积透明导电层；以及刻蚀去除该单模光子晶体垂直腔面发射激光器区域外的透明导电层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明单模光子晶体垂直腔面发射激光器及其制备方法具有以下有益效果：利用透明导电层透光和导电特性，使得电流均匀的注入有源区，且透明导电层本身又不会阻碍光的出射，又不影响激光器压焊，从而解决了电流注入问题，提高了单模输出功率，预计输出功率可以提高20-40％。

附图说明

图1为根据本发明实施例透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2是图1所示在圆柱形台面上光刻制备光子晶体显微镜照片图；

图3是图1所示透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器在制备透明导电层之前的显微镜照片图；

图4是图1所示透明导电层的光子晶体垂直腔面发射激光器在制备透明导电层后的显微镜照片图；

图5是带透明导电层和不带透明导电层的光子晶体VCSEL的P-I对比曲线；