[发明专利]一种3D光子晶体调控的激光芯片及制备方法

说明书

本发明提供一种3D光子晶体调控的激光芯片，包括沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层、脊波导；以及3D光子晶体，所述3D光子晶体为多个纳米球形结构，分布在所述脊波导的两侧；以及围坝，所述围坝设置在所述激光芯片的边缘，所述围坝、所述上限制层的表面以及所述脊波导的侧面组成凹槽，所述3D光子晶体填充所述凹槽。该结构通过刻蚀脊形波导的过程，同时在脊两侧形成围栏；利用纳米球旋涂自组装技术在沟槽里面形成分段3D光子晶体。从而起到类似侧壁光栅的效果，有效的提高了激光芯片的光斑特性，实现半导体激光器窄线宽、波长可调谐等特性。

技术领域

本发明涉及法布里-珀罗激光器，涉及一种3D光子晶体调控的激光芯片的制备方法，属于半导体激光芯片技术领域。

背景技术

GaAs基大功率半导体激光器现已被广泛应用于生产加工、激光通信、医疗美容、自动控制以及军事武器等众多领域。在进一步提高大功率GaAs激光器的性能方面，主要从两方面提升，一是尽可能的提高激光芯片的功率，另外就是提高激光芯片的光学质量如实现单模，改善光斑质量等。一个很好的方法能实现单模激射是通过分布式光栅对FP激光器的光学模式进行调控，此种激光器也称之为DFB激光器(分布反馈半导体激光器)。通常这种光栅结构是制备在脊形条的顶部，但是这种结构会部分刻蚀顶部的欧姆接触层，影响整个器件的电学特性。而且为了加强顶部光栅与有源区的耦合，必须接近两者的距离，这导致P-限制层的厚度太小，从而影响了光场的限制，进一步影响了激光器的性能。为了克服这方面的问题，CN107482477A提出用侧壁光栅，这种光栅能与有源区很好的耦合，同时不影响接触特性。但是引入侧壁光栅时，必然是增加了侧壁的表面积，而载流子的输运尽管有脊条的限制，但是其是存在明显的载流子向脊条边缘横向扩展的现象。因此侧壁表面积的增加，从而导致了侧壁缺陷复合的增加，会严重影响激光器的载流子注入交流，降低激光功率。另外就是光栅型激光器通常都要求微纳光刻工艺和刻蚀工艺，这也严重影响器件制备成本。CN103812006A 也提出，3D光子晶体结构具备光子禁带效果，光场调控作用更强，可以利用3D光子晶体作为激光器阵列的隔离和模式调控，但是常规3D光子晶体通过半导体工艺制备困难。

发明内容

本发明的目的为针对当前侧壁光栅型GaAs基激光芯片的侧壁表面积太大，侧壁缺陷复合会增加，电光转换效率较低的缺点，提供一种3D光子晶体调控的激光芯片及制备方法。本发明通过在激光芯片的脊波导两侧中形成围坝，从而利用纳米球的模板自组装技术特点，低成本的在激光芯片两侧制备出3D 光子晶体，且在两侧不同段采用不同3D光子晶体，实现光限制的变化，从而可以有效调控激光芯片的光学模式，同时利用分段光子晶体结构，其光子晶体沿着激射方向存在折射率差，从而引起内部光场突变，使光场产生聚集效应，从而可以减少光的发射角度，提高出光的光束质量。

本发明提供一种3D光子晶体调控的激光芯片，包括：

沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层、脊波导；以及3D光子晶体，所述3D光子晶体为纳米球形结构，分布在所述脊波导的两侧；以及围坝，所述围坝设置在所述激光芯片的边缘，所述围坝、所述上限制层的表面以及所述脊波导的侧面组成凹槽，所述3D光子晶体填充所述凹槽，一阴极电极分布在所述衬底层的下方，一阳极电极分布在所述脊波导的上方。

所述3D光子晶体调控的激光芯片还包括前端面和后端面，前端面和后端面设置在激光芯片沿着激光发射方向的两个侧面，所述前端面镀有增透膜，所述后端面镀有反射膜，组成一谐振腔结构，激光芯片产生的激光最终在所述增透膜上输出。

所述3D光子晶体调控的激光芯片还包括钝化层，所述钝化层包覆除了所述3D光子晶体、阴极电极、阳极电极、所述脊波导、反射膜和反射膜以外的激光芯片部分。

具体的，所述3D光子晶体为纳米球紧密堆叠而成；