專利名稱：一種優(yōu)化光子晶體面發(fā)射激光器方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化光子晶體面發(fā)射激光器性能的新方法，特別是ー種基于氧化限制型面發(fā)射激光器和ニ維光子晶體橫向耦合基礎(chǔ)的氧化孔徑與光子晶體缺陷孔徑縱向耦合匹配的新方法，該方法可應(yīng)用于各種類型材料的氧化限制型光子晶體面發(fā)射激光器， 屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)有低閾值電流、動態(tài)單縱模工作、小發(fā)散角的、圓對稱光束、高調(diào)制帶寬、易于ニ維集成等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于光通訊、光存儲和光顯示等領(lǐng)域。常見的氧化限制型垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器材料主要由三五族化合物半導(dǎo)體材料通過分子束外延(MBE)或金屬化學(xué)汽相淀積(MOCVD)技術(shù)外延得到。經(jīng)過半導(dǎo)體エ藝得到面發(fā)射激光器器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖I所示。常見為單個管芯和陣列結(jié)構(gòu)。在很多應(yīng)用中需要器件工作在單模高功率狀態(tài)，然而普通的氧化限制型面發(fā)射激光器要實(shí)現(xiàn)單模工作，必須使有源區(qū)中心部分的載流子密度分布比較均勻，故一般氧化孔的直徑要小于5 y m才可以使器件實(shí)現(xiàn)單模工作。如此小的氧化孔直徑必然引起大的串聯(lián)電阻。同時(shí)很大的串聯(lián)電阻必然會產(chǎn)生很多熱量使器件的熱穩(wěn)定性變差。同時(shí)，制作如此小的氧化孔直徑在エ藝上很難實(shí)現(xiàn)，小的氧化孔直徑也使得有效發(fā)光面積減小，單模輸出功率低。光子晶體結(jié)構(gòu)引入到面發(fā)射激光器(通過在面發(fā)射激光器的反射鏡上刻蝕缺陷型光子晶體空氣孔)是實(shí)現(xiàn)單模大功率面發(fā)射激光器的方法之一。且制備技術(shù)相對簡單， 易于移植到各種材料體系。目前，制約光子晶體面發(fā)射激光器性能的有閾值電流過大，發(fā)光效率過低等因素，其主要是由于光子晶體的刻蝕損傷帶來的非輻射符合和光子晶體孔所產(chǎn)生模式泄露和散射損耗等造成的，其中最重要的是注入電流區(qū)域過大高價(jià)模式激射無法激射，大部分能量都以其他形式損耗棹。為了克服光子晶體面發(fā)射激光器以上問題，我們利用氧化孔徑和光子晶體缺陷孔徑縱向耦合匹配方案成功解決了以上問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服以上現(xiàn)有光子晶體面發(fā)射激光器的技術(shù)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制作 ー種低閾值電流、小串聯(lián)電阻、高單模輸出功率的面發(fā)射激光器。一種優(yōu)化光子晶體面發(fā)射激光器方法，所述激光器結(jié)構(gòu)依次為上金屬電極、P型歐姆接觸層、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡、氧化限制層、有源區(qū)，下分布布拉格反射鏡、襯底、N型金屬電極、氧化孔、出光孔、光子晶體空氣孔，光子晶體缺陷孔；其特征在于氧化孔的直徑比光子晶體缺陷孔的直徑大ー個光子晶體空氣孔的直徑 b,即 D = d+bo我們知道面發(fā)射激光器的閾值電流Ith由下式確定 み=兀^)2Jth。其中D為氧化孔 9的直徑，Jth是電流密度。在一定的范圍內(nèi)只要保證Jth不變，縮小氧化孔9的直徑D是ー種有效的降低器件閾值電流的方法。光子晶體面發(fā)射激光器是通過在氧化限制型面發(fā)射激光器的上分布布拉格反射鏡3上刻蝕缺陷型光子晶體空氣孔11來實(shí)現(xiàn)的。氧化孔9的直徑D同樣是決定氧化限制型光子晶體面發(fā)射激光器閾值電流的最主要的因素之一。但同時(shí)激射功率由光子晶體缺陷孔13的直徑d決定，通常選用較大的氧化孔9直徑D(即氧化孔9 直徑D遠(yuǎn)大于光子晶體缺陷孔13的直徑d)，以保證光子晶體對光的限制作用而得到單模、 高功率輸出。但在實(shí)際應(yīng)用中要求器件具有較低的閾值電流，要求采取盡量小的氧化孔9 直徑D ;而為保持大的功率，則要求采取盡量大的光子晶體缺陷孔13直徑d。制備低閾值單模高功率的器件的關(guān)鍵是這氧化孔9和光子晶體缺陷孔13的合理匹配耦合。當(dāng)光子晶體缺陷孔13的直接d和氧化孔9的直徑D接近時(shí)，器件的模式特性不僅受到ニ維缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu)12的調(diào)制，同時(shí)還要受到氧化限制層4的影響。只有通過合理的匹配光子晶體缺陷孔13和氧化孔9之間的關(guān)系才可以制備出高性能的光子晶體面發(fā)射激光器。在分析光子晶體面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的模式問題中，我們將氧化限制層4和氧化孔9的作用考慮進(jìn)去，利用3D-FDTD方法進(jìn)行模擬。通過模擬分析可以得到不同模式對應(yīng)的模式損耗和光強(qiáng)分布。得到了光子晶體缺陷孔13直徑d與氧化孔9的直徑D的關(guān)系即 D-d/b彡I (b為光子晶體空氣孔11的直徑)，器件可以工作在單模狀態(tài)下。通過以上分析可知，當(dāng)器件的氧化孔9的直徑比光子晶體缺陷孔13的直徑大ー個光子晶體空氣孔11的直徑b時(shí)，器件可實(shí)現(xiàn)單模工作，即D = d+b。此時(shí)器件具有最佳的氧化孔9和光子晶體缺陷孔13匹配條件，既提高單基模占整個激射模式輸出功率的比例，同時(shí)又使器件的高階模式被抑制，使器件工作在低閾值電流和單模高功率狀態(tài)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、制備エ藝簡單，不需要復(fù)雜的エ藝條件，在普通的商業(yè)化的面發(fā)射激光器的外延芯片上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件的單模大功率和低閾值工作。2、匹配耦合結(jié)構(gòu)可以有效降低器件閾值電流和増大單模出光功率，減少器件的發(fā)熱使器件具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的傳輸速度、(幾十分貝以上的的邊模抑制比)更窄線寬、更強(qiáng)的調(diào)制特性。3、適用于各種波長光子晶體面發(fā)射激光器中和各種結(jié)構(gòu)光子晶體面發(fā)射激光器。 (主要包括正方晶格、三角晶格、正方晶格結(jié)構(gòu)多孔缺陷、三角晶格多孔缺陷以及橢圓孔結(jié)構(gòu)光子晶體面發(fā)射激光器)


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)ー步詳細(xì)說明上金屬電極(P型金屬電極)I ;P型歐姆接觸層2 ;周期交替生長的上分布布拉格反射鏡(上DBR) 3 ；Al0.98Ga0.02As氧化限制層4 ;有源區(qū)5，下分布布拉格反射鏡(下DBR) 6 ； 襯底7 ;N型金屬電極8 ;氧化孔9 ;出光孔10 ;光子晶體空氣孔11 ;缺陷型光子晶體結(jié)構(gòu) 12 (包括11和13);光子晶體缺陷孔13。圖I、氧化限制型面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2、光子晶體面發(fā)射激光器氧化孔與光子晶體缺陷孔匹配器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3、氧化孔與光子晶體缺陷孔匹配器件正面圖。圖4、氧化孔與光子晶體缺陷孔匹配器件三維立體圖。
具體實(shí)施例方式為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案我們采用了以下方法制備了器件。選擇有結(jié)構(gòu)的外延片，通過常規(guī)的半導(dǎo)體エ藝制備出氧化孔9和光子晶體缺陷孔13滿足匹配耦合條件的氧化限制型面發(fā)射激光器。解理、壓焊、測試。發(fā)現(xiàn)器件閾值電流比未采匹配耦合的器件降低了ー個量級，單基模功率比未采用器件増加了 30%。驗(yàn)證了我們方案的可行性。(以波長850nm，光子晶體晶格周期5微米光子晶體空氣孔直徑2.5微米單孔缺陷和光子晶體周期為2微米和光子晶體空氣孔直徑為I微米的七孔缺陷結(jié)構(gòu)為例)通過在N+GaAs襯底7上外延AlaiGaa9As (60nm摻雜濃度3 X IO18CnT3)和 n+Al0 9Ga0 :As (68. 19nm 慘雜濃度 3X 1017cm 3)構(gòu)成的 28 個周期的下 DBR6、GaAs 和 Al0.3Ga0.7AS 組成的有源區(qū) 5A10.98Ga0.02As (30nm 摻雜濃度 I X IO18CnT3)氧化限制層 4、P+ 摻雜的AlaiGaa9As^Onm)和Ala9Gaa As (68. 19nm)交替生長構(gòu)成的24周期的上DBR3、 AlaiGaa9As重?fù)诫s的歐姆接觸層2，利用傳統(tǒng)的氧化限制性垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作エ藝制作出臺面65微米、出光孔10孔徑40微米、氧化孔9為7-15微米、500納米TiAu 的P電極I的氧化限制型面發(fā)射激光器芯片(不作減薄、濺射背面電極和解離エ藝)。將以次用丙酮和無水こ醇以及去離子水洗凈烘干的樣品放入到化學(xué)汽相淀積(PECVD)在樣品表面淀積ー層厚度300納米左右致密的SiO2氧化膜。然后再在淀積了 SiO2氧化膜的表面甩上ー層Z印520電子束膠，前供、電子束曝光、顯影、后供。得到周期分別為5微米、2微米和光子晶體空氣孔的直徑分別為2. 5微米和I微米的光子晶體圖形。用反應(yīng)離子刻蝕(RIE) 刻蝕掉未被保護(hù)的SiO2氧化膜、去膠。將膠上圖形轉(zhuǎn)移到SiO2氧化膜上。將帶有SiO2掩膜的樣品放入到感應(yīng)耦合離子刻蝕(ICP-RIE)的真空室中刻蝕?？涛g深度2微米，將刻蝕后的樣品用SiO2腐蝕液漂去表面剰余的SiO2掩膜。減薄到100微米左右、濺射背面電極 8(背面電極AuGeNiAu厚度300nm)、合金、解離、壓焊。就可得到所需要的激光器。測試發(fā)現(xiàn)器件的光子晶體面發(fā)射激光器對于周期為5微米和光子晶體空氣孔直徑2. 5微米單孔缺陷結(jié)構(gòu)器件在氧化孔徑9等于10微米吋，既滿足匹配耦合條件吋，器件能實(shí)現(xiàn)單模工作同時(shí)具有最小的閾值電流和最大的單模功率。當(dāng)氧化孔的直徑大于10微米時(shí)，雖然能工作在單模狀態(tài)，但是器件閾值電流急劇増大，單模輸出功率和穩(wěn)定性下降。器件閾值電流在氧化孔的直徑為15微米吋，比氧化孔徑在10微米時(shí)増加近ー個數(shù)量級。對于氧化孔的直徑在10微米以下器件，器件無法工作在單模狀態(tài)。對于周期為2微米和光子晶體空氣孔直徑2微米七孔缺陷結(jié)構(gòu)器件在氧化孔直徑等于8微米時(shí)，器件能實(shí)現(xiàn)單模工作同時(shí)具有最小的閾值電流和最大的單模功率。當(dāng)氧化孔的直徑大于8微米吋，雖然能工作在單模狀態(tài)，但是器件閾值電流急劇増大，單模輸出功率和穩(wěn)定性下降。器件閾值電流在氧化孔徑15微米吋，比氧化孔徑在8微米時(shí)増加近15倍。對于氧化孔直徑在8微米以下的器件，器件無法工作在單模狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化光子晶體面發(fā)射激光器方法，所述激光器結(jié)構(gòu)依次為上金屬電極、p型歐姆接觸層、周期交替生長的上分布布拉格反射鏡、氧化限制層、有源區(qū)，下分布布拉格反射鏡、襯底、N型金屬電極、氧化孔、出光孔、光子晶體空氣孔；光子晶體缺陷孔；其特征在于氧化孔的直徑比光子晶體缺陷孔的直徑大ー個光子晶體空氣孔的直徑 b，即 D = d+bo
全文摘要
一種優(yōu)化光子晶體面發(fā)射激光器方法屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。所述方法在氧化限制型面發(fā)射激光器和二維光子晶體橫向耦合基礎(chǔ)的上將氧化孔徑與光子晶體缺陷孔徑縱向匹配耦合。通過優(yōu)化氧化孔徑和光子晶體缺陷孔徑的關(guān)系，制備氧化孔徑比光子晶體缺陷孔徑大一個光子晶體空氣孔直徑器件使器件工作在低閾值電流、小串聯(lián)電阻、高單模輸出功率狀態(tài)。本發(fā)明的方法可應(yīng)用于各種類型材料的氧化限制型光子晶體面發(fā)射激光器，不受波長范圍影響。
文檔編號H01S5/183GK102611001SQ20121008483
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者徐晨, 曹田, 朱彥旭, 毛明明, 王春霞, 解意洋, 鄧軍, 闞強(qiáng), 陳弘達(dá), 魏思民 申請人:北京工業(yè)大學(xué)