专利名称：一种优化光子晶体面发射激光器方法
技术领域：
本发明涉及一种优化光子晶体面发射激光器性能的新方法，特别是ー种基于氧化限制型面发射激光器和ニ维光子晶体横向耦合基础的氧化孔径与光子晶体缺陷孔径纵向耦合匹配的新方法，该方法可应用于各种类型材料的氧化限制型光子晶体面发射激光器， 属于半导体光电子技术领域。
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、易于ニ维集成等优势，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。经过半导体エ艺得到面发射激光器器件，其基本结构如图I所示。常见为单个管芯和阵列结构。在很多应用中需要器件工作在单模高功率状态，然而普通的氧化限制型面发射激光器要实现单模工作，必须使有源区中心部分的载流子密度分布比较均匀，故一般氧化孔的直径要小于5 y m才可以使器件实现单模工作。如此小的氧化孔直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。同时，制作如此小的氧化孔直径在エ艺上很难实现，小的氧化孔直径也使得有效发光面积减小，单模输出功率低。光子晶体结构引入到面发射激光器(通过在面发射激光器的反射镜上刻蚀缺陷型光子晶体空气孔)是实现单模大功率面发射激光器的方法之一。且制备技术相对简单， 易于移植到各种材料体系。目前，制约光子晶体面发射激光器性能的有阈值电流过大，发光效率过低等因素，其主要是由于光子晶体的刻蚀损伤带来的非辐射符合和光子晶体孔所产生模式泄露和散射损耗等造成的，其中最重要的是注入电流区域过大高价模式激射无法激射，大部分能量都以其他形式损耗棹。为了克服光子晶体面发射激光器以上问题，我们利用氧化孔径和光子晶体缺陷孔径纵向耦合匹配方案成功解决了以上问题。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有光子晶体面发射激光器的技术缺点，设计和制作 ー种低阈值电流、小串联电阻、高单模输出功率的面发射激光器。一种优化光子晶体面发射激光器方法，所述激光器结构依次为上金属电极、P型欧姆接触层、周期交替生长的上分布布拉格反射镜、氧化限制层、有源区，下分布布拉格反射镜、衬底、N型金属电极、氧化孔、出光孔、光子晶体空气孔，光子晶体缺陷孔；其特征在于氧化孔的直径比光子晶体缺陷孔的直径大ー个光子晶体空气孔的直径 b,即 D = d+bo我们知道面发射激光器的阈值电流Ith由下式确定 み=兀^)2Jth。其中D为氧化孔 9的直径，Jth是电流密度。在一定的范围内只要保证Jth不变，缩小氧化孔9的直径D是ー种有效的降低器件阈值电流的方法。光子晶体面发射激光器是通过在氧化限制型面发射激光器的上分布布拉格反射镜3上刻蚀缺陷型光子晶体空气孔11来实现的。氧化孔9的直径D同样是决定氧化限制型光子晶体面发射激光器阈值电流的最主要的因素之一。但同时激射功率由光子晶体缺陷孔13的直径d决定，通常选用较大的氧化孔9直径D(即氧化孔9 直径D远大于光子晶体缺陷孔13的直径d)，以保证光子晶体对光的限制作用而得到单模、 高功率输出。但在实际应用中要求器件具有较低的阈值电流，要求采取尽量小的氧化孔9 直径D ;而为保持大的功率，则要求采取尽量大的光子晶体缺陷孔13直径d。制备低阈值单模高功率的器件的关键是这氧化孔9和光子晶体缺陷孔13的合理匹配耦合。当光子晶体缺陷孔13的直接d和氧化孔9的直径D接近时，器件的模式特性不仅受到ニ维缺陷型光子晶体结构12的调制，同时还要受到氧化限制层4的影响。只有通过合理的匹配光子晶体缺陷孔13和氧化孔9之间的关系才可以制备出高性能的光子晶体面发射激光器。在分析光子晶体面发射半导体激光器的模式问题中，我们将氧化限制层4和氧化孔9的作用考虑进去，利用3D-FDTD方法进行模拟。通过模拟分析可以得到不同模式对应的模式损耗和光强分布。得到了光子晶体缺陷孔13直径d与氧化孔9的直径D的关系即 D-d/b彡I (b为光子晶体空气孔11的直径)，器件可以工作在单模状态下。通过以上分析可知，当器件的氧化孔9的直径比光子晶体缺陷孔13的直径大ー个光子晶体空气孔11的直径b时，器件可实现单模工作，即D = d+b。此时器件具有最佳的氧化孔9和光子晶体缺陷孔13匹配条件，既提高单基模占整个激射模式输出功率的比例，同时又使器件的高阶模式被抑制，使器件工作在低阈值电流和单模高功率状态。与现有技术相比，本发明具有以下优点I、制备エ艺简单，不需要复杂的エ艺条件，在普通的商业化的面发射激光器的外延芯片上就可以同时实现器件的单模大功率和低阈值工作。2、匹配耦合结构可以有效降低器件阈值电流和増大单模出光功率，減少器件的发热使器件具有更强的抗干扰能力、更高的传输速度、(几十分贝以上的的边模抑制比)更窄线宽、更强的调制特性。3、适用于各种波长光子晶体面发射激光器中和各种结构光子晶体面发射激光器。 (主要包括正方晶格、三角晶格、正方晶格结构多孔缺陷、三角晶格多孔缺陷以及椭圆孔结构光子晶体面发射激光器)
下面结合附图及实施例对本发明进ー步详细说明上金属电极(P型金属电极)I ;P型欧姆接触层2 ;周期交替生长的上分布布拉格反射镜(上DBR) 3 ；Al0.98Ga0.02As氧化限制层4 ;有源区5，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 ;光子晶体空气孔11 ;缺陷型光子晶体结构 12 (包括11和13);光子晶体缺陷孔13。图I、氧化限制型面发射激光器结构示意图。图2、光子晶体面发射激光器氧化孔与光子晶体缺陷孔匹配器件结构示意图。图3、氧化孔与光子晶体缺陷孔匹配器件正面图。图4、氧化孔与光子晶体缺陷孔匹配器件三维立体图。
具体实施例方式为了验证设计方案我们采用了以下方法制备了器件。选择有结构的外延片，通过常规的半导体エ艺制备出氧化孔9和光子晶体缺陷孔13满足匹配耦合条件的氧化限制型面发射激光器。解理、压焊、测试。发现器件阈值电流比未采匹配耦合的器件降低了ー个量级，单基模功率比未采用器件増加了 30%。验证了我们方案的可行性。(以波长850nm，光子晶体晶格周期5微米光子晶体空气孔直径2.5微米单孔缺陷和光子晶体周期为2微米和光子晶体空气孔直径为I微米的七孔缺陷结构为例)通过在N+GaAs衬底7上外延AlaiGaa9As (60nm掺杂浓度3 X IO18CnT3)和 n+Al0 9Ga0 :As (68. 19nm 惨杂浓度 3X 1017cm 3)构成的 28 个周期的下 DBR6、GaAs 和 Al0.3Ga0.7AS 组成的有源区 5A10.98Ga0.02As (30nm 掺杂浓度 I X IO18CnT3)氧化限制层 4、P+ 掺杂的AlaiGaa9As^Onm)和Ala9Gaa As (68. 19nm)交替生长构成的24周期的上DBR3、 AlaiGaa9As重掺杂的欧姆接触层2，利用传统的氧化限制性垂直腔面发射半导体激光器的制作エ艺制作出台面65微米、出光孔10孔径40微米、氧化孔9为7-15微米、500纳米TiAu 的P电极I的氧化限制型面发射激光器芯片(不作减薄、溅射背面电极和解离エ艺)。将以次用丙酮和无水こ醇以及去离子水洗净烘干的样品放入到化学汽相淀积(PECVD)在样品表面淀积ー层厚度300纳米左右致密的SiO2氧化膜。然后再在淀积了 SiO2氧化膜的表面甩上ー层Z印520电子束胶，前供、电子束曝光、显影、后供。得到周期分别为5微米、2微米和光子晶体空气孔的直径分别为2. 5微米和I微米的光子晶体图形。用反应离子刻蚀(RIE) 刻蚀掉未被保护的SiO2氧化膜、去胶。将胶上图形转移到SiO2氧化膜上。将带有SiO2掩膜的样品放入到感应耦合离子刻蚀(ICP-RIE)的真空室中刻蚀。刻蚀深度2微米，将刻蚀后的样品用SiO2腐蚀液漂去表面剰余的SiO2掩膜。减薄到100微米左右、溅射背面电极 8(背面电极AuGeNiAu厚度300nm)、合金、解离、压焊。就可得到所需要的激光器。测试发现器件的光子晶体面发射激光器对于周期为5微米和光子晶体空气孔直径2. 5微米单孔缺陷结构器件在氧化孔径9等于10微米吋，既满足匹配耦合条件吋，器件能实现单模工作同时具有最小的阈值电流和最大的单模功率。当氧化孔的直径大于10微米时，虽然能工作在单模状态，但是器件阈值电流急剧増大，单模输出功率和稳定性下降。器件阈值电流在氧化孔的直径为15微米吋，比氧化孔径在10微米时増加近ー个数量级。对于氧化孔的直径在10微米以下器件，器件无法工作在单模状态。对于周期为2微米和光子晶体空气孔直径2微米七孔缺陷结构器件在氧化孔直径等于8微米时，器件能实现单模工作同时具有最小的阈值电流和最大的单模功率。当氧化孔的直径大于8微米吋，虽然能工作在单模状态，但是器件阈值电流急剧増大，单模输出功率和稳定性下降。器件阈值电流在氧化孔径15微米吋，比氧化孔径在8微米时増加近15倍。对于氧化孔直径在8微米以下的器件，器件无法工作在单模状态。
权利要求
1.一种优化光子晶体面发射激光器方法，所述激光器结构依次为上金属电极、p型欧姆接触层、周期交替生长的上分布布拉格反射镜、氧化限制层、有源区，下分布布拉格反射镜、衬底、N型金属电极、氧化孔、出光孔、光子晶体空气孔；光子晶体缺陷孔；其特征在于氧化孔的直径比光子晶体缺陷孔的直径大ー个光子晶体空气孔的直径 b，即 D = d+bo
全文摘要
一种优化光子晶体面发射激光器方法属于半导体光电子技术领域。所述方法在氧化限制型面发射激光器和二维光子晶体横向耦合基础的上将氧化孔径与光子晶体缺陷孔径纵向匹配耦合。通过优化氧化孔径和光子晶体缺陷孔径的关系，制备氧化孔径比光子晶体缺陷孔径大一个光子晶体空气孔直径器件使器件工作在低阈值电流、小串联电阻、高单模输出功率状态。本发明的方法可应用于各种类型材料的氧化限制型光子晶体面发射激光器，不受波长范围影响。
文档编号H01S5/183GK102611001SQ20121008483
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者徐晨, 曹田, 朱彦旭, 毛明明, 王春霞, 解意洋, 邓军, 阚强, 陈弘达, 魏思民 申请人:北京工业大学