二维光子准晶宽区半导体激光器结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种二维光子准晶宽区半导体激光器结构，包括：一衬底；一下波导；一下限制层；一有源区；一上限制层；一上波导；一接触层；一钝化层；一正面电极；一背面电极；一制作于上限制层的二维光子准晶阵列，从接触层到下波导刻蚀出条形宽区台面，钝化层包覆整个台面并在台面顶端开出电注入窗口，上电极在钝化层之上，在电注入窗口区域与接触层形成欧姆接触用于电注入，同时为有源区提供散热通道；背面电极与衬底形成欧姆接触，用于另一极电注入。
【专利说明】
二维光子准晶宽区半导体激光器结构
技术领域
[0001]本发明涉及半导体光电器件技术领域，尤其涉及一种能够输出单瓣激光的大功率宽区半导体激光器器件结构。【背景技术】
[0002]半导体激光器具有体积小、功率大、波长可调谐、直接电栗浦等优点，是目前应用最为广泛的激光光源。各种类型的半导体激光器能够实现从紫外(UV)到太赫兹(THz)波段的波长覆盖，对于光通信、激光遥感、精密传感等具有重要意义，在民用和军事上都是十分重要的国家战略资源。然而，半导体激光器光输出具有较大的发散角甚至是高阶横模输出的多瓣远场。对于单瓣发散的激光器，可以通过外加透镜进行准直或耦合进入光纤，但对于多瓣远场，其可耦合性很差，则需进行更为复杂的光学操作，甚至无法准直。
[0003]大功率半导体激光器往往采用宽区结构来增大激光器输出功率，但宽区激光器具有原理上的高阶横模输出，增大了大功率半导体激光器在实际应用中的使用难度和成本。 通过引入均匀分布的二维光子晶体，或者制作斜腔，都能够在一定程度上实现基横模工作， 但是激光器输出功率将大大降低。此外，耦合脊波导激光器能够在实现较高功率的基超横模输出，但是脊外区域的增益缺失和较大的表面等离子吸收损耗也在一定程度上降低了基模成品率和输出功率。
[0004]本发明利用二维光子准晶对光场的强限制作用，将宽区激光器腔内光模式调制成为类似相干阵列的模式，同时由于光子准晶区域的增益存在，器件比相干阵列和耦合脊器件更容易获得基超模工作。此外，该结构几乎没有增加额外损耗，对于大功率的实现具有重要意义。
【发明内容】
[0005]针对大功率宽区半导体激光器高阶横模激射、多瓣远场的问题，本发明提供了一种引入二维光子准晶的宽区半导体激光器结构，能够实现单瓣远场输出，并且对宽区器件的输出功率影响很小。
[0006]本发明提供了一种二维光子准晶宽区半导体激光器结构，该器件结构包括:
[0007]一衬底，能够导电，可以是 I nP、GaAs、GaN、GaSb、I nAs 等；
[0008]—下波导；
[0009]—下限制层，其有效折射率高于有源区，可增强光模式限制；
[0010]—有源区，器件发光区域，可以是各种半导体带间、子带间发光的有源区结构；
[0011]—上限制层，作用同下限制层，同时二维光子准晶制作于其上；
[0012]—上波导，生长于二维光子准晶制作之后；
[0013]—接触层，高掺杂材料，易与上电极形成欧姆接触；
[0014]—钝化层，包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；
[0015]—正面电极，均匀制备在钝化层之上，窗口区域与接触层接触；
[0016]一背面电极，均匀制备在衬底背面；
[0017]—制作于上限制层的二维光子准晶阵列，其光子准晶参数、区域宽度、间隔以及是否周期性视激光器波长和波导结构而不同。
[0018]本发明亮点在于首次将二维光子准晶用于调制激光器横模，在不改变脊波导结构的情况下，将激光器横模调制为类似于相干阵列的模式，几乎不会损失宽区器件的输出功率，而能够获得单瓣远场输出，大大提高了大功率宽区器件的可耦合性能。【附图说明】
[0019]为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，其中:
[0020]图1二维光子准晶宽区半导体激光器结构中平行于出光腔面的截面示意图。
[0021]图2两种常用的二维光子准晶点阵结构图及其原胞:(a)十二重stampfli型光子准晶；(b)十重光子准晶。
[0022]图3波长9mi二维光子准晶宽区量子级联激光器的近场(a)和远场(b)的模拟图。[〇〇23]附图标记说明:
[0024]01 衬底；
[0025]02下波导；[〇〇26]03下限制层；[〇〇27]04有源区；
[0028]05上限制层；
[0029]06上波导；[〇〇3〇]07接触层；[〇〇31]08钝化层；[〇〇32]09正面电极；
[0033]10背面电极；[〇〇34]11二维光子准晶阵列。【具体实施方式】
[0035]为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照【附图说明】，对本发明做进一步详细的说明。
[0036]图1中给出了本发明二维光子准晶宽区半导体激光器结构中平行于出光腔面的截面示意图。如图1所示，该器件包括:
[0037]一衬底01，能够导电，可以是 InP、GaAs、GaN、GaSb、InAs 等；
[0038]一下波导 02;
[0039]—下限制层03,其有效折射率高于有源区，可增强光模式限制；
[0040]—有源区04,器件发光区域，可以是各种半导体带间、子带间发光的有源区结构；
[0041]—上限制层05,作用同下限制层，同时二维光子准晶制作于其上；[〇〇42]一上波导06,生长于二维光子准晶制作之后；[〇〇43]一接触层07，高掺杂材料，易与上电极形成欧姆接触；
[0044]—钝化层08,包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；[〇〇45] 一正面电极09，均匀制备在钝化层之上，窗口区域与接触层接触；
[0046] —背面电极10,均匀制备在衬底背面；[〇〇47] 一制作于上限制层的二维光子准晶阵列11，其光子准晶参数、区域宽度、间隔以及是否周期性视激光器波长和波导结构而不同。
[0048]图2中给出两种常用的二维光子准晶点阵结构图及其原胞。对于不同波段，选择不同的原胞参数a准晶规模，能够实现对光模式的强限制作用，准晶规模取决于准晶区域的宽度w，必须当w/a大于一定值的时候，才能实现有效的模式限制。然而，若w/a过大，则可能导致光模式不能耦合相干。此外，准晶点阵的制备依赖于掩膜制备技术，故原胞参数a的确定需综合考虑模式限制、模式耦合以及技术可行性和成本。
[0049]下面描述一个简单实例的实施过程，使本发明的实施过程更为清晰明了。实例中为一个波长9M1，二维光子准晶宽区量子级联激光器的具体结构参数及其设计思想。
[0050]一n型InP衬底，衬底掺杂浓度2el7cm—3,厚度200WI1;
[0051]— n型低掺杂InP下波导，Si掺杂，掺杂浓度2el6cm_3,厚度3mi;[0〇52] —匹配InGaAs下限制层，Si掺杂，掺杂浓度3el6cm—3,厚度300nm;[〇〇53] 一匹配InGaAs/InAlAs有源区，基于双声子共振设计，发光中心波长9wii，总厚度约 1?5um;[〇〇54] 一匹配InGaAs上限制层，Si掺杂，掺杂浓度3el6cm—3,厚度300nm;
[0055]— n型低掺杂InP上波导，Si掺杂，掺杂浓度2el6cm_3,厚度3wn;[〇〇56] 一 n型高掺杂InP接触层，Si掺杂，掺杂浓度大于3el8cm—3,厚度500nm;[OO57] 从上往下刻蚀宽133wii条形台面，台面高度6.5wii;[〇〇58] 一SiNx钝化层，PECVD生长，包覆整个台面，起电绝缘作用，留有宽110M1的电注入窗口；[0〇59] —正面电极，电子束蒸发400nmTi/Au电极，加电镀5wn Au，窗口区域与接触层接触；[0〇6〇] —背面电极，热蒸发300nm AuGeNi/Au，热退火与衬底形成欧姆接触，均勾制备在衬底背面；[〇〇61] 一制作于上限制层的二维光子准晶阵列，选用十二重stampfli型光子准晶，原胞参数2M1;准晶区域为宽8M1，间隔15M1的均匀阵列。[〇〇62]利用有限元方法软件(C0MS0L)进行模式分析的结果，宽区激光器近场被调制为5 个同相相干的基模叠加，如图3(a)所示，根据远近场傅里叶变换关系，对近场进行傅里叶变换，可获得同相位相干叠加的基超模远场，如图3(b)所示。由此可得到单瓣输出的宽区大功率量子级联激光器。
[0063]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种二维光子准晶宽区半导体激光器，包括:一衬底(01)，能够导电，材质是InP、GaAs、GaN、GaSt^InAs;一下波导(02);一下限制层(03)，其有效折射率高于有源区，可增强光模式限制；一有源区(04)，器件发光区域，是各种半导体带间或子带间发光的有源区结构；一上限制层(05)，作用同下限制层，同时二维光子准晶制作于其上；一上波导(06)，生长于二维光子准晶制作之后；一接触层(07)，高掺杂材料，易与上电极形成欧姆接触；一钝化层(08)，包覆整个台面，起电绝缘作用，留有电注入窗口；一正面电极(09)，均匀制备在钝化层(08)之上，窗口区域与接触层(07)接触；一背面电极(10)，均匀制备在衬底(01)背面；一制作于上限制层(05)的二维光子准晶阵列(11)，其光子准晶参数、区域宽度、间隔以 及是否周期性视激光器波长和波导结构而不同。2.如权利要求1所述的二维光子准晶宽区半导体激光器结构，其中所述的上、下限制层 (03)、(05)的材料为折射率高于有源区的材料，上、下限制层(03)、(05)在一个真空波长范围内且厚度一致。3.如权利要求2所述的二维光子准晶宽区半导体激光器结构，其中所述的二维光子准 晶为按照准晶对称性排列的刻蚀孔，深度为上限制层(05)厚度的70%以上，在上波导生长 过程中孔内填充上波导材料。4.如权利要求3所述的二维光子准晶宽区半导体激光器结构，其中所述的二维光子准 晶的对称性包括五重、八重、十重或十二重旋转对称性。5.如权利要求1所述的二维光子准晶宽区半导体激光器结构在各波段各种类型的半导 体激光器中的应用。
【文档编号】H01S5/223GK106025797SQ201610563190
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】贾志伟, 王利军, 张锦川, 刘峰奇, 刘俊岐, 王占国
【申请人】中国科学院半导体研究所