一种多结级联光子晶体面发射激光器及其制备方法

本公开涉及半导体，尤其涉及一种多结级联光子晶体面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、光子晶体面发射激光器(photonic crystal surface emitting laser，pcsel)既拥有边发射激光器(edge emitting laser，eel)的高功率、波长覆盖范围宽的特点，又拥有垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)的易于在片测试、圆形光斑等优势，而且单颗芯片的有源区直径可以达到数百微米，可以获得瓦级以上单模光功率以及小于1°的发散角，在激光雷达、三维传感、气体检测、生物医疗等领域具有巨大的应用前景。

2、但是，传统的光子晶体面发射激光器在实际使用过程中的斜率效率通常小于1w/a，驱动过程中需要加大的驱动电流，导致光子晶体面发射激光器的功率转换效率较低、功耗大，不利于实际应用。

技术实现思路

1、本公开一个或多个实施例提供了一种多结级联光子晶体面发射激光器，包括：衬底；依次设置在所述衬底一侧表面的多个叠层结构，相邻的两个所述叠层结构之间通过反向偏置的隧道结串联；其中，所述叠层结构中至少包括相邻的有源层和光子晶体层。

2、在一些实施例中，每个所述叠层结构至少包括：第一包层；设置在所述第一包层一侧表面的光子晶体层；设置在所述光子晶体层远离所述第一包层一侧表面的有源层；设置在所述有源层远离所述光子晶体层一侧表面的第二包层。

3、在一些实施例中，所述光子晶体层中包括多个空气孔，所有所述叠层结构中的所述光子晶体层的所述空气孔开设的数量和位置均相同。

4、在一些实施例中，所述隧道结的厚度大于或等于10纳米，并且小于15纳米。

5、在一些实施例中，所述衬底基于磷化铟基材料、砷化镓基材料、氮化镓基材料中的任意一种制备而成。

6、在一些实施例中，还包括：设置在所述衬底远离所述叠层结构一侧表面的第一电极；设置在所有所述叠层结构中距离所述衬底最远的叠层结构远离所述衬底一侧表面的第二电极。

7、本公开一个或多个实施例提供了一种上述的多结级联光子晶体面发射激光器的制备方法，包括：提供一衬底；在所述衬底一侧表面依次制备多个叠层结构，并且在相邻的所述叠层结构之间制备反向偏置的隧道结，其中，所述叠层结构中至少包括相邻的有源层和光子晶体层。

8、在一些实施例中，所述叠层结构基于如下步骤进行制备，包括：在所述衬底或隧道结上外延生长第一包层；在所述第一包层远离所述衬底或隧道结的一侧表面外延生长光子晶体层；在所述光子晶体层远离所述第一包层的一侧表面外延生长有源层；在所述有源层远离所述光子晶体层一侧表面外延生长第二包层。

9、在一些实施例中，在所述第一包层远离所述衬底或隧道结的一侧表面外延生长光子晶体层，包括：在所述第一包层远离所述衬底或隧道结的一侧表面外延生长光子晶体材料，形成光子晶体基层；利用电子束光刻和/或干法刻蚀在所述光子晶体基层远离所述第一包层一侧的表面上形成多个刻蚀孔；通过二次外延工艺在所述光子晶体基层远离所述第一包层一侧的表面上通过所述光子晶体材料覆盖所述刻蚀孔，形成具有空气孔的所述光子晶体层。

10、在一些实施例中，还包括：在所述衬底远离所述叠层结构一侧表面制备第一电极；在所有所述叠层结构中距离所述衬底最远的叠层结构远离所述衬底一侧表面制备第二电极。

11、本公开实施例的有益效果在于：在光子晶体面发射激光器中设置多个具有有源层和光子晶体层的叠层结构，并通过反向偏置的隧道结将多个叠层结构级联在一起，使得注入激光器有源层中的一个电子可以产生与有源层数量相同的多个光子，从而大幅提高激光器的斜率效率和功率转换效率，降低激光器的工作电流和功耗，更有利于光子晶体面发射激光器的实际应用。

技术特征：

1.一种多结级联光子晶体面发射激光器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多结级联光子晶体面发射激光器，其特征在于，每个所述叠层结构至少包括：

3.根据权利要求2所述的多结级联光子晶体面发射激光器，所述光子晶体层中包括多个空气孔，所有所述叠层结构中的所述光子晶体层的所述空气孔开设的数量和位置均相同。

4.根据权利要求1所述的多结级联光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述隧道结的厚度大于或等于10纳米，并且小于15纳米。

5.根据权利要求1所述的多结级联光子晶体面发射激光器，其特征在于，所述衬底基于磷化铟基材料、砷化镓基材料、氮化镓基材料中的任意一种制备而成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多结级联光子晶体面发射激光器，其特征在于，还包括：

7.一种如权利要求1至5中任一项所述的多结级联光子晶体面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述叠层结构基于如下步骤进行制备，包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述第一包层远离所述衬底或隧道结的一侧表面外延生长光子晶体层，包括：

10.根据权利要求7至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本公开提供了一种多结级联光子晶体面发射激光器及其制备方法，其中，多结级联光子晶体面发射激光器，包括：衬底；依次设置在衬底一侧表面的多个叠层结构，相邻的两个叠层结构之间通过反向偏置的隧道结串联；其中，叠层结构中至少包括相邻的有源层和光子晶体层，以解决传统光子晶体面发射激光器的功率转换效率较低、功耗大，不利于实际应用问题。

技术研发人员：潘冠中,荀孟,孙昀
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15