二維光子準晶寬區半導體激光器結構的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種二維光子準晶寬區半導體激光器結構，包括：一襯底；一下波導；一下限制層；一有源區；一上限制層；一上波導；一接觸層；一鈍化層；一正面電極；一背面電極；一制作于上限制層的二維光子準晶陣列，從接觸層到下波導刻蝕出條形寬區臺面，鈍化層包覆整個臺面并在臺面頂端開出電注入窗口，上電極在鈍化層之上，在電注入窗口區域與接觸層形成歐姆接觸用于電注入，同時為有源區提供散熱通道；背面電極與襯底形成歐姆接觸，用于另一極電注入。
【專利說明】
二維光子準晶寬區半導體激光器結構
技術領域
[0001]本發明涉及半導體光電器件技術領域，尤其涉及一種能夠輸出單瓣激光的大功率寬區半導體激光器器件結構。【背景技術】
[0002]半導體激光器具有體積小、功率大、波長可調諧、直接電栗浦等優點，是目前應用最為廣泛的激光光源。各種類型的半導體激光器能夠實現從紫外(UV)到太赫茲(THz)波段的波長覆蓋，對于光通信、激光遙感、精密傳感等具有重要意義，在民用和軍事上都是十分重要的國家戰略資源。然而，半導體激光器光輸出具有較大的發散角甚至是高階橫模輸出的多瓣遠場。對于單瓣發散的激光器，可以通過外加透鏡進行準直或耦合進入光纖，但對于多瓣遠場，其可耦合性很差，則需進行更為復雜的光學操作，甚至無法準直。
[0003]大功率半導體激光器往往采用寬區結構來增大激光器輸出功率，但寬區激光器具有原理上的高階橫模輸出，增大了大功率半導體激光器在實際應用中的使用難度和成本。 通過引入均勻分布的二維光子晶體，或者制作斜腔，都能夠在一定程度上實現基橫模工作， 但是激光器輸出功率將大大降低。此外，耦合脊波導激光器能夠在實現較高功率的基超橫模輸出，但是脊外區域的增益缺失和較大的表面等離子吸收損耗也在一定程度上降低了基模成品率和輸出功率。
[0004]本發明利用二維光子準晶對光場的強限制作用，將寬區激光器腔內光模式調制成為類似相干陣列的模式，同時由于光子準晶區域的增益存在，器件比相干陣列和耦合脊器件更容易獲得基超模工作。此外，該結構幾乎沒有增加額外損耗，對于大功率的實現具有重要意義。
【發明內容】
[0005]針對大功率寬區半導體激光器高階橫模激射、多瓣遠場的問題，本發明提供了一種引入二維光子準晶的寬區半導體激光器結構，能夠實現單瓣遠場輸出，并且對寬區器件的輸出功率影響很小。
[0006]本發明提供了一種二維光子準晶寬區半導體激光器結構，該器件結構包括:
[0007]一襯底，能夠導電，可以是 I nP、GaAs、GaN、GaSb、I nAs 等；
[0008]—下波導；
[0009]—下限制層，其有效折射率高于有源區，可增強光模式限制；
[0010]—有源區，器件發光區域，可以是各種半導體帶間、子帶間發光的有源區結構；
[0011]—上限制層，作用同下限制層，同時二維光子準晶制作于其上；
[0012]—上波導，生長于二維光子準晶制作之后；
[0013]—接觸層，高摻雜材料，易與上電極形成歐姆接觸；
[0014]—鈍化層，包覆整個臺面，起電絕緣作用，留有電注入窗口；
[0015]—正面電極，均勻制備在鈍化層之上，窗口區域與接觸層接觸；
[0016]一背面電極，均勻制備在襯底背面；
[0017]—制作于上限制層的二維光子準晶陣列，其光子準晶參數、區域寬度、間隔以及是否周期性視激光器波長和波導結構而不同。
[0018]本發明亮點在于首次將二維光子準晶用于調制激光器橫模，在不改變脊波導結構的情況下，將激光器橫模調制為類似于相干陣列的模式，幾乎不會損失寬區器件的輸出功率，而能夠獲得單瓣遠場輸出，大大提高了大功率寬區器件的可耦合性能。【附圖說明】
[0019]為了進一步說明本發明的技術內容，以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，其中:
[0020]圖1二維光子準晶寬區半導體激光器結構中平行于出光腔面的截面示意圖。
[0021]圖2兩種常用的二維光子準晶點陣結構圖及其原胞:(a)十二重stampfli型光子準晶；(b)十重光子準晶。
[0022]圖3波長9mi二維光子準晶寬區量子級聯激光器的近場(a)和遠場(b)的模擬圖。[〇〇23]附圖標記說明:
[0024]01 襯底；
[0025]02下波導；[〇〇26]03下限制層；[〇〇27]04有源區；
[0028]05上限制層；
[0029]06上波導；[〇〇3〇]07接觸層；[〇〇31]08鈍化層；[〇〇32]09正面電極；
[0033]10背面電極；[〇〇34]11二維光子準晶陣列。【具體實施方式】
[0035]為了使本發明的目的、技術方案更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照【附圖說明】，對本發明做進一步詳細的說明。
[0036]圖1中給出了本發明二維光子準晶寬區半導體激光器結構中平行于出光腔面的截面示意圖。如圖1所示，該器件包括:
[0037]一襯底01，能夠導電，可以是 InP、GaAs、GaN、GaSb、InAs 等；
[0038]一下波導 02;
[0039]—下限制層03,其有效折射率高于有源區，可增強光模式限制；
[0040]—有源區04,器件發光區域，可以是各種半導體帶間、子帶間發光的有源區結構；
[0041]—上限制層05,作用同下限制層，同時二維光子準晶制作于其上；[〇〇42]一上波導06,生長于二維光子準晶制作之后；[〇〇43]一接觸層07，高摻雜材料，易與上電極形成歐姆接觸；
[0044]—鈍化層08,包覆整個臺面，起電絕緣作用，留有電注入窗口；[〇〇45] 一正面電極09，均勻制備在鈍化層之上，窗口區域與接觸層接觸；
[0046] —背面電極10,均勻制備在襯底背面；[〇〇47] 一制作于上限制層的二維光子準晶陣列11，其光子準晶參數、區域寬度、間隔以及是否周期性視激光器波長和波導結構而不同。
[0048]圖2中給出兩種常用的二維光子準晶點陣結構圖及其原胞。對于不同波段，選擇不同的原胞參數a準晶規模，能夠實現對光模式的強限制作用，準晶規模取決于準晶區域的寬度w，必須當w/a大于一定值的時候，才能實現有效的模式限制。然而，若w/a過大，則可能導致光模式不能耦合相干。此外，準晶點陣的制備依賴于掩膜制備技術，故原胞參數a的確定需綜合考慮模式限制、模式耦合以及技術可行性和成本。
[0049]下面描述一個簡單實例的實施過程，使本發明的實施過程更為清晰明了。實例中為一個波長9M1，二維光子準晶寬區量子級聯激光器的具體結構參數及其設計思想。
[0050]一n型InP襯底，襯底摻雜濃度2el7cm—3,厚度200WI1;
[0051]— n型低摻雜InP下波導，Si摻雜，摻雜濃度2el6cm_3,厚度3mi;[0〇52] —匹配InGaAs下限制層，Si摻雜，摻雜濃度3el6cm—3,厚度300nm;[〇〇53] 一匹配InGaAs/InAlAs有源區，基于雙聲子共振設計，發光中心波長9wii，總厚度約 1?5um;[〇〇54] 一匹配InGaAs上限制層，Si摻雜，摻雜濃度3el6cm—3,厚度300nm;
[0055]— n型低摻雜InP上波導，Si摻雜，摻雜濃度2el6cm_3,厚度3wn;[〇〇56] 一 n型高摻雜InP接觸層，Si摻雜，摻雜濃度大于3el8cm—3,厚度500nm;[OO57] 從上往下刻蝕寬133wii條形臺面，臺面高度6.5wii;[〇〇58] 一SiNx鈍化層，PECVD生長，包覆整個臺面，起電絕緣作用，留有寬110M1的電注入窗口；[0〇59] —正面電極，電子束蒸發400nmTi/Au電極，加電鍍5wn Au，窗口區域與接觸層接觸；[0〇6〇] —背面電極，熱蒸發300nm AuGeNi/Au，熱退火與襯底形成歐姆接觸，均勾制備在襯底背面；[〇〇61] 一制作于上限制層的二維光子準晶陣列，選用十二重stampfli型光子準晶，原胞參數2M1;準晶區域為寬8M1，間隔15M1的均勻陣列。[〇〇62]利用有限元方法軟件(C0MS0L)進行模式分析的結果，寬區激光器近場被調制為5 個同相相干的基模疊加，如圖3(a)所示，根據遠近場傅里葉變換關系，對近場進行傅里葉變換，可獲得同相位相干疊加的基超模遠場，如圖3(b)所示。由此可得到單瓣輸出的寬區大功率量子級聯激光器。
[0063]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種二維光子準晶寬區半導體激光器，包括:一襯底(01)，能夠導電，材質是InP、GaAs、GaN、GaSt^InAs;一下波導(02);一下限制層(03)，其有效折射率高于有源區，可增強光模式限制；一有源區(04)，器件發光區域，是各種半導體帶間或子帶間發光的有源區結構；一上限制層(05)，作用同下限制層，同時二維光子準晶制作于其上；一上波導(06)，生長于二維光子準晶制作之后；一接觸層(07)，高摻雜材料，易與上電極形成歐姆接觸；一鈍化層(08)，包覆整個臺面，起電絕緣作用，留有電注入窗口；一正面電極(09)，均勻制備在鈍化層(08)之上，窗口區域與接觸層(07)接觸；一背面電極(10)，均勻制備在襯底(01)背面；一制作于上限制層(05)的二維光子準晶陣列(11)，其光子準晶參數、區域寬度、間隔以 及是否周期性視激光器波長和波導結構而不同。2.如權利要求1所述的二維光子準晶寬區半導體激光器結構，其中所述的上、下限制層 (03)、(05)的材料為折射率高于有源區的材料，上、下限制層(03)、(05)在一個真空波長范圍內且厚度一致。3.如權利要求2所述的二維光子準晶寬區半導體激光器結構，其中所述的二維光子準 晶為按照準晶對稱性排列的刻蝕孔，深度為上限制層(05)厚度的70%以上，在上波導生長 過程中孔內填充上波導材料。4.如權利要求3所述的二維光子準晶寬區半導體激光器結構，其中所述的二維光子準 晶的對稱性包括五重、八重、十重或十二重旋轉對稱性。5.如權利要求1所述的二維光子準晶寬區半導體激光器結構在各波段各種類型的半導 體激光器中的應用。
【文檔編號】H01S5/223GK106025797SQ201610563190
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發明人】賈志偉, 王利軍, 張錦川, 劉峰奇, 劉俊岐, 王占國
【申請人】中國科學院半導體研究所