FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器

摘要

本发明公开了本发明公开了一种FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，该激光器具有深刻蚀孔的光子晶体结构，该光子晶体结构具有带边面发射性质，且位于FP脊形条上，FP脊形条宽度较宽，FP腔长度较长，P电极完全位于脊形条上，根据光子晶体的对称性，可以扩展FP腔的结构。利用本发明，能够实现低成本的电注入光子晶体带边面发射激光器，且本结构可以用于集成光路中特征信号的读出器，通过对FP腔结构的扩展，可以实现多通道耦合增强。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种法布里-珀落(Fabry-Perot，FP)腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器。

背景技术

光子晶体概念的出现距今已有二十多年之久，其间光子晶体的理论和器件都得到了突飞猛进的发展，目前光子晶体各种已知的特性都已经被发掘出来用于不同功能的光子晶体器件中。有一类光子晶体带边面发射激光器由于其在科研、医疗器械、光通信、光存储等领域有着广阔的应用前景而备受人们关注。

如图1所示，图1是现有技术中光子晶体带边面发射激光器的结构示意图。光子晶体带边面发射激光器利用光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场的分布特点，能在光子晶体区域2形成大面积驻波谐振，在垂直于有源层8的方向(即光子晶体周期性的法线方向)相干耦合输出，输出光束的发散角非常小，国外最好水平做到0.1°。

制作光子晶体带边面发射激光器需要利用电子束曝光工艺制作大面积的光子晶体区域2以提供足够的反馈，这使得制作成本非常高，但如果减小光子晶体区域2面积，谐振模式就会因为得不到足够的反馈使器件不能激射。

要解决该问题就必须在小光子晶体区域2面积情况下，利用廉价的方式给谐振模式提供足够的增益，传统的FP腔恰好可以满足这个需求。传统的脊形条型FP激光器的结构示意图如图2所示，其中3为脊形条。脊形条型FP激光器的制作工艺成熟且廉价，可以方便的实现电注入室温连续激射。将FP腔与光子晶体结合，又同时解决了光子晶体激光器的电注入这一设计难题。光子晶体也会对FP腔进行调制，抑制FP腔中的多纵模多侧模，而光子晶体带边模式则会被选择性的增强。

制作FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器需要用到感应耦和等离子体干法深刻蚀技术，要求对具有量子阱结构的有源晶片进行从表面到穿通有源层8的百纳米尺寸图形的深刻蚀，刻蚀深度要求达到2微米以上。目前，这种深刻蚀技术在无源晶片上可以实现，但要在有源晶片上实现深刻蚀，仍是一个巨大的挑战。不过我们已经通过大量的实验在该项工艺中获得重大技术突破，达到的刻蚀深度满足了制作本发明中激光器的要求。

由此可以确定，将FP腔与光子晶体结合，制作FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，是很有价值且实际可行的设计方案。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，以解决在较小光子晶体区域面积情况下，激光器的电注入室温连续激射问题，降低制作成本。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，该激光器包括：深刻蚀孔1、光子晶体区域2、脊形条3、两个相互平行的自然解理镜面4、P电极5、有源晶片结构和N电极11，其中，有源晶片结构由上到下依次包括高掺杂层6、上波导层7、有源层8、下波导层9和衬底层10，P电极5形成于高掺杂层6之上，脊形条3形成于上波导层7的上部，脊形条3的上表面与高掺杂层6的下表面接触，且P电极5、高掺杂层6和脊形条3完全对准；光子晶体区域2形成于高掺杂层6上，位于P电极5中间，光子晶体区域2中具有多个深刻蚀孔1，其深度从有源晶片结构的表面一直贯穿有源层8至下波导层9；N电极11形成于衬底层10的背面；两个相互平行的自然解理镜面4是利用自然解理工艺在垂直于脊形条3的方向上形成的，其构成FP腔。

上述方案中，所述两个相互平行的自然解理镜面4之间的距离为500微米，相对于光子晶体区域2的宽度较长。

上述方案中，所述P电极5形状为一长方形，长500微米，宽100微米，中间有一个直径80微米的圆孔，这是为后续制作光子晶体区域2所预留的位置。所述P电极5的形成过程如下：在有源晶片结构的高掺杂层6上，利用磁控溅射或电子束蒸发工艺形成一层P面金属层，该金属层为Ti/Au合金，厚度为300纳米，接着用紫外光学光刻和湿法腐蚀工艺将该金属层制作成P电极5。

上述方案中，所述脊形条3的厚度为1.5微米，小于高掺杂层6到有源层8的距离，所以脊形条3的底面位于上波导层7中。所述脊形条3的宽度为120微米，相对于单侧模FP激光器的脊形条宽要宽，单侧模FP激光器的脊形条宽为1微米。所述脊形条3的形成过程如下：采用紫外光学光刻和湿法腐蚀工艺在有源晶片结构的上波导层7中形成脊形条3，即在紫外光学光刻过程中用套刻对准技术，使脊形条3的模板图形和P电极5对应重合，制作出由上至下依次为P电极5、高掺杂层6和脊形条3的结构。

上述方案中，所述深刻蚀孔1的截面形状是具有一定对称性的任意几何形状，深刻蚀孔1中的介质是空气，或者是具有特定折射率或非线性效应的可填充介质。

上述方案中，所述有源层8的折射率高于上波导层7和下波导层9。

上述方案中，所述N电极11是将衬底层10减薄至100微米，再通过电子束蒸发工艺形成于衬底层10的背面，该N电极11为Au/Ge/Ni/Au合金材料，厚度为300纳米。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其具有深刻蚀孔的光子晶体结构可以对有源层和FP腔进行强调制，形成光子晶体带边模式，并抑制FP腔中的多纵模多侧模。

2、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其光子晶体结构具有带边面发射性质，利用Γ点第二序带边的单极模，不但能在光子晶体周期平面内形成大面积的驻波谐振，还能在垂直平面方向耦合输出。

3、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其光子晶体结构位于脊形条上，可以对FP腔内的谐振模式进行直接的强调制，同样，FP腔也会给光子晶体模式提供强烈的反馈。虽然制作的光子晶体区域较小，光子晶体模式仍能得到足够的反馈，使激光器激射。激光器的制作成本也会随光子晶体区域的减小而降低。

4、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其FP脊形条宽度相对于传统的FP激光器宽很多，为光子晶体和电极引线的焊点提供足够大的平台。

5、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其FP腔长相对于光子晶体区域长度较长，可以为光子晶体模式提供足够的反馈。

6、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，其P电极完全位于脊形条上，省去了传统FP激光器工艺中制作导电窗口的步骤，简化了工艺流程，提高了器件的可靠性。

7、本发明提供的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器，具有较强的可扩展性，其根据光子晶体晶格结构的对称性，可以在某些对称轴方向上再制作多个FP腔，使其对该方向的谐振模式进行反馈增强，形成多通道耦合谐振。

附图说明

图1是现有技术中光子晶体带边面发射激光器的结构示意图。

图2是传统的脊形条型FP激光器的结构示意图。

图3为依照本发明第一实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器的三维结构局部剖面示意图。

图4为依照本发明第一实施例的光子晶体的平面图。

图5为依照本发明第一实施例的光子晶体的能带图。

图6为依照本发明第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的平面图。

图7为依照本发明第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的垂直剖面图。

图8为依照本发明第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式的垂直发射场分布的垂直剖面图。

图9为依照本发明第一实施例的光子晶体与FP腔脊形条3结合后，Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的垂直剖面图。

图10为依照本发明第二实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器在光子晶体对称轴方向上的扩展的平面示意图。

图11为依照本发明第二实施例的光子晶体的平面图。

图12为依照本发明第二实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器在光子晶体对称轴方向上的扩展的平面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图3为依照本发明第一实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器的三维结构局部剖面示意图。该FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器包括深刻蚀孔1、光子晶体区域2、脊形条3、两个相互平行的自然解理镜面4、P电极5、有源晶片结构和N电极11。

其中，有源晶片结构由上到下依次包括高掺杂层6、上波导层7、有源层8、下波导层9和衬底层10。高掺杂层6为GaInAs材料，P型掺杂，掺杂浓度大于1.5E19厘米^-3，厚度为250纳米。上波导层7为InP材料，P型掺杂，掺杂浓度为1.0E18厘米^-3，厚度为1.67微米。有源层8为AlGaInAs多量子阱材料，不掺杂，厚度为340纳米，自发辐射中心波长为1530纳米，折射率高于上波导层7和下波导层9。波导层9为InP材料，N型掺杂，掺杂浓度为1.0E18厘米^-3，厚度为800纳米。衬底层10为InP材料，N型掺杂，厚度一般大于300微米。

在有源晶片结构的P型一面的表面，即高掺杂层6上，利用磁控溅射或电子束蒸发工艺形成一层P面金属层，在本实施例中，该金属层为Ti/Au合金，厚度约为300纳米，接着用紫外光学光刻和湿法腐蚀工艺将该金属层制作成P电极5。P电极5形状为一长方形，长500微米，宽100微米，中间有一个直径80微米的圆孔，这是为后续制作光子晶体区域2所预留的位置。

接着用紫外光学光刻和湿法腐蚀工艺在有源晶片结构的上波导层7中形成脊形条3。即在紫外光学光刻过程中用到套刻对准技术，使脊形条3的模板图形和P电极5对应重合，这样就能制作出由上至下依次为P电极5、高掺杂层6和脊形条3的结构，这种工艺省去了传统FP激光器工艺中制作导电窗口的步骤，简化了工艺流程，提高了器件的可靠性。

脊形条3的厚度约为1.5微米，小于高掺杂层6到有源层8的距离，所以脊形条的底面位于上波导层7中。

所述FP脊形条3宽度较宽，为120微米左右，相对于单侧模FP激光器的脊形条3宽，如1微米，要宽很多。宽脊形条3为光子晶体和电极引线的焊点提供足够大的平台。而宽条宽带来的多侧模可以被光子晶体有效抑制。

接着利用电子束曝光和感应耦和等离子体刻蚀工艺，在P电极5预留的圆孔位置处制作光子晶体区域2。光子晶体区域2形成于高掺杂层6上，可以对FP腔内的谐振模式进行直接的强调制。光子晶体区域2中的孔是深刻蚀孔1，其深度可以从晶片表面一直贯穿有源层8，孔的截面形状可以是具有一定对称性的任意几何形状，例如圆形，孔中的介质可以是空气，也可以是具有特定折射率或者非线性效应的可填充介质。深刻蚀孔1贯穿有源层8至下波导层9，可以使光子晶体对有源区进行直接调制。

然后将衬底层10减薄至100微米左右，再通过电子束蒸发工艺形成一层N面金属层作为N电极11，在本实施例中，该N面金属层为Au/Ge/Ni/Au合金材料，厚度约为300纳米。

最后，利用自然解理工艺在垂直于脊形条3的方向上形成两个相互平行的自然解理镜面4，从而形成FP腔。两个自然解理镜面4之间的距离为500微米，即为腔长。该腔的长度相对于光子晶体区域2的长度较长。长腔长为光子晶体模式提供足够的反馈，而长腔长带来的多纵模可以被光子晶体有效抑制。

图4为依照本发明第一实施例的光子晶体的平面图。该光子晶体具有四方晶格的周期性，周期为a，孔半径为r，光子晶体区域2为边长50微米的正方形。所述光子晶体结构位于脊形条3上，对FP腔内的谐振模式进行直接的强调制，同样，FP腔也会给光子晶体模式提供强烈的反馈。

图5为依照本发明第一实施例的光子晶体的能带图。该能带图由平面波展开方法计算得到，c为真空中的光速。图中每个对称点处都有若干带边，其中Γ2-1为Γ对称点第二序带边的单极模，该模式能在光子晶体区域2形成大面积驻波谐振，在垂直于有源层8的方向(即光子晶体周期性的法线方向)相干耦合输出，输出光束的发散角非常小。

图6为依照本发明第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的平面图。该图由时域有限差分方法计算得到。在光子晶体区域2内，该模式形成了大面积驻波谐振。

图7为依照本发明第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的垂直剖面图。该图由时域有限差分方法计算得到。在光子晶体区域2内，该模式形成了大面积驻波谐振。所述光子晶体结构具有带边面发射性质，带边是指Γ点第二序能带边附近的频率范围，该频率范围内具有基于带边慢光效应的面发射模式，该模式的频率位置可以根据需求任意调整。

图8为依照本发明第一实施例的光子晶体Γ对称点第二序带边的单极模式的垂直发射场分布的垂直剖面图。该图由时域有限差分方法计算得到。在光子晶体平面外，形成了垂直于有源层8方向(即光子晶体周期性的法线方向)的相干耦合输出。

图9为依照本发明第一实施例的光子晶体与FP腔脊形条3结合后，Γ对称点第二序带边的单极模式场分布12的垂直剖面图。该图由时域有限差分方法计算得到。光子晶体与FP腔脊形条3结合后Γ对称点第二序带边的单极模式仍可以很好的谐振，场分布形状没有受到影响，强度受到FP腔的增强，垂直发射性质也不会受到影响。

图10为依照本发明第二实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器在光子晶体对称轴方向上的扩展的平面示意图。根据四方晶格光子晶体的对称性，在垂直于原有脊形条3的方向上再制作一个脊形条14，并解理形成FP腔，使该方向的谐振模式也受到FP腔的增强，可以分别调整两个方向FP腔的腔长，使两个方向的FP腔分别对不同的谐振模式增强，形成多通道的耦合谐振。

将第一实施例中的四方晶格光子晶体换成三角晶格光子晶体，其他结构不变，形成的激光器作为第二实施例。

图11为依照本发明第二实施例的光子晶体的平面图。该光子晶体具有三角晶格的周期性，周期为a，孔半径为r。三角晶格和四方晶格的对称性不同，因此可以在不同方向上对FP腔进行扩展。

图12为依照本发明第二实施例的FP腔增强型电注入光子晶体带边面发射激光器在光子晶体对称轴方向上的扩展的平面示意图。按照第一实施例中的扩展思路，可以在三角晶格的某些对称轴方向上再制作脊形条14，并解理或通过其他方式形成FP腔，使对应方向的谐振模式也受到FP腔的增强，可以分别调整每个方向FP腔的腔长，使各个方向的FP腔分别对相同或不同的谐振模式增强，形成多通道的耦合谐振。

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，所应理解的是，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。