一种基于表面浮雕结构的环形腔面发射半导体激光器

摘要

本发明公开了一种基于表面浮雕结构的环形腔面发射半导体激光器，其特征在于，该环形腔面发射半导体激光器自下至上依次由下电极(1)、衬底(2)、下DBR(3)、有源区(4)、氧化层(5)、上DBR(6)、λ/4反相层(7)、上电极(8)、表面浮雕(9)和环形发光区(10)构成。其中，该环形腔面发射半导体激光器引入的λ/4反相层(7)的未腐蚀区域形成的表面浮雕(9)为高损耗区，λ/4反相层(7)的环形腐蚀区为发光区(10)。本发明最显著的特点就是环形腔面发射激光器的高损耗区由无需腐蚀的表面浮雕结构形成，是表面浮雕结构和环形腔结构的优势特征结合，有助于改善器件的输出特性和可靠性，同时克服了现有环形腔面发射半导体激光器在制备方面存在的控制精度差或技术难度大等不足，与标准制备工艺相比，只需增加一次光刻和腐蚀工艺，制备方法简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环形腔面发射半导体激光器的新型结构，属于半导体激光器件技 术领域。

背景技术

关于单模面发射激光器的研究多年来一直是国内外关注的热点。由于面发射激光 器的特殊器件结构，其横向宽度较大，器件通常为多横模激射。但在实际应用中，几个毫瓦 的单模或单波瓣输出的低发散角的面发射激光器是许多应用领域的首选器件，例如自由空间 光互连，激光打印，医疗诊断，机载光探测和测距系统(LIDAR)。因此，世界上的许多大学 和科研院所都开展了这方面的研究工作。

在实现单模面发射激光器的诸多研究方法中，表面浮雕结构(surface relief  structure)一直被认为是最有效的方法之一，即通过在外延片表面进行浅腐蚀(腐蚀奇数倍 的λ/4层)，利用在半导体-空气界面产生的反相反射(与内部λ/4叠层的反射相位相反)来 增加上DBR周边区域的损耗，达到选模的目的。但它最大的缺陷就是高损耗区对腐蚀精度的 要求非常高，腐蚀深度偏离几个纳米就会引起选模特性的明显劣化，从而带来工艺的重复性 很差等问题。

环形腔面发射激光器近年来备受研究人员的关注，被认为最有希望实现面发射激 光器的单模高功率运转，同时具有低发散角、低微分电阻工作的特点。1992年，美国加利福 尼亚大学的J.Lin等人采用质子注入技术实现环形腔结构面发射激光器单波瓣低发散角的远 场输出，2倍阈值条件下远场发散角为3°(FWHM)。2005年，台湾国立中央大学的许晋玮等 人采用扩锌技术实现了850nm环形腔结构面发射激光器的单模工作，连续注入接近2倍阈值 时获得2mW的单模输出，发散角约5°，微分电阻约70Ω。2009年，中国科学院半导体研究 所的郑婉华等提出环形腔光子晶体垂直腔面发射激光器(专利申请号：200910081989.2)，旨 在提高激光器的输出功率，改善光束质量。但是，目前的环形腔面发射激光器的制备技术仍 存在不足之处，如质子注入或扩锌技术很难实现器件尺寸的精确控制，工艺重复性较差，而 光子晶体结构亦存在因腐蚀孔较高的纵横比使制作起来相当费力，且存在引入了光的衍射损 耗、对电注入和热特性等带来的不利影响。

发明内容

为了消除已知技术存在的不足，本发明提出一种基于表面浮雕结构的环形腔面发 射激光器，结合了表面浮雕结构和环形腔面发射激光器的优势特征。

本发明是这样实现的，见图1所示，通过在标准的外延结构上设计一额外的λ/4 反相层(7)，该层在半导体-空气界面提供与内部λ/4叠层反相位的反射，从而增加上DBR (6)的损耗。λ/4反相层(7)被腐蚀的环形区为发光区(10)，而未腐蚀的中心区域形成的 表面浮雕(9)为高损耗区。该设计方案最显著的特点就是环形腔面发射激光器的高损耗区由 无需腐蚀的表面浮雕结构形成。

本发明可以达到这样的技术效果：与以往的表面浮雕结构面发射激光器相比，它 最大的优点就是相对增大了氧化孔径，降低了微分电阻，从而有助于提高器件的输出功率和 可靠性，且兼顾了环形腔器件低发散角的特色优势。另外，与面发射激光器的标准制备工艺 相比，只需增加一次光刻和腐蚀工艺，制备方法简单。

附图说明

图1为本发明提供的基于表面浮雕结构环形腔面发射激光器的结构示意图。

具体实施方式

见图1所示，一种基于表面浮雕结构环形腔面发射半导体激光器的结构自下至上 依次由下电极(1)、衬底(2)、下DBR(3)、有源区(4)、氧化层(5)、上DBR(6)、λ/4 反相层(7)、上电极(8)、表面浮雕(9)和环形发光区(10)构成。

λ/4反相层(7)为位于外延片上表面的具有高折射率的厚度为λ/4的附加外延层， 和标准芯片结构一起通过一次外延生长技术实现。

表面浮雕(9)为λ/4反相层(7)中心的未腐蚀区域，为高损耗区。

环形发光区(10)为λ/4反相层(7)的环形腐蚀区域。

表面浮雕(9)被环形发光区(10)所包围。

表面浮雕(9)的直径小于氧化层(5)围成的氧化孔径。

环形发光区(10)的内径等于表面浮雕(9)的直径，环形发光区(10)的外径小 于或等于氧化层(5)围成的氧化孔径。

上电极(8)蒸镀在λ/4反相层(7)的上表面，所述的下电极(1)蒸镀在衬底(2) 的下表面。

设计器件的工作波长覆盖深紫外到远红外波段。