一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構的製作方法

2023-06-14 19:12:56

一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其包括：襯底，其上製作有雙溝道脊型波導結構，脊型區中設有雷射器有源區；光柵層，製作在襯底上表面；電隔離層，製作在光柵層上表面，在光柵層與脊型區對應的上表面處斷開形成電注入窗口；雙溝填充物，填充在雙溝道中；下歐姆接觸層，製作在襯底的下表面；亞波長金屬等離子體天線，製作在所述電隔離層和雙溝填充物的上表面，在脊型區對應的上表面處斷開，在形成電注入歐姆接觸區域的同時形成光輸出窗口。本發明有效的降低面發射雷射器慢軸方向的遠場發散角，實現小發散角準圓斑甚至圓斑面發射器件的製作。
【專利說明】一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構

【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體光電【技術領域】，特別涉及一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠 場的金屬天線結構。

【背景技術】
[0002] 遠場是半導體雷射器一項重要的指標。採用二級布拉格分布反饋光柵的面發射 半導體雷射器，因其在腔長方向（快軸）上有很小的遠場發散角，且器件封裝簡易而被廣 泛應用於大氣環境監測、光纖通信以及自由空間光通信發射端系統中。但是由於器件構型 的原因，面發射半導體雷射器的遠場並不完美，其脊寬方向（慢軸）的遠場保持一個較大 的發散角，通常在10°至30°之間。面發射半導體雷射器的遠場截面呈現為狹長的單瓣 或雙瓣棗核狀輪廓，與標準的雷射器圓斑遠場還存在一定的差距。國際上採用光子晶體 [R. Colombelli, et al.Quantum cascade surface-emitting photonic crystal laser, Science 302,1374,（2003)]和一級光柵反饋二級光柵垂直發射的結構[G.Maisons，et al.Directional single mode quantum cascade laser emission using second-order metal grating coupler，Appl.Phys.Lett. 98, 021101，（2011)]可以實現準圓斑雷射器遠 場，但是上述的結構一般要求較大有源區的寬度，對於一些類型的半導體雷射器而言（例 如量子級聯雷射器），在寬脊情況下幾乎不可能實現室溫下的連續工作。半導體雷射器遠 場的改善還可以利用波前工程技術，如周期為亞波長的金屬光柵與出射光束之間若滿足相 位匹配條件，則會耦合出沿金屬表面傳播的等離子體波，在經過金屬凹槽時垂直散射組成 一組分立相干的輻射源，從而擴展出射光束的近場寬度，改善光束的遠場分布。哈佛大學 Capasso教授領導的課題組就在金屬等離子體結構改善邊發射雷射器件遠場發散角方面做 了很多的工作[N. Yu, et al. Small divergence edge-emitting semiconductor lasers with two-dimensional plasmonic collimators, Appl. Phys. Lett. 93, 181101，2008]〇 但 由於在雷射器腔面上製作金屬圖形需要用到聚焦離子束刻蝕（FIB)技術，工藝難度大且價 格極其昂貴，不適宜大面積批量化的生產。


【發明內容】

[0003] 鑑於以上技術問題，本發明綜合考慮物理原理以及各種波前光束調製技術工藝實 現難度等因素，提出基於二級分布反饋光柵面發射半導體雷射器的表面等離子體結構光束 整形技術，實現高光束質量面發射半導體雷射器的研製。為此本發明提出了一種改善面發 射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構。該結構利用周期性金屬等離子天線結構對面發 射構型的半導體雷射器出射光束慢軸方向的近場進行調製，實現慢軸方向遠場發散角的改 善。
[0004] 本發明提出了一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其包括： 襯底、光柵層、電隔離層、雙溝填充物、下歐姆接觸層和亞波長金屬等離子體天線，其中 ：
[0005] 所述襯底上製作有雙溝道脊型波導結構，且所述雙溝道脊型波導結構的脊型區中 設有雷射器有源區；
[0006] 所述光柵層製作在所述襯底的上表面；
[0007] 所述電隔離層製作在所述光柵層的上表面，且在所述光柵層與所述脊型區對應的 上表面處斷開，斷開的部分形成電注入窗口；
[0008] 所述雙溝填充物填充在所述雙溝道脊型波導結構的雙溝道中；
[0009] 所述下歐姆接觸層製作在所述襯底的下表面；
[0010] 所述亞波長金屬等離子體天線製作在所述電隔離層和雙溝填充物的上表面，且在 所述脊型區對應的上表面處斷開，斷開的寬度小於所述電注入窗口的寬度，斷開區域在形 成電注入歐姆接觸區域的同時形成光輸出窗口。
[0011] 其中，所述襯底為InP或GaAs襯底。
[0012] 其中，所述雷射器有源區包括光波導層，所述光波導層中包含有重摻雜半導體材 料的蓋層，所述光柵層位於所述光波導層中。
[0013] 其中，所述雷射器有源區為異質結雷射器結構、帶間級聯雷射器有源區結構或者 量子級聯雷射器有源區結構。
[0014] 其中，所述雙溝道脊型波導的溝道深度大於雷射器有源區的高度。
[0015] 其中，所述雙溝道脊型波導結構的脊型區的寬度為5-20 μ m，所述脊型區兩側溝道 的寬度為20-100 μ m。
[0016] 其中，所述電隔離層的製作材料為二氧化矽或氮化矽。
[0017] 其中，所述雙溝填充物為聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻膠。
[0018] 其中，所述亞波長金屬等離子體天線包含的光柵周期小於雷射器激射波長，為亞 波長尺寸，光柵的深度為〇. 1-1 μ m。
[0019] 其中，所述下歐姆接觸層和所述亞波長金屬等離子體天線均由金屬膜層組成，所 述下歐姆接觸層的金屬膜層為Au/Ge/Ni/Au四層膜，所述亞波長金屬等離子體天線的金屬 膜層為Ti/Au兩層膜，其中，Au層的厚度為0. 5-2 μ m。
[0020] 從上述技術方案可以看出，本發明提出的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場 的金屬天線結構具有以下有益效果：與傳統平面工藝相兼容，僅需要在面發射雷射器工藝 基礎上多一步雙溝填充和一版光刻工藝。相比較基於襯底發射雷射器圖形製作於襯底面上 而言，工藝更加簡單，不需要雙面套刻，因此套刻精度高，成品率有保證。
[0021] 本發明天線結構利用雷射器出射光與周期性金屬光柵結構之間的相互作用，耦合 出橫向傳播的表面等離子體波，通過散射形成相干光束陣列，等同於拓展光束近場，從而有 效的降低面發射雷射器慢軸方向的遠場發散角，實現小發散角準圓斑甚至圓斑面發射器件 的製作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為根據本發明一實施例的改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬等離子 體天線的三維結構示意圖；
[0023] 圖2為根據本發明一實施例的亞波長金屬光柵受激產生橫向傳播的等離子體波 的原理示意圖。

【具體實施方式】
[0024] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0025] 本發明提供了一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，圖1給出 了根據本發明一實施例的改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線的三維結構示意 圖。如圖1所示，所述天線包括：襯底1、光柵層2、電隔離層3、雙溝填充物4、下歐姆接觸層 5、亞波長金屬等離子體天線6,其中：
[0026] 所述襯底1上製作有雙溝道脊型波導結構，且所述雙溝道脊型波導結構的脊型 區，即雙溝道之間設有雷射器有源區；
[0027] 其中，所述襯底1為InP或GaAs襯底；所述雷射器有源區包括光波導層， 所述光波導層中包含有重摻雜半導體材料的蓋層，所述蓋層摻雜的載流子濃度為 5X10 18-lX1019cnT3;所述雷射器有源區可以為異質結雷射器結構、帶間級聯雷射器有源區 結構或者量子級聯雷射器有源區結構；所述雙溝道脊型波導的溝道深度大於雷射器有源區 的高度；所述雙溝道脊型波導結構的脊型區的寬度為5-20 μ m，所述脊型區兩側溝道的寬 度為 20-100 μ m。
[0028] 所述光柵層2製作在所述襯底1的上表面；
[0029] 在本發明一實施例中，所述光柵層2位於所述光波導層中。
[0030] 在本發明一實施例中，所述光柵層2為二級分布反饋布拉格光柵。
[0031] 所述電隔離層3製作在所述光柵層2的上表面，且在所述光柵層2與所述脊型區 對應的上表面處斷開，斷開的部分形成電注入窗口；
[0032] 其中，所述電隔離層3的製作材料可以為二氧化矽或氮化矽。
[0033] 所述雙溝填充物4填充在所述雙溝道脊型波導結構的雙溝道中；
[0034] 在本發明一實施例中，所述雙溝填充物4為聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)或AZ5214 光刻膠，填充的厚度為溝道深度。
[0035] 所述下歐姆接觸層5製作在所述襯底1的下表面；
[0036] 在本發明一實施例中，所述下歐姆接觸層5由金屬膜層組成，所述金屬膜層可以 為Au/Ge/Ni/Au四層膜。
[0037] 所述亞波長金屬等離子體天線6製作在所述電隔離層3和雙溝填充物4的上表 面，且在所述脊型區對應的上表面處斷開，斷開的寬度小於所述電注入窗口的寬度，斷開區 域在形成電注入歐姆接觸區域的同時形成光輸出窗口；
[0038] 所述亞波長金屬等離子體天線6的金屬光柵的周期小於雷射器激射波長，為亞波 長尺寸，光柵的深度為〇. 1-1 μ m。
[0039] 其中，所述亞波長金屬等離子體天線6由金屬膜層組成，所述金屬膜層可以為Ti/ Au兩層膜，其中，Au層的厚度為0. 5-2 μ m。
[0040] 其中，所述重摻雜半導體材料的蓋層與所述亞波長金屬等離子體天線6形成歐姆 接觸。
[0041] 至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員 應當對本發明提出的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬等離子體天線的結構 有了清楚的認識。
[0042] 特定波長的出射光束與周期為亞波長的金屬等離子體結構之間發生耦合作用，會 產生出橫向傳播的表面等離子體波，查閱文獻進行相關計算可知近紅外和紅外波段耦合出 的表面等離子體波的傳播距離可以達到數百微米。如圖2所示，這些橫向傳播的波在金屬 槽中被垂直散射後組成一組相干的輻射陣列源，等同於擴展了出射光束的近場分布。周期 性金屬等離子體結構的周期為P，佔空比為
[0043] 根據衍射極限理論，光束的近場分布變大，會對應一個發散角縮小的遠場分布。利 用二級布拉格分布反饋光柵在垂直方向上有光衍射分量的原理而製作的面發射半導體激 光器，遠場一般呈現為極度壓縮的棗核形狀，快軸方向遠場發散角為Γ以內，慢軸方向的 遠場發散角受限於有源區寬度保持在15°至25°。將亞波長的金屬等離子體結構製作在 面發射器件出射光區域的兩側，對出射光的橫向近場進行擴展調製，即可以改善該方向上 的遠場，將遠場發散角控制在3°以內。由於該結構並不會影響有源區的電光轉換過程，只 是對出射的光束進行定向調製，因此不會影響到雷射器的性能。
[0044] 綜上所述，本發明提供了一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結 構。該結構採用亞波長周期性金屬天線結構對面發射半導體雷射器的輸出光束進行整形， 實現了面發射半導體雷射器慢軸方向發散角的改善。
[0045] 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，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，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 護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其特徵在於，該天線包括： 襯底、光柵層、電隔離層、雙溝填充物、下歐姆接觸層和亞波長金屬等離子體天線，其中 ： 所述襯底上製作有雙溝道脊型波導結構，且所述雙溝道脊型波導結構的脊型區中設有 雷射器有源區； 所述光柵層製作在所述襯底的上表面； 所述電隔離層製作在所述光柵層的上表面，且在所述光柵層與所述脊型區對應的上表 面處斷開，斷開的部分形成電注入窗口； 所述雙溝填充物填充在所述雙溝道脊型波導結構的雙溝道中； 所述下歐姆接觸層製作在所述襯底的下表面； 所述亞波長金屬等離子體天線製作在所述電隔離層和雙溝填充物的上表面，且在所述 脊型區對應的上表面處斷開，斷開的寬度小於所述電注入窗口的寬度，斷開區域在形成電 注入歐姆接觸區域的同時形成光輸出窗口。
2. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述襯底為InP或GaAs襯底。
3. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述雷射器有源區包括光波導層，所述光波導層中包含有重摻雜半導體材料的 蓋層，所述光柵層位於所述光波導層中。
4. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述雷射器有源區為異質結雷射器結構、帶間級聯雷射器有源區結構或者量子 級聯雷射器有源區結構。
5. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述雙溝道脊型波導的溝道深度大於雷射器有源區的高度。
6. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述雙溝道脊型波導結構的脊型區的寬度為5-20 μ m，所述脊型區兩側溝道的寬 度為 20-100 μ m。
7. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述電隔離層的製作材料為二氧化矽或氮化矽。
8. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述雙溝填充物為聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻膠。
9. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構，其 特徵在於，所述亞波長金屬等離子體天線的金屬光柵的周期小於雷射器激射波長，為亞波 長尺寸，光柵的深度為0. 1-1 μ m。
10. 根據權利要求1所述的一種改善面發射半導體雷射器慢軸遠場的金屬天線結構， 其特徵在於，所述下歐姆接觸層和所述亞波長金屬等離子體天線均由金屬膜層組成，所述 下歐姆接觸層的金屬膜層為Au/Ge/Ni/Au四層膜，所述亞波長金屬等離子體天線的金屬膜 層為Ti/Au兩層膜，其中，Au層的厚度為0. 5-2 μ m。
【文檔編號】G02B27/09GK104267503SQ201410520059
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】姚丹陽, 張錦川, 周予虹, 賈志偉, 閆方亮, 王利軍, 劉俊岐, 劉峰奇, 王佔國 申請人:中國科學院半導體研究所