高速面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种高速面发射激光器及其制备方法。

背景技术

高速面发射激光器(SEL)是光互连领域重要的光源。基于高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)和多模光纤(MMF)的光互连技术具有低成本和低能耗的优势，并正向更高速率和更长距离的方向发展。提高VCSEL调制带宽可以增加VCSEL-MMF数据传输速率。单模VCSEL可以降低模式色散，提高VCSEL-MMF传输距离，使得基于VCSEL的光互连技术不仅可用于短距离的数据中心内部的数据传输，也可用于更长距离的数据中心之间的数据传输。

提高VCSEL的调制带宽可以通过提高光限制因子和减小有源区体积实现。VCSEL的有源区与VCSEL的腔长和孔径有关。目前数据通信VCSEL的腔长度通常为波长的一半，不能进一步减小VCSEL的腔长。虽然可缩小VCSEL的孔径来提高调制带宽，同时实现单模，但是VCSEL孔径的减小会导致电阻增加，以及输出功率的下降等问题。

光子晶体表面发射半导体激光器(PCSEL)通过光子晶体带边模式实现激光振荡，并通过布拉格衍射实现激光单模面发射输出。相比于VCSEL，PCSEL具有较低的吸收损耗和串联电阻，同时具有更高的光限制因子，有利于提高激光器的调制带宽。但PCSEL激光振荡的实现需要较大的谐振腔尺寸，因此有源区体积较大，对PCSEL的调制带宽提高带来负面影响。

北京大学的马仁敏教授将拓扑边缘态扩展到拓扑体态，通过具有拓扑平庸态和拓扑非平庸态的两种光子晶体构建激光腔，在其界面通过新颖的能带反转光场限制效应实现激光振荡。这种基于拓扑体态的PCSEL不仅具有传统PCSEL高限制因子和低电阻的优点，同时基于拓扑能带反转光场限制效应可实现激光的单模输出。但基于拓扑体态的PCSEL发展遇到瓶颈，无法进一步提高带宽。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种高速面发射激光器及其制备方法，能够增大面发射激光器的驰豫振荡频率，同时保证单模特性，进一步提高面发射激光器的调制带宽。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的高速面发射激光器，包括从下至上依次制备的N型衬底、N型接触层、N型限制层、有源层、P型限制层和P型接触层，在P型接触层和部分P型限制层内或在P型限制层内刻蚀形成拓扑非平庸态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体，拓扑非平庸态光子晶体被拓扑平庸态光子晶体所包围，拓扑非平庸态光子晶体形成两个谐振腔和耦合两个谐振腔的耦合通道。

优选地，在有源层与N型限制层之间和/或在有源层与P型限制层之间制备有可氧化层，可氧化层包括位于边缘的氧化部分和位于中心的未氧化部分，氧化部分在氧化后形成绝缘材料，使未氧化部分形成供电流流通的孔径。

优选地，拓扑非平庸态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体分别包括以相同的晶格常数周期性排列成蜂窝状晶格的晶胞，晶胞的内部形成有旋转对称分布的纳米孔；对于拓扑非平庸态光子晶体，纳米孔的中心与晶胞的中心之间的距离大于光子晶体晶格常数的三分之一；对于拓扑平庸态光子晶体，纳米孔的中心与晶胞的中心之间的距离小于光子晶体晶格常数的三分之一。

优选地，纳米孔为圆形、三角形或正方形，当纳米孔为圆形或三角形时，每个晶胞内的纳米孔的数量为六个，对应的晶胞为正六边形；当纳米孔为正方形时，每个晶胞内的纳米孔的数量为四个，对应的晶胞为正方形。

优选地，在纳米孔内填充有折射率小于周围介质的折射率的介电材料。

优选地，N型接触层与P型接触层均为掺杂层，掺杂层的掺杂浓度超过5×10

本发明提供的一种高速面发射激光器的制备方法，用于制备上述高速面发射激光器，包括如下步骤：

S1、在N型衬底上依次生长N型接触层、N型限制层、有源层、P型限制层和P型接触层；

S2、从P型接触层向下刻蚀至P型限制层形成拓扑非平庸态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；其中，拓扑非平庸态光子晶体被拓扑平庸态光子晶体所包围形成两个谐振腔和耦合两个谐振腔的耦合通道；

S3、在避开拓扑非平庸态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体的位置，从P型接触层向下刻蚀至N型接触层形成台面；

S4、在台面上的P型接触层上沉积一层电极材料，形成P面电极，以及在台面外的N型接触层上沉积一层电极材料，形成N面电极；

S5、在台面外避开N面电极的位置沉积形成与P面电极同高的平坦化材料层；

S6、利用平坦化材料层将P面电极与N面电极引出至同一高度，形成共面电极。

优选地，在步骤S1中，有源层与N型限制层之间和/或在有源层与P型限制层之间制备可氧化层，可氧化层通过氧化边缘部分形成绝缘材料，而中心未被氧化的部分形成供电流流通的孔径。

本发明提供的另一种高速面发射激光器的制备方法，用于制备上述高速面发射激光器，包括如下步骤：

S1、在N型衬底上依次生长N型接触层、N型限制层、有源层和P型限制层；

S2、在P型限制层内向下刻蚀至接近有源层的位置形成拓扑非平庸态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体；其中，拓扑非平庸态光子晶体被拓扑平庸态光子晶体所包围形成两个谐振腔和耦合两个谐振腔的耦合通道；

S3、在P型限制层上生长P型接触层；

S4、在避开拓扑非平庸态光子晶体和拓扑平庸态光子晶体的位置，从P型接触层向下刻蚀至N型限制层形成台面；

S5、在台面上的P型接触层上沉积一层电极材料，形成P面电极，以及在台面外的N型限制层上沉积一层电极材料，形成N面电极；

S6、在台面外避开N面电极的位置沉积形成与P面电极同高的平坦化材料层；

S7、利用平坦化材料层将P面电极与N面电极引出至同一高度，形成共面电极。

优选地，在步骤S1中，有源层与N型限制层之间和/或在有源层与P型限制层之间制备可氧化层，可氧化层通过氧化边缘部分形成绝缘材料，而中心未被氧化的部分形成供电流流通的孔径。

本发明能够取得如下技术效果：

1、通过两个谐振腔的光子-光子共振效应，可以突破面发射激光器谐振腔产生的载流子-光子共振导致的驰豫振荡频率限制，进而拓展带宽，提高面发射激光器的调制带宽。

2、可氧化层氧化后形成的绝缘材料可对电流进行限制，保证电流更集中的流通有源层，使有源层更容易激射。

附图说明

图1是根据本发明实施例1提供的高速面发射激光器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例1提供的光子晶体结构的结构示意图；

图3是根据本发明实施例1提供的两个谐振腔与耦合通道的结构示意图；

图4是根据本发明实施例1提供的在一个谐振腔设置光源的仿真结果示意图；

图5是根据本发明实施例1提供的在两个谐振腔均设置光源的仿真结果示意图；

图6-图13是根据本发明实施例2提供的高速面发射激光器的动态制备过程示意图；

图14-图16是根据本发明实施例3提供的高速面发射激光器的动态制备过程示意图。

其中的附图标记包括：N型衬底11、N型接触层12、N型限制层13、下可氧化层14、有源层15、上可氧化层16、P型限制层17、P型接触层18、拓扑非平庸态光子晶体21、拓扑平庸态光子晶体22、第一晶胞23、第二晶胞24、主腔25、耦合腔26、耦合通道27、能带边界31、台面边界32、台面41、氧化部分51、未氧化部分52、P面电极61、N面电极62、平坦化材料层71、共面电极81。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

实施例1

图1示出了根据本发明实施例1提供的高速面发射激光器的结构。

如图1所示，本发明实施例1提供的高速面发射激光器，包括从下至上依次制备的N型衬底11、N型接触层12、N型限制层13、下可氧化层14、有源层15、上可氧化层16、P型限制层17和P型接触层18，在P型接触层18和部分P型限制层17内或在P型限制层17内，通过刻蚀纳米孔构建光子晶体结构，光子晶体结构包括拓扑非平庸态光子晶体21和拓扑平庸态光子晶体22。

构建拓扑非平庸态光子晶体21和拓扑平庸态光子晶体22的方式有两种，一种方式是从P型接触层18向下刻蚀至P型限制层17，形成光子晶体结构；另一种方式是在一次外延工艺生长P型限制层17后先进行刻蚀形成光子晶体结构，再应用再生长工艺生成P型接触层18，形成掩埋型光子晶体结构。

图2示出了根据本发明实施例1提供的光子晶体结构的结构示意图。

如图2所示，拓扑非平庸态光子晶体21包括多个以相同的晶格常数周期性地排列成蜂窝状晶格的第一晶胞23，拓扑平庸态光子晶体22包括多个以相同的晶格常数周期性地排列成蜂窝状晶格的第二晶胞24，第一晶胞23与第二晶胞24的外边缘均为正多边形，第一晶胞23与第二晶胞24的内部均有旋转对称分布的纳米孔，纳米孔为圆形、正三角形或正方形，在第一晶胞23与第二晶胞24的中心不制备纳米孔。

由于纳米孔到晶胞的中心的距离不同，形成偶极子模式和四极子模式两种不同的能带结构；当纳米孔的中心与第一晶胞23的中心之间的距离小于光子晶体晶格常数的三分之一时，偶极子和四极子模式之间没有发生能带反转，构成拓扑平庸态光子晶体；61体；所刻蚀的拓扑非平庸态光子晶体21被拓扑平庸态光子晶体22所包围，两者的交界面构成能带边界31，能带边界31构成闭合曲线；由于能带边界31两端不同的能带结构，频率处于布里渊区中心附近的光子会在边界处被反射，从而在闭合的能带边界31内形成谐振腔，通过这种方法对光场进行横向的限制。光波在横向上被光子晶体结构有效限制，通过布拉格衍射耦合到垂直方向并谐振，实现单模激射，高速面发射激光器具有垂直发射特性。

当晶胞(第一晶胞23和第二晶胞24)的外边缘均为正六边形时，晶胞内的纳米孔的形状为圆形或三角形，数量为六个，六个圆形纳米孔或三角形纳米孔沿晶胞的中心旋转对称分布构成晶胞。

当晶胞的外边缘均为正四边形时，晶胞内的纳米孔的形状为正方形，数量为四个，四个正方形纳米孔沿晶胞的中心旋转对称分布构成晶胞。

无论纳米孔为哪种形状，都可在纳米孔内填充折射率小于周围介质折射率的介电材料，以改变与周围介质的折射率差。

下可氧化层14与上可氧化层16包括位于边缘的氧化部分51和位于中心的未氧化部分52，氧化部分51含有高铝组分，在氧化后形成绝缘材料，被氧化的氧化部分51包围中心未被氧化的部分，形成一个可供电流流通的孔径。

当电流注入高速面发射激光器时，由于下可氧化层14与上可氧化层16的限制，电流更集中的流通有源层15，有源层15的电流密度更高，使有源层15更容易激射。

图1示出了在有源层15的上下两侧分别制备可氧化层的情况，但本发明不局限于上述情况，也可以只在有源层15的上侧或下侧制备可氧化层，来对电流进行限制，可氧化层的数量可以为一层或多层。

N型接触层12与P型接触层18可以为与P面电极和N面电极接触的掺杂层，掺杂层的掺杂浓度超过5×10

图3示出了根据本发明实施例1提供的两个谐振腔与耦合通道的结构。

如图3所示，在横向上构建两个相同的谐振腔，一个作为主腔25，另一个作为耦合腔26，主腔25和耦合腔26之间通过拓扑非平庸态光子晶体21形成耦合通道27，使被限制的四极子模式能够通过耦合通道27在主腔25与耦合腔26之间形成耦合。通过主腔25与耦合腔26之间的光子-光子共振效应，可以突破面发射激光器谐振腔产生的载流子-光子共振导致的驰豫振荡频率限制，进而拓展带宽，提高面发射激光器的调制带宽。

为了保持主腔25与耦合腔26的电流独立，又可以让光自由通过，需要保证主腔25与耦合腔26之间无法导通，一般通过用质子注入方式在耦合通道27处实现高阻区，从而达到电绝缘的目的。

图4是根据本发明实施例1提供的在一个耦合腔设置光源的仿真结果。

如图4所示，经过仿真可以发现，在一个主腔内设置光源，主腔与耦合腔同时实现单模，而两者之间的耦合通道并没有影响主腔的模式分布，仍能保证较好的单模特性。

图5示出了根据本发明实施例1提供的在两个耦合腔均设置光源的仿真结果。

如图5所示，在主腔与耦合腔内均设置光源，主腔的单模性保持完整，且电场分布相比单个腔设置光源得到明显的加强。

实施例2

本发明实施例2提供一种高速面发射激光器的制备方法，用于实施例1的高速面发射激光器。

图6-图13分别示出了根据本发明实施例2提供的高速面发射激光器的动态制备过程。

如图6-图13所示，本发明实施例2提供的高速面发射激光器的制备方法包括如下步骤：

S1、在N型衬底11上依次生长N型接触层12、N型限制层13、下可氧化层14、有源层15、上可氧化层16、P型限制层17和P型接触层18。

S2、从P型接触层18向下刻蚀至P型限制层17形成拓扑非平庸态光子晶体21和拓扑平庸态光子晶体22。

拓扑非平庸态光子晶体21被拓扑平庸态光子晶体22所包围形成两个谐振腔和耦合两个谐振腔的耦合通道。

拓扑非平庸态光子晶体21被拓扑平庸态光子晶体22已在实施例1中详细描述，故在此不再赘述。

被限制的四极子模式能够通过耦合通道在两个谐振腔之间形成耦合。通过两个谐振腔之间的光子-光子共振效应，可以突破面发射激光器谐振腔产生的载流子-光子共振导致的驰豫振荡频率限制，进而拓展带宽，提高面发射激光器的调制带宽。

为了保持两个谐振腔的电流独立，又可以让光自由通过，需要保证两个谐振腔之间无法导通。因此在刻蚀形成拓扑非平庸态光子晶体21和拓扑平庸态光子晶体22之前，采用质子注入方式在耦合通道处实现高阻区，实现两个谐振腔之间的电绝缘。

S3、避开拓扑非平庸态光子晶体21和拓扑平庸态光子晶体22的位置，在台面边界32处从P型接触层18向下刻蚀至N型限制层13形成露出下可氧化层14和上可氧化层16的台面41。

露出的下可氧化层14与上可氧化层16通过氧化边缘部分形成绝缘材料，而中心未被氧化的部分形成供电流流通的孔径。当电流注入高速面发射激光器时，由于下可氧化层14与上可氧化层16的限制，电流更集中的流通有源层15，有源层15的电流密度更高，使有源层15更容易激射。

当然，本发明也可以只在有源层15的上侧或下侧制备可氧化层，来对电流进行限制，可氧化层的数量可以为一层或多层。

S4、在台面41上的P型接触层18上沉积一层电极材料，形成P面电极61，以及在台面41外的N型限制层13上沉积一层电极材料，形成N面电极62。

S5、在台面41外避开N面电极62的位置沉积形成与P面电极61同高的平坦化材料层71。

平坦化材料层71需要避免遮盖N面电极62，使高速面发射激光器的表面变的平整。

S6、利用平坦化材料层71将P面电极61与N面电极62引出至同一高度，形成共面电极81。

将P面电极61与N面电极62引出至同一高度以实现电流注入。

若从P型接触层18刻蚀到接近有源层15的位置，则刻蚀深度太深，影响电流分布，使电流不均匀，导致电阻增大，通常在刻蚀深度和衍射效率之间衡量出最大的出射光功率。

实施例3

本发明实施例3提供另一种高速面发射激光器的制备方法，用于实施例1的高速面发射激光器。

图14-图16分别示出了根据本发明实施例3提供的高速面发射激光器的动态制备过程。

如图14-图16所示，本发明实施例3提供的高速面发射激光器的制备方法包括如下步骤：

S1、在N型衬底11上依次生长N型接触层12、N型限制层13、下可氧化层14、有源层15、上可氧化层16和P型限制层17。

S2、在P型限制层17内向下刻蚀至接近有源层15的位置形成拓扑非平庸态光子晶体21和拓扑平庸态光子晶体22。

S3、利用再生长工艺在P型限制层17上生长P型接触层18。

其余的步骤与实施例2的S3-S6相同。

本实施例3中，也可以只在有源层15的上侧或下侧制备可氧化层，来对电流进行限制，可氧化层的数量可以为一层或多层。

本实施例3是从P型限制层17向下刻蚀，相比实施例2，刻蚀深度浅，但更接近有源层15。因此实施例3可以让光子晶体结构处的光强更强，同时能获得更高的垂直方向的出射光功率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。