一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其包括：襯底，其上制作有雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，脊型區(qū)中設(shè)有激光器有源區(qū)；光柵層，制作在襯底上表面；電隔離層，制作在光柵層上表面，在光柵層與脊型區(qū)對應(yīng)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，制作在襯底的下表面；亞波長金屬等離子體天線，制作在所述電隔離層和雙溝填充物的上表面，在脊型區(qū)對應(yīng)的上表面處斷開，在形成電注入歐姆接觸區(qū)域的同時(shí)形成光輸出窗口。本發(fā)明有效的降低面發(fā)射激光器慢軸方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角，實(shí)現(xiàn)小發(fā)散角準(zhǔn)圓斑甚至圓斑面發(fā)射器件的制作。
【專利說明】一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn) 場的金屬天線結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 遠(yuǎn)場是半導(dǎo)體激光器一項(xiàng)重要的指標(biāo)。采用二級布拉格分布反饋光柵的面發(fā)射 半導(dǎo)體激光器，因其在腔長方向（快軸）上有很小的遠(yuǎn)場發(fā)散角，且器件封裝簡易而被廣 泛應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測、光纖通信以及自由空間光通信發(fā)射端系統(tǒng)中。但是由于器件構(gòu)型 的原因，面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場并不完美，其脊寬方向（慢軸）的遠(yuǎn)場保持一個(gè)較大 的發(fā)散角，通常在10°至30°之間。面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場截面呈現(xiàn)為狹長的單瓣 或雙瓣棗核狀輪廓，與標(biāo)準(zhǔn)的激光器圓斑遠(yuǎn)場還存在一定的差距。國際上采用光子晶體 [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(fā)射的結(jié)構(gòu)[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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)圓斑激光器遠(yuǎn) 場，但是上述的結(jié)構(gòu)一般要求較大有源區(qū)的寬度，對于一些類型的半導(dǎo)體激光器而言（例 如量子級聯(lián)激光器），在寬脊情況下幾乎不可能實(shí)現(xiàn)室溫下的連續(xù)工作。半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn) 場的改善還可以利用波前工程技術(shù)，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(huì)耦合出沿金屬表面?zhèn)鞑サ牡入x子體波，在經(jīng)過金屬凹槽時(shí)垂直散射組成 一組分立相干的輻射源，從而擴(kuò)展出射光束的近場寬度，改善光束的遠(yuǎn)場分布。哈佛大學(xué) Capasso教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組就在金屬等離子體結(jié)構(gòu)改善邊發(fā)射激光器件遠(yuǎn)場發(fā)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 由于在激光器腔面上制作金屬圖形需要用到聚焦離子束刻蝕（FIB)技術(shù)，工藝難度大且價(jià) 格極其昂貴，不適宜大面積批量化的生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于以上技術(shù)問題，本發(fā)明綜合考慮物理原理以及各種波前光束調(diào)制技術(shù)工藝實(shí) 現(xiàn)難度等因素，提出基于二級分布反饋光柵面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的表面等離子體結(jié)構(gòu)光束 整形技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的研制。為此本發(fā)明提出了一種改善面發(fā) 射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用周期性金屬等離子天線結(jié)構(gòu)對面發(fā) 射構(gòu)型的半導(dǎo)體激光器出射光束慢軸方向的近場進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)慢軸方向遠(yuǎn)場發(fā)散角的改 善。
[0004] 本發(fā)明提出了一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，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] 所述襯底上制作有雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，且所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊型區(qū)中 設(shè)有激光器有源區(qū)；
[0006] 所述光柵層制作在所述襯底的上表面；
[0007] 所述電隔離層制作在所述光柵層的上表面，且在所述光柵層與所述脊型區(qū)對應(yīng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙溝道中；
[0009] 所述下歐姆接觸層制作在所述襯底的下表面；
[0010] 所述亞波長金屬等離子體天線制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(qū)對應(yīng)的上表面處斷開，斷開的寬度小于所述電注入窗口的寬度，斷開區(qū)域在形 成電注入歐姆接觸區(qū)域的同時(shí)形成光輸出窗口。
[0011] 其中，所述襯底為InP或GaAs襯底。
[0012] 其中，所述激光器有源區(qū)包括光波導(dǎo)層，所述光波導(dǎo)層中包含有重?fù)诫s半導(dǎo)體材 料的蓋層，所述光柵層位于所述光波導(dǎo)層中。
[0013] 其中，所述激光器有源區(qū)為異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)、帶間級聯(lián)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)或者 量子級聯(lián)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)。
[0014] 其中，所述雙溝道脊型波導(dǎo)的溝道深度大于激光器有源區(qū)的高度。
[0015] 其中，所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊型區(qū)的寬度為5-20 μ m，所述脊型區(qū)兩側(cè)溝道 的寬度為20-100 μ m。
[0016] 其中，所述電隔離層的制作材料為二氧化硅或氮化硅。
[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于激光器激射波長，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(shù)方案可以看出，本發(fā)明提出的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場 的金屬天線結(jié)構(gòu)具有以下有益效果：與傳統(tǒng)平面工藝相兼容，僅需要在面發(fā)射激光器工藝 基礎(chǔ)上多一步雙溝填充和一版光刻工藝。相比較基于襯底發(fā)射激光器圖形制作于襯底面上 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(fā)明天線結(jié)構(gòu)利用激光器出射光與周期性金屬光柵結(jié)構(gòu)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，等同于拓展光束近場，從而有 效的降低面發(fā)射激光器慢軸方向的遠(yuǎn)場發(fā)散角，實(shí)現(xiàn)小發(fā)散角準(zhǔn)圓斑甚至圓斑面發(fā)射器件 的制作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬等離子 體天線的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的亞波長金屬光柵受激產(chǎn)生橫向傳播的等離子體波 的原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025] 本發(fā)明提供了一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，圖1給出 了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線的三維結(jié)構(gòu)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上制作有雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，且所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊型 區(qū)，即雙溝道之間設(shè)有激光器有源區(qū)；
[0027] 其中，所述襯底1為InP或GaAs襯底；所述激光器有源區(qū)包括光波導(dǎo)層， 所述光波導(dǎo)層中包含有重?fù)诫s半導(dǎo)體材料的蓋層，所述蓋層摻雜的載流子濃度為 5X10 18-lX1019cnT3;所述激光器有源區(qū)可以為異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)、帶間級聯(lián)激光器有源區(qū) 結(jié)構(gòu)或者量子級聯(lián)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)；所述雙溝道脊型波導(dǎo)的溝道深度大于激光器有源區(qū) 的高度；所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊型區(qū)的寬度為5-20 μ m，所述脊型區(qū)兩側(cè)溝道的寬 度為 20-100 μ m。
[0028] 所述光柵層2制作在所述襯底1的上表面；
[0029] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述光柵層2位于所述光波導(dǎo)層中。
[0030] 在本發(fā)明一實(shí)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制作在所述光柵層2的上表面，且在所述光柵層2與所述脊型區(qū) 對應(yīng)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的制作材料可以為二氧化硅或氮化硅。
[0033] 所述雙溝填充物4填充在所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙溝道中；
[0034] 在本發(fā)明一實(shí)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制作在所述襯底1的下表面；
[0036] 在本發(fā)明一實(shí)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制作在所述電隔離層3和雙溝填充物4的上表 面，且在所述脊型區(qū)對應(yīng)的上表面處斷開，斷開的寬度小于所述電注入窗口的寬度，斷開區(qū) 域在形成電注入歐姆接觸區(qū)域的同時(shí)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于激光器激射波長，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?fù)诫s半導(dǎo)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(jīng)結(jié)合附圖對本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明提出的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬等離子體天線的結(jié)構(gòu) 有了清楚的認(rèn)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(jié)構(gòu)之間發(fā)生耦合作用，會(huì) 產(chǎn)生出橫向傳播的表面等離子體波，查閱文獻(xiàn)進(jìn)行相關(guān)計(jì)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(dá)到數(shù)百微米。如圖2所示，這些橫向傳播的波在金屬 槽中被垂直散射后組成一組相干的輻射陣列源，等同于擴(kuò)展了出射光束的近場分布。周期 性金屬等離子體結(jié)構(gòu)的周期為P，占空比為
[0043] 根據(jù)衍射極限理論，光束的近場分布變大，會(huì)對應(yīng)一個(gè)發(fā)散角縮小的遠(yuǎn)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制作的面發(fā)射半導(dǎo)體激 光器，遠(yuǎn)場一般呈現(xiàn)為極度壓縮的棗核形狀，快軸方向遠(yuǎn)場發(fā)散角為Γ以內(nèi)，慢軸方向的 遠(yuǎn)場發(fā)散角受限于有源區(qū)寬度保持在15°至25°。將亞波長的金屬等離子體結(jié)構(gòu)制作在 面發(fā)射器件出射光區(qū)域的兩側(cè)，對出射光的橫向近場進(jìn)行擴(kuò)展調(diào)制，即可以改善該方向上 的遠(yuǎn)場，將遠(yuǎn)場發(fā)散角控制在3°以內(nèi)。由于該結(jié)構(gòu)并不會(huì)影響有源區(qū)的電光轉(zhuǎn)換過程，只 是對出射的光束進(jìn)行定向調(diào)制，因此不會(huì)影響到激光器的性能。
[0044] 綜上所述，本發(fā)明提供了一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié) 構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用亞波長周期性金屬天線結(jié)構(gòu)對面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的輸出光束進(jìn)行整形， 實(shí)現(xiàn)了面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸方向發(fā)散角的改善。
[0045] 以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，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 ： 所述襯底上制作有雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，且所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊型區(qū)中設(shè)有 激光器有源區(qū)； 所述光柵層制作在所述襯底的上表面； 所述電隔離層制作在所述光柵層的上表面，且在所述光柵層與所述脊型區(qū)對應(yīng)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(dǎo)結(jié)構(gòu)的雙溝道中； 所述下歐姆接觸層制作在所述襯底的下表面； 所述亞波長金屬等離子體天線制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(qū)對應(yīng)的上表面處斷開，斷開的寬度小于所述電注入窗口的寬度，斷開區(qū)域在形成電 注入歐姆接觸區(qū)域的同時(shí)形成光輸出窗口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述襯底為InP或GaAs襯底。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述激光器有源區(qū)包括光波導(dǎo)層，所述光波導(dǎo)層中包含有重?fù)诫s半導(dǎo)體材料的 蓋層，所述光柵層位于所述光波導(dǎo)層中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述激光器有源區(qū)為異質(zhì)結(jié)激光器結(jié)構(gòu)、帶間級聯(lián)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)或者量子 級聯(lián)激光器有源區(qū)結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述雙溝道脊型波導(dǎo)的溝道深度大于激光器有源區(qū)的高度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述雙溝道脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊型區(qū)的寬度為5-20 μ m，所述脊型區(qū)兩側(cè)溝道的寬 度為 20-100 μ m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述電隔離層的制作材料為二氧化硅或氮化硅。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述雙溝填充物為聚甲基丙烯酸甲酯或AZ5214光刻膠。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)，其 特征在于，所述亞波長金屬等離子體天線的金屬光柵的周期小于激光器激射波長，為亞波 長尺寸，光柵的深度為0. 1-1 μ m。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種改善面發(fā)射半導(dǎo)體激光器慢軸遠(yuǎn)場的金屬天線結(jié)構(gòu)， 其特征在于，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(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)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, 王占國 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所