CN101192739A - 含高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

Abstract

一种含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，包括：一热沉；一散热片，该散热片制作在热沉上；一上N型电极，该上N型电极制作在散热片上的中间处；一上N型DBR层，该上N型DBR层为一倒梯形，该上N型DBR层制作在上N型电极上；一高铝组分氧化限制层，该高铝组分氧化限制层位于上N型DBR层中间的两侧；一绝缘层，该绝缘层制作在上N型DBR层的外侧；一光学谐振腔，该光学谐振腔制作在上N型DBR层上；一下N型DBR层，该下N型DBR层制作在光学谐振腔上；一衬底，该衬底制作在下N型DBR层上；一下N型电极，该下N型电极制作在衬底上，该下N型电极的中间形成一出光窗口。

Description

含高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子领域，特别是指一种含高掺杂隧道结的高功率、高亮度、高效率垂直腔面发射激光器。

背景技术

众所周知，与其他种类的激光器相比，半导体激光器具有十分突出的优点：除了体积小、重量轻、转换效率高、省电等优点外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电路的生产工艺兼容，因此便于与其他器件实现单片光电子集成。

20世纪70年代初实现了半导体激光器的室温连续激射后，开创了半导体激光器发展的新时期。目前，小功率半导体激光器已是光纤通信、光纤传感、光存储、光互连等领域中不可替代的重要光源。而自90年代以后，半导体激光器的输出功率取得了显著提高，而高功率的半导体激光器可以应用在材料加工、激光印刷、激光医疗、激光雷达、激光泵浦、空间激光通讯等诸多领域。在需求的牵引下，高功率半导体激光正向高功率密度、高光束质量、高转换效率、长寿命、低成本等方向发展。

作为半导体激光器家族中的成员，垂直腔面发射激光器的结构主要包括分布布拉格反射镜(DBR)和夹在中间的有源区，出光方向与生长方向平行。这样的结构给它带来与生俱来的优点，与传统的边发射激光器相比：

1、光束质量高，发散角小，与光纤耦合效率高，不需要进行光束整形。

2、由于出光方向与材料生长方向平行，模式光场与增益材料的重叠区就比边发射要大的多，这样就更充分利用了增益介质。

3、侧向尺度大，功率密度比边发射激光器低，不易产生灾变性光学损伤(COD)。

4、外延片不需要解理、镀腔面膜等工艺就能进行在片测试。

5、适合二维面阵集成，进一步提高功率输出。

随着外延材料质量的提高和湿法氧化等器件工艺技术的进展，高功率、高亮度垂直腔面发射激光器也迅速发展起来。为了实现高功率输出，一般来说器件总的发光面积应相应的增大，而为了实现激光器的高亮度，发光面积又应该尽可能的小，所以高功率、高亮度面发射激光器应该在发光面积上进行优化。

2001年，德国ULM大学的研究小组报道了连续输出达到890mW的单管器件，激射波长为980nm，出光窗口320微米。2004年，中国科学院长春光机所研制出连续输出1.95W，激射波长980nm的单管器件，出光窗口600微米。2005年，美国Princeton Optronics公司进一步将单管功率提高到3W。这些器件都是普通底部发射的结构，无法避开P型DBR较大的串联电阻和因此产生的高的热量，所以效率都低于20％。

利用隧道结的反向隧穿电流特性，可以用N型DBR代替P型DBR，结合金刚石散热片和水冷铜热沉，并优化出光窗口尺寸，可以实现功率达到瓦级，效率高于20％，亮度满足应用要求的垂直腔面发射激光器。

背景技术中传统普通底部发射的垂直腔面发射激光器由于其固有结构的限制，无法避免使用P型DBR，这样会带来高的串联电阻和产生很高的热量，对大功率输出不利，更难以达到高的转换效率，而且，过于大的出光窗口虽然一定程度提高了输出功率，但降低了功率密度，无法达到高亮度的应用要求。为了解决上述问题，本发明的目的是提高输出功率，实现单管瓦级以上，提高功率密度，实现高亮度，提高转换效率，达到20％以上。为此，本发明将提供一种含高掺杂隧道结的高功率、高亮度、高效率的垂直腔面发射激光器。N+/P+隧道结在其他光学和电学器件里已经得到了广泛的应用，在垂直腔面发射激光器中，隧道结作为整个器件的空穴源，可以将P型DBR用N型DBR代替。在反向偏置电压作用下，电子在隧道结处产生隧穿效应，从而产生空穴，产生的空穴在电压作用下流向有源区与电子进行辐射复合产生光子。用N型DBR代替P型DBR，就降低了器件的串联电阻，改善了器件的热特性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种含高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其可实现垂直腔面发射激光器的高功率、高亮度、高效率。

为了实现上述目的，本发明的一种含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

一热沉；

一散热片，该散热片制作在热沉上；

一上N型电极，该上N型电极制作在散热片上的中间处；

一上N型DBR层，该上N型DBR层为一倒梯形，该上N型DBR层制作在上N型电极上；

一高铝组分氧化限制层，该高铝组分氧化限制层位于上N型DBR层中间的两侧；

一绝缘层，该绝缘层制作在上N型DBR层的外侧；

一光学谐振腔，该光学谐振腔制作在上N型DBR层上；

一下N型DBR层，该下N型DBR层制作在光学谐振腔上；

一衬底，该衬底制作在下N型DBR层上；

一下N型电极，该下N型电极制作在衬底上，该下N型电极的中间形成一出光窗口。

其中光学谐振腔包括：一隧道结；多量子阱有源区，该多量子阱有源区制作在隧道结上。

其中隧道结包括：一N型层；一P型层，该P型层制作在N型层上。

其中该出光窗口内的衬底上镀有增透膜。

其中镀有增透膜的出光窗口的直径范围在50微米到400微米之间。

其中隧道结处于光学谐振腔中的驻波节点处。

其中隧道结的尺寸与管芯尺寸相同，解理后管芯为正方形，边长为100微米到1000微米之间。

其中隧道结的反向电流密度大于300A/cm²，以产生较高的反向隧穿电流。

其中热沉为水冷铜热沉。

其中散热片为金刚石散热片。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明垂直腔面发射激光器结构的示意图；

图2是本发明垂直腔面发射激光器隧道结的能带示意图；

图3是计算本发明实施例1垂直腔面发射激光器的输出功率与出光窗口直径及注入电流的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。

请参阅图1所示，本发明一种含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，包括：

一热沉1，该热沉1为水冷铜热沉；

一散热片2，该散热片2制作在热沉1上，该散热片2为金刚石散热片；

一上N型电极3，该上N型电极3制作在散热片2上的中间处；

一上N型DBR层4，该上N型DBR层4为一倒梯形，该上N型DBR层4制作在上N型电极3上；

一高铝组分氧化限制层5，该高铝组分氧化限制层5位于上N型DBR层4中间的两侧；

一绝缘层6，该绝缘层6制作在上N型DBR层4的外侧；

一光学谐振腔7，该光学谐振腔7制作在上N型DBR层4上；该光学谐振腔7包括：一隧道结71；多量子阱有源区72，该多量子阱有源区72制作在隧道结71上；该隧道结71包括：一N型层711；

一P型层712，该P型层712制作在N型层711上；其中隧道结71处于光学谐振腔7中的驻波节点处；其中隧道结71的尺寸与管芯尺寸相同，解理后管芯为正方形，边长为100微米到1000微米之间；其中隧道结71的反向电流密度大于300A/cm²，以产生较高的反向隧穿电流；

一下N型DBR层8，该下N型DBR层8制作在光学谐振腔7上；

一衬底9，该衬底9制作在下N型DBR层8上；

一下N型电极10，该下N型电极10制作在衬底9上，该下N型电极10的中间形成一出光窗口11；该出光窗口11内的衬底9上镀有增透膜；其中镀有增透膜的出光窗口11的直径范围在50微米到400微米之间。

实施例1：请再结合参阅图1，其中热沉1是采用水冷铜热沉，利用冷却水将器件工作时产生的大量热量带走，以免器件温升对器件的性能产生不良影响。

散热片2采用金刚石散热片，利用金刚石的高的热导率，使器件产生的热量能尽可能多的传向热沉。

上下N型电极3和10均由金、锗、镍三种金属材料制成，并制作成良好的欧姆接触，降低电极引入的串联电阻。

上N型DBR层4由30对Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料交替制成，每层厚度为设计真空中心波长的四分之一再除以其折射率，为了降低DBR的串联电阻，对AlGaAs层采用组分渐变技术。

高铝组分氧化限制层5是Al_0.98Ga_0.02As制成，高的铝组分能形成良好的限制层，减少电流注入的横向扩展，增大电流注入效率。

绝缘层6采用SiO₂材料制成。

隧道结71采用GaAs同质隧道结，隧道结由N型层711和P型层712组成，每层厚度10-20nm，采用超薄层的隧道结可以减少对光子的吸收损耗，隧道结放置在光学谐振腔7的驻波节点处，这样可以减少隧道结与光场的相互作用，也起到降低损耗的作用，在垂直腔面发射激光器中(参阅图2)，隧道结作为整个器件的空穴源，可以将P型DBR用N型DBR代替。在反向偏置电压作用下，电子在隧道结处产生隧穿效应，从而产生空穴，产生的空穴在电压作用下流向有源区与电子进行辐射复合产生光子。用N型DBR代替P型DBR，就降低了器件的串联电阻，改善了器件的热特性。由于器件要工作于大的注入电流下，所以隧道结必须能提供高的反向电流，本发明中，反向电流密度大于300A/cm²。

多量子阱有源区72由三个InGaAs/GaAsP量子阱组成，GaAsP材料的势垒起到应变补偿的作用，可以提高量子阱材料的生长质量。

下N型DBR由20对Al_0.9Ga_0.1As/GaAs材料交替制成，AlGaAs层组分也是渐变的。

衬底9由GaAs材料制成。

出光窗口11的增透膜由ZrO₂材料制成，ZrO₂粘附性好、膜结构致密、均匀无针孔，具有良好的抗激光损伤的能力。

传统垂直腔面发射激光器是使衬底面与热沉相连接，而在本发明中，为了使有源区与热沉更近，整个器件使用倒装焊结构，即将外延片的外延面与热沉连接，这样产生的热量可以更快的由热沉带走。为了同时实现高功率、高亮度、高效率输出，出光窗口11直径在50微米到400微米之间选择。解理后，管芯为正方形，加上电极区域，整个管芯的边长在100微米到1000微米之间，隧道结的尺寸与管芯尺寸相同。

在整个结构的外延生长过程中，用MBE或者MOCVD技术在衬底9上生长各外延层，主要依次为下N型DBR层8，多量子阱有源层72，隧道结71，高铝组分氧化限制层5，上N型DBR层4。整个含隧道结的外延片一次生长而成。

本发明在工艺方面，采用减薄、清洗、生长绝缘膜、光刻、套刻、腐蚀台面、侧向氧化、上下电极蒸发、衬底面减薄抛光、双面对准光刻、生长增透膜、解理、压焊、封装、散热等工艺制备垂直腔面发射激光器。主要依次为以下几个步骤：

1：外延片的外延面通过标准光刻工艺形成台面图形，用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀，腐蚀深度以露出高铝组分氧化限制层为宜。腐蚀液配比为K₂Cr₂₀₇饱和水溶液∶HBr∶CH₃COOH＝1∶1∶1，在常温下腐蚀。这种腐蚀液的机理是：K₂Cr₂₀₇是氧化剂，HBr起络合作用，CH₃COOH起缓冲作用，这三种成分中起主要作用的是K₂Cr₂₀₇。这种腐蚀液腐蚀速率适中，腐蚀面平整无凹槽，没有腐蚀沟出现。

2：进行湿法氧化，氧化条件为：炉温420℃，水温90℃，氮气流量1升/分，氧化时间30-60分钟。此条件下氧化速度可以精确稳定控制，对于Al_0.98Ga_0.02As，氧化速率大约1.1um/s。

3：大面积生长绝缘层6，使用SiO₂，采用PECVD方法生长。

4：用标准套刻工艺形成上电极图形，以光刻胶作掩膜腐蚀掉SiO₂，去胶以后蒸发上N型电极。

5：衬底减薄抛光。为了减少衬底对出射光的吸收，采用机械减薄，将器件的厚度减到100um左右，并用抛光布和抛光液进行抛光。

6：使用双面对准工艺进行光刻，并带胶蒸发下N型电极，接着带胶剥离形成下N型电极10。

7：使用标准套刻技术形成出光窗口图形，带胶生长ZrO₂，采用电子束蒸发制作，然后带胶剥离窗口以外的ZrO₂。

8：解理、压焊、封装、使用水冷铜热沉1和金刚石散热片2散热。

本发明采用半导体激光器输出特性计算公式，

$P=\frac{\mathrm{hv}}{q}(I-I_{\mathrm{th}})\mathrm{\η}(1-\frac{\mathrm{\ΔT}}{T_{\mathrm{off}}}),$

并结合含高掺杂隧道结垂直腔面发射激光器结构特点，计算获得不同出光窗口直径的980nm垂直腔面发射激光器的P-I特性，并得到其功率密度。计算结果如图3所示：

曲线12对应出光窗口直径为50微米，最大功率为0.5612W，功率密度为28.6kW/cm²；

曲线13对应出光窗口直径为100微米，最大功率为0.9249W，功率密度为11.7kW/cm²；

曲线14对应出光窗口直径为200微米，最大功率为1.1617W，功率密度为3.7kW/cm²；

曲线15对应出光窗口直径为300微米，最大功率为2.142W，功率密度为3.03kW/cm²；

曲线16对应出光窗口直径为400微米，最大功率为2.729W，功率密度为2.1kW/cm²；

曲线17对应出光窗口直径为500微米，最大功率为3.069W，功率密度为1.56kW/cm²；

曲线18对应出光窗口直径为600微米，最大功率为2.99W，功率密度为1.06kW/cm²；

曲线19对应出光窗口直径为700微米，最大功率为2.982W，功率密度为0.779kW/cm²；

计算表明，出光窗口直径在50-400微米左右时，可同时得到高的输出功率和高的功率密度，而且100-200微米为最佳尺寸。解理后，管芯为正方形，加上出光面电极区域，管芯边长在100微米到1000微米之间，隧道结尺寸与管芯尺寸相同。

实施例2：请再结合参阅图1，高铝组分氧化限制层5是AlAs材料制成。绝缘层6用Al₂₀₃制成，其他部件与实施例1相同。

实施例3：中间多量子阱有源区7采用InGaAs/GaAs材料，其它部件与实施例1相同。

实施例4：中间多量子阱有源区7采用GaInNAs/GaAs材料，其它部件与实施例1相同。

本发明工作时：器件以电注入方式工作，其中上N型电极相对于下N型电极是正电压，这样就使隧道结反向偏置，电子和空穴在多量子阱有源区进行复合，产生受激发射，并经过谐振腔选模振荡，激光从出光窗口11出射。

本发明采用高掺杂隧道结、金刚石散热片和水冷铜热沉，并优化出光窗口尺寸，可以实现功率达到瓦级，效率高于20％，亮度满足应用要求的垂直腔面发射激光器。

Claims (10)

1.一种含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

一热沉；

一散热片，该散热片制作在热沉上；

一上N型电极，该上N型电极制作在散热片上的中间处；

一上N型DBR层，该上N型DBR层为一倒梯形，该上N型DBR层制作在上N型电极上；

一高铝组分氧化限制层，该高铝组分氧化限制层位于上N型DBR层中间的两侧；

一绝缘层，该绝缘层制作在上N型DBR层的外侧；

一光学谐振腔，该光学谐振腔制作在上N型DBR层上；

一下N型DBR层，该下N型DBR层制作在光学谐振腔上；

一衬底，该衬底制作在下N型DBR层上；

一下N型电极，该下N型电极制作在衬底上，该下N型电极的中间形成一出光窗口。

2.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中光学谐振腔包括：一隧道结；多量子阱有源区，该多量子阱有源区制作在隧道结上。

3.根据权利要求2所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中隧道结包括：一N型层；一P型层，该P型层制作在N型层上。

4.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中该出光窗口内的衬底上镀有增透膜。

5.根据权利要求1或4所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中镀有增透膜的出光窗口的直径范围在50微米到400微米之间。

6.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中隧道结处于光学谐振腔中的驻波节点处。

7.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中隧道结的尺寸与管芯尺寸相同，解理后管芯为正方形，边长为100微米到1000微米之间。

8.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中隧道结的反向电流密度大于300A/cm²，以产生较高的反向隧穿电流。

9.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中热沉为水冷铜热沉。

10.根据权利要求1所述的含有高掺杂隧道结的垂直腔面发射激光器，其特征在于，其中散热片为金刚石散热片。

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