CN102723665A - 具有集成微透镜的垂直外腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

具有集成微透镜的垂直外腔面发射半导体激光器，属于半导体光电子学技术领域，为解决现有的VECSEL结构制作难度大，工作不稳定的问题，该激光器由下至上依次包括N面电极、N型衬底、N型DBR、有源层、氧化限制层、P型DBR和P面电极，还包括微透镜结构、外部耦合腔、外腔DBR反射镜；P面出光，微透镜结构位于出光口处且在所述P型DBR上制作形成，外部耦合腔生长在微透镜结构上，外腔DBR反射镜生长在外部耦合腔上；N面出光，所述微透镜结构位于出光口处且在所述N型DBR上制作形成，外部耦合腔生长在微透镜结构上，外腔DBR反射镜生长在外部耦合腔上，本发明一体结构消除了外腔镜中心与出光口中心对不准的问题。

Description

具有集成微透镜的垂直外腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子学技术领域，具体涉及具有集成微透镜的垂直外腔面发射半导体激光器。

背景技术

VCSEL是一种垂直表面出光的半导体激光器，它具有阈值低，功率密度高，易于单片集成等优点，在信息存储、空间通讯和卫星导航等领域有着重要应用。随着应用领域的扩展，减小器件的发散角及光谱线宽是近年来研究的热点。

现有的垂直腔面发射半导体激光器结构由下至上依次包括N面电极、衬底、缓冲层、N型DBR、有源区、氧化限制层、P型DBR和P面电极；由于DBR结构的均匀反射特性，使得器件对多种模式都有较高的反射率，容易产生多模震荡，引起器件的发散角变大以及光谱线宽变宽。

通过在VCSEL外部加入外腔镜结构可以实现对VCSEL的选模作用，使器件发散角减小并能窄化出光光谱线宽。2002年在《美国光学协会杂志JOSA B》Vol 19,Issue 4,pp.663-666上美国Sandia实验室报道了一种现在普遍使用的VECSEL制作方法，即先在SiO₂或其他基底材料上面通过刻蚀技术制作好外腔镜，然后再通过精密的光学调整设备将外腔镜的中心位置与VCSEL出光口中心进行对准，最后将外腔镜直接粘连或者通过其他材料层固定到出光口位置。2008年9月公开的飞利浦公司的专利WO2008/114160也采用的该类似制作过程制备高性能VECSEL。

由于受调整设备精度的影响以及外部固定装置的不稳定性，上述制作方法不仅复杂，而且所制作的结构不牢固，易受到外部环境的破坏，影响VCSEL的出光特性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的VCSEL结构发散角大，模式稳定性差及激光光谱线宽不理想等问题，以及为解决这些问题所采用的传统VECSEL结构制作难度大，外腔结构受环境影响大而导致外腔镜工作状态不稳定的问题。

为了实现上述目的，本发明提出了具有集成微透镜的垂直外腔面发射半导体激光器，由下至上依次包括N面电极、N型衬底、N型DBR、有源层、氧化限制层、P型DBR和P面电极，还包括微透镜结构、外部耦合腔、外腔DBR反射镜；所述微透镜结构位于出光口处且在所述P型DBR上制作形成，所述外部耦合腔生长在微透镜结构上，外腔DBR反射镜生长在外部耦合腔上；

具有集成微透镜的垂直外腔面发射半导体激光器，由下至上依次包括N面电极、N型衬底、N型DBR、有源层、氧化限制层、P型DBR和P面电极，还包括微透镜结构、外部耦合腔、外腔DBR反射镜；所述微透镜结构位于出光口处且在所述N型衬底上制作形成，所述外部耦合腔生长在微透镜结构上，外腔DBR反射镜生长在外部耦合腔上。

本发明有益效果：本发明VECSEL结构中，由于采用了微透镜结构，激光器的发散角会得到有效降低，并且在微透镜结构外部加入了具有特定曲率的外部耦合腔及外腔DBR反射镜，进一步对输出激光的模式进行选择性的反馈，有利于实现激光器良好的模式输出特性并能有效窄化激光器的出光线宽。而且本发明VECSEL结构的外腔部分直接生长在VCSEL出光口，外部耦合腔与出光口的形貌一致且紧密结合，因而消除了外腔镜中心与出光口中心对不准的问题。外腔部分直接生长在VCSEL上，比较牢固，受外部环境影响小，工作稳定性好。本发明通过外延生长及刻蚀等比较成熟的半导体工艺即可实现VECSEL制作，因而具有制作过程简单，易于大规模低成本制作等优点。

附图说明

图1为本发明的P面出光微透镜集成垂直外腔面发射半导体激光器结构示意图。

图2为本发明的N面出光微透镜集成垂直外腔面发射半导体激光器结构示意图。

图中：1、N型衬底，2、N型DBR，3、有源层，4、氧化限制层，5、P型DBR，6、微透镜结构，7、外部耦合腔，8、外腔DBR反射镜，9、P面电极，10、N面电极。

具体实施方式

下面结合附图给出的实施例对本发明结构作进一步详细说明。

如图1所示为本发明的P面出光具有微透镜集成VECSEL结构，该器件结构从P型DBR一侧出射激光。该结构由下至上依次为N面电极10、N型衬底1、N型DBR 2、有源层3、氧化限制层4、P型DBR5、微透镜结构6、外部耦合腔7、外腔DBR反射镜8、和P面电极9。N面电极和P面电极均电连到器件上。所述的微透镜结构6为直接在P型DBR上刻蚀形成的具有一定曲率的透镜形貌。所述的外部耦合腔7和外腔DBR反射镜8为在微透镜结构6上外延生长后形成。

如图2所示为本发明的N面出光具有微透镜集成VECSEL结构。该器件结构从N型衬底1一侧出射激光。该结构由下至上依次为N面电极10、外腔DBR反射镜8、外部耦合腔7、微透镜结构6、N型衬底1、N型DBR 2、有源层3、氧化限制层4、P型DBR5和P面电极9。N面电极10和P面电极9均电连到器件上。所述的微透镜结构6为直接在N型衬底1上刻蚀形成的具有一定曲率的透镜形貌。所述的外部耦合腔7和外腔DBR反射镜8为在微透镜结构6上外延生长后形成。

本发明P面出光具有微透镜集成VECSEL结构的制作工艺主要步骤包括：先对VCSEL外延片进行一次减薄，接着利用光刻工艺将VCSEL中心台面区域保护好后对P面进行湿法腐蚀制作出台面结构，湿法腐蚀深度以刚好达到有源层3为佳。接着将器件放入扩散炉中进行湿法氧化，形成氧化限制层4。对P面进行再次掩模，将出光口位置露出来后，利用扩散限制湿法腐蚀或者选择性干法刻蚀工艺在出光口位置制作出微透镜结构6，微透镜结构6的曲率根据扩散限制湿法腐蚀或者选择性干法刻蚀工艺来调整。该结构主要是实现对激光器的发散角进行压缩，并且为下一步生长的外腔结构提供合适的曲率。制作完微透镜结构6后，将该器件放入薄膜生长设备中在P型DBR一侧继续生长外部耦合腔7和外腔DBR反射镜8。这两种结构主要是对产生的激光进行反馈，利用外部耦合腔7的选模特性及外腔DBR反射镜8的反射特性，有选择性的将一部分激光反馈到有源层3，实现激光器稳定单模工作。最后再次掩模后将出光口位置保护好，刻蚀掉出光口以外的部分，刻蚀深度控制在恰好到达P型DBR5上部为佳，在P面蒸镀TiPtAu形成P面电极9，通过lift-off工艺后露出外腔镜出光口。最后在N面蒸镀AuGeNi后形成N面电极10。解理划片后对VECSEL进行封装，完成P面出光具有微透镜集成VECSEL结构的制作。

本发明N面出光微透镜集成VECSEL结构的制作工艺主要步骤包括：先对VCSEL外延片进行一次减薄，接着利用光刻工艺将VCSEL中心台面区域保护好后对P面进行湿法腐蚀制作出台面结构，湿法腐蚀深度以刚好达到有源层3为佳。接着将器件放入扩散炉中进行湿法氧化，形成氧化限制层4。然后在N型衬底1一侧制作掩模，并利用双面对准工艺露出N型衬底1上的出光口位置。利用扩散限制湿法腐蚀工艺或者选择性干法刻蚀工艺在该位置刻蚀N型衬底1形成具有一定曲率的透镜形貌，形成可压缩光束发散角的微透镜结构6。将该器件放入薄膜生长设备中在N型衬底1一侧继续生长外部耦合腔7和外腔DBR反射镜8，形成具有选模及窄化出光线宽功能的外腔结构。最后再次掩模后将出光口位置保护好，刻蚀掉出光口以外的部分，刻蚀深度控制在恰好到达N型衬底1为佳，然后在N面蒸镀AuGeNi形成N面电极10，通过lift-off工艺制作出外腔镜出光口。然后再在P面蒸镀TiPtAu制作P面电极9。解理划片后对VECSEL进行封装，完成N面出光微透镜集成VECSEL结构的制作。

Claims (3)

1.具有集成微透镜垂直外腔面发射半导体激光器，由下至上依次包括N面电极（10）、N型衬底（1）、N型DBR（2）、有源层（3）、氧化限制层（4）、P型DBR（5）和P面电极（9），其特征在于，还包括微透镜结构（6）、外部耦合腔（7）、外腔DBR反射镜（8）；所述微透镜结构（6）位于出光口处且在所述P型DBR（5）上制作形成，所述外部耦合腔（7）生长在微透镜结构（6）上，外腔DBR反射镜（8）生长在外部耦合腔（7）上。

2.具有集成微透镜垂直外腔面发射半导体激光器，由下至上依次包括N面电极（10）、N型衬底（1）、N型DBR（2）、有源层（3）、氧化限制层（4）、P型DBR（5）和P面电极（9），其特征在于，还包括微透镜结构（6）、外部耦合腔（7）、外腔DBR反射镜（8）；所述微透镜结构（6）位于出光口处且在所述N型衬底（1）上制作形成，所述外部耦合腔（7）生长在微透镜结构（6）上，外腔DBR反射镜（8）生长在外部耦合腔（7）上。

3.根据权利要求2所述的具有集成微透镜垂直外腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述激光器材料体系包括硅材料和III-V化合物材料。 

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