CN103390858A - 一种垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

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张星
宁永强
秦莉
刘云
王立军
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Abstract

一种垂直腔面发射半导体激光器，属于半导体激光器领域。该半导体激光器包括P面电极、多层介质绝缘薄膜、P型DBR层、有源层、N型DBR层、衬底层和N面电极，所述的多层介质绝缘薄膜由光学厚度为四分之一波长的低折射率层和高折射率层组成，N型DBR层生长在有源层的下端，N型DBR层的下端顺次生长衬底层和N面电极，P型DBR层生长在有源层的上端，多层介质绝缘薄膜生长在由P型DBR层、有源层和N型DBR层构成的圆柱形台面的上表面和侧表面，P面电极生长在多层介质绝缘薄膜的上端。该半导体激光器能够将激光器有源区侧向泄漏的放大自发发射反馈回有源区，提高电光转换效率。

Description

一种垂直腔面发射半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种垂直腔面发射半导体激光器。
背景技术
垂直腔面发射半导体激光器是近年来出现的一种新型半导体激光器。这种激光器与边发射半导体激光器相比，能够输出圆形对称光斑，非常便于进行二维集成，而且不会受到腔面光学灾变损伤的影响，因此十分适合于高功率工作。提高垂直腔面发射半导体激光器输出功率主要是通过增加激光工作物质的体积来实现的，由于垂直腔面发射半导体激光器谐振腔的纵向尺寸已经随外延生长而固定下来，因此激光工作物质体积的增加主要是通过提高谐振腔的横向尺寸，即加大电流注入孔径来实现的。然而，电流注入孔径尺寸的增加往往伴随着器件的电-光转换效率的不断下降，这一现象最先是由参考文献（Grabherr,M.,etal.,(1998)Bottom-emittingVCSEL’sforhigh-cwopticaloutputpower.IEEEPhoton.Technol.Lett.,10(8),1061-1063.）中加以描述的，认为其主要原因在于随着电流注入孔径的增加，尤其是当单个垂直腔面发射半导体激光器的电流注入孔径超过100μm以后，会有更多的放大自发发射(amplifiedspontaneousemission,ASE)从激光器有源区的侧向泄露出来，并且这种泄露会随着驱动能量的增加而不断加强，最终导致驱动能量能够保留在有源区并转化为激光输出的比例越来越少，这就是随着电流注入孔径的增加，垂直腔面发射半导体激光器转换效率不断降低的主要原因。
目前高功率垂直腔面发射半导体激光器的电流注入隔离主要是通过在台面结构上生长单层SiO2或Si3N4绝缘薄膜或填充聚合物材料来实现，如文献（Grabherr,M.etal.,(2001)High-powerVCSELs:singledevicesanddenselypacked2-D-arrays.IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,vol.5(3):495-502;Hofmann,W.etal.,(2008)Monolithic2Dhigh-powerarraysoflong-wavelengthVCSELs.ProceedingsofSPIE,6908(690807)）报道，单层薄膜或聚合物材料同时覆盖在台面的表面及侧面，无法在大注入电流孔径条件下限制台面侧向不断增强的放大自发发射泄露。这导致目前高功率垂直腔面发射半导体激光器的转换效率很低，严重限制了高功率垂直腔面发射半导体激光器可靠性的进一步提高以及散热装置的简化。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的垂直腔面发射半导体激光器放大自发发射从激光器有源区侧向泄露导致电光转换效率下降的问题，而提供一种垂直腔面发射半导体激光器。
本发明提供一种垂直腔面发射半导体激光器，包括P面电极、多层介质绝缘薄膜、P型DBR层、有源层、N型DBR层、衬底层和N面电极，所述的多层介质绝缘薄膜由光学厚度为四分之一波长的低折射率层和高折射率层组成，所述的N型DBR层生长在有源层的下端，N型DBR层的下端顺次生长衬底层和N面电极，P型DBR层生长在有源层的上端，多层介质绝缘薄膜生长在由P型DBR层、有源层和N型DBR层构成的圆柱形台面的上表面和侧表面，P面电极生长在多层介质绝缘薄膜的上端。
本发明的工作原理
本发明提供一种垂直腔面发射半导体激光器，该半导体激光器采用多层介质绝缘薄膜作为电注入隔离层，所述的多层介质绝缘薄膜由光学厚度为四分之一波长的低折射率层和高折射率层组成，其中心反射带覆盖垂直腔面发射激光器有源区的放大自发发射光谱，其中心反射率可高达95%以上，能够将通过有源区的侧向泄露的放大自发发射有效反馈回有源区形成受激发射，有效提高垂直腔面发射激光器的电-光转换效率。
本发明的有益效果
本发明提供一种垂直腔面发射半导体激光器，该半导体激光器采用多层介质绝缘薄膜作为电注入隔离层，所述的多层介质绝缘薄膜同时具备电注入隔离及高反射薄膜的作用，与现有技术中的垂直腔面发射半导体激光器相比，本发明采用的半导体激光器能够有效的将激光器有源区侧向泄漏的放大自发发射反馈回有源区，能够有效提高电-光转换效率；并且，本发明的半导体激光器可通过一次薄膜生长及刻蚀工艺形成，结构简单，与现有垂直腔面发射激光器制备工艺兼容，便于生产。
附图说明
图1是本发明一种垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图。
图2是本发明一种垂直腔面发射半导体激光器的结构俯视图。
图3是本发明一种垂直腔面发射半导体激光器中多层介质绝缘薄膜的结构侧视图。
图中，1、P面电极，2、多层介质绝缘薄膜，3、P型DBR层，4、有源层，5、N型DBR层，6、衬底层，7、N面电极，8、低折射率层，9、高折射率层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
如图1至图3所示，本发明提供一种垂直腔面发射半导体激光器，包括P面电极1、多层介质绝缘薄膜2、P型DBR层3、有源层4、N型DBR层5、衬底层6和N面电极7，所述的多层介质绝缘薄膜由光学厚度为四分之一波长的低折射率层8和高折射率层9组成，所述的N型DBR5层生长在有源层4的下端，N型DBR层5的下端顺次生长衬底层6和N面电极7，P型DBR层3生长在有源层4的上端，多层介质绝缘薄膜2生长在由P型DBR层3、有源层4和N型DBR5层构成的圆柱形台面的上表面和侧表面，P面电极1生长在多层介质绝缘薄膜2的上端。
所述的P型DBR层3和N型DBR层5构成谐振腔结构，用于产生激光谐振，多层介质绝缘薄膜2生长在由P型DBR层3、有源层4和N型DBR5层构成的圆柱形台面的上表面和侧表面，并通过刻蚀技术在多层介质绝缘薄膜2刻蚀出电流注入窗口，通过包覆多层介质绝缘薄膜2上的P面电极1实现电流注入，所述的多层介质绝缘薄膜2由光学厚度为四分之一波长的低折射率层8和高折射率层9组成，对于多层介质绝缘薄膜2总的厚度没有特别限制，所述的低折射率层8材料优选为SiO2；高折射率层9材料优选为TiO2或HfO2。
所述的P型DBR层3、N型DBR层5均为GaAs/AlAs结构，有源层4为InGaAs/GaAsP周期性多量子阱结构，多层介质绝缘薄膜2为SiO2/TiO2或SiO2/HfO2周期性结构；衬底层为GaAs结构；P面电极为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。
所述的N型DBR层3、P型DBR层5、有源层4均使用MOCVD外延生长法一次形成；多层介质绝缘薄膜2采用电子束或磁控溅射生长，并通过刻蚀法在其上刻蚀出电流注入窗口；N面电极通过电子束、热蒸发或磁控溅射法生长；P面电极通过电子束、热蒸发或磁控溅射法生长。
实施例1
对于激射波长为980nm的输出光，泵浦源为连续激光电源，P型DBR层3为30对GaAs/AlAs，N型DBR层5为20对GaAs/AlAs，衬底层为GaAs,多层介质薄膜2为周期交替生长的单层光学厚度为245nm的SiO2/TiO2薄膜，在其上用刻蚀技术得到电流注入窗口，有源层4为周期性InGaAs/GaAsP多量子阱结构，其中包括InGaAs量子阱及GaAsP势垒，P面电极为Ti/Pt/Au金属薄膜，N面电极为AuGeNi/Au薄膜，这样就能获得980nm高转换效率垂直腔面发射激光器。

Claims (7)

1.一种垂直腔面发射半导体激光器，包括P面电极（1）、多层介质绝缘薄膜（2）、P型DBR层（3）、有源层（4）、N型DBR层（5）、衬底层（6）和N面电极（7），其特征在于，所述的多层介质绝缘薄膜（2）由光学厚度为四分之一波长的低折射率层（8）和高折射率层（9）组成，所述的N型DBR层（5）生长在有源层（4）的下端，N型DBR层（5）的下端顺次生长衬底层（6）和N面电极（7），P型DBR层生长在有源层（4）的上端，多层介质绝缘薄膜（2）生长在由P型DBR层（3）、有源层（4）和N型DBR层（5）构成的圆柱形台面的上表面和侧表面，P面电极（1）生长在多层介质绝缘薄膜（2）的上端。
2.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的低折射率层（8）材料为SiO2，高折射率层（9）材料为TiO2或HfO2。
3.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的P型DBR层（3）和N型DBR层（5）均为GaAs/AlAs结构。
4.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的多层介质绝缘薄膜（2）为SiO2/TiO2或SiO2/HfO2周期性结构。
5.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的P面电极（1）为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极（7）为Au/Ge/Ni、AuGeNi/Au、Au/Ge或Pt/Au/Ge结构。
6.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的N型DBR层（3）、P型DBR层（5）、有源层（4）均使用MOCVD外延生长法生长。
7.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述的多层介质绝缘薄膜（2）采用电子束或磁控溅射法生长。
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