CN104300364B - 垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射半导体激光器，属于激光器技术领域。解决了现有技术中VCSEL输出的单模功率低、单模稳定性差的技术问题。该激光器，包括从上至下依次紧密排列的P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，P型DBR中设有具有氧化孔的氧化限制层；该激光器还包括P面电极、透明导电薄膜和环形绝缘介质膜，环形绝缘介质膜固定在P型DBR的上表面上，且遮挡出光孔的边缘，透明导电薄膜固定在P型DBR的上表面上，且覆盖环形绝缘介质膜，并遮挡出光孔；P面电极固定在透明导电薄膜上表面的边缘，且不遮挡出光孔。该激光器能增加基模的输出功率，提高可靠性。

Description

垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及到一种垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)，属于激光器技术领域。

背景技术

单模激光器由于具有良好的激光稳定性、相干性和光束质量，被广泛应用于通信、印刷、泵浦源、气体检测分析、电脑光学鼠标等领域。随着这些领域的进一步发展，要求VCSEL能够实现大功率的单模输出。被广泛应用于通信、印刷、泵浦源、气体检测分析、电脑光学鼠标等领域。

现有技术中，实现单模输出的VCSEL通常有两种：第一种方式，增大模式增益差，使基模的增益高于高阶模的增益，进而通过较高的单模抑制比，实现单基模单纵模激射；第二种方式，增大模式损耗差，每一种模式的光在传播过程中都会发生损耗，如果可以实现高阶模式的损耗大于基模的损耗，那么同样实现单基模激射。Su-Wei Chiu等人发表的美国专利2003/0227952，将激光器出光孔上方的DBR(分布式布拉格反射镜)的表面刻蚀四分之一波长的光学厚度，或者在出光孔上方的DBR的表面镀为四分之一波长的光学厚度的介质材料膜，形成反相层，由于VCSEL光的基模主要密度分布于台面中心，光的高阶模式主要密度相比于基模开始向出光孔边缘分布，反相层和高阶模式重叠比和基模重叠更多，造成了高阶模式损耗比基模损耗多，导致高阶模式的阈值电流比基模增大很多，所以，反相层起到限制高阶模式，维持基模实现激射的作用。

但是，这种VCSEL的稳定性差，不能增大基膜的增益，所采用的实现单模输出的工艺复杂，制造成本高，不易大规模的生产应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中VCSEL输出功率低、稳定性差的技术问题，提供一种垂直腔面发射半导体激光器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。

垂直腔面发射半导体激光器，包括从上至下依次紧密排列的P型DBR、有源区、N型DBR、衬底和N面电极，所述P型DBR中设有具有氧化孔的氧化限制层；

还包括P面电极、透明导电薄膜和环形绝缘介质膜；

所述环形绝缘介质膜固定在P型DBR的上表面上，且遮挡出光孔的边缘；

所述透明导电薄膜固定在P型DBR的上表面上，且覆盖环形绝缘介质膜，并遮挡出光孔；

所述P面电极固定在透明导电薄膜上表面的边缘且不遮挡出光孔。

进一步的，所述透明导电薄膜的光学厚度为四分之一波长的偶数倍，所述环形绝缘介质膜的光学厚度为四分之一波长的奇数倍。

进一步的，所述透明导电薄膜和环形绝缘介质膜的中心均与出光孔的中心在同一条直线上。

进一步的，所述P面电极的中心与出光孔的中心在同一条直线上。

进一步的，所述环形绝缘介质膜的面积为出光孔面积的四分之三。

进一步的，所述透明导电薄膜和环形绝缘介质膜的形状均与P面DBR台面的形状对应；更进一步的，所述P面DBR台面的形状为长方形，透明导电薄膜的形状为长方形，环形绝缘介质膜的形状为长方形环；所述P面DBR台面的形状为正方形，透明导电薄膜的形状为正方形，环形绝缘介质膜的形状为正方形环；所述P面DBR台面的形状为圆形，透明导电薄膜的形状为圆形，环形绝缘介质膜的形状为圆环。

进一步的，所述P面电极的形状与P面DBR台面的形状对应。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明采用环形绝缘介质膜和透明导电薄膜复合结构，在出光孔边缘，透明导电薄膜和环形绝缘介质膜一起降低反射率，在出光孔的中心部分，透明导电薄膜对反射率的影响可忽略，出光孔边缘减小反射后增大了高阶模的损耗，但是对基模的影响很小；透明导电薄膜从出光孔中心注入的电流增大了基模的增益，而对高阶模的增益影响很小，使本发明的激光器不仅增大了基模的增益，同时还增大了高阶模的损耗，能够实现高功率高稳定性的单模出射；

2、本发明的激光器制作工艺简单，只需通过镀膜、光刻、腐蚀即可实现，不需要另外增加设备。

附图说明

图1为现有技术中的垂直腔面发射半导体激光器；

图2为本发明的垂直腔面发射半导体激光器的结构示意图；

图3为图2的P型DBR台面在显微镜下的俯视图；

图4为现有技术的垂直腔面发射半导体激光器与本发明的垂直腔面发射半导体激光器的电流密度分布的模拟切面图；

图中，1、P面电极，2、透明导电薄膜，3、环形绝缘介质膜，4、P型DBR，5、N型DBR，6、氧化限制层，7、氧化孔，8、有源区，9、衬底，10、N面电极。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图2所示，本发明的垂直腔面发射半导体激光器包括从上至下依次紧密排列的P型DBR4、有源区8、N型DBR5、衬底9和N面电极10，其中，P型DBR4和N型DBR5均为多层结构，P型DBR4的任意一层上设有氧化孔7，该层即为氧化限制层6。还包括P面电极1、透明导电薄膜2和环形绝缘介质膜3，透明导电薄膜2和环形绝缘介质膜3均固定在P型DBR4的上表面上，环形绝缘介质膜3遮挡出光孔的边缘，透明导电薄膜2覆盖环形绝缘介质膜3未覆盖的P型DBR4的上表面，且覆盖环形绝缘介质膜3，遮挡整个出光孔，P面电极1固定在透明导电薄膜2上表面的边缘，且不遮挡出光孔。如图3所示，可以看出，P面电极1设置在透明导电薄膜2的边缘，透明导电薄膜2上P面电极1的内侧存在圆环形凸起上，该圆环形凸起即为透明导电薄膜2下方的环形绝缘介质膜3引起的，在显微镜观察下，圆环形凸起与透明导电薄膜2中心区域的颜色不同，可以分辨。

本发明中，透明导电薄膜2和环形绝缘介质膜3的形状均与P型DBR4台面的形状相对应，如P型DBR4台面为长方形，相应的，透明导电薄膜2为长方形，环形绝缘介质膜3为长方形环，如P型DBR4台面为正方形，相应的，透明导电薄膜2为正方形，环形绝缘介质膜3为正方形环，如P型DBR4台面为圆形，相应的，透明导电薄膜2为圆形，环形绝缘介质膜3为圆环，一般情况下，为了保证注入电流更均匀，对称，电流扩展速度快，P面电极1也可以与P型DBR4台面对应，即如P型DBR4台面为长方形，相应的，P面电极1为长方形环，如P型DBR4台面为正方形，相应的，P面电极1为正方形环，如P型DBR4台面为圆形，相应的，P面电极1为圆形。氧化孔7的形状一般与P型DBR4台面对应，如果P型DBR4台面为长方形，相应的，氧化孔7为长方形孔，如果P型DBR4台面为正方形，相应的，氧化孔7为正方形孔，如果P型DBR4台面为圆形，相应的，氧化孔7为圆孔。一般情况下，P面电极1、透明导电薄膜2和环形绝缘介质膜3的中心均与氧化孔7的中心在同一条直线上。一般各层的中心也在同一条直线上。透明导电薄膜2的光学厚度为四分之一波长的偶数倍，环形绝缘介质膜3的光学厚度为四分之一波长的奇数倍。环形绝缘介质膜3的面积为出光孔面积的四分之三。在出光孔边缘，透明导电薄膜2和环形绝缘介质膜3一起降低反射率，在出光孔的中心区域，透明导电薄膜2对反射率的影响可忽略，出光孔边缘减小反射后增大了高阶模的损耗，但是对基模的影响很小，透明导电薄膜2从出光孔中心注入的电流增大了基模的增益，而对高阶模的增益影响很小，使激光器不仅增大了基模的增益，同时还增大了高阶模的损耗，能够实现高功率高稳定性的单模出射。

本实施方式中，P型DBR4和N型DBR8为现有技术，均为多层结构，由交替排列的高折射率介质材料和低折射率介质材料组成，一般与P面电极1接触的为高折射率介质材料，与有源区7接触的为低折射率介质材料，与衬底9接触的为高折射率介质材料；每层高折射率介质材料和低折射率介质材料的厚度均为四分之一光学波长：低折射率介质材料为高铝组分的铝镓砷材料，高折射率介质材料为低铝组分的铝镓砷材料，高铝组分的铝镓砷材料和低铝组分的铝镓砷材料为本领域人员公知技术。

本实施方式中，有源区8的材料一般为GaAs的化合物，厚度一般为一个光学波长，P面电极1和N面电极10的材料一般为金，厚度一般为200nm-400nm，衬底9的材料一般为GaAs，各层的尺寸依据实际需要设置。

上述垂直腔面发射半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、清洗外延片，对清洗好的外延片p面第一次光刻、显影，干法刻蚀p面后出现P型DBR台面4，刻蚀深度正好到达有源区8的上方；

其中，外延片通过本领域技术人员公知方式可以获得，一般采用商购；

步骤二、对P型DBR台面4进行测氧化，得到具有氧化孔7的氧化限制层6；

步骤三、减薄抛光衬底9，然后在衬底9的表面上生长N面电极10；

步骤四、在P型DBR4的上表面采用镀膜的方式生长光学厚度为四分之一波长奇数倍的透明绝缘介质材料，光刻、显影，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式对透明绝缘介质材料腐蚀，形成环状结构，得到环形绝缘介质膜3；再次采用镀膜的方式，在环形绝缘介质膜3和裸露的P型DBR4上表面生长光学厚度为四分之一波长偶数倍的透明导电薄膜2；

步骤五、再在透明导电薄膜2的上表面边缘利用lift-off工艺生长P面电极1；

步骤六、解理，测试，封装，得到垂直腔面发射半导体激光器。

实施例1

如图2所示，垂直腔面发射半导体激光器，包括从上至下依次排列P型DBR4、有源区8、N型DBR5、衬底9和N面电极10，P型DBR4中设有具有圆形氧化孔7的氧化限制层6，还包括P面电极1、透明导电薄膜2和环形绝缘介质膜3，环形绝缘介质膜2的下表面固定在P型DBR4的上表面上，且遮挡出光孔边缘，透明导电薄膜3固定在环形绝缘介质膜3和裸露的P型DBR4上表面上，且遮挡出光孔，P面电极1固定在透明导电薄膜3上表面的边缘。P面电极1、环形绝缘介质膜2均为圆环结构，透明导电薄膜3为圆形结构，且三者的中心均与出光孔的中心在同一条直线上，环形绝缘介质膜2的材料为二氧化硅，透明导电薄膜3的材料为ITO。

P型DBR4为圆柱形，台面直径为60μm，氧化孔7直径为30μm，P型DBR4由十对交替排列的二氧化硅层和氧化钛层组成，N型DBR5由三十四对交替排列的二氧化硅层和氧化钛层组成，每层二氧化硅层和氧化钛层的厚度均为四分之一光学波长。具体参数如表1所示。

表1实施例1各层的参数值

对比例1

如图1所示，对比例1的激光器不包括透明导电薄膜2和环形绝缘介质层3，P面电极1直接固定在P型DBR4的表面上，其他参数皆与实施例1相同。

图4为向对比例1和实施例1的激光器的有源区8中心注入电流1A后，激光器的电流分布图，从图中可以看出，相比于现有激光器结构，本发明的激光器的有源区8中心的电流分布增多，并且随着离有源区距离的增大，电流密度也在减小，而只在有源区8边缘突然增加的电流密度才突然增大，但还是比现有结构的电流密度小很多。

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.垂直腔面发射半导体激光器，包括从上至下依次紧密排列的P型DBR(4)、有源区(8)、N型DBR(5)、衬底(9)和N面电极(10)，所述P型DBR(4)中设有具有氧化孔(7)的氧化限制层(6)；

其特征在于，

还包括P面电极(1)、透明导电薄膜(2)和环形绝缘介质膜(3)；

所述环形绝缘介质膜(3)固定在P型DBR(4)的上表面上，且遮挡出光孔的边缘；

所述透明导电薄膜(2)固定在P型DBR(4)的上表面上，且覆盖环形绝缘介质膜(3)，并遮挡出光孔；

所述P面电极(1)固定在透明导电薄膜(2)上表面的边缘且不遮挡出光孔。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述透明导电薄膜(2)的光学厚度为四分之一波长的偶数倍，所述环形绝缘介质膜(3)的光学厚度为四分之一波长的奇数倍。

3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述透明导电薄膜(2)和环形绝缘介质膜(3)的中心均与出光孔的中心在同一条直线上。

4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述P面电极(1)的中心与出光孔的中心在同一条直线上。

5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述环形绝缘介质膜(3)的面积为出光孔面积的四分之三。

6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述透明导电薄膜(2)和环形绝缘介质膜(3)的形状均与P面DBR(4)台面的形状对应。

7.根据权利要求6所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述P面DBR(4)台面的形状为长方形，透明导电薄膜(2)的形状为长方形，环形绝缘介质膜(3)的形状为长方形环。

8.根据权利要求6所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述P面DBR(4)台面的形状为正方形，透明导电薄膜(2)的形状为正方形，环形绝缘介质膜(3)的形状为正方形环。

9.根据权利要求6所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述P面DBR(4)台面的形状为圆形，透明导电薄膜(2)的形状为圆形，环形绝缘介质膜(3)的形状为圆环。

10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述P面电极(1)的形状与P面DBR(4)台面的形状对应。