CN105552715B - 适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

Abstract

适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，属于光电子技术领域，为了解决现有垂直腔面发射半导体激光器在高温工作时存在的发光区增益衰减的问题，其结构由下至上依次为N面电极、N型衬底、N型掺杂DBR、有源区、增益导引层、增益调控电极、氧化层、P型掺杂DBR、P面盖层、P面电极和出光窗口；所述增益导引层由N侧增益导引层及P侧增益导引层组成，且分别位于有源区的上下两侧；所述增益调控电极位于P侧增益导引层上，并且两者电连；本发明具有增益补偿功能的垂直腔面发射激光器在高温环境下具有非常优越的增益稳定性，并且制备工艺简单、适用范围广，在激光通信、原子传感等领域具有非常广阔的应用前景。

Description

适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种可以产生高光学增益的新型垂直腔面发射半导体激光器，适用于高温工作条件，属于光电子技术领域。

背景技术

垂直腔面发射激光器是一种垂直表面出光的半导体激光器，它具有体积小，快速调制，易于单片集成等优点，在医疗、传感、信息存储、通讯及卫星导航等领域有着极其重要的应用。随着应用领域的扩展，全天时通讯及卫星导航等应用领域对器件的耐高温工作特性提出了迫切需求，如何提升垂直腔面发射半导体激光器阈值、功率特性是近年来研究的热点。

垂直腔面发射半导体激光器的器件结构包括：N面及P面电极、衬底层、N型及P型掺杂的分布布拉格反射镜(DBR)、有源区、氧化层和P面盖层结构。其中，氧化层外环为电流阻挡材料，中间为圆形孔径，注入有源区的电流只能从该孔径进入有源区产生激光，有源区与该孔径对应的位置为发光区；P型及N型DBR结构具有高的反射率；有源区位于P型及N型掺杂的DBR之间，为整个器件提供激光所需的光增益；P面电极位于P面DBR上方的P面盖层上，并且电连到盖层；N面电极位于衬底的背面，并且电连到衬底。激光器加电后，有源区产生的光经过N型DBR及P型DBR的反射形成循环振荡，由于有源区的光增益，光在振荡过程中不断放大，最终形成激光输出。

垂直腔面发射半导体激光器的有源区纵向尺寸为百纳米量级，光场在纵向来回振荡时一个振荡周期的增益长度只有几百纳米，而两侧DBR反射镜反射率一般达到99％以上，这就导致在腔内振荡的激光需要有特别大的能量密度才能出射到腔外，导致器件工作所需的工作电流密度很高，同时器件的输出功率低。当激光器工作在高温环境下时，由于发光区量子阱的增益衰减，器件的功耗增加，同时出光功率迅速衰减，使得垂直腔面发射半导体激光器在长时通讯、原子传感等对温度特性要求较高的应用领域受到严重限制。

目前报道的提高面发射激光发光区光增益的方案主要有以下几种：

(1)1991年公布的YH Xie等人的美国专利US5063569-A中，提出将发光区两侧的DBR反射镜改为介质膜材料结构，通过将介质膜与发光区进行键合实现完整器件结构，由于介质膜具有低吸收特性，且会将光场分布向发光区压缩，由于增益区与光场重叠增加，因而相应的光单程增益会变大。

(2)2001年，德国ULM大学的Matthias Golling等人在国际会议上提出一种新型的周期性增益发光区结构(Proceedings ofSPIE,Vol.4286,102-108，2001)，该结构通过在光场振荡方向引入多个带有增益的多量子阱结构，以使得光在单次振荡过程中得到的增益加倍，为保证各个发光区能有效注入电子和空穴载流子，发光区之间采用超薄重掺杂隧穿结结构进行级联。

(3)2014年公开的国际专利EP2802046-A1中，提出采用一种主动增益区结构，通过增益区的折射率变化提升增益区横向光限制因子以达到提高激光器有源区增益利用效率的方法，该方法相当于提升了光场与增益区的横向重叠部分，使得发光区的增益能够充分作用于光场。

上述所采用的提升有源区光增益的方法中所涉及到的介质材料与半导体材料的键合工艺、隧道结级联结构的制备以及主动性增益区的制备等均是具有高难度的制备工艺，因而以上方法所采用的制备方案工艺精度要求高、难以实现，并且上述方案制作步骤繁琐，在技术上推广难度大，而且上述方案仍未能改变高温环境下发光区的增益衰减效应，对高温工作时激光器性能提升效果有限。

发明内容

本发明为了解决现有垂直腔面发射半导体激光器在高温工作时存在的发光区增益衰减的问题，提出一种新型的带有增益调控功能的垂直腔面发射半导体激光器结构，以实现垂直腔面发射半导体激光器发光区能够获得高的光学增益，特别是在高温工作下常规器件结构的发光区增益出现衰减时该新型结构仍能保证发光区增益稳定，有效抑制温度效应带来的器件性能衰减。

为实现上述目标，本发明提出的技术方案是：

适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其结构由下至上依次为N面电极、N型衬底、N型掺杂DBR、有源区、增益导引层、增益调控电极、氧化层、P型掺杂DBR、P面盖层、P面电极和出光窗口；所述增益导引层由N侧增益导引层及P侧增益导引层组成，且分别位于有源区的上下两侧；所述增益调控电极位于P侧增益导引层上，并且两者电连。

激光器工作时由增益调控电极通过P侧增益导引层向有源区的外侧非发光区域注入电流产生光增益，增益光场通过N侧增益导引层及P侧增益导引层的横向导引作用传输至中心发光区位置。

所述增益导引层的材料折射率低于有源区的材料折射率以保证光增益的导引作用，增益导引层为半导体AlGaAs基材料、InP、GaN、ZnO或有机材料。

N型掺杂DBR、有源区及P型掺杂DBR的材料为半导体AlGaAs基材料、InP、GaN、ZnO或有机材料。

所述有源区结构为单量子阱、多量子阱、量子点或量子线结构，有源区位于激光器谐振光场最大处，使得有源区提供的增益有效支持器件内部激光谐振及输出。

有源区与增益导引层结构的总光学厚度为波长整数倍，以使得有源区与两侧反射镜结构形成光学谐振效应。

增益导引结构为DBR结构，或者为高反射光栅或光子晶体的具有增益导引功能、可与有源区形成谐振腔的结构。

所述适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器可以为多个谐振腔集成的器件结构。

本发明的优点：

本发明在传统垂直腔面发射半导体激光器结构基础上增加了增益导引层及增益调控电极结构，由于发光区的横向尺寸(几十或上百微米量级)远远大于发光区纵向尺寸(几百纳米量级)，因而仅需在增益调控结构上施加极小的光增益电流就可以为发光区补充很大的增益，该结构增益补充效率非常高，即使在高温工作时仍能提供足够大的光增益。该结构有效利用了激光器发光区横向外侧不能参与激光振荡的增益区结构，使得增益可以在横向得到有效补充，不会对激光器的纵向光振荡产生不利影响。

本发明所提出的增益导引层结构与传统激光器的采用相同材料体系即可，但是其折射率要低于发光区材料的有效折射率以实现增益导引特性。增益调控电极的制备方法也采用传统电极制备工艺，没有引入新的器件材料及键合工艺，不会增加工艺制备的复杂程度，可以适用于各种结构的垂直腔面发射半导体激光器。

本发明具有增益补偿功能的垂直腔面发射激光器在高温环境下具有非常优越的增益稳定性，并且制备工艺简单、适用范围广，在激光通信、原子传感等领域具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器结构示意图。

图2为本发明适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器增益补偿原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其结构由下至上依次为N面电极11、N型衬底1、N型掺杂DBR 2、有源区3、增益导引层4、增益调控电极5、氧化层6、P型掺杂DBR 7、P面盖层8和P面电极9，P面电极9中间为出光窗口10。所述增益导引层4由N侧增益导引层4-1及P侧增益导引层4-2组成，且分别位于有源区3的上下两侧；所述增益调控电极5位于P侧增益导引层4-2上，并且两者电连。

激光器工作时，由增益调控电极5通过P侧增益导引层4-2向垂直腔面发射半导体激光器的外侧非发光区域注入电流产生光增益，增益光场通过N侧增益导引层4-1及P侧增益导引层4-2的横向导引作用传输至中心发光区位置，由于垂直腔面发射半导体激光器的横向尺寸远远大于纵向光振荡区域的尺寸，因此该结构可以大幅提升激光器发光区的增益，使得激光器即使在高的工作温度下也能保持增益稳定。

所述增益导引层4的材料折射率低于有源区3的材料折射率以保证光增益的导引作用，增益导引层4可以为半导体AlGaAs基材料，也可以为InP，GaN，ZnO及有机材料等体系材料。

N型掺杂DBR 2、有源区3及P型掺杂DBR7的材料可以为半导体AlGaAs基材料，也可以为InP、GaN、ZnO及有机材料等体系材料。

所述有源区3结构可以为单量子阱、多量子阱、量子点或量子线等结构，有源区3位于激光器谐振光场最大处，使得有源区3提供的增益可以有效支持器件内部激光谐振及输出。

有源区3与增益导引层4结构的总光学厚度为波长整数倍，以使得有源区3与两侧反射镜结构形成光学谐振效应。

增益导引结构4还可以设计成DBR结构，也可以为高反射光栅，光子晶体等，具有增益导引功能、可以与有源区形成谐振腔的其他功能结构。

本发明所述适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器可以为多个谐振腔集成的器件结构类型，如电泵浦垂直外腔型面发射半导体激光器，光泵浦碟形激光器等具有多谐振腔同时谐振的面发射器件结构。

本发明适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，具体制作方法如下：

步骤一，在N型衬底1上通过金属有机化学气相外延(MOCVD)或者分子束外延(MBE)的方法由下至上依次生长出N型掺杂DBR2、增益导引层4-1、有源区3、增益导引层4-2、氧化层6、P型掺杂DBR7和P面盖层8，制备出外延晶圆片。

步骤二，在外延晶圆片上均匀旋涂一层光学敏感的胶膜结构，然后利用带有圆形掩膜的掩膜板对其曝光、显影后在P面盖层8上形成圆形的光学掩膜。

步骤三，采用化学湿法腐蚀溶液或者干法刻蚀气体由P面盖层开始向下刻蚀带有掩膜的晶圆片，刻蚀深度保证到达增益限制层4-2，刻蚀结束后，P型掺杂DBR结构7与氧化层6形成如图1所示的圆形台面结构。

步骤四，去除P型DBR结构7上残留的掩膜后，将晶圆放入高温高湿度的氧化炉中，通过湿法氧化反应过程使得氧化层6的外环部分发生氧化反应形成绝缘的环形电流阻挡层，而其中心形成圆形的氧化限制口。

步骤五，将制备的芯片放入金属沉积设备，在P型掺杂DBR7以及增益导引层4-2上沉积金属材料，形成增益调控电极5以及P面电极9，之后通过lift-off工艺形成出光窗口10。

步骤六，将N型衬底1进行减薄抛光后，在N型衬底1上蒸镀金属材料，形成N面电极11。

如图2所示，有源区3与氧化层6中间的电流限制孔对应的位置为有源区3的发光区位置，激光器工作时光场在有源区6纵向不断振荡，当高温工作时，由于器件增益不足，此时在增益调控电极5加上电压，在发光区外侧的有源区3结构则可产生光增益。由于有源区3两侧N侧增益导引层4-1及P侧增益导引层4-2的增益导引作用，所产生的光增益通过有源区3的横向方向向发光区传输增益，为发光区提供增益补偿，保证了激光器发光区的稳定工作。

Claims (7)

1.适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征是，其结构由下至上依次为N面电极、N型衬底、N型掺杂DBR、有源区、增益导引层、增益调控电极、氧化层、P型掺杂DBR、P面盖层和P面电极，P面电极中间为出光窗口；所述增益导引层由N侧增益导引层及P侧增益导引层组成，且分别位于有源区的上下两侧；所述增益调控电极位于P侧增益导引层上，并且两者电连；

激光器工作时由增益调控电极通过P侧增益导引层向有源区的外侧非发光区域注入电流产生光增益，增益光场通过N侧增益导引层及P侧增益导引层的横向导引作用传输至中心发光区。

2.根据权利要求1所述的适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述增益导引层的材料折射率低于有源区的材料折射率，以保证光增益的导引作用，增益导引层为半导体AlGaAs基材料、InP、GaN、ZnO或有机材料。

3.根据权利要求1所述的适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，N型掺杂DBR、有源区及P型掺杂DBR的材料为半导体AlGaAs基材料、InP、GaN、ZnO或有机材料。

4.根据权利要求1所述的适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述有源区结构为单量子阱、多量子阱、量子点或量子线结构，有源区位于激光器谐振光场最大处，使得有源区提供的增益有效支持器件内部激光谐振及输出。

5.根据权利要求1所述的适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，有源区与增益导引层结构的总光学厚度为波长整数倍，以使得有源区与两侧反射镜结构形成光学谐振效应。

6.根据权利要求1所述的适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，增益导引结构为DBR结构，或者为高反射光栅或光子晶体的具有增益导引功能、可与有源区形成谐振腔的结构。

7.根据权利要求1所述的适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于，所述适合高温工作的高增益垂直腔面发射半导体激光器可以为多个谐振腔集成的器件结构。