CN106953233A - 一种倒装垂直腔半导体激光器结构 - Google Patents

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崔碧峰
王阳
房天啸
郝帅
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

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Abstract

一种倒装垂直腔半导体激光器结构涉及半导体光电子学技术领域。这种结构的垂直腔半导体激光器，包括键合到衬底上的P面电极、P型DBR、限制层、有源区、限制层、N型DBR、ZnO透明电极、SiO2和金属电极，实现了小出光孔径的控制。解决了传统垂直腔半导体激光器以氧化物限制难以实现小出光孔径以及同时需要在底面出光面进行双面光刻以形成对应的出光窗口，并在出光窗口上制备增透膜的问题。该发明在ZnO透明电极的作用下进行出光孔径的控制，而且工艺容易实现，操作简单，成为小型化、效率高、可携带和节能环保的新型光源。

Description

一种倒装垂直腔半导体激光器结构
技术领域
本发明涉及的是半导体光电子学技术领域，具体涉及一种具有特别结构的倒装垂直腔半导体激光器。
背景技术
目前对于倒装的垂直腔半导体发射激光器系统中，大部分通过氧化物限制来达到控制P面电流注入窗口大小的目的，同时需要在底面出光面进行双面光刻以形成对应的出光窗口，并在出光窗口上制备增透膜；而且在实际应用中，对于很多特殊的实例比如3D相机等应用来说，考虑到人眼安全，垂直腔半导体发射激光器的输出功率需要非常小，对应的出光孔径非常小，而传统的通过氧化物限制来达到控制电流注入的方法，在实际操作中很难将发光孔经控制的特别小，工艺难度太大。然为了解决这一难题，提出一种具有小孔径垂直腔半导体激光器结构，光刻出适当的孔径，直接制作ZnO透明电极，不仅代替了氧化物限制控制发光孔经，能够实现小出光孔径，而且ZnO透明电极既是电极又是增透膜，无需双面光刻，工艺容易实现。现有的应用中有很多使用的是ITO透明电极，但是ITO透明电极有很多缺点，比如化学性质不稳定、热稳定性低、有毒、材料稀有和花费昂贵等，而用ZnO来制作透明电极相对于来说就拥有很多优势，例如电极均匀性好、电流注入均匀、热稳定性好、结温低、材料常见和花费低等。
发明内容
本发明克服了传统倒装垂直腔半导体发射激光器以氧化物限制难以制作小发光孔经的困难，同时克服了需要在底面出光面进行双面光刻以形成对应的出光窗口，并在出光窗口上制备增透膜的困难，解决了倒装垂直腔半导体激光器应用于3D相机等方面输出功率大以及对人眼安全不达标等问题，所提出的一种具有特别结构的倒装垂直腔半导体激光器。
一种具有特别结构的倒装垂直腔半导体激光器，其特征在于：包括键合到衬底上的P面电极(1)、P型DBR(2)、限制层(3)、有源区(4)、限制层(5)、N型DBR(6)、出光处的ZnO透明电极(7)、SiO2(8)和金属电极(9)。
从底端A开始依次为垂直腔半导体激光器芯片上的P面电极(1)、P型DBR(2)、限制层(3)、有源区(4)、限制层(5)、N型DBR(6)、出光处的ZnO透明电极(7)、SiO2(8)和金属电极(9)。
在ZnO透明电极(7)出光处对应的端面B处无增透膜；P面电极(1)端面A和端面B相对。
N型DBR和P型DBR实现对中心波长的反射以及选择。
本发明的优势是：不需要在有源区内制作氧化物限制孔径，通过ZnO透明电极实现发光孔经的控制，而且ZnO透明电极既是电极又是增透膜，无需双面光刻，工艺容易实现。达到非常小的输出功率。其意义不仅仅在于会有极好的应用前景和巨大的市场，带来的节能环保效应也将推动绿色科技的发展和可持续发展战略的实现。
附图说明
图1为本发明型特别结构的倒装垂直腔半导体激光器侧面结构图实施例1；
图1中，1 P面电极、2 P型DBR、3 限制层、4 有源区、5 限制层、6 N型DBR、7 ZnO透明电极、8 SiO2、9 金属电极。
图2为本发明型特别结构的倒装垂直腔半导体激光器侧面结构图实施例2；
图2中，1 P面电极、2 P型DBR、11 氧化层、3 限制层、4 有源区、5 限制层、6 N型DBR、10 衬底、7 ZnO透明电极、8 SiO2、9 金属电极。
具体实施方式
结合附图对本发明型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明型的范围。
实施例1
本发明型制备垂直腔半导体激光器所需的芯片，即外延片是在N型GaAs衬底上利用低压金属有机物化学气相沉积的方法生长的。垂直腔半导体激光器芯片的生长包括20.5对Al0.9Ga0.1As的N面DBR，Al0.42GaAs限制层，有源区内量子阱的势阱材料为In0.28Ga0.72As,阱宽为9nm，势垒材料为GaAs0.8P0.2，垒宽为15nm，量子阱的个数为3个、30对Al0.8Ga0.2As的P面DBR，垂直腔面发射激光器芯片的SiO2层的厚度应为出射波长的1/4，SiO2层中间刻蚀出小于1微米的用于制作透明电极的窗口。
垂直腔半导体激光器芯片的ZnO透明电极的尺寸即为出光孔径的尺寸，实现了出光孔径大小的控制，厚度为出射波长的四分之一的奇数倍,使得其输出功率非常小，达到了人眼安全的要求。
以上所述仅为本发明型的较佳实施例，并不用以限制本发明型，凡在本发明型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明型的保护范围之内。
实施例2
本发明型制备垂直腔半导体激光器所需的芯片，即外延片是在N型GaAs衬底上利用低压金属有机物化学气相沉积的方法生长的。垂直腔半导体激光器芯片的生长包括21.5对Al0.9Ga0.1As的N面DBR，Al0.42GaAs限制层，有源区内量子阱的势阱材料为In0.2Ga0.8As,阱宽为8nm，势垒材料为GaAs0.9P0.1，量子阱的个数为3个、30.5对Al0.8Ga0.2As的P面DBR，30nm厚的Al0.02Ga0.98As层位于P型DBR与空间层之间,提供经选择氧化后形成低折射率的高阻氧化物AlxOy，提供对电流的有效限制。
垂直腔面发射激光器芯片的SiO2层的厚度应为出射波长的1/4，SiO2层中间刻蚀出小于1微米的用于制作透明电极的窗口。
垂直腔半导体激光器芯片的ZnO透明电极的尺寸即为出光孔径的尺寸，孔的直径小于1微米，实现了出光孔径大小的控制，使得其输出功率非常小，达到了人眼安全的要求。
以上所述仅为本发明型的较佳实施例，并不用以限制本发明型，凡在本发明型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种倒装垂直腔半导体激光器结构，其特征在于：包括键合到衬底上的P面电极(1)、P型DBR(2)、有源区(3)、N型DBR(4)和出光处代替增透膜和电极的ZnO透明电极(5)、SiO2(8)和金属电极(9)。
2.按照权利要求1所述的结构，其特征在于：在ZnO透明电极(5)出光处对应的端面B无增透膜；P面电极(1)所在端面A和端面B相对。
3.按照权利要求1所述的结构，其特征在于：出光经过ZnO透明电极(5)后，出射光必须在端面B上。
4.按照权利要求1所述的结构，其特征在于：出光处的ZnO透明电极(5)既是电极又是增透膜，无需双面光刻，为具有出光孔径大小控制功能的电极。
5.按照权利要求1所述的结构，其特征在于：N型DBR和P型DBR实现对中心波长的反射以及选择。
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