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Abstract

本发明公开了一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，包括依次层叠设置的顶电极、保护层、P型反射镜、第一氧化层、第一包层、多量子阱结构层、第二包层、第二氧化层、N型反射镜、衬底和底电极；所述的第一包层、多量子阱结构层和第二包层组成VCSEL结构；所述的VCSEL结构中部设有谐振腔，所述的第一氧化层在谐振腔对应位置设有第一氧化孔径，所述的第二氧化层在谐振腔对应位置设有第二氧化孔径，所述第一氧化孔径和第二氧化孔径法线重合。优点在于，具有增加输出功率，工作温度范围，可实现的波长范围，以及红色波长区域中的VCSEL的可靠性，以及更长的波长区域。

Description

一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)包括形成在衬底顶部上的第一分布式布拉格反射器(DBR)，也称为堆叠镜，形成在第一堆叠镜顶部上的有源区域，以及第二堆叠镜形成在有源区域的顶部。通常，第二反射镜掺杂有p型掺杂剂，其中第一反射镜掺杂有n型掺杂剂以允许电流流动以将少数载流子电子和空穴注入有源区。在该示例中，p型材料是半导体材料，例如掺杂有诸如引起自由空穴的碳的材料的砷化镓(GaAs)，或者在半导体材料中形成正电荷载流子。n型材料是半导体材料，例如掺杂有诸如硅的材料的GaAs，以在半导体材料中形成自由电子或负电荷载流子。包含多量子阱的有源区。两个反射镜通常制成晶体表面以形成垂直腔的端部，并且通常由DBR制成，DBR包括具有不同折射率的交替半导体层。
当p-n结被电流正向偏置时，空穴和电子形式的自由载流子被注入有源区中的量子阱中。在足够高的偏置电流下，注入的少数载流子在量子阱中形成粒子数反转，产生光增益。当有源区中的光子刺激电子从导带到价带的跃迁时发生光增益，这产生与受激光子同相位的附加光子。当光学增益等于腔体损耗时，发生激光振荡并且激光器处于阈值偏压时，VCSEL发射激光，因为光学相干光子从VCSEL的发射孔径发射，并且发射孔径位于VCSEL的顶部或底部，这取决于应用场景。
激光的效率取决于光输出量与激光器内光损失量的比。增加光学增益并减少激光腔内的内部损耗可提高激光器的效率。为了获得最大效率，电流的主要部分必须与激光共生。例如，在VCSEL中，通常在有源区上方和下方提供顶部和底部电触点，使得可以通过有源区施加泵浦电流。
激光器结构需要在谐振腔中的光学限制和有源区域中的载流子限制，以通过粒子数反转实现泵浦电子到受激光子的有效转换。一种电流限制方法，Al0.98Ga0.02As层的氧化可用于在反射器和有源区之间形成氧化层，其电流通过横向氧化工艺控制。这种方法在低阈值电流，高可靠性和高效率方面表现出任何VCSEL的最佳性能。横向模式通常通过实施光子和/或电子的限制手段来定义。VCSEL也需要电或电流限制，其中电流用于提供泵浦有源区以获得增益的器件。
对于选择性氧化型VCSEL，在有源区附近形成用于进行电流限制和光限制的氧化层，以使氧化层的氧化孔的直径更小，从而VCSEL以单模工作。另一方面，电流限制孔径越宽，高阶模式的增益就越大。当电流限制孔足够宽时，会出现多模激光。因此，对于给定的VCSEL结构，存在可以进行单横模操作的最大电流限制孔径尺寸。最大单横模电流限制孔径尺寸也设定了VCSEL单横模输出功率的上限。
通过将氧化层置于腔中的光学驻波的波腹位置来引入折射率波导的VCSEL。在这种情况下，不能确保单模输出，但是当前阈值非常低。通过在节点位置移动氧化层而引入的增益波导VCSEL确保单模输出，但激光阈值电流非常高。氧化层总是电流约束，但其光学限制取决于其在腔中的位置。如果氧化孔径位于光学驻波的波腹位置，则实现了完美的光学限制。但是，如果它位于节点位置，则光学限制不会发生。因此，如果氧化孔位于这两个位置之间，则其限制性质影响增益和有效折射率参数。
VCSEL中氧化孔径的定位是对不同矛盾的要素进行权衡的结果。另一方面，在孔和有源区之间的掺杂层中的电流扩展将增加pn结的有效面积，因此电容将增加，而电阻将保持高，主要由氧化孔的尺寸限定光圈。
通常由于载流子空间烧孔和环形正电极金属接触引起电流拥挤效应，VCSEL通常以多模方式工作。由于高阶模式的较高模态增益，这种载波分布将支持多模工作。在寻求单模操作时，必须采用某种方式来抑制高阶模。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的在于提供一种有效抑制高阶模的双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器。
本发明所述的一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，包括依次层叠设置的顶电极、保护层、P型反射镜、第一氧化层、第一包层、多量子阱结构层、第二包层、第二氧化层、N型反射镜、衬底和底电极；所述的第一包层、多量子阱结构层和第二包层组成VCSEL结构；所述的VCSEL结构中部设有谐振腔，所述的第一氧化层在谐振腔对应位置设有第一氧化孔径，所述的第二氧化层在谐振腔对应位置设有第二氧化孔径，所述第一氧化孔径和第二氧化孔径法线重合。
优选地，所述的第一氧化孔径尺寸小于或等于第二氧化孔径。
优选地，所述的VCSEL结构厚度为3λ/2，所述的λ为发射光波长。
优选地，第一氧化层和第二氧化层为电绝缘的氧化物。
优选地，所述的P型反射镜和/或N型反射镜是GaAlAs组分的合金且具有多层结构，至少一层是由具有高铝组分的第一部分，其在氧化时形成氧化物限制孔；第二部分是具有低铝组分的插入层，第三部分具有适度高的铝组分；所述的高铝组分铝含量为98％适度高铝组分铝含量为90％，所述低铝组分的铝含量为12％。
本发明所述的一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其优点在于，具有增加的输出功率，工作的温度范围，可实现的波长范围，以及红色波长区域中的VCSEL的可靠性，以及更长的波长区域。
附图说明
图1是本发明所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图2是本发明所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器的电流轮廓和电流密度示意图；
图3是本发明所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器的带隙能量分布曲线和电场分布曲线对照示意图。
附图标记：110-衬底、120-谐振腔、131-顶电极、132-保护层、133-底电极；140-VCSEL结构、141-P型反射镜、142-N型反射镜、143-第一氧化层、144-第二氧化层、145-第一氧化孔径、146-第二氧化孔径、147-第一包层、148-第二包层、149-多量子阱结构层；400-带隙能量分布曲线、401-电场分布曲线。
具体实施方式
孔径中的高浓度与第一部分中的较高浓度之间的铝浓度的差异抑制了在孔隙层被氧化时第三部分从台面侧的不期望被氧化的部分。第二部分中的低铝浓度抑制了与目标孔径层相邻的层的垂直方向上的不希望的氧化。这允许获得具有确定和可预测的氧化物限制孔。顶部氧化的含Al层具有从台面结构的侧表面氧化的顶部氧化区域和由顶部氧化区域围绕的顶部非氧化区域。底部氧化含Al层具有从台面结构的侧表面氧化的底部氧化区域和由底部氧化区域围绕的底部非氧化区域。通过横向氧化技术使用不同尺寸的双氧化孔来控制横向模式。在激光器中的最佳位置处使用双氧化孔径以调整有源区域中载流子的空间分布的形状。
在高功率和高速VCSEL器件的开发中，传统的VCSEL使用单个氧化孔径来阻挡不需要的横向模式并限制电荷载流子。氧化孔径的大小决定了VCSEL是否将呈现多模式或单模式工作，通常需要氧化孔径小于约5微米来提供单模VCSEL工作。然而与多模VCSEL器件相比，以这种方式制造的单模VCSEL器件将降低的发射功率，因为较小的氧化孔径限制了在有源区中复合的电荷载流子量。
本发明所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其具有增加的输出功率，工作的温度范围，可实现的波长范围，以及红色波长区域中的VCSEL的可靠性，以及更长的波长区域。具有双氧化孔径，其中第一氧化孔径提供光学限制，第二氧化孔径提供电子限制，并且具有红色的激光波长在约650nm和约980nm之间的范围内。
具体结构如图1-3所示，本发明所述的一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器依次层叠设置的顶电极131、保护层132、P型反射镜141、第一氧化层143、第一包层147、多量子阱结构层149、第二包层148、第二氧化层144、N型反射镜142、衬底110和底电极133；所述的第一包层147、多量子阱结构层149和第二包层148组成VCSEL结构140；所述的VCSEL结构140中部设有谐振腔120，所述的第一氧化层143在谐振腔120对应位置设有第一氧化孔径145，所述的第二氧化层144在谐振腔120对应位置设有第二氧化孔径146，所述第一氧化孔径145和第二氧化孔径146法线重合。
所述的第一氧化孔径145尺寸小于或等于第二氧化孔径146。所述的VCSEL结构140厚度为3λ/2，所述的λ为发射光波长。第一氧化层143和第二氧化层144为电绝缘的氧化物。所述的P型反射镜141和/或N型反射镜142是Ga(1-x)Al(x)As组分的合金且具有多层结构，至少一层是由具有高铝组分的第一部分，其在氧化时形成氧化物限制孔；第二部分是具有低铝组分的插入层，第三部分具有适度高的铝组分；所述的高铝组分铝含量为98％适度高铝组分铝含量为90％，所述低铝组分的铝含量为12％。
有源区由多量子阱结构层149即MQW形成。QW是结构中具有最窄带隙的层。对于Ga(1-x)Al(x)As，铝含量越大，带隙越宽。包含3λ/2光学腔，其中放置MQW。从顶侧邻近MQW的是顶部包层区域，并且从底侧邻近的是第二包层区域.这些层是具有高铝含量并且同时具有低折射率的层。顶层是P型反射镜的第一层，具有宽带隙，具有高铝含量，并且具有低折射率。第一氧化孔径145以宽带隙放置在顶层中。在顶部孔隙层中，铝组合物优选超过95％。底层是N型反射镜的第一层，具有宽带隙，具有高铝含量，并且具有低折射率。底部孔径放置在具有宽带隙的底层中。在底部孔隙层中，铝浓度最好超过95％。
在本发明中，顶部孔和底部孔处于镜堆中的E场的第一零点处，其大致一个镜像对远离镜堆叠之间的腔或有源区。氧化层放置得与E场的第一零点接近，以有利于氧化物层的折射率引导并增强有源区域中的电流限制。在较小孔径和较小注入时，光波导效应变为主导，从而支持单模。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括依次层叠设置的顶电极(131)、保护层(132)、P型反射镜(141)、第一氧化层(143)、第一包层(147)、多量子阱结构层(149)、第二包层(148)、第二氧化层(144)、N型反射镜(142)、衬底(110)和底电极(133)；所述的第一包层(147)、多量子阱结构层(149)和第二包层(148)组成VCSEL结构(140)；所述的VCSEL结构(140)中部设有谐振腔(120)，所述的第一氧化层(143)在谐振腔(120)对应位置设有第一氧化孔径(145)，所述的第二氧化层(144)在谐振腔(120)对应位置设有第二氧化孔径(146)，所述第一氧化孔径(145)和第二氧化孔径(146)法线重合。
2.根据权利要求1所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的第一氧化孔径(145)尺寸小于或等于第二氧化孔径(146)。
3.根据权利要求1所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的VCSEL结构(140)厚度为3λ/2，所述的λ为发射光波长。
4.根据权利要求1所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其特征在于，第一氧化层(143)和第二氧化层(144)为电绝缘的氧化物。
5.根据权利要求1所述双氧化孔径的高功率高速垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的P型反射镜(141)和/或N型反射镜(142)是Ga(1-x)Al(x)As组分的合金且具有多层结构，至少一层是由具有高铝组分的第一部分，其在氧化时形成氧化物限制孔；第二部分是具有低铝组分的插入层，第三部分具有适度高的铝组分；所述的高铝组分铝含量为98％适度高铝组分铝含量为90％，所述低铝组分的铝含量为12％。
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