CN111129952B - 非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents

非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器 Download PDF

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Abstract

非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器属于半导体激光器技术领域。本发明其特征在于，欧姆接触层、上分布布拉格反射镜以及有源增益区是一个圆柱形实体，其中间部分是一个齐顶偏心高阻区，所述齐顶偏心高阻区呈近似圆柱状，齐顶偏心高阻区的顶面与欧姆接触层的顶面平齐，齐顶偏心高阻区的底面与下分布布拉格反射镜的内镜面接触，齐顶偏心高阻区的垂直轴线与所述器件主轴线平行且相距偏心距δ，偏心距δ＝10μm～20μm；整形层位于齐顶偏心高阻区的顶面位置，整形层的形状和径向尺度与齐顶偏心高阻区的顶面的形状和径向尺度相同，整形层的厚度、材质与上电极相同。本发明能够去除空心激光束横模中的基模，提高光束质量。

Description

非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激 光器
技术领域
本发明涉及一种非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器，高阻区偏心设置，能够去除空心激光束横模中的基模，提高光束质量，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
专利号为ZL201510113902.0的一件中国发明专利给出一种名称为“环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器”的技术方案，如图1所示，所述环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8；上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同的环形，所述环形的宽度为3～5μm，所述环形的外径为115～125μm；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5层叠在一起构成一个具有空心部分10的圆柱区域，在所述圆柱区域的空心部分10的下面有高阻区9；所述环形的外径与所述圆柱区域的外径尺寸相同，该具有空心部分10的圆柱区域的内径为85～95μm；所述高阻区9的底面与下分布布拉格反射镜6接触，高阻区9的顶面的高度高于上分布布拉格反射镜3的内镜面、低于上分布布拉格反射镜3的外镜面。所述环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器在工作时，电流从上电极1注入，经过欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4中部进入有源增益区5，由于欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5层叠在一起构成一个具有空心部分10的圆柱区域，并且，在所述圆柱区域的空心部分10的下面有高阻区9，在器件中形成一种“环形结构上分布布拉格反射镜”，因此，该激光器的谐振腔呈环柱形，电流只能在该环柱形谐振腔内产生受激发射，于是，出射光成为空心激光束，实现了垂直腔面发射半导体激光器的腔内空心发光。
所述现有技术存在的首要问题是，虽然垂直腔面发射半导体激光器能够实现动态的单纵模工作，但是，由于其结构具有良好的对称性和各向均匀性，对称的环柱形和横向尺寸较大的谐振腔，在激射过程中会产生许多横模，包括基模横模和高阶横模，各种横模不仅频率不同，而且，在垂直于其传播方向上的场强分布也不同，使得激光器出光不稳定，光束质量降低。
另外，所述现有技术要在垂直腔面发射半导体激光器中制作环形结构上分布布拉格反射镜，需要通过湿法腐蚀或者干法刻蚀形成空心部分10，还有通过氢离子注入形成高阻区9，这不仅导致器件制作工艺步骤增多，工艺难度也增大，如腐蚀或者刻蚀的深度不易控制，离子注入的均匀性不易掌握，不利于器件的批量生产。随之而来的问题至少还有以下四点：1、工艺损伤问题，由于空心部分10的制作是在器件出光口一侧进行，所采取的湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺都会对上分布布拉格反射镜3的外镜面以及激光器环柱形谐振腔的内柱面造成损伤，极易造成不可逆的腔体结构损伤，大大降低了器件成品率；同时，由于上分布布拉格反射镜3的外镜面以及激光器环柱形谐振腔的内柱面的粗糙度增高，激射光会发生多步反射，产生较多的杂散光，降低了注入电流转化效率；2、器件封装方面的问题，由于空心部分10位于器件出光口一侧，不论是单管封装还是阵列封装，都极易对谐振腔腔体造成机械损伤，提高封装工艺困难，例如，在打金丝(制作电极引线)工艺中，上分布布拉格反射镜3单位体积承担应力过大，易造成腔体机械损伤；再如，在阵列贴片工艺中，贴片头与阵列接触面积小、压力大，也易造成谐振腔腔体机械损伤；3、器件使用方面的问题，由于空心部分10位于器件出光口一侧，使得器件在后期实际应用中与光纤、透镜等光学元件耦合困难，限制器件的应用范围。
发明内容
为了提高环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器的光束质量，解决因器件结构特点带来的器件工艺问题，我们发明了一种非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器。
在本发明之非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器中，上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8自上而下依次沿器件主轴线同轴排列，如图2、图3所示，上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同或者接近的环形，上电极1的环形内孔成为出光窗口；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜3通过氧化物限制层4的环形内孔与有源增益区5相接；其特征在于，所述圆柱形实体的中间部分是一个以离子注入方式形成的齐顶偏心高阻区11，所述齐顶偏心高阻区11呈近似圆柱状，齐顶偏心高阻区11的顶面与欧姆接触层2的顶面平齐，齐顶偏心高阻区11的底面与下分布布拉格反射镜6的内镜面接触，齐顶偏心高阻区11的垂直轴线与所述器件主轴线平行且相距偏心距δ，偏心距δ＝10μm～20μm；所述上电极1、氧化物限制层4的环形的外径与所述圆柱形实体的直径相同；整形层12位于齐顶偏心高阻区11的顶面位置，整形层12的形状和径向尺度与齐顶偏心高阻区11的顶面的形状和径向尺度相同，整形层12的厚度、材质与上电极1相同。
本发明在提高光束质量方面，对其技术效果分析如下。光的模式有纵模与横模之分，并且，分别还有基模和高阶模之分，基模只有一个，高阶模则有若干个。在VCSEL(垂直腔面发射半导体激光器)的发光中，含有单纵模，横模既有基模，也有高阶模，称为混合模。在混合模中，模式不同模方程相同。模方程相同，则不同的模式具有相同的色散特性和截止频率，这些不同的模式混合在一起，呈简并状态。将各个简并模式的场分布函数合成在一起，也就是用一个函数表达，这个函数近似于线偏振的场分布函数，因此，简并模式的混合模被称为线性偏振模(linear polarized mode)，简称LP模。采用LP模研究VCSEL的模式的结果表明，在VCSEL发出的空心光中，当空心部分偏离原中心后，对载流子的空间位置分布造成影响，载流子分布会变得不均匀，载流子的空间位置分布不同，产生不同阶次的模式，可见，VCSEL发出的空心光的空心部分偏离原中心对VCSEL的模式特性产生非常重大的影响。偏心距较大时，如10μm～20μm，不同阶次的高阶模与载流子发生较强的耦合，获得更高的增益而优先激射，与其相反，基模与载流子的耦合较弱，得到的增益较低，最终未能激射。在本发明方案中，齐顶偏心高阻区11的垂直轴线与器件主轴线平行且相距偏心距δ，偏心距δ＝10μm～20μm，将原本具有良好的对称性和各向均匀性的谐振腔结构，改变为各向异性的谐振腔结构，有效诱发损耗的各向异性，从而在VCSEL横模中引起的非均匀损耗，由此控制两个相互垂直的偏振状态，进行模式控制选择，横模中的基模被去除，光束质量得到提高。
本发明其技术效果还在于，从器件结构看，在器件工艺中不必先湿法腐蚀或者干法刻蚀形成空心部分10，直接以离子注入的方式在所述圆柱形实体的中间部分形成齐顶偏心高阻区11，齐顶偏心高阻区11的顶面与欧姆接触层2的顶面平齐，并且，在制作上电极1时同步采用光刻工艺制作整形层12，不仅器件工艺得到简化，而且，避免了工艺损伤问题、器件封装方面的问题以及器件使用方面的问题的出现。
虽然齐顶偏心高阻区11依然需要采用离子注入的方式来形成，齐顶偏心高阻区11的形状难以做得规则，界面难以做得光滑，器件发出的圆形空心光形状会偏离预期，不过，位于齐顶偏心高阻区11的顶面位置的整形层12，其形状和径向尺度又与齐顶偏心高阻区11的顶面的形状和径向尺度相同，并且，又是采用精细的光刻工艺制作，整形层12完全能够按预期控制器件发出的圆形空心光的形状。
附图说明
图1是现有环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器结构及出光状态主视剖视示意图。
图2是本发明之非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态剖视主视示意图，该图同时作为摘要附图。
图3是本发明之非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器结构及发光形态俯视示意图。
具体实施方式
在本发明之非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器中，上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8自上而下依次沿器件主轴线同轴排列，如图2、图3所示。上电极1制作材料为Ti/Pt/Au，先分层制作，再合金化处理；欧姆接触层2的材质为GaAs；上分布布拉格反射镜3的制作材料为P型Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As；氧化物限制层4的材质为Al2O3；有源增益区5的制作材料为GaAs/AlGaAs；下分布布拉格反射镜6的制作材料为N型Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As；衬底7的材质为GaAs；下电极8的制作材料为Au/Ge/Ni，先分层制作，再合金化处理。上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同或者接近的环形，上电极1的环形内孔成为出光窗口；欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜3通过氧化物限制层4的环形内孔与有源增益区5相接。所述圆柱形实体的中间部分是一个以离子注入方式形成的齐顶偏心高阻区11，如注入氢离子，所述齐顶偏心高阻区11呈近似圆柱状，齐顶偏心高阻区11的顶面与欧姆接触层2的顶面平齐，齐顶偏心高阻区11的底面与下分布布拉格反射镜6的内镜面接触，齐顶偏心高阻区11的垂直轴线与所述器件主轴线平行且相距偏心距δ，偏心距δ＝10μm～20μm；齐顶偏心高阻区11的高度为4μm～10μm、直径为85μm～95μm。所述圆柱形实体的直径为115μm～125μm，所述上电极1、氧化物限制层4的环形的外径与所述圆柱形实体的直径相同，所述上电极1、氧化物限制层4的环形的宽度为3μm～5μm。整形层12位于齐顶偏心高阻区11的顶面位置，整形层12的形状和径向尺度与齐顶偏心高阻区11的顶面的形状和径向尺度相同，整形层12的厚度、材质与上电极1相同。

Claims (1)

1.一种非对称环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器，上电极(1)、欧姆接触层(2)、上分布布拉格反射镜(3)、氧化物限制层(4)、有源增益区(5)、下分布布拉格反射镜(6)、衬底(7)、下电极(8)自上而下依次沿器件主轴线同轴排列，上电极(1)、氧化物限制层(4)的形状为内径相同或者接近的环形，上电极(1)的环形内孔成为出光窗口；欧姆接触层(2)、上分布布拉格反射镜(3)以及有源增益区(5)是一个圆柱形实体；上分布布拉格反射镜(3)通过氧化物限制层(4)的环形内孔与有源增益区(5)相接；其特征在于，所述圆柱形实体的中间部分是一个以离子注入方式形成的齐顶偏心高阻区(11)，所述齐顶偏心高阻区(11)呈近似圆柱状，齐顶偏心高阻区(11)的顶面与欧姆接触层(2)的顶面平齐，齐顶偏心高阻区(11)的底面与下分布布拉格反射镜(6)的内镜面接触，齐顶偏心高阻区(11)的垂直轴线与所述器件主轴线平行且相距偏心距δ，偏心距δ＝10μm～20μm；所述上电极(1)和氧化物限制层(4)的环形的外径与所述圆柱形实体的直径相同；整形层(12)位于齐顶偏心高阻区(11)的顶面位置，整形层(12)的形状和径向尺度与齐顶偏心高阻区(11)的顶面的形状和径向尺度相同，整形层(12)的厚度和材质与上电极(1)相同。
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