CN111244760B - 一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，在半导体衬底上利用外延技术依次生长N型半导体反射层、有源层、p型半导体反射层；所述N型半导体反射层和P型半导体反射层为具有不同折射率的两种半导体材料组成的多对分布布拉格反射镜层；所述P型半导体DBR具有减少的对数；在所述P型半导体反射层上制作一定对数的介质DBR层；通过调节所述介质DBR层的横向尺寸来调节VCSEL的发散角。本发明可以在维持较大的氧化孔直径基础上，实现对VCSEL发散角的调节。

Description

一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器是半导体激光器的一种，常规的VCSEL通过在衬底材料上依次形成第一反射镜层、有源层，第二反射镜层来形成VCSEL。所述第一、第二反射镜层为具有高低两种折射率的材料交替所形成的分布布拉格反射镜(DBR)半导体层。以GaAs基VCSEL为例，衬底材料一般为N型GaAs材料，第一反射镜为具有两种不同Al组分的AlxGa1-xAs的N型半导体层，有源层为多量子阱结构，第二反射镜层为具有两种不同Al组分的AlxGa1-xAs的N型半导体层。
一般的，在p型AlGaAs半导体层中引入一个高Al组分层，如Al0.98Ga0.02As，并对该高Al层选择性氧化，形成一个氧化孔结构，来对GaAs基VCSEL器件进行良好的电流限制以及光学限制。通过氧化层技术可以实现VCSEL的低阈值电流的连续激射。采用氧化层技术制作的VCSEL一般具有较大的发散角(大于10度)，减小光孔直径是调节VCSEL发散角的一个重要方法。比如，将氧化孔直径由10微米降低到4微米，可以将VCSEL模态由多模变成单模，进而降低VCSEL的发散角。但是对于较小的氧化孔，缩小的发光面积限制了VCSEL的最大输出功率，同时，过高的电流密度也影响VCSEL的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，可以在维持较大的氧化孔直径基础上，实现对VCSEL发散角的调节。
本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，在半导体衬底上利用外延技术依次生长N型半导体反射层、有源层、p型半导体反射层；所述N型半导体反射层和P型半导体反射层为具有不同折射率的两种半导体材料组成的多对分布布拉格反射镜层；
所述P型半导体DBR具有减少的对数；
在所述P型半导体反射层上制作一定对数的介质DBR层；通过调节所述介质DBR层的横向尺寸来调节VCSEL的发散角。
优选的，所述的介质DBR层中所用为TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、si3n4、CaF2、ZnSe、MgF2中的两种或者多种。
优选的，所述的半导体激光器具有一个氧化层，该氧化层部分氧化形成氧化孔，所述介质DBR层在该氧化孔上方，所述介质DBR层的横向尺寸小于氧化孔层。
优选的，所述的氧化孔的寸为6-10微米，所述介质DBR层的尺寸为3-5微米。
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明将传统的p型半导体DBR反射层设计成复合结构，其中p型半导体DBR层具有减少的对数，并且在氧化孔上方制作一个具有缩小尺寸的介质DBR层。通过设计，复合结构的DBR反射率在垂直方向上具有相似的反射率。在偏离垂直方向上，由于介质DBR横向尺寸较小，不能为偏离方向提供足够的反射率，抑制了偏离垂直方向的激光模式，从而降低了VCSEL的发散角；在维持较大的氧化孔直径基础上，实现对VCSEL发散角的调节，保证了VCSEL的最大输出功率和可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的VCSEL的剖面图；
图2是本发明的VCSEL发散角调整方法原理示意图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，在半导体衬底上利用外延技术依次生长N型半导体反射层、有源层、p型半导体反射层；所述N型半导体反射层和P型半导体反射层为具有不同折射率的两种半导体材料组成的多对分布布拉格反射镜层；
所述P型半导体DBR具有减少的对数；
在所述P型半导体反射层上制作一定对数的介质DBR层；通过调节所述介质DBR层的横向尺寸来调节VCSEL的发散角。
进一步的，所述的介质DBR层中所用为TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、si3n4、CaF2、ZnSe、MgF2中的两种或者多种。
进一步的，所述的半导体激光器具有一个氧化层，所述介质DBR层在该氧化孔上方，该氧化层部分氧化形成氧化孔，所述介质DBR层的横向尺寸小于氧化孔层。
进一步的，所述的氧化孔的寸为6-10微米，所述介质DBR层的尺寸为3-5微米。
VCSEL是一种半导体激光器，首先通过外加电场将载流子注入到有源层中，开始自发辐射发光，通过有源层上下的激光腔镜，使光在上下反射镜之间反复来回反射，最后产生谐振效应，产生受激辐射，形成激光。VCSEL发射激光需要两个必要条件，一是提供足够的载流子注入，以实现有源层中的粒子数反转，二是上下反射镜具有很高的反射率，实现光增益大于光损耗。
以GaAs基VCSEL为例，其电性波长为650nm到1300nm，主要材料体系为GaAs/AlxGa1-xAs。反射镜为两种不同Al含量的AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs的分布布拉格反射层。为了提高载流子的注入效率，通常在p型半导体DBR层中加入一层高Al组分的AlGaAs层，例如Al0.98Ga0.02As层，在水汽高温环境下，将该层部分的氧化，形成一个绝缘阻挡层，以实现载流子在氧化孔区域注入，降低VCSEL的阈值电流。传统的VCSEL的反射镜具有超过99％的反射率，以形成激光，对于R反射层来，设计上一般为在垂直方向上的交替的四分之一波长的DBR层。虽然垂直方向上，DBR具有最高的反射率，所以在垂直方向上首先产生激光。但是在偏离垂直方向上，DBR层依然具有较高的反射率，当载流子浓度增加到一定程度时，在偏离垂直方向上，也可以产生激光，整体上看，这种VCSEL产生的激光具有较高的发散角。
为了降低VCSEL的发散角，本发明将传统的p型半导体DBR反射层设计成复合结构，其中p型半导体DBR层具有减少的对数，并且在氧化孔上方制作一个具有缩小尺寸的介质DBR层。通过设计，复合结构的DBR反射率在垂直方向上具有相似的反射率。在偏离垂直方向上，由于介质DBR横向尺寸较小，不能为偏离方向提供足够的反射率，抑制了偏离垂直方向的激光模式，从而降低了VCSEL的发散角。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (3)

1.一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，其特征在于：在半导体衬底上利用外延技术依次生长N型半导体反射层、有源层、p型半导体反射层；所述N型半导体反射层和P型半导体反射层为具有不同折射率的两种半导体材料组成的多对分布布拉格反射镜层；
所述P型半导体DBR具有减少的对数；
在所述P型半导体反射层上制作一定对数的介质DBR层；通过调节所述介质DBR层的横向尺寸来调节VCSEL的发散角；
所述的半导体激光器具有一个氧化层，该氧化层部分氧化形成氧化孔，所述介质DBR层在该氧化孔上方，所述介质DBR层的横向尺寸小于氧化孔层。
2.根据权利要求1所述的一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，其特征在于：所述的介质DBR层中所用为TiO2、SiO2、Al2O3、MgO、si3n4、CaF2、ZnSe、MgF2中的两种或者多种。
3.根据权利要求1所述的一种调节垂直腔面发射半导体激光器光束发散角的方法，其特征在于：所述的氧化孔的寸为6-10微米，所述介质DBR层的尺寸为3-5微米。
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