CN111969407A

CN111969407A - 一种半导体激光发射器

Info

Publication number: CN111969407A
Application number: CN202010895253.5A
Authority: CN
Inventors: 雷述宇
Original assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2020-11-20

Abstract

本发明提供一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层还包含延伸向所述衬底层内的具有导热功能的延伸部，通过如此设计，一方面可以通过延伸部的高导热特性快速的将有源区、DBR中所产生的热导出，另一方面可以将延伸部设置为导电材料，进而减小了当衬底层连接电极层时衬底区域的电阻，能够减小器件产生的热量。

Description

一种半导体激光发射器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光发射器。

背景技术

半导体类型的激光器，由于其出色的可控性能，并且非常容易实现阵列型的集成化设计，被越来越多地利用在各个探测过程中，通过对于电压等特性的控制也能比较方便地实现激光参数的调整，对于整个系统而言是非常有利的，半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管(LD)，是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器的优点主要包含以下几个方面：1)体积小、重量轻。2)可注入激励：仅用几伏的电压注入毫安级的电流就能够驱动。除电源装置以外不需要其它的激励设备和部件。电功率直接变换成光功率，能量效率高。3)波长范围宽：适当的选择材料和合金比，在红外和可见光很宽的波长范围内能够实现任意波长的激光器。4)可直接调制：把信号重叠在驱动电流上，在直流到G赫兹范围内，可以调制振荡强度、频率和相位。5)相干性高：用单横模的激光器可以得到空间上相干性高的输出光。在分布反馈型(DFB)和分布布拉格反射型(DBR)激光器中能够得到稳定的单纵模激射，得到时间上的高相干性等等优势。

目前应用较多的一种半导体激光器为表面发射半导体激光器，与传统的边缘发射报道提激光器相比也具有许多的优势，而在表面发射型半导体激光器中垂直腔表面发射激光器VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)因其本身低阈值、圆形光束、易耦合和易二维集成其同时具有边模抑制比高、阈值低、体积小、易于集成、输出功率高等优点。等优点，成为光电子领域研究的热点。在光纤通讯系统中，动态单模工作的长波长垂直腔面发射激光光源是不可缺少的关键性元件。主要用于中距离和长距离高速数据通讯和光互连、光并行处理、光识别系统，在城域网和广域网中都有着重要的应用。

垂直腔表面发射激光器VCSEL基本结构如图1所示，包括上、下分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)、氧化限制孔、多量子阱有源区和欧姆接触电极。量子阱有源区位于n型掺杂和p型掺杂的DBR之间。DBR反射镜具有大于99％的反射率，由高低折射率介质或半导体材料交替外延生长而成，每层材料的光学厚度为激光波长的1/4。有源区的光学厚度为1/2(或(2k+1)*1/2)激光波长的整数倍，通过P-contact向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。

VCSEL工作过程中，一方面，由于上下DBR、有源区存在一定电阻而产生焦耳热以及载流子泄露机制产生热；另一方面有源区的自发辐射吸收以及DBR中的散射吸收产生大量的热；特别连续工作模式下的高功率激光器，产生内部热积累，有源区温度急剧上升，从而导致VCSEL激光器性能下降，如①VCSEL输出功率下降甚至出现烧孔效应；②高温增强非辐射载流子复合从而导致阈值电流增大；③随着温度的变化，有源区量子阱禁带宽度发生变化以及上下DBR的折射率变化从而导致辐射波长发生温漂；④VCSEL内部持续高温除了对性能的影响，还会影响整个器件的可靠性，有源区及DBR中的缺陷在高温下进一步生长扩大致使器件性能下降甚至会出现光学灾变，导致器件失效。因此开发一种能够快速导出器件产生的热量且成本较低的一种激光器方案是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体激光发射器，以便解决相关技术中，在异质结的界面处的势垒较高，而这些势垒会形成较大的电阻导致器件发热量等等引起的一些列问题，严重的甚至导致整个激光发射器不能使用。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：

第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层还包含延伸向所述衬底层内的具有导热功能的延伸部。

可选的，所述第一DBR层为P型掺杂，所述第二DBR层为N型掺杂。

可选的，所述的衬底层与第二电极相连接，所述的延伸部为所述第二电极的部分。

可选的，所述延伸部的深度为所述衬底层厚度的1/2以上。

可选的，所述延伸部设置于利用TSV工艺在所述衬底层上形成的通孔中。

可选的，激光发射器的发光单元中包含不少于两个的延伸部。

可选的，在之一横截面上所述延伸部占据所述衬底层总面积的12％-55％。

可选的，所述第一DBR层还包含氧化限制层，所述延伸部数量多于两个，且所述延伸部之间的间距与所述氧化限制层限定形成的孔径相关。

可选的，所述氧化限制层限定形成的小孔径对应的延伸部之间的间距小于所述氧化限制层限定形成的大孔径对应的延伸部之间的间距。

可选的，所述的延伸部至少部分与所述第二DBR连接。

本发明的有益效果是：本发明提供一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区，所述第二DBR层还连接衬底层，所述衬底层还包含延伸向所述衬底层内的具有导热功能的延伸部，通过如此设计，一方面可以通过延伸部的高导热特性快速的将有源区、DBR中所产生的热导出，另一方面可以将延伸部设置为导电材料，进而减小了当衬底层连接电极层时衬底区域的电阻，能够减小器件产生的热量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中提供的一种激光发射器的结构示意图；

图2为现有技术中提供的另一种激光发射器的结构示意图；

图3为现有技术中提供的又一种激光发射器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种激光发射器的结构示意图；

图5A为本发明实施例提供的一种激光发射器的电流分布示意图；

图5B为本发明实施例提供的另一种激光发射器的电流分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为现有技术公开的一种激光发射器的示例图，包含了第一电极101，第一电极的材料可以采用金(Au)，锗(Ge)，银(Ag)，钯(Pd)，铂(Pt)，镍(Ni)，钛(Ti)，钒(V)，钨(W)，铬(Cr)，铝(Al)，铜(Cu)，锌(Zn)，锡(Sn)和铟(In)等等材料，当然也不限定于金属材料，也可以为金属氧化物等形成的透明电极，第一电极与第一DBR层102相连接，其中第一DBR层102具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层叠结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的p型AlX1Ga(1-X1)As(0＜X1＜1)。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的p型AlX2Ga(1-X2)As(0≤X2＜X1)，此处也只是示例性地说明，也非具体限定实施材料必须为此，满足中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，107为氧化限制层，起到对于生成光子限制的作用，使得生成的激光发出更居中，同时其可减小共振器的折射率来增加在该位置中的高次横向模式的光损失并因此抑制振荡，其中在高次横向模式中可得到最强强度，进而实现更好的聚准效果，此处也不限定具体的材料。103为发射器的有源区，有源区103具有量子阱结构，在该量子阱结构中，交替地层叠具有8nm厚度的未掺杂Al0.11As0.89GaAs量子阱层的量子阱层和具有5nm厚度的未掺杂Al0.3Ga0.7As层的阻挡层。例如将有源区103设计成具有780nm波长的光发射，有源区103的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，通过P-contact第一电极301向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。由未掺杂Al0.6Ga0.4As层形成的作为用于形成有源区3中的一层的隔离层在其中心包括量子阱结构。整个隔离层具有的膜厚同λ/n_r的整数倍一样大，这里λ是振荡波长而n_r是介质的折射率，此处也只是示例型说明并不限定实现材料、厚度和出射光波长等等特性，有源区103的另一端连接第二DBR层104，其具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层压结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的n型AlX3Ga(1-X3)As(0＜X3＜1)。λ表示半导体激光器1的振荡波长。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的n型AlX4Ga(1-X4)As(0≤X4＜X3)。与第一DBR层102结构类似，此处并不限定具体的材料，也可以由其他材料形成中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，通过如此设置的DBR反射区可具有大于99％的反射率。第二DBR层104进一步可以连接衬底层105，例如由砷化镓(GaAs)衬底层105构成。衬底层105由对层叠结构(更具体地说，由对有源层103产生的光具有高透明性的材料制成)。衬底层105可以由磷化铟(InP)，氮化镓(GaN)，氮化镓铟(InGaN)，蓝宝石，硅(Si)，碳化硅(SiC)等制成，此处也不限定只能采用列举的材料制成，进一步衬底层105还连接第二电极106，其可采用与第一电极101类似的材料制成。通过电极施压，VCSEL可以实现被激发工作，在工作过程中一方面，由于第一和第二DBR、有源区存在一定电阻而产生焦耳热以及载流子泄露机制产生热；另一方面有源区的自发辐射吸收以及DBR中的散射吸收产生大量的热；特别连续工作模式下的高功率激光器，产生内部热积累，有源区温度急剧上升，从而导致VCSEL激光器性能下降，这将会在半导体激光器使用中产生如下问题：①VCSEL输出功率下降甚至出现烧孔效应；②高温增强非辐射载流子复合从而导致阈值电流增大；③随着温度的变化，有源区量子阱禁带宽度发生变化以及上下DBR的折射率变化从而导致辐射波长发生温漂；④VCSEL内部持续高温除了对性能的影响，还会影响整个器件的可靠性，有源区及DBR中的缺陷在高温下进一步生长扩大致使器件性能下降甚至会出现光学灾变，导致器件失效。

目前，VCSEL的高效散热改进大多在封装过程中进行，如图2的现有技术采用高导热型的热沉，包括紫铜、AlN等材料形成散热层208；或者在激光器底座中通过微流控的方式进行水冷等方式进行高效冷却；图3采用背出光VCSEL等新型结构激光器。然而，对于顶出射光由于热源与热沉之间存在一层厚度约为100um的衬底，所以这些高效的导热方法并未直接与热源接触，衬底形成一定的热阻，从而不利用温度快速导出；对于背出光结构VCSEL，虽然具有较好的导热优势，但是衬底会对出射激光存在一定的吸收，从而影响激光器的效率，因此本发明在现有的前发射型发射器的方案基础上进行改进，设置一种新类型的能够快速散热并且能够更少产生热量的结构。

图4为本发明实施例提供的一种激光发射器的结构示意图，与图1中各层功能和材料类似，此处不在赘述，本发明的改进在于，所述第二DBR层404还连接衬底层405，所述衬底层405还包含延伸向所述衬底层内的具有导热功能的延伸部409，本方案提供的技术中延伸部的材料与所述第二电极406相同，当然也可以不相同此处不限定两者一定相同，延伸部的设计依据为材料的导热性能参数，进一步图中可见的延伸部为3个，实际是剖面示意图，当然也可以在一个发射单元的衬底层406中设置多于三个的延伸部，此处不进行限定，当然延伸部为具有一定直径的孔型结构，每个孔的直径可以相同，也可以不相同，例如在更靠近单元中心位置出的直径可以更大而比较远离中心部位的延伸部直径可以较小，此处也不限定，最优地，延伸部截面形状为圆形这样整个加工生产也非常容易，保证了整个器件的加工生产更高效，在图4中延伸部贯穿了整个衬底层406，例如采用TSV穿孔工艺形成穿孔，进而延伸部409全部由第二电极406延伸至与第二DBR层404接触处，当然也可以只设置部分延伸部为贯穿结构，只有部分延伸部409与第二DBR层404相连接，这样可以减少成本，为了保证延伸部更好的热导出效果，需要保证所述延伸部的深度为所述衬底层厚度的1/2以上，最优地设置为前述的贯通结构，通过TSV(通孔技术)来实施，与现有相关VCSEL结构相比(图1)N-contact电极直接接触部分N-DBR，一方面减小衬底区域的电阻，另一方面通孔中填充高效的导热材料，可以快速的将有源区、DBR中所产生的热导出，一方面为了保证衬底层405的强度可靠性，另一方面也要兼顾热导出效率，在图4的垂直方向上水平作出衬底的横截面，在该截面上所述延伸部占据所述衬底层总面积的12％-55％(此处以一个发射单元来确定该比例范围)。

图5A和图5B为本发明实施例提供的在不同激光发射器中的电流分布示意图，与图4相同的结构与功能此处不再详细赘述，由于氧化限制层的存在，电流在有源区分布发散度不一，因此所述第一DBR层还包含氧化限制层，所述延伸部数量多于两个，且所述延伸部之间的间距与所述氧化限制层限定形成的孔径相关，进一步，所述氧化限制层限定形成的小孔径对应的延伸部之间的间距小于所述氧化限制层限定形成的大孔径对应的延伸部之间的间距，通过此种设计可以适用不同场景下对于激光器孔径要求存在差异的问题，利用这样的设计可以保证有源区中心区域电流均匀、集中的分布，增大电光转换效率，不同孔径下器件内的电流分布情况如图中的510a和510b所示，此处也不限定于此。

通过本发明的技术方案实现了如下几个的技术优点：

1)提高增大散热效率；

2)直接接触N-DBR，减小电阻，各电极可以将电流集中、均匀的限制与活性区。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一DBR层为P型掺杂，所述第二DBR层为N型掺杂。

3.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述的衬底层与第二电极相连接，所述的延伸部为所述第二电极的部分。

4.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述延伸部的深度为所述衬底层厚度的1/2以上。

5.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述延伸部设置于利用TSV工艺在所述衬底层上形成的通孔中。

6.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，激光发射器的发光单元中包含不少于两个的延伸部。

7.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，在之一横截面上所述延伸部占据所述衬底层总面积的12％-55％。

8.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一DBR层还包含氧化限制层，所述延伸部数量多于两个，且所述延伸部之间的间距与所述氧化限制层限定形成的孔径相关。

9.根据权利要求8所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述氧化限制层限定形成的小孔径对应的延伸部之间的间距小于所述氧化限制层限定形成的大孔径对应的延伸部之间的间距。

10.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述的延伸部至少部分与所述第二DBR连接。