CN113285351A - 一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，包括：衬底；第一谐振器，设置在所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；第二谐振器，设置在所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。本发明提出的垂直腔面发射激光器可以提高调制带宽。

Description

一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)通常由一对反射镜来表征，该反射镜通常指分布布拉格反射镜(DBR)，光谐振腔位于该一对反射镜之间。整个结构可以通过被称为有机金属气相外延法的工艺在衬底晶片上形成。光谐振腔通常还包括间隔层和有源区。有源区通常包括一个或多个量子阱。量子阱通常包括夹在一对相邻的阻挡层之间的量子阱层。量子阱是载流子(也就是电子和空穴)注入到其中的层。电子和空穴在量子阱中复合，并以量子阱中的材料层所确定的波长发射光。量子阱层通常包含低能带隙半导体材料，而阻挡层通常具有比量子阱层的能带隙高的能带隙。以此方式，当器件被正向偏压时，电子和空穴被注入并被俘获在量子阱层中，然后复合而发射特定波长的相干光。由于载流子-光子振荡频率的限制，导致该激光器的调制带宽较低，例如调制带宽通常小于30GHz，无法将该激光器应用于高速更高的光通信中。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，该垂直腔面发射激光器可以提高调制带宽，从而应用于高速光通信中。
为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种垂直腔面发射激光器，包括：
衬底；
第一谐振器，设置在所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；
第二谐振器，设置在所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；
其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；
其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。
进一步地，所述第一谐振器还包括第一反射层和第二反射层，所述第一反射层位于所述衬底上，所述第一谐振腔位于所述第一反射层和所述第二反射层之间。
进一步地，所述第二谐振器还包括第二反射层和第三反射层，所述第二谐振腔位于所述第二反射层上，所述第三反射层位于所述第二谐振腔上。
进一步地，所述第二谐振器上还包括绝缘层和第一电极，所述第一电极位于所述绝缘层上，且所述第一电极与所述第三反射层接触。
进一步地，所述第一反射层，所述第二反射层和所述第三反射层的材料不同。
进一步地，所述第二谐振腔的谐振频率和所述第一谐振腔的谐振频率的差值为30-200GHz。
进一步地，当所述第一谐振腔替换所述第二谐振腔时，所述第二谐振腔替换所述第一谐振腔。
进一步地，还包括第二电极，所述第二电极与所述第一谐振器位于所述衬底的两侧。
进一步地，所述第一谐振腔的厚度大于所述第二谐振腔的厚度。
进一步地，所述第三反射层内设置有电流限制层，通过所述电流限制层定义出光口。
进一步地，本发明还提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：
提供一衬底；
形成第一谐振器于所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；
形成第二谐振器于所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；
其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；
其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。
进一步地，本发明还提出一种激光设备，包括：
基板；
至少一垂直腔面发射激光器，设置在所述基板上，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底；
第一谐振器，设置在所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；
第二谐振器，设置在所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；
其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；
其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。
综上所述，本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，通过在衬底上依次设置第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器共用第二反射层，第一谐振器内包括第一谐振腔，第二谐振器内包括第二谐振腔，第一谐振腔的材料和第二谐振腔的材料不同，且第二谐振腔的谐振频率可以大于第一谐振腔的谐振频率。由于第二谐振腔内包括有源层。因此，当应用该垂直腔面发射激光器时，有源层发出第一光束，部分第一光束垂直耦合至第一谐振腔内，形成第二光束；第一光束和第二光束的波长不同，也就是第一光束和第二光束的谐振频率不同。由于第一谐振腔和第二谐振腔的谐振频率不同，因此会使得第一谐振腔和第二谐振腔中光子-光子振荡，因此会提升该激光器的调制带宽至30-200GHz，从而可以将该激光器应用于高速光通信中。
综上所述，本发明中第一谐振腔和第二谐振腔的位置可以互换，即第一谐振腔位于第二谐振器内，第二谐振腔位于第一谐振器内，同样可以提高该激光器的调制带宽。
附图说明
图1：本发明中垂直腔面发射激光器的制造方法流程图。
图2：本发明中S1-S4对应的结构示意图。
图3：本发明中S5-S6对应的结构示意图。
图4：本发明中有源层的结构示意图。
图5：本发明中S7对应的结构示意图。
图6：本发明中S8对应的结构示意图。
图7：本发明中S9对应的结构示意图。
图8：本发明中激光设备的结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提出一种垂直腔面发射激光器的制造方法，该制造方法可以提高垂直腔面发射激光器的调制带宽，且该制造方法制程简单，同时还可以提高垂直腔面发射激光器的调制带宽。
如图1所述，本实施例中该垂直腔面发射激光器的制造方法包括：
S1：提供一衬底；
S2：形成第一反射层于所述衬底上；
S3：形成第一谐振腔于所述第一反射层上；
S4：形成第二反射层于所述第一谐振腔上；
S5：形成第二谐振腔于所述第二反射层上；
S6：形成第三反射层于所述第二谐振腔上；
S7：对所述第三反射层，所述第二谐振腔和所述第二反射层进行刻蚀，以形成台型结构；
S8：形成绝缘层于所述台型结构上；
S9：形成第一电极于所述台型结构上，以及形成第二电极于所述衬底上。
如图2所示，在步骤S1中，首先提供一衬底101，该衬底101可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)。衬底101可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，掺杂可以降低后续形成的电极与半导体衬底之间欧姆接触的接触电阻，在本实施例中，该衬底101为N型掺杂半导体衬底。
在一些实施例中，衬底101可以是蓝宝石衬底或其他材料衬底，或者至少衬底101的顶面由硅，砷化镓，硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物中的一种组成。
如图2所示，在步骤S2中，在衬底101上形成第一反射层103，第一谐振腔104和第二反射层105。第一反射层103可由例如包括AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，该第一反射层103可以为N型反射镜，该第一反射层103可以为N型的布拉格反射镜。在一些实施例中，第一反射层103包括一系列不同折射率材料的交替层，其中每一交替层的有效光厚度(该层厚度乘以该层折射率)是四分之一垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍，即每一交替层的有效光厚度为垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍的四分之一。用于形成第一反射层103交替层的合适介电材料包括钽氧化物，钛氧化物，铝氧化物，钛氮化物，氮硅化物等。用于形成第一反射层103交替层的合适半导材料包括镓氮化物，铝氮化物和铝镓氮化物。然不限于此，在一些实施例中，第一反射层103也可由其他的材料所形成。
如图2所示，在步骤S3-S4中，在第一反射层103上依次形成第一谐振腔104和第二反射层105。第一谐振腔104的材料可以为GaP,GaAs,AlGaAs,InGaAs,InGaAsP,AlGaInAs,GaN,AlSb,AlN,AlGaN,AlAs,InP,GaSb,InAs,InSb,HgTe,HgSe,ZnTe,CdS,ZnSe,ZnS,ZnO,Ga2O3等III-V和II-VI材料。第二反射层105可包括由AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，第二反射层105可以为P型反射镜，第二反射层105可以为P型的布拉格反射镜。在本实施例中，可以将第一反射层103，第一谐振腔104和第二反射层105定义为第一谐振器102。当激光器耦合至第一谐振器102内时，即激光束耦合至第一谐振腔104内时，第一谐振腔104可以调节该激光束的谐振频率，从而形成另一谐振频率的激光束，也就是形成另一种波长的激光束。在本实施例中，该第一谐振腔104具有特定的谐振频率，例如通过改变第一谐振腔104的厚度或者改变第一谐振腔104的组分，从而可以调节该第一谐振腔104的谐振频率，也就是调节第一谐振器102的谐振频率。
如图3-图4所示，在步骤S5-S6中，在第二反射层105上依次形成第二谐振腔106和第三反射层107。第二谐振腔106内还包括有源层1061，有源层1061包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs，或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层1061用以将电能转换为光能。有源层1061可以包括一个或多个氮化物半导体层，该半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。第三反射层107可由例如包括AlGaAs和GaAs，或者高铝组分的AlGaAs和低铝组分的AlGaAs两种不同折射率的材料层叠构成，该第三反射层107可以为N型反射镜，该第三反射层107可以为N型的布拉格反射镜。第二反射层105和第三反射层107用于对有源层1061产生的光线进行反射增强，然后从第三反射层107的表面射出。
如图3所示，在本实施例中，该第二谐振腔106的材料例如为GaP,GaAs,AlGaAs,InGaAs,InGaAsP,AlGaInAs,GaN,AlSb,AlN,AlGaN,AlAs,InP,GaSb,InAs,InSb,HgTe,HgSe,ZnTe,CdS,ZnSe,ZnS,ZnO,Ga2O3等III-V和II-VI材料。但是第一谐振腔104和第二谐振腔106的材料不同，因此第一谐振腔104和第二谐振腔106的谐振频率不同，本实施例中，第一谐振腔104的谐振频率例如小于第二谐振腔106的谐振频率，第二谐振腔106的谐振频率与第一谐振腔104的谐振频率的差值例如为30-200GHz，例如为50GHz或100GHz。当有源层1061发射第一光束后，虽然大部分第一光束可以从第三反射层107出射，但是仍有部分第一光束会垂直耦合至第一谐振器102内，也就是垂直耦合至第一谐振腔104中。由于第一谐振腔104的谐振频率小于第二谐振腔106的谐振频率，因此当第一光束垂直耦合至第一谐振腔104内后，会形成第二光束，也就是形成另一谐振频率的第二光束，也就是形成另一波长的第二光束，第一光束和第二光束会通过第二谐振腔106和第三反射层107出射。
如图3所示，本实施例可通过例如化学气相沉积的方法形成第一反射层103，第一谐振腔104，第二反射层105，第二谐振腔106和第三反射层107。
如图5所示，在本实施例中，在形成第三反射层107之后，然后对第三反射层107，第二谐振腔106和第二反射层105进行刻蚀，本实施例刻蚀部分厚度的第二反射层105，从而形成台型结构；即该台型结构可以包括第二反射层105，第二谐振腔106和第三反射层107。同时，本实施例可以将该台型结构定义为第二谐振器108，即第二谐振器108包括第二反射层105，第二谐振腔106和第三反射层107。在本实施例中，第二谐振器108设置在第一谐振器102上，也就是说第二谐振器108和第一谐振器102共用第二反射层105。同时由于刻蚀的作用，使得第二谐振器108的宽度小于第一谐振器102的宽度，因此有利于在第二谐振器108的两侧形成绝缘层和第一电极。需要说明的是，在形成第二谐振器108之后，还可以在第三反射层107内形成电流限制层1071。通过电流限制层1071定义出出光口，即电流限制层1071之间的区域为出光口，即激光束可以通过第二谐振器108内的出光口出射。
如图6所示，在步骤S8中，在形成第二谐振器108之后，然后在第二谐振器108上形成绝缘层109，该绝缘层109可以从第二谐振器108的顶部延伸至第二谐振器108的底部，也就是说绝缘层109从第三反射层107上沿着第二谐振器108的侧壁延伸至第二反射层105上。在形成绝缘层109之后，还在第三反射层107上形成开口110，也就是通过刻蚀部分绝缘层109从而暴露出部分第三反射层107，通过该开口110可以使得后期的第一电极连接该第三反射层107。绝缘层109的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘材料，该绝缘层109的厚度可在100-300nm。在本实施例中，可通过例如化学气相沉积的方式形成该绝缘层109。
如图7所示，在步骤S9中，在形成绝缘层109之后，在第二谐振器108上形成第一电极111，以及在衬底101的底部形成第二电极112。第二电极111和第二电极112位于衬底101的相对两侧。第一电极111位于绝缘层109上，且第一电极111通过开口与第三反射层107接触。当对第一电极111和第二电极112施加电流时，从而使得第二谐振腔106内的有源层发射激光束。第一电极111例如为P型电极，第一电极111例如为阳极，第一电极111的材料可以包括Au金属、Ag金属、Pt金属、Ge金属、Ti金属及Ni金属中的一种或组合。第二电极112例如为N型电极，第二电极112例如为阴极。第二电极112的材料可以包括Au金属、Ag金属、Pt金属、Ge金属、Ti金属及Ni金属中的一种或组合。
如图7所示，以下将阐述该垂直腔面发射激光器提高调制带宽的原理，当对第一电极111和第二电极112施加电流时，第二谐振腔106发射第一光束，也就是第二谐振腔106内的有源层发射第一光束，部分第一光束通过出光口射出，也就是通过第三反射层107出射；部分第一光束垂直耦合至第一谐振腔104内，由于第一谐振腔104的谐振频率小于第二谐振腔106的谐振频率，因此当第一光束进入第一谐振腔104内时，会产生另一谐振频率的第二光束，也就是形成与第一光束波长不同的第二光束，第一光束和第二光束均可以从第二谐振器108出射，也就是说通过一个有源层和两个谐振腔形成两个频率不同的激光束。同时由于第一谐振腔104和第二谐振腔106的谐振频率不同，从而会引起光子-光子振荡，该光子-光子振荡频率也就是第二谐振腔106与第一谐振腔104的谐振频率的差值；由于光子-光子振荡的作用，从而可以将该激光器的调制带宽提升至30-200GHz，从而可以将该垂直腔面发射激光器应用于高速光通信中。
如图7所示，在本实施例中，第一谐振腔104的谐振频率小于第二谐振腔106的谐振频率，本实施例可通过例如设置第一谐振腔104的材料与第二谐振腔106的材料不同，从而使得第一谐振腔104的谐振频率小于第二谐振腔106的谐振频率。本实施例还可以通过设置第一谐振腔104的厚度与第二谐振腔106的厚度不同，从而使得第一谐振腔104的谐振频率小于第二谐振腔106的谐振频率。本实施例中，假设第一谐振腔104的谐振频率为f1，第一谐振腔104的厚度为d1，第一谐振腔104的谐振波长为λ1，第一谐振腔104的有效折射率为n1；第二谐振腔106的谐振频率为f2，第二谐振腔106的厚度为d2，第二谐振腔106的谐振波长为λ2，第二谐振腔106的有效折射率为n2。当需要谐振波长(λ1/λ2)在反射层高反射光谱内时，d1＝λ1/n1＝c/f1/n1，d2＝λ2/n2＝c/f2/n2，因此第一谐振腔104和第二谐振腔106的谐振频率的间隔Δf＝f1-f2＝c/d1/n1-c/d2/n2，c表示波速，第一谐振腔104的有效折射率为n1和第二谐振腔106的有效折射率为n2基本相同，因此第一谐振腔104的厚度为d1和第二谐振腔106的厚度为d2起到决定作用，当第一谐振腔104的厚度大于第二谐振腔106的厚度时，第一谐振腔104的谐振频率可以小于第二谐振腔106的谐振频率。在本实施例中，还可以将第二谐振腔106替换第一谐振腔104，将第一谐振腔104替换第二谐振腔106，同样可以达到提高调制带宽的效果。
如图8所示，本实施例还提出一种激光设备200，该激光设备200可以包括基板201和垂直腔面发射激光器100。垂直腔面发射激光器100可以设置在基板201上，该基板201可以为PCB电路板。该垂直腔面发射激光器100的结构可以参阅上述描述。该激光设备200可以应用于高速光通信和激光雷达。
综上所述，本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，通过在衬底上依次设置第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器共用第二反射层，第一谐振器内包括第一谐振腔，第二谐振器内包括第二谐振腔，第一谐振腔的材料和第二谐振腔的材料不同，且第二谐振腔的谐振频率可以大于第一谐振腔的谐振频率。由于第二谐振腔内包括有源层。因此，当应用该垂直腔面发射激光器时，有源层发出第一光束，部分第一光束垂直耦合至第一谐振腔内，形成第二光束；第一光束和第二光束的波长不同，也就是第一光束和第二光束的谐振频率不同。由于第一谐振腔和第二谐振腔的谐振频率不同，因此会使得第一谐振腔和第二谐振腔中光子-光子振荡，因此会提升该激光器的调制带宽至30-200GHz，从而可以将该激光器应用于高速光通信中。
综上所述，本发明中第一谐振腔和第二谐振腔的位置可以互换，即第一谐振腔位于第二谐振器内，第二谐振腔位于第一谐振器内，同样可以提高该激光器的调制带宽。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案，例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (11)

1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
衬底；
第一谐振器，设置在所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；
第二谐振器，设置在所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；
其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；
其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一谐振器还包括第一反射层和第二反射层，所述第一反射层位于所述衬底上，所述第一谐振腔位于所述第一反射层和所述第二反射层之间。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二谐振器还包括第二反射层和第三反射层，所述第二谐振腔位于所述第二反射层上，所述第三反射层位于所述第二谐振腔上。
4.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二谐振器上还包括绝缘层和第一电极，所述第一电极位于所述绝缘层上，且所述第一电极与所述第三反射层接触。
5.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一反射层，所述第二反射层和所述第三反射层的材料不同。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二谐振腔的谐振频率和所述第一谐振腔的谐振频率的差值为30-200GHz。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，当所述第一谐振腔替换所述第二谐振腔时，所述第二谐振腔替换所述第一谐振腔。
8.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一谐振腔的厚度大于所述第二谐振腔的厚度。
9.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第三反射层内设置有电流限制层，通过所述电流限制层定义出光口。
10.一种垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
形成第一谐振器于所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；
形成第二谐振器于所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；
其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；
其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。
11.一种激光设备，其特征在于，包括：
基板；
至少一垂直腔面发射激光器，设置在所述基板上，所述垂直腔面发射激光器包括：
衬底；
第一谐振器，设置在所述衬底上，所述第一谐振器包括第一谐振腔；
第二谐振器，设置在所述第一谐振器上，所述第二谐振器包括第二谐振腔，所述第二谐振腔的谐振频率大于所述第一谐振腔的谐振频率，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔的材料不同；
其中，所述第二谐振腔内包括有源层，所述有源层用于发射第一光束；
其中，部分所述第一光束垂直耦合至所述第一谐振腔内，形成第二光束；所述第一光束的波长和所述第二光束的波长不同，所述第一光束和所述第二光束通过所述第二谐振器出射。
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