CN113795985A - 垂直腔面发射激光器及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种垂直腔面发射激光器和电子设备，垂直腔面发射激光器包括：衬底，以及在衬底上依次层叠设置的第二反射器、第二隔离层、有源层、第一隔离层以及第一反射器，第二反射器和第一反射器之间限定出谐振腔；第一反射器包括相互层叠设置的第一光栅层和第一透明导电层，第一光栅层的材料的折射率大于第一透明导电层的材料的折射率；第一反射器上具有供激光射出的出光区域；第一透明导电层和第一光栅层均至少覆盖出光区域。本申请能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及电子设备。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)是一种新型的半导体激光发射元件，具有阈值电流小，低成本，低功耗，发散角小，与光纤耦合效率高，可实现高调制速率，易于大批量阵列化生产与测试等优异特性。VCSEL在光通信领域最先得到应用，未来将大规模应用于物联网、5G通信、先进驾驶系统等领域。
现有的垂直腔面发射激光器通常由三五族化合物半导体材料构成，参照图1，垂直腔面发射激光器80包括：依次层叠在衬底81上的下分布布拉格反射镜82(DistributedBragg Reflector，DBR)，n型隔离层83、有源区84、p型隔离层85和上分布布拉格反射镜86。其中，DBR由多对高低折射率1/4波长光学厚度的膜系堆叠而成。另外，上分布布拉格反射镜86的顶部边缘处还设有环状的上金属电极87，在衬底81凸出于封装88的部分上还设有下金属电极89。进一步的，在上分布布拉格反射镜86内靠近边缘部的位置处还设有电流限制层90，电流限制层90整体呈环状结构，且大致位于上金属电极87的正下方，电流限制层90可以在上分布布拉格反射镜86、有源区84、下分布布拉格反射镜82等的中心部形成圆柱状的电流流动通道K，且上金属电极87和电流流动通道K在器件厚度方向上的位置相互错开。
然而，上述的垂直腔面发射激光器中，器件电流经过DBR注入有源区，并由环状的电流限制层限定出的电流流动通道注入，这会引入较大的串联电阻，增加器件的产热，导致器件的热稳定性和可靠性较差。
发明内容
本申请提供一种垂直腔面发射激光器及电子设备，器件的串联电阻较小，且器件的热稳定性和可靠性较佳。
本申请第一方面提供一种垂直腔面发射激光器，包括：衬底，以及在衬底上依次层叠设置的第二反射器、第二隔离层、有源层、第一隔离层以及第一反射器，第二反射器和第一反射器之间限定出谐振腔；第一反射器包括相互层叠设置的第一光栅层和第一透明导电层，第一光栅层的材料的折射率大于第一透明导电层的材料的折射率；第一反射器上具有供激光射出的出光区域；出光区域与有源层的设置区域相对应，第一透明导电层和第一光栅层均至少覆盖出光区域。
在一种可能的实施方式中，有源层在第一透明导电层上的正投影位于第一透明导电层的设置区域内，并且有源层在第一光栅层上的正投影位于第一光栅层的设置区域内，第一反射器上与有源层正对的区域为出光区域。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层在有源层上的正投影位于有源层的设置区域内，第一反射器上与第一透明导电层正对的区域为出光区域。在一种可能的实施方式中，第一透明导电层与第一隔离层直接接触，以使第一透明导电层中的电流经过第一隔离层注入有源层。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层设于第一隔离层背离第二反射器的一面上，第一光栅层设于第一透明导电层背离第一隔离层的一面上。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层为连续膜层。
在一种可能的实施方式中，第一反射器还包括保护层，保护层设于第一透明导电层上，并覆盖第一光栅层，保护层的材料的折射率低于第一光栅层的材料的折射率。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层设于第一隔离层背离第二反射器的一面上，第一透明导电层设于第一光栅层背离第一隔离层的一面上。
第一光栅层包括多个间隔设置的光栅体，光栅体形成第一光栅层的光栅脊，相邻光栅体之间的间隔形成第一光栅层的光栅谷。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层中光栅体的材质与第一隔离层的材质相同。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层为连续膜层，且第一透明导电层覆盖在第一光栅层上。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层为镂空结构，以形成多个间距设置的导电体，导电体与光栅体一一对应，以使第一透明导电层中形成光栅结构。
在一种可能的实施方式中，第一反射器还包括保护层，保护层设于第一透明导电层背离有源层的一侧，保护层的材料的折射率低于第一光栅层的材料的折射率。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层的未被保护层覆盖的部位形成第一电极部，第一电极部用于与外部电路电连接。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层的材料的折射率大于或等于保护层的材料的折射率的1.4倍，第一光栅层的消光系数小于0.05。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层为亚波长光栅层。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层材质为电阻率低于
5x10-3Ω·cm的非金属材料；和/或第一透明导电层对垂直腔面发射激光器所发出的激光，具有小于0.03的消光系数；和/或第一透明导电层对于垂直腔面发射激光器所发出的激光的吸收率低于0.5％。
在一种可能的实施方式中，第一透明导电层的材料为透明导电氧化物。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层包括多个间距设置的光栅体，光栅体为长条状；或者光栅体为岛状，岛状的光栅体的横截面为方形、圆形、六边形中的一者。
在一种可能的实施方式中，光栅体为岛状时，各个岛状的光栅体阵列排布或者呈蜂窝状排布。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层的材料的折射率大于或等于第一透明导电层的材料的折射率的1.4倍，并且第一光栅层对垂直腔面发射激光器所发出的激光，具有小于0.1的消光系数。
在一种可能的实施方式中，第一光栅层的材料为硅、氮化镓、磷化铟、硫化钼、磷化镓中的至少一者。
在一种可能的实施方式中，第二反射器对垂直腔面发射激光器所发出的激光的反射率，高于第一反射器对垂直腔面发射激光器所发出的激光的反射率。
在一种可能的实施方式中，第二反射器包括分布式布拉格反射器。
在一种可能的实施方式中，第二反射器包括多个高折射率材料层和多个低折射率材料层，高折射率材料层的数量与低折射率材料层的数量相同，且各高折射率材料层和各低折射率材料层交替层叠，第二反射器中低折射率材料层的数量为20～30层。
在一种可能的实施方式中，还包括衬底、第二导电层和第二电极，第二导电层层叠在分布式布拉格反射器和衬底之间，且分布式布拉格反射器和第二电极相互间隔地层叠在第二导电层上，第二电极用于和外部电路电连接。
在一种可能的实施方式中，第二反射器包括第二光栅层和形成在第二光栅层上的第二透明导电层，第二光栅层的材料的折射率大于第二透明导电层的材料的折射率，有源层在第二透明导电层上的正投影位于第二透明导电层的设置区域内；并且，有源层在第二光栅层上的正投影位于第二光栅层的设置区域内。
在一种可能的实施方式中，第二透明导电层与第二隔离层直接接触，以使有源层中的电流通过第二隔离层注入第二透明导电层；和/或有源层在第二光栅层上的正投影位于第二光栅层的设置区域内。
在一种可能的实施方式中，第二透明导电层设于第二隔离层背离第一反射器的一面上，第二光栅层设于第二透明导电层背离第二隔离层的一面上。
在一种可能的实施方式中，第二反射器还包括平坦层，平坦层设置在第二透明导电层的背离第一反射器的一面上，且覆盖第二光栅层。
在一种可能的实施方式中，平坦层的材料的折射率低于第二光栅层的材料的折射率。
在一种可能的实施方式中，平坦层的材料的折射率小于第二光栅层的材料的折射率的0.7倍，并且，平坦层对垂直腔面发射激光器中发出的激光，具有小于0.1的消光系数。
在一种可能的实施方式中，还包括衬底和键合层，键合层设置在衬底和平坦层之间，并用于使衬底和平坦层键合。
在一种可能的实施方式中，键合层的材质为金属或氧化物。
在一种可能的实施方式中，还包括围设在第二隔离层、有源层以及第一隔离层侧方的封装部。
在一种可能的实施方式中，有源层的横截面形状为正方形、圆形、三角形、六边形中的任意一者。
本申请第二方面提供一种电子设备，包括上述的垂直腔面发射激光器。
本申请的垂直腔面发射激光器和电子设备，垂直腔面发射激光器包括：衬底，以及在衬底上依次层叠设置的第二反射器、第二隔离层、有源层、第一隔离层以及第一反射器，第二反射器和第一反射器之间限定出谐振腔；第一反射器包括相互层叠设置的第一光栅层和第一透明导电层，第一光栅层的材料的折射率大于第一透明导电层的材料的折射率；第一反射器上具有供激光射出的出光区域；出光区域与有源层的设置区域相对应，第一透明导电层和第一光栅层均至少覆盖出光区域。上述方案中，第一反射器包括第一光栅层和第一透明导电层，并且第一透明导电层和第一光栅层均至少覆盖出光区域，换言之，使第一透明导电层的设置区域以及第一光栅层的设置区域的范围均大于或等于出光区域的设置范围，而出光区域与有源层的设置区域相对应，注入电流可以从第一透明导电层不绕行地直接注入到有源层中，电流的流动路径较短，因此能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种垂直腔面发射激光器的剖视图；
图2a为本申请实施一例提供的垂直腔面发射激光器的一种结构的剖视图；
图2b为图2a所示的垂直腔面发射激光器中电流流动的结构示意图；
图3a为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器中光栅体的一种结构的示意图；
图3b为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器中光栅体的另一种结构的示意图；
图3c为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器中光栅体的再一种结构的示意图；
图4a为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的剖视图；
图4b为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的再一种结构的剖视图；
图5a为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的俯视图；
图5b为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的俯视图；
图5c为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的俯视图；
图5d为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的俯视图；
图6为本申请实施二例提供的垂直腔面发射激光器的剖视图；
图7为本申请实施三例提供的垂直腔面发射激光器的剖视图；
图8为本申请实施四例提供的垂直腔面发射激光器的剖视图；
图9为本申请实施四例提供的垂直腔面发射激光器中第一透明导电层的结构示意图。
附图标记说明：
80、100、200、300、400-垂直腔面发射激光器；81、6、60、207-衬底；82-下分布布拉格反射镜；83-n型隔离层；84-有源区；85-p型隔离层；86-上分布布拉格反射镜；87-上金属电极；88-封装；89-下金属电极；90-电流限制层；
101、201-第二反射器；2-第二隔离层；109、209、309、409-有源层；103、303、403-第一隔离层；106、306、406-第一反射器；51、351、451-第一光栅层；51'-亚波长光栅层；510、511、512、513、404-光栅体；52、352、452-第一透明导电层；521-第一导电部；53、353、453保护层；61-电极；7-封装部；91-第二导电层；911-第二导电部；92-高折射率材料层；93-低折射率材料层；94-第二电极；95-分布式布拉格反射器；
202-第二光栅层；203-第二透明导电层；204-平坦层；205-键合层；
305-第一电极部；405-导电体；408-导电结构。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
现有的垂直腔面发射激光器一般存在器件串联电阻较大的技术问题。具体的，如图1，上分布布拉格反射镜86的结构特点是多膜层，即上分布布拉格反射镜86由20对以上光学厚度均为四分之一波长的高、低折射率半导体材料交替生长层构成，利用折射率周期变化实现光反馈，获得DBR的高反射率、宽带宽的效果。然而，上分布布拉格反射镜86中由多对膜层堆叠而成，这导致上分布布拉格反射镜86中的串联电阻较大；进一步的，为了避免对出光造成影响，上金属电极87设置为环状，并且上金属电极87与由电流限制层90限定出的电流流动通道K相互错开。上金属电极87上的器件电流要经过由环状的电流限制层90限定出的电流流动通道K注入，即电流的流通路径要经历从边缘处的上金属电极87到位于中心部的电流流通通道K的过程，电流流通路径较长。
本申请就是为了解决上述问题而提出，本申请通过将现有技术的上分布布拉格反射镜替换为具有光栅层的反射器，具体的，与现有技术上反射器中20对以上的高、低折射率半导体材料的堆叠层相比，本申请的具有光栅层的反射器中，膜层堆叠的层数较少，从而能够减薄第一反射器的膜厚以减小串联电阻。另外，在反射器中的载流子不再为空穴的情况下，也能减小载流子的有效质量，以减小串联电阻。此外，使上金属电极的设置区域的范围与有源层的设置区域相对应，以减小电流流通路径的长度，并增加电流流通通道的径向尺寸，从而减小了器件串联电阻。下面结合附图说明本申请的垂直腔面发射激光器及电子设备的实施例。
实施例一
图2a为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的一种结构的剖视图，图2b为图2a所示的垂直腔面发射激光器中电流流动的结构示意图。参照图2a、图2b，本申请实施例的垂直腔面发射激光器100包括：衬底6，以及在衬底6上依次层叠设置的第二反射器101、第二隔离层2、有源层109、第一隔离层103以及第一反射器106，第二反射器101和第一反射器106之间限定出谐振腔；第一反射器106包括相互层叠设置的第一光栅层51和第一透明导电层52，第一光栅层51的材料的折射率大于第一透明导电层52的材料的折射率，第一透明导电层52中的电流通过第一隔离层103注入有源层109；第一反射器106上具有供激光射出的出光区域O；出光区域O与有源层109的设置位置相对应，第一透明导电层52和第一光栅层51均至少覆盖出光区域O。
其中，出光区域O的大小由有源层109中电流的通过区域大小和位置决定，具体的，参照图2b，出光区域O是第一反射器106中与有源层109中电流流通通道L正对的区域。
本申请实施例中，光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。在上述方案中，第一反射器106包括第一光栅层51和第一透明导电层52，并且第一透明导电层52和第一光栅层51均至少覆盖出光区域O，参照图2b的实线箭头所示，注入电流可以从第一透明导电层52大致竖直地注入到有源层109的相应区域中，使出光区域O产生出射的激光，在此过程中，注入电流并不会绕行，而是沿激光器的纵向注入到有源层109中，因而电流的流动路径较短；因此能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
另外，如前所述，将第一反射器106设为包括第一光栅层51的反射器，与现有技术的DBR中包括20对以上的高、低折射率半导体材料的堆叠层相比，本申请的具有第一光栅层的第一反射器106中，膜层堆叠的层数较少，因而减薄了第一反射器106的膜厚，例如，DBR的总厚度达到3-4微米，而本申请的第一反射器106的厚度小于1微米，例如为500nm以下，串联电阻也因此减小，从而减小器件的产热以提高器件的热稳定性。
在一种可选的实施方式中，参照图2a，有源层109的设置范围小于第一透明导电层52。具体的，有源层109在第一透明导电层52上的正投影位于第一透明导电层52的设置区域内，并且有源层109在第一光栅层51上的正投影位于第一光栅层51的设置区域内。电流流动通道L与第一透明导电层52的至少部分区域对应，此时电流流动通道L的横向尺寸与有源层109的设置区域的横向尺寸(径向尺寸)相同，这与现有技术中电流流动通道K的横向尺寸小于有源层109区域的横向尺寸相比，电流流动通道的横向尺寸变大。
在另一种可选的实施方式中，有源层的设置范围大于第一透明导电层，第一透明导电层在有源层上的正投影位于有源层的设置区域内，此时第一反射器上与第一透明导电层正对的区域为出光区域。
本申请实施例中，有源层109在第一透明导电层52上的正投影是指，将有源层109沿着垂直腔面发射激光器100的厚度方向进行投影而得到的投影图形。而有源层109在第一透明导电层52上的正投影位于第一透明导电层52的设置区域内，是指有源层109在第一透明导电层52上的正投影图形位于第一透明导电层52的设置区域内。或者，俯视垂直腔面发射激光器100时，第一透明导电层52覆盖有源层109。同样的，有源层109在第一光栅层51上的正投影位于第一光栅层51的设置区域内，是指有源层109在第一光栅层51上的正投影图形位于第一光栅层51的设置区域内。或者，俯视垂直腔面发射激光器100时，第一光栅层51覆盖有源层109。
可以理解的是，第一透明导电层52的设置区域，是指第一透明导电层52的外边缘所围合的区域，也即第一透明导电层52的外边缘所限定出的区域。第一透明导电层52可以是整层设置，即第一透明导电层52是连续膜层的情况；第一透明导电膜层中也可以局部设有贯穿缺口。需要注意的是，上述连续膜层是指膜层在其范围内始终连续的状态，即膜层中不存在间断区域。
图2a中，以透明导电层为整层设置，并且为连续膜层的情况为例进行说明。本申请实施例中，参照图2a，第一透明导电层52和第一光栅层51依次设于第一隔离层103背离第二反射器101的一面上。即第一光栅层51设于第一隔离层103背离第二反射器101的一面上，第一透明导电层52设于第一光栅层51背离第一隔离层103的一面上。
如图2a所示，第一透明导电层52的设置范围大于有源层109的设置范围，示例性的，垂直腔面发射激光器100还包括围设在第二隔离层2、有源层109以及第一隔离层103侧方的封装部7。第一透明导电层52可以横向延伸至覆盖封装部7的顶端面。
如上所述，封装部7围设在有源层109外侧，因此，该实施例中，由封装部7限定出电流流通通道L的形状，且该电流流通通道L的形状与有源层109相对应。
参照现有技术的图1，以虚线箭头表示电流的流通路径，在上分布布拉格反射镜86中，器件电流的流动经历了沿器件的横向流动，再沿器件的纵向流动，即在流入电流流动通道K前经过了弯折和绕行，具体的，器件电流的流动由设置于上分布布拉格反射镜86边缘部的上金属电极87开始，向中间部分流动至由电流限制层90限定出的电流流通通道K而进入下分布布拉格反射镜82中，而且电流流通通道K的径向尺寸小于有源层84。而参照图2b，器件电流由第一透明导电层52不经过绕行地直接经过电流流通通道L而进入第二反射器101，即该流动过程省略了沿着器件横向流动的过程，另外，电流流通通道L的径向尺寸与有源层109相同。由此可以看出，图2a、图2b所示的垂直腔面发射激光器100中，电流的流通路径较短，且电流流通通道L的径向尺寸较大，因此本实施例的垂直腔面激光发射器的能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
相比于现有技术，第一光栅层51采用透明的导电薄膜(第一透明导电层52)作为与其配合使用的低折射率层，同时第一透明导电层52还可以作为器件电极，能够实现电流垂直腔面注入，降低器件串联电阻，并且无需借助湿法氧化或离子注入工艺形成电流限制孔径，大大降低工艺难度。其中，可以理解的是，这里的第一透明导电层52作为垂直腔面发射激光器的上电极起作用，下述的第二导电层91作为垂直腔面发射激光器的下电极起作用。对于上电极和下电极与外部电路的连接方式可以根据实际电路的连接情况决定。
另外，参照图1，环状、不透明的上金属电极87作为上电极而起作用，不能透光，却占据了激光器中一定的横向尺寸，而第一反射器106中，由于第一透明导电层52并不会影响到激光器的出光，因此，本申请和现有技术相比，在相同大小的电流流通通道的情况下，现有技术的激光器的尺寸较大。换言之，在激光器的外部轮廓尺寸相同的情况下，本申请中电流流通通道尺寸可以较大，能够起到更好的横向光场约束效果，更利于降低激光阈值，提高激光量子效率和斜率效率。
进一步的，参照图2a，第一透明导电层52与第一隔离层103直接接触，以使第一透明导电层52中的电流经过第一隔离层103注入有源层109。像上述这样第一透明导电层52直接与第一隔离层103直接接触，与现有技术上金属电极还要经过电流扩散结构与隔离层接触的情况相比，能进一步减小串联电阻。在图2a的示例中，第一透明导电层52直接覆盖在第一隔离层103的表面上。
本申请实施例中，参照图2b，作为一种可选的实施方式，第一光栅层51可以为亚波长光栅层51'。亚波长光栅层51'利用高折射率差的介质材料或悬浮的高折射率材料制成，可以作为垂直腔面发射激光器100的第一反射器106。亚波长光栅层51'通过调节光栅周期T，光栅高折射率材料的厚度H以及光栅占空比(高折射率材料宽度W与光栅周期T比值)可实现大于99％的宽带反射率，同时能够实现偏振选择与横模选择。此外，使用亚波长光栅层51'能够大大降低反射器厚度，减小垂直腔面发射激光器100的外延生长难度，同时能够实现偏振和横模选择。并且，亚波长光栅层51'能够稳定激光偏振特性，同时实现良好的单横基膜出射，提高激光峰值场强，减小发散角。最后，将现有技术的DBR结构改为亚波长光栅层51'结构也可以减小器件的整体厚度，提高器件的散热性能。
本申请实施例中，第一光栅层51中的光栅结构可以根据实际需要设置。图3a为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器中光栅体的一种结构的示意图，图3b为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器中光栅体的另一种结构的示意图，图3c为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器中光栅体的再一种结构的示意图。
示例性的，第一光栅层51包括多个间距设置的光栅体510，光栅体510可以形成第一光栅层51的光栅脊，相邻光栅体510之间的间隔形成第一光栅层51的光栅谷。光栅体可以为长条状，如图3a所示，各个长条状的光栅体511之间彼此平行且周期性排布。
在其它一些示例中，光栅体可以形成为岛状，岛状的光栅体的横截面为方形、圆形、六边形中的一者，如图3b所示，各光栅体512的横截面为方形，多个光栅体512呈阵列排布；或者如图3c所示，各光栅体513的横截面为六边形，多个光栅体513呈蜂窝状排布。
本申请实施例中，参照图2a，作为一种能的实施方式，为了对第一反射器106进行保护，第一反射器106还包括保护层53，保护层53设于第一透明导电层52或者第一光栅层51上，且保护层53的材料的折射率低于第一光栅层51的材料的折射率。
保护层53覆盖在第一透明导电层52或者第一光栅层51上，而保护层53覆盖在第一光栅层51上，是指保护层53覆盖光栅体510，并且覆盖各光栅体510之间的间距，使折射率较高的光栅体510的四周填充折射率较低的保护层53。
本申请实施例中，第一隔离层103可以为p型隔离层，第二隔离层2可以为n型隔离层。有源层109用于发射激光，其可以包括铟镓砷多量子阱层或单量子阱层，用以在垂直腔面发射激光器100的厚度方向上，也即垂直于激光出射面的方向上形成稳定的驻波。
本申请实施例中，第二反射器101可以根据实际需要选择其类型，第二反射器101可以包括第二导电层91，需要注意的是，为了与第一透明导电层52更好地匹配，可以将第二导电层91也设置为连续膜层。参照图2a，同时，为了便于电连接，可以使第二导电层91包括凸出于封装部7的第二导电部911。与第二导电层91类似的，可以使第一透明导电层52包括凸出于保护层53的第一导电部521。
本申请实施例中，第二反射器101可以是分布式布拉格反射器。
图4a为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的剖视图。参照图4a，第二反射器101可以包括分布式布拉格反射器95。
示例性的，分布式布拉格反射器95包括多个高折射率材料层92和多个低折射率材料层93，高折射率材料层92的数量与低折射率材料层93的数量相同，且各高折射率材料层92和各低折射率材料层93交替层叠，第二反射器101中低折射率材料层93的数量为20～30层。这里高折射率材料层92的材料的折射率大于低折射率材料层93的材料的折射率。可以理解的是，这里的高折射率材料层92和低折射率材料层93的材质均为三五族半导体材料。且高折射率材料层92和低折射率材料层93的材料掺杂均为p掺杂或n掺杂，每层材料层的厚度均为出射激光波长的1/4。并且包含该DBR结构的第二反射器101对出射激光波长正入射时的反射率高于第一反射器106。
其中，上述的第二导电层91可以设置在分布式布拉格反射器95和衬底6之间，另外，分布式布拉格反射器95和第二电极94相互间隔地层叠在第二导电层91上，第二导电层91和第二电极94相互电连接，这里第二电极94用于和外部电路电连接。示例性的，衬底6可以是本征三五族衬底。
图4b为本申请实施例一提供的垂直腔面发射激光器的再一种结构的剖视图，图4b所示的垂直腔面发射激光器在图2a或图4a所示的垂直腔面发射激光器的基础上，使第二反射器101省略了第二透明导电层，并且衬底60的材料可以是高掺杂的n型衬底材料，其余结构与图2a或图4a所示类似，此处不再赘述。通过这样设置，第二反射器101中的电流可以直接经过衬底60而到达衬底60背面设置的电极61处。
这里高掺杂的n型衬底材料是指，衬底材料为n掺杂衬底，并且掺杂浓度大于1x1017cm-3，以便使电流直接穿透衬底60并到达衬底60背面的电极61。
本申请实施例中，如前所述，第一反射器106中，并没有电流限制层，也不需要在氧化工艺，因此电流流通通道L的横截面形状可以根据需要设置，即本实施例的垂直腔面发射激光器可实现任意形状的出光孔。
图5a-图5d为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的另一种结构的俯视图。示例性的，有源层的横截面形状可以为正方形，如图5a所示；或者，有源层的横截面形状可以为圆形，如图5b所示；或者有源层的横截面形状可以为三角形，如图5c所示；或者，有源层的横截面形状可以为六边形，如图5d所示。可以理解的是，如上所述垂直腔面发射激光器的整体不具有对称性，因而出射的激光偏振特性较为稳定。
下面说明各功能膜层的参数选择。
示例性的，第二反射器101对垂直腔面发射激光器100所发出的激光的反射率，高于第一反射器106对垂直腔面发射激光器100所发出的激光的反射率。示例性的，第一反射器106对垂直腔面发射激光器100所发出的激光的正入射反射率应大于99％，且吸收率应低于0.5％。
第一透明导电层52材质为电阻率低于5x10-3Ω·cm的非金属材料；和/或第一透明导电层52对垂直腔面发射激光器100所发出的激光，具有小于0.03的消光系数；和/或第一透明导电层52对于垂直腔面发射激光器100所发出的激光的吸收率低于0.5％。
另外，为了不影响垂直腔面发射激光器100的光线发射，可选的，第一透明导电层52的材料可以为透明导电氧化物。并且，第一透明导电层52的材料的折射率远低于第一光栅层51，因而可以直接作为垂直腔面发射激光器100上的电极使用。
可选的，第一透明导电层52的材料可以为氧化铟锡(ITO)，掺铝氧化锌(AZO)等透明的导电氧化物(TCO)。
本申请实施例中，可选的是，第一光栅层51的材料的折射率大于或等于第一透明导电层52的材料的折射率的1.4倍，并且第一光栅层51对垂直腔面发射激光器100所发出的激光，具有小于0.1的消光系数。和/或第一光栅层51的材料为硅、氮化镓、磷化铟、硫化钼、磷化镓中的至少一者。
可选的，第一光栅层51的材料的折射率大于或等于保护层53的材料的折射率的1.4倍。且第一光栅层51的消光系数小于0.05。
本实施例中，垂直腔面发射激光器包括：衬底，以及在衬底上依次层叠设置的第二反射器、第二隔离层、有源层、第一隔离层以及第一反射器，第二反射器和第一反射器之间限定出谐振腔；第一反射器包括相互层叠设置的第一光栅层和第一透明导电层，第一光栅层的材料的折射率大于第一透明导电层的材料的折射率；第一反射器上具有供激光射出的出光区域；出光区域与有源层的设置区域相对应，第一透明导电层和第一光栅层均至少覆盖出光区域。上述方案中，第一反射器包括第一光栅层和第一透明导电层，并且第一透明导电层和第一光栅层均至少覆盖出光区域，换言之，使第一透明导电层的设置区域以及第一光栅层的设置区域的范围均大于或等于出光区域的设置范围，而出光区域与有源层的设置区域相对应，注入电流可以从第一透明导电层不绕行地直接注入到有源层中，电流的流动路径较短，因此能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
实施例二
本实施例提供的垂直腔面发射激光器200在实施例一的基础上，对第二反射器与衬底等部分的结构作了改进，其余部分与实施例一相同，对于其余部分，由于已经在实施例一中进行了详细说明，此处不再赘述。
图6为本申请实施二例提供的垂直腔面发射激光器的剖视图。参照图6，第二反射器201包括第二光栅层202和形成在第二光栅层202上的第二透明导电层203，第二光栅层202的材料的折射率大于第二透明导电层203的材料的折射率，有源层209在第二透明导电层203上的正投影位于第二透明导电层203的设置区域内。并且，有源层209在第二光栅层202上的正投影位于第二光栅层202的设置区域内。
与实施例一类似的，第二反射器201包括第二光栅层202和第二透明导电层203，并且有源层209在第二透明导电层203上的正投影位于第二透明导电层203的设置区域内，换言之，使第二透明导电层203的设置区域的范围大于或等于有源层209的设置范围，结合实施一中第一透明导电层52的设置，注入电流可以从有源层209中直接注入到第二透明导电层203中，即第二透明导电层203、第一透明导电层52和电流流动通道L在器件厚度方向上的位置彼此对应，且有源层209的径向尺寸小于第二透明导电层203和第一透明导电层52的径向尺寸，此时注入电流流动通道L的横向尺寸与有源层209的设置区域的横向尺寸相同，这与现有技术中电流流动通道的横向尺寸小于有源层区域的横向尺寸相比，电流流动通道L的横向尺寸变大，因此能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
有源层209在第二透明导电层203上的正投影是指，将有源层209沿着垂直腔面发射激光器的厚度方向进行投影而得到的投影图形。而有源层209在第二透明导电层203上的正投影位于第二透明导电层203的设置区域内，是指有源层209在第二透明导电层203上的正投影图形位于第二透明导电层203的设置区域内。或者，仰视垂直腔面发射激光器时，第二透明导电层203覆盖有源层209。
可以理解的是，第二透明导电层203的设置区域，是指第二透明导电层203的外边缘所围合的区域。可以包括第二透明导电层203是整层设置，即第二透明导电层203是连续膜层的情况；或者也可以是第二透明导电膜层203中局部设有贯穿缺口的情况。
本申请实施例中，可选的，有源层209在第二光栅层202上的正投影位于第二光栅层202的设置区域内。即使第二光栅层202的覆盖范围大于或等于有源层的设置范围，使电流流通通道L具有尽量大的径向尺寸。
需要注意的是，第二透明导电层203的材料种类，以及对材料的要求等与第一透明导电层52相同，此处不再赘述。示例性的，第二光栅层202可以是亚波长光栅。对第二光栅层202的材料种类、以及对材料的要求等与第一光栅层51相同。亚波长光栅是指结构的特征尺寸与工作波长相当或更小的周期(或非周期)结构，亚波长光栅的反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与常规衍射光学元件截然不同的特征。
为了进一步减小串联电阻，可以使第二透明导电层203与第二隔离层2直接接触，这样有源层209中的电流可以直接通过第二隔离层2注入第二透明导电层203。
参照图6，示例性的，第二透明导电层203和第二光栅层202依次设于第二隔离层2背离第一反射器106的一面上。这里，第二光栅层202中的光栅结构可以与实施一中的图3a、图3b、图3c中的结构相同，此处不再赘述。
进一步的，第二反射器201还包括平坦层204，平坦层204设置在第二透明导电层203的背离第一反射器106的一面上，且覆盖第二光栅层202，即平坦层204要覆盖第二光栅层202中的各个光栅体，也要覆盖各光栅体之间的间距。
需要注意的是，平坦层204的材料的折射率要低于第二光栅层202的材料的折射率。示例性的，平坦层204的材料的折射率小于第二光栅层202的材料的折射率的0.7倍，并且，平坦层204对垂直腔面发射激光器中发出的激光，具有小于0.1的消光系数。
本申请实施例中，可选的，垂直腔面发射激光器200还包括衬底207和键合层205，键合层205设置在衬底207和平坦层204之间，并用于使衬底207和平坦层204键合。示例性的，键合层205的材质可以为金属或氧化物。
本实施例中，第二反射器201包括第二光栅层202和形成在第二光栅层202上的第二透明导电层203，第二光栅层202的材料的折射率大于第二透明导电层203的材料的折射率，有源层209在第二透明导电层203上的正投影位于第二透明导电层203的设置区域内。这样使第二透明导电层203的设置区域的范围大于或等于有源层209的设置范围，结合实施一中第一透明导电层52的设置，注入电流可以从有源层209中直接注入到第二透明导电层203中，即第二透明导电层203、第一透明导电层52和电流流动通道L在器件厚度方向上的位置彼此对应，且有源层209的径向尺寸小于第二透明导电层203和第一透明导电层52的径向尺寸，此时注入电流流动通道L的横向尺寸与有源层209的设置区域的横向尺寸相同，这与现有技术中电流流动通道的横向尺寸小于有源层区域的横向尺寸相比，电流流动通道的横向尺寸变大，因此能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
实施例三
本实施例提供的垂直腔面发射激光器300在实施例一、实施例二的基础上，对第一反射器的结构作了改进，其余部分与实施例一、实施例二相同，对于其余部分，由于已经在实施例一、实施例二中进行了详细说明，此处不再赘述。
图7为本申请实施三例提供的垂直腔面发射激光器的剖视图。参照图7，第一光栅层351和第一透明导电层352依次设于第一隔离层303背离第二反射器101的一面上。即第一光栅层351设于第一隔离层303背离第二反射器101的一面上，第一透明导电层352设于第一光栅层351背离第一隔离层303的一面上。
本申请实施例中，第一光栅层351的材质与第一隔离层303的材质相同。这样可以通过对用于形成第一隔离层303的材料进行刻蚀来形成第一光栅层351。即，第一光栅层351和第一隔离层303可以形成为一体。当然，第一光栅层351也可以和第一隔离层303分别采用不同的材质，分体而形成。
可选的，第一透明导电层352可以为连续膜层，且第一透明导电层352覆盖在第一光栅层351上。即第一透明导电层352不仅覆盖第一光栅层351中的光栅体的顶部，也覆盖各光栅体之间的间隙。本实施例中，第一透明导电层352为整层设置的连续膜层。
与实施例一类似的，第一反射器306也包括保护层353，保护层353覆盖在第一透明导电层352背离有源层309的一面上。并且保护层353的材料的折射率低于第一光栅层351的材料的折射率。
此外，第一透明导电层352还具有未被保护层353覆盖的第一电极部305，第一电极部305用于与外部电路电连接。
本实施例中，通过使第一光栅层351的材质与第一隔离层303的材质相同。这样可以通过对用于形成第一隔离层303的材料进行刻蚀来形成第一光栅层351，工艺过程简单，能够节省成本。
实施例四
本实施例提供的垂直腔面发射激光器400在实施例三的基础上，对第一反射器的结构作了改进，其余部分与实施例三相同，对于其余部分，由于已经在实施例三进行了说明，此处不再赘述。
图8为本申请实施四例提供的垂直腔面发射激光器的剖视图。参照图8，本申请实施例中，第一光栅层451的材质与第一隔离层403的材质相同。这样可以通过对用于形成第一隔离层403的材料进行刻蚀来形成第一光栅层451。即，第一光栅层451和第一隔离层403可以形成为一体。当然，第一光栅层451也可以和第一隔离层403分别采用不同的材质，分体而形成。
可选的，第一光栅层451包括多个间距设置的光栅体404，第一透明导电层452为镂空结构，以形成多个间距设置的导电体405，导电体405与光栅体404一一对应，以使第一透明导电层452中形成光栅结构。
图9为本申请实施四例提供的垂直腔面发射激光器中第一透明导电层的结构示意图。
参照图9，需要注意的是，本实施例中光栅体404和导电体405的结构仅可以采用条状结构，并且各导电体405之间还还通过导电结构408电连接。示例性的，各导电体405之间间隔并且平行设置，导电结构408例如可以是框状件，其围设在导电体405的周围，并用于将各导电体405的两端部电连接起来。
与实施例一类似的，第一反射器406也包括保护层453，保护层453覆盖在第一透明导电层452背离有源层409的一面上。需要注意的是，保护层453不仅覆盖导电体405，还覆盖各个光栅体404之间的间隔，覆盖各导电体405之间的间隔。并且保护层453的材料的折射率低于第一光栅层451的材料的折射率。
本实施例中，通过使第一光栅层451的材质与第一隔离层403的材质相同。这样可以通过对用于形成第一隔离层403的材料进行刻蚀来形成第一光栅层451，工艺过程简单，能够节省成本。另外，使第一透明导电层452形成镂空结构，并且导电体405与光栅体404一一对应，这样除了第一光栅层451之外，又形成位于第一光栅层451之上的又一层光栅层，使第一反射器406的性能更佳。
实施例五
本申请实施例还提供一种电子设备，包括上述实施例中任一项所述的垂直腔面发射激光器。其中，垂直腔面发射激光器的结构功能原理等已经在实施例一～实施例四中进行了详细说明，此处不再赘述。
该电子设备具体可以为手机、平板电脑、电视机、笔记本电脑、数码相框、指纹锁等电子产品或部件。该电子设备通过包括垂直腔面发射激光器，器件电流的流通路径变短，电流流通通道的径向尺寸变大，因此能够减小器件的串联电阻，减少器件的产热，提高器件的热稳定性和可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (36)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：衬底，以及在所述衬底上依次层叠设置的第二反射器、第二隔离层、有源层、第一隔离层以及第一反射器，所述第二反射器和所述第一反射器之间限定出谐振腔；所述第一反射器包括相互层叠设置的第一光栅层和第一透明导电层，所述第一光栅层的材料的折射率大于所述第一透明导电层的材料的折射率；所述第一反射器上具有供激光射出的出光区域，所述出光区域与所述有源层的设置位置相对应；
所述第一透明导电层和所述第一光栅层均至少覆盖所述出光区域。
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，
所述有源层在所述第一透明导电层上的正投影位于所述第一透明导电层的设置区域内，并且所述有源层在所述第一光栅层上的正投影位于所述第一光栅层的设置区域内，所述第一反射器上与所述有源层正对的区域为所述出光区域。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层在所述有源层上的正投影位于所述有源层的设置区域内，所述第一反射器上与所述第一透明导电层正对的区域为所述出光区域。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层与所述第一隔离层直接接触，以使所述第一透明导电层中的电流经过所述第一隔离层注入所述有源层。
5.根据权利要求1-4任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层设于所述第一隔离层背离所述第二反射器的一面上，所述第一光栅层设于所述第一透明导电层背离所述第一隔离层的一面上。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层为连续膜层。
7.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一反射器还包括保护层，所述保护层设于所述第一透明导电层上，并覆盖所述第一光栅层，所述保护层的材料的折射率低于所述第一光栅层的材料的折射率。
8.根据权利要求1-4任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层设于所述第一隔离层背离所述第二反射器的一面上，所述第一透明导电层设于所述第一光栅层背离所述第一隔离层的一面上。
9.根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层包括多个间隔设置的光栅体，所述光栅体形成所述第一光栅层的光栅脊，相邻所述光栅体之间的间隔形成所述第一光栅层的光栅谷。
10.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层中所述光栅体的材质与所述第一隔离层的材质相同。
11.根据权利要求10所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层为镂空结构，以形成多个间距设置的导电体，所述导电体与所述光栅体一一对应，以使所述第一透明导电层中形成光栅结构。
12.根据权利要求10所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层为连续膜层，且所述第一透明导电层覆盖多个所述光栅体的顶部，并覆盖多个所述光栅体之间的间隔。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一反射器还包括保护层，所述保护层设于所述第一透明导电层背离所述有源层的一侧，所述保护层的材料的折射率低于所述第一光栅层的材料的折射率。
14.根据权利要求7或13所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层的未被所述保护层覆盖的部位形成第一电极部，所述第一电极部用于与外部电路电连接。
15.根据权利要求7或13所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层的材料的折射率大于或等于所述保护层的材料的折射率的1.4倍，且所述第一光栅层的消光系数小于0.05。
16.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层为亚波长光栅层。
17.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层材质为电阻率低于5x10-3Ω·cm的非金属材料；和/或
所述第一透明导电层对所述垂直腔面发射激光器所发出的激光，具有小于0.03的消光系数；和/或
所述第一透明导电层对于所述垂直腔面发射激光器所发出的激光的吸收率低于0.5％。
18.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一透明导电层的材料为透明导电氧化物。
19.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层包括多个间距设置的光栅体，所述光栅体为长条状；或者
所述第一光栅层包括多个间距设置的光栅体，所述光栅体为岛状，岛状的所述光栅体的横截面为方形、圆形、六边形中的一者。
20.根据权利要求19所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述光栅体为岛状，各个岛状的所述光栅体阵列排布或者呈蜂窝状排布。
21.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层的材料的折射率大于或等于所述第一透明导电层的材料的折射率的1.4倍，并且所述第一光栅层对所述垂直腔面发射激光器所发出的激光，具有小于0.1的消光系数。
22.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第一光栅层的材料为硅、氮化镓、磷化铟、硫化钼、磷化镓中的至少一者。
23.根据权利要求1-15任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二反射器对所述垂直腔面发射激光器所发出的激光的反射率，高于所述第一反射器对所述垂直腔面发射激光器所发出的激光的反射率。
24.根据权利要求1-23任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
还包括衬底和第二电极，所述第二反射器层叠在所述衬底上，所述第二电极层叠在所述衬底的背离所述第二反射器的一面上，且所述第二电极用于和外部电路电连接。
25.根据权利要求1-23任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二反射器包括分布式布拉格反射器。
26.根据权利要求25所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二反射器包括多个高折射率材料层和多个低折射率材料层，所述高折射率材料层的数量与所述低折射率材料层的数量相同，且各所述高折射率材料层和各所述低折射率材料层交替层叠，所述第二反射器中所述低折射率材料层的数量为20～30层。
27.根据权利要求25所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
还包括第二导电层和第二电极，所述第二导电层层叠在所述分布式布拉格反射器和所述衬底之间，且所述分布式布拉格反射器和所述第二电极相互间隔地层叠在所述第二导电层上，所述第二电极用于和外部电路电连接。
28.根据权利要求1-23任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二反射器包括第二光栅层和形成在所述第二光栅层上的第二透明导电层，所述第二光栅层的材料的折射率大于所述第二透明导电层的材料的折射率，
所述有源层在所述第二透明导电层上的正投影位于所述第二透明导电层的设置区域内，并且，所述有源层在所述第二光栅层上的正投影位于所述第二光栅层的设置区域内。
29.根据权利要求28所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二透明导电层与所述第二隔离层直接接触，以使所述有源层中的电流通过所述第二隔离层注入所述第二透明导电层。
30.根据权利要求28或29所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二透明导电层设于所述第二隔离层背离所述第一反射器的一面上，所述第二光栅层设于所述第二透明导电层背离所述第二隔离层的一面上。
31.根据权利要求30所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述第二反射器还包括平坦层，所述平坦层设置在所述第二透明导电层的背离所述第一反射器的一面上，且覆盖所述第二光栅层。
32.根据权利要求31所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述平坦层的材料的折射率低于所述第二光栅层的材料的折射率。
33.根据权利要求32所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述平坦层的材料的折射率小于所述第二光栅层的材料的折射率的0.7倍，并且，所述平坦层对所述垂直腔面发射激光器中发出的激光，具有小于0.1的消光系数。
34.根据权利要求31所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
还包括衬底和键合层，所述键合层设置在所述衬底和所述平坦层之间，并用于使所述衬底和所述平坦层键合。
35.根据权利要求1-33任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，
所述有源层的横截面形状为正方形、圆形、三角形、六边形中的任意一者。
36.一种电子设备，其特征在于，包括上述权利要求1-35任一所述的垂直腔面发射激光器。
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