CN113937619A - 一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法，衬底上的VCSEL芯片外延结构自衬底侧向上依次包括：N型DBR层、N型全反射DBR层、稀土元素掺杂层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层；N型全反射DBR层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层和P型全反射DBR层构成第一激光谐振腔，N型DBR层、稀土元素掺杂层、氧化层和P型DBR层构成第二激光谐振腔，第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔。本发明通过稀土元素掺杂层实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出。

Description

一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法。

背景技术

与边发射半导体激光相比，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)具有体积小、耦合效率高、阈值电流低、调制速率高、易二维集成、单纵模工作、可在片测试和制造成本低等优点，现已成为最重要的半导体光电子器件之一，被广泛应用于光互联、光存储、光通信、激光打印、激光医疗、激光打孔等众多领域，在消费电子、5G通讯、无人机以及物联网智能服务系统等方面也发挥着重要的作用，成为了我们日常生活中各种传感器应用的基础。随着工业、军事、医疗和空间通信等领域的发展，对VCSEL也提出了高功率、高效率的需求。在光通信方面，VCSEL可以在较低的阈值电流下发射质量较高的圆形光束，成本也低于传统的分布反馈半导体激光器；为了满足长距离的光通信，要求激光器具有较高的输出功率、低色散和低损耗性能，长波段、尤其在1550nm波段的VCSEL激光器刚好满足上述要求。

目前，传统的P-N结型VCSEL激光器由于电子-空穴复合受激辐射机制的限制，发光强度和发光效率不高，平均输出功率仍处于较低的水平，尤其是长波长VCSEL激光器的研究处于初始阶段，从而限制了其的发展及应用。

发明内容

为解决现有VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，本发明提供一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法，可实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出。

本发明公开了一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，包括衬底和制备在所述衬底上的VCSEL芯片外延结构，所述VCSEL芯片外延结构自衬底侧向上依次包括：N型DBR层、N型全反射DBR层、稀土元素掺杂层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层；

所述N型全反射DBR层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层和P型全反射DBR层构成第一激光谐振腔，所述N型DBR层、稀土元素掺杂层、氧化层和P型DBR层构成第二激光谐振腔，所述第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔。

作为本发明的进一步改进，所述第一激光谐振腔内激光产生机制为半导体材料电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复合辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；所述第二激光谐振腔内激光产生机制为光致发光，所述第一波长激光作为第二激光谐振腔中的泵浦光，通过所述稀土元素掺杂层时，激发稀土元素掺杂层中的镧系金属离子的粒子能级跃迁产生第二波长激光；所述第二波长激光束通过所述第二激光谐振腔中的半反射的N型DBR层或P型DBR层输出，输出波长为1550nm。

作为本发明的进一步改进，所述N型DBR层为半反半透层、所述P型DBR层为全反射层；或者，所述P型DBR层为半反半透层、所述N型DBR层为全反射层；半反半透层对第二波长激光的反射率为50％-99.5％。

作为本发明的进一步改进，所述半导体量子阱层作为高增益有源区，所述半导体量子阱层为多量子阱结构，该包括多对半导体量子阱。

作为本发明的进一步改进，所述稀土元素掺杂层是在GaAs层中掺杂镧系元素。

作为本发明的进一步改进，所述镧系元素的掺杂方式为：镧系元素掺杂的方式或GaAs层与镧系砷化物交替生长的方式。

作为本发明的进一步改进，所述VCSEL芯片外延结构上制备有导热层。

本发明还公开了一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器的制备方法，包括：

在衬底上生长VCSEL芯片外延结构；

在N型全反射DBR层上注入稀土离子或外延生长稀土离子掺杂层；

制作台面；

制作氧化孔；

经光刻后制作金属P电极；

剥离非P电极金属；

经光刻后制作金属N电极；

剥离非N电极金属；

解理封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明打破传统P-N结型VCSEL激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，在传统半导体激光器材料内通过掺杂或外延生长技术掺杂铒、铒镱、铒镱钪或其他镧系金属离子，形成稀土元素掺杂层，实现电子-空穴复合受激辐射机制与粒子能级系统跃迁辐射机制相互作用的光子级联型发光新体制，通过稀土离子掺杂的上转换材料可实现低能量光子到高能量光子的转化，解决传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器的结构示意图；

图2为本发明一种实施例公开的采用离子注入技术制备异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器的流程图；

图3为本发明一种实施例公开的采用外延生长技术制备异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器的流程图。

图中：

1、衬底；2、N型DBR层；3、N型全反射DBR层；4、稀土元素掺杂层；5、N型波导层；6、半导体量子阱层；7、P型波导层；8、氧化层；9、P型全反射DBR层；10、P型DBR层；11、P电极；12、N电极。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明提供一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器及制备方法，可实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出，其设计依据为：

稀土离子具有稳定的发光性能、较长的荧光寿命、较大的反斯托克斯位移以及明锐的发光峰等优势，是许多激光材料、稀磁半导体材料、非线性光学材料以及纳米发光材料中的激活离子，它们作为杂质掺入材料后对材料的微观结构、电性质、光磁性质等有着极其重要的影响；稀土元素掺杂型工作物质具有高掺杂浓度和高量子转换效率的特点，能够很大的减少所需工作物质长度、降低泵浦功率和非线性效应，能够满足对高功率激光输出的要求。

如图1所示，本发明提供一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器包括衬底1和制备在衬底上的VCSEL芯片外延结构，VCSEL芯片外延结构自衬底侧向上依次包括：N型DBR层2、N型全反射DBR层3、稀土元素掺杂层4、N型波导层5、半导体量子阱层6、P型波导层7、氧化层8、P型全反射DBR层9和P型DBR层10；其中，

N型全反射DBR层3、N型波导层5、半导体量子阱层6、P型波导层7和P型全反射DBR层9构成第一激光谐振腔，N型DBR层2、稀土元素掺杂层4、氧化层8和P型DBR层10构成第二激光谐振腔，第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔；第一激光谐振腔内激光产生机制为半导体材料电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复合辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；第二激光谐振腔内激光产生机制为光致发光，第一波长激光作为第二激光谐振腔中的泵浦光，通过稀土元素掺杂层时，激发稀土元素掺杂层4中的镧系金属离子的粒子能级跃迁产生第二波长激光；第二波长激光束通过第二激光谐振腔中的半反射的N型DBR层或P型DBR层输出，输出波长为1550nm。

进一步，光子级联VCSEL芯片结构为单管型VCSEL芯片或阵列型VCSEL芯片，其结构可以是顶发射或底发射结构；N型全反射DBR层3和P型全反射DBR层9对第一波长激光全反射，第二激光谐振腔N型DBR层2和P型DBR层10，N型DBR层2为全反射层、P型DBR层10为半反半透层，或，P型DBR层10为全反射层、N型DBR层2为半反半透层，全反射层对第二波长激光全反射，半反半透层对第二波长激光的反射率为50％-80％。

进一步，半导体量子阱层6作为高增益有源区，半导体量子阱层6为多量子阱结构，该包括多对半导体量子阱。

进一步，稀土元素掺杂层4位于第一激光谐振腔有源区上层或有源区下层。

进一步，稀土元素掺杂层4是在GaAs层中掺杂镧系元素，如掺杂的铒、铒镱、铒镱钪、以及其他镧系金属离子；其中，镧系元素的掺杂方式为：镧系元素离子注入的方式或GaAs层与镧系合金交替生长的方式；具体的，GaAs层与镧系合金交替生长的方式为：

生长一层20～30nm的GaAs层，在GaAs层上生长一层20～30nm的Er_xAs_z、Yb_yAs_z、或X_yAs_z层，其中，x+z＝1、y+z＝1；再生长一层20～30nm的GaAs层，在GaAs层上生长一层20～30nm的Er_xAs_z、Yb_yAs_z、或X_yAs_z层；···，交替生长8～10次，得到稀土元素掺杂层4。

稀土掺杂层中Yb³⁺、Er³⁺的发光机制为：

第一步：Yb³⁺的²F_7/2能级吸收泵浦光子激发到²F_5/2能级。

第二步：²F_5/2能级将能量传递给基态Er³⁺，Er³⁺跃迁到⁴I_11/2能级，Yb³⁺回落到基态能级。

第三步：Er³⁺由⁴I_11/2能级无辐射跃迁到⁴I_13/2能级。

第四步：在泵浦光的激励下，Er³⁺受激辐射跃迁到⁴I_15/2能级，并辐射出一个波长为1550nm的光子。

具体实施例1：

如图2所示，本发明提供一种底发射异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器的制备方法，包括：

步骤一、生长外延结构

在GaAs衬底表面依次外延生长N型半反射DBR层、N型全反射DBR层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层、P型全反射DBR层；

步骤二、稀土掺杂

将外延片清洗完毕后用高纯度氮气保护吹干并加热烘干，采用PECVD技术沉积500nmSiO₂作为注入掩膜，在非注入区旋涂厚胶，然后将外延片放进离子注入机中进行注入，在N型全反射DBR上部区域按比例注入多层铒、铒镱、铒镱钪、以及其他镧系金属离子，形成GaAs、ErxAsz、YbyAsz(其中x+y+z＝1)或XyAsz(X为镧系元素)层交替生长的多层结构的稀土离子掺杂层；

或在外延片生长的过程中，生长GaAs材料过程中，打开稀土元素的源，按照一定比例讲稀土离子掺杂进去。

步骤三、制作台面

首先，采用湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在待加工外延片制作出台面结构。若采用刻蚀方法，刻蚀Cl₂/BCl₃气体流量比为1：3，刻蚀功率为500W，刻蚀芯片露出氧化层。其次，湿法腐蚀掉芯片上多余的SiO₂，清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用；

步骤四、制作氧化孔

利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化层，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定100℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。30min以后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间为6-10min，氧化孔直径。氧化结束以后，等待炉温降到80摄氏度以后，取出芯片，待用；

步骤五、经光刻后制作金属N电极

在待加工外延片涂上SU-8负性光刻胶，通过光刻显影，制作N电极图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长N电极金属材料。

步骤六、剥离非N电极金属

将生长完N电极金属的外延片放在丙酮溶液中水浴加热10min，然后进行金属剥离工艺，剥离非N电极的金属，制作金属N电极12。

步骤七、经光刻后制作金属P电极

在待加工外延片涂上L300负性光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影制作金属P电极的图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射等金属工艺，生长P电极金属材料。

步骤八、剥离非P电极金属

金属将生长完P电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4-5h，然后进行金属剥离工艺，剥离非P电极的金属，制作金属P电极11。

步骤九、解理封装

制作好的芯片用解理划片机解理，采用热压焊等方式完成与外界供电系统电极的焊接，并完成芯片封装。

具体实施例2：

如图3所示，本发明提供一种底发射1550nm的光子级联VCSEL激光器的制备方法，包括：

步骤一、生长外延结构

在GaAs衬底表面依次外延生长N型半反射DBR层、N型全反射DBR层；

步骤二、外延生长稀土离子掺杂层

采用MBE技术在N型全反射DBR层上继续生长多层铒、铒镱、铒镱钪、以及其他镧系金属离子，形成GaAs、ErxAsz、YbyAsz(其中x+y+z＝1)或XyAsz(X为镧系元素)层交替生长的多层结构的稀土离子掺杂层。采用MBE技术在稀土离子掺杂层上继续依次生长N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层、P型全反射DBR层、P型全反射DBR层。将VCSEL按照RCA标准清洗，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将待加工外延片加热烘干，待用；

步骤三、制作台面

首先，湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在在待加工外延片制作出台面结构。若采用刻蚀方法，刻蚀Cl₂/BCl₃气体流量比为1：3，刻蚀功率500W，刻蚀芯片露出氧化层。其次，湿法腐蚀掉芯片上多余的SiO₂，清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用；

步骤四、制作氧化孔

利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化层，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定100℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。30min以后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间为6-10min，氧化孔直径。氧化结束以后，等待炉温降到80摄氏度以后，取出芯片，待用；

步骤五、经光刻后制作金属N电极

在待加工外延片涂上SU-8负性光刻胶，通过光刻显影，制作N电极图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长N电极金属材料。

步骤六、剥离非N电极金属

将生长完N电极金属的外延片放在丙酮溶液中水浴加热10min，然后进行金属剥离工艺，剥离非N电极的金属，制作金属N电极12。

步骤七、制作金属P电极

在待加工外延片涂上L300负性光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影制作金属P电极的图形，清洗掉剩余光刻胶，然后通过磁控溅射等金属工艺，生长P电极金属材料。

步骤八、剥离非P电极金属

将生长完P电极金属的外延片放在丙酮溶液中浸泡4-5h，然后进行金属剥离工艺，剥离非P电极的金属，制作金属P电极11。

步骤九、解理封装

制作好的芯片用解理划片机解理，采用热压焊等方式完成与外界供电系统电极的焊接，并完成芯片封装。

本发明的优点为：

本发明打破传统P-N结型VCSEL激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，在传统半导体激光器材料内通过离子注入或外延生长技术掺杂铒、铒镱、铒镱钪或其他镧系金属离子，形成稀土元素掺杂层，实现电子-空穴复合受激辐射机制与粒子能级系统跃迁辐射机制相互作用的光子级联型发光新体制，通过稀土离子掺杂的上转换材料可实现低能量光子到高能量光子的转化，解决传统VCSEL激光器发光强度和发光效率不高的问题，从而实现能级跃迁过程中能量的高效利用，提高发光效率，并实现1550nm波长的激光输出。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，包括衬底和制备在所述衬底上的VCSEL芯片外延结构，其特征在于，所述VCSEL芯片外延结构自衬底侧向上依次包括：N型DBR层、N型全反射DBR层、稀土元素掺杂层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层、氧化层、P型全反射DBR层和P型DBR层；

所述N型全反射DBR层、N型波导层、半导体量子阱层、P型波导层和P型全反射DBR层构成第一激光谐振腔，所述N型DBR层、稀土元素掺杂层、氧化层和P型DBR层构成第二激光谐振腔，所述第一激光谐振腔和第二激光谐振腔形成光子级联复合腔。

2.如权利要求1所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述第一激光谐振腔内激光产生机制为半导体材料电致发光，在注入电流的激励下，电子和空穴重新复合辐射大量光子，形成能带间的第一波长激光；所述第二激光谐振腔内激光产生机制为光致发光，所述第一波长激光作为第二激光谐振腔中的泵浦光，通过所述稀土元素掺杂层时，激发稀土元素掺杂层中的镧系金属离子的粒子能级跃迁产生第二波长激光；所述第二波长激光束通过所述第二激光谐振腔中的半反射的N型DBR层或P型DBR层输出，输出波长为1550nm。

3.如权利要求1所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述N型DBR层为半反半透层、所述P型DBR层为全反射层；或者，所述P型DBR层为半反半透层、所述N型DBR层为全反射层；半反半透层对第二波长激光的反射率为50％-99.5％。

4.如权利要求1所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述半导体量子阱层作为高增益有源区，所述半导体量子阱层为多量子阱结构，该包括多对半导体量子阱。

5.如权利要求1所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述稀土元素掺杂层是在GaAs层中掺杂镧系元素。

6.如权利要求5所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述镧系元素的掺杂方式为：镧系元素掺杂的方式或GaAs层与镧系砷化物交替生长的方式。

7.如权利要求5所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器，其特征在于，所述VCSEL芯片外延结构上制备有导热层。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的异带泵浦1550nm的光子级联VCSEL激光器的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底上生长VCSEL芯片外延结构；

在N型全反射DBR层上注入稀土离子或外延生长稀土离子掺杂层；

制作台面；

制作氧化孔；

经光刻后制作金属P电极；

剥离非P电极金属；

经光刻后制作金属N电极；

剥离非N电极金属；

解理封装。

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