CN115275780A - 单模面射型激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单模面射型激光器及其制作方法，该单模面射型激光器包括依次层叠的衬底、N型DBR、有源层、限制层和P型DBR，衬底上设有N型电极，P型DBR上设有P型电极和出光口，限制层包括中部的出光孔及其外围的氧化区域，有源层包括中间的谐振区及其外围的光栅区，光栅区上设有环绕在谐振区周围的复数同心的环形光栅，最内侧环形光栅的直径大于或等于出光孔的直径。本发明能够保持有源层的厚度不变，缩小谐振区的出光面积，避免器件塌陷、断裂，保持器件的其他结构不受影响，容易实现单纵模、低阈值电流工作，促进高速数据传输以及光通信应用。

Description

单模面射型激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种单模面射型激光器及其制作方法。

背景技术

目前的垂直面射型激光器(简称VCSEL)的单模工作情况并不理想。为了实现VCSEL单纵模、低电流阈值的工作，目前一般是通过改进有源区结构或者缩小氧化孔径来达到这一目的。改进有源区结构常用的方法是减少有源区层数或者在保持有源区层数不变的情况下降低有源区厚度，得到体积小、腔长更短的VCSEL。但是这样的处理方式并不理想，因为激光增益会随着有源区厚度的减薄而降低；缩小氧化孔径可以降低阈值电流，但是会使VCSEL的工艺难度会更大，工作时温度更高、发热也更严重，从而影响器件的可靠性，极大限制高速数据传输以及光通信寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种单模面射型激光器及其制作方法。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种单模面射型激光器，包括依次层叠的衬底、N型DBR、有源层、限制层和P型DBR，所述衬底上设有N型电极，所述P型DBR上设有P型电极和出光口，所述限制层包括中部的出光孔及其外围的氧化区域，所述有源层包括中间的谐振区及其外围的光栅区，所述光栅区上设有环绕在所述谐振区周围的复数同心的环形光栅，最内侧环形光栅的直径大于或等于出光孔的直径。

作为优选，最内侧环形光栅的直径比出光孔的直径大0-100nm

作为优选，从内向外，单数环形光栅为凹槽、双数环形光栅为凸起，或者，单数环形光栅为凸起、双数环形光栅为凹槽，并且所述凹槽内填充有P型DBR材料。

作为优选，所述凹槽的深度和所述凸起的厚度比所述有源层的厚度小0-4nm。

作为优选，从内向外，单数环形光栅为改性结构、双数环形光栅为未改性结构，或者，单数环形光栅为未改性结构、双数环形光栅为改性结构。

作为优选，所述改性结构的厚度比所述有源层的厚度小0-4nm。

作为优选，所述谐振区为三层InGaAs层，并且中间的InGaAs层的In的掺杂浓度与其上下两层的In的掺杂浓度不同。

作为优选，所述光栅区的宽度为8μm，所述光栅区内的环形光栅的周期为40。

作为优选，每个所述环形光栅的外环半径和内环半径之差均为100nm。

一种单模面射型激光器的制作方法，包括以下步骤：

1)提供面射型激光器的中间制程结构，所述中间制程结构包括衬底以及所述衬底上方的N型DBR和有源层；

2)于所述有源层上方涂覆光阻层，对所述光阻层进行电子束照射，并移动电子束，而后通过显影以于预设光栅区上形成多个同心间隔设置的环形显开窗口；

3)对所述环形显开窗口之内的所述有源层进行蚀刻或改性，并剥离剩余光阻层，形成中间的谐振区及其外围的光栅区，所述光栅区上设有环绕在所述谐振区周围的复数同心的环形光栅；

4)于所述有源层上方二次外延生长P型DBR，并于所述P型DBR氧化形成限制层，所述限制层包括中部的出光孔及其外围的氧化区域，所述出光孔的直径小于或等于最内侧环形光栅的直径；

5)于所述P型DBR上形成P型电极和出光口，于所述衬底上形成N型电极。相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的单模面射型激光器通过改变有源层的结构，在有源层上设有光栅区和谐振器，能够将多模激光输出形成单模激光，增强光的单一性。

(2)本发明的单模面射型激光器缩小有源层中谐振区的尺寸，改变有源层结构和折射率，提高电光转换效率。

(3)本发明能够保持器件的有源层的厚度不变，缩小谐振区的体积，避免器件塌陷、断裂，保持器件的其他结构不受影响，容易实现单纵模、低阈值电流工作，促进高速数据传输以及光通信应用。

附图说明

图1为本发明的实施例的单模面射型激光器的截面示意图；

图2为本发明的实施例的单模面射型激光器的有源层的截面俯视图；

图3a-3c为本发明的实施例的单模面射型激光器的制作方法的流程示意图；

附图标记：1、衬底；2、N型DBR；3、有源层；31、谐振区；32、光栅区；33、环形光栅；4、限制层；41、出光孔；42、氧化区域；5、P型DBR；6、N型电极；7、P型电极；8、钝化层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

参考图1，本申请的实施例提出了一种单模面射型激光器，包括依次层叠的衬底1、N型DBR 2、有源层3、限制层4和P型DBR 5，N型DBR 2周围的衬底1上设有N型电极6，P型DBR 5的顶部设有P型电极7和出光口，限制层4包括中部的出光孔41及其外围的氧化区域42，有源层3包括谐振区31和光栅区32，谐振区31位于中部，光栅区32位于谐振区31的外围，光线从谐振区31发出，再从出光孔41射出，经过N型DBR 2和P型DBR 5反射，从P型DBR 5顶部的出光口射出。参考图2，光栅区32上设有环绕在谐振区31周围的复数同心的环形光栅33，环形光栅33能够对谐振区31发出的光进行反射，使谐振区31发出的光尽可能多的从出光孔41中射出，能够有效提高有源层3出光的单一性，实现单模出光，并且保证结构的稳定性。另外，最内侧环形光栅33的直径大于或等于出光孔41的直径，因此能够使谐振区31发出的光尽可能多的从出光孔41中穿过，并从顶部的出光口射出，提高单模输出光的强度。具体的，最内侧环形光栅33的直径比出光孔41的直径大0-100nm。在此范围内，能够实现器件的单纵模、低阈值电流工作。

在其中一个实施例中，从内向外，单数环形光栅33为凹槽、双数环形光栅33为凸起，或者，单数环形光栅33为凸起、双数环形光栅33为凹槽，并且该凹槽内填充有P型DBR材料。凹槽将相邻两个凸起间隔开，破坏了原本完整的有源层3的结构，使得仅在谐振区31发出光，而光栅区32不能正常出光，实现单模出光，增强光的单一性，并且缩小有源层3的出光区域，改变有源层3的结构和折射率，提高电光转换效率。凸起可以起到结构支撑的作用，避免器件发生塌陷、断裂。具体的，凹槽的深度和凸起的厚度比有源层的厚度小0-4nm。也就是，该凹槽的底部可不贯穿整个有源层3，保留有源层3最下层的部分结构。进一步的，凸起在衬底1上的投影宽度可大于或等于凹槽在衬底1上的投影宽度，以进一步提高凸起的支撑强度。

在另一个实施例中，从内向外，单数环形光栅33为改性结构、双数环形光栅33为未改性结构，或者，单数环形光栅33为未改性结构、双数环形光栅33为改性结构。具体的，谐振区31为三层InGaAs层，并且中间的InGaAs层的In的掺杂浓度与其上下两层的In的掺杂浓度不同。在该实施例中，可对有源层3上的光栅区32的材料进行改性，使光栅区32不能正常出光，只有谐振区31能正常出光。具体的，改变光栅区32内的部分区域的材料特性，将原本的InGaAs材料进行改性，得到改性结构，破坏有源层3结构，缩小有源层3的通光面积。虽然光栅区32中保留了部分未改性结构，但是相邻两个未改性结构被改性结构间隔开，也不能正常出光，实现中间谐振区31的单模光输出。具体的，改性结构的厚度比有源层的厚度小0-4nm。因此可以在保持有源层3的厚度不变，缩小谐振区31的体积，提高器件单模光输出。

具体的，衬底1的材料为GaAs，P型DBR 5和N型DBR 2均由AlGaAs和GaAs构成。P型DBR 5和N型DBR 2由若干反射层堆叠而成，在其中一个实施例中，P型DBR 5的反射层的总对数为28对，N型DBR 2的反射层的总对数为33对，P型DBR 5的直径为24μm，谐振区31的直径为8μm，两边的光栅区32的宽度为8μm，在光栅区32内，环形光栅33与谐振区31构成同心圆环结构，每个环形光栅33的外环半径和内环半径之差均为100nm，周期长度为200nm，占空比为50％，环形光栅33的周期为8μm/200nm＝40，环的个数为8μm/100nm＝80，环形光栅33的厚度为20nm。具体的，若环形光栅为凹槽，则该凹槽的深度为20nm。

在具体的实施例中，还包括钝化层8，钝化层8覆盖在衬底1表面除N型电极6以外的区域，并从N型DBR 2的两侧延伸至P型DBR 5的顶部除P型电极7和出光口以外的区域。

与之相对应的，参考图3a-3c和图1，本申请的实施例还提出了一种单模面射型激光器的制作方法，包括以下步骤：

(1)参考图3a，提供面射型激光器的中间制程结构，该中间制程结构包括衬底1以及衬底1上方的N型DBR 2和有源层3，其中，N型DBR 2由若干反射层堆叠而成，有源层3由至少三层量子阱结构堆叠而成，作为优选，衬底1为GaAs，有源层3为三层量子阱结构，N型DBR2由AlGaAs和GaAs构成，有源层3的材料为InGaAs。N型DBR 2和有源层3于衬底1上一次外延生长出，并且生长到三层量子阱结构时，停止生长。

(2)于有源层3上方涂覆光阻层，对光阻层进行电子束照射，移动电子束，并通过显影以于预设光栅区上形成多个同心间隔设置的环形显开窗口，定义出环形光栅33的形状，采用电子束曝光的方式能够保证所得到的环形光栅33的形状一致性良好。具体的，在有源层3上覆盖正性光阻形成光阻层，移动电子束，被电子束照射到的光阻层会变性，将其表面浸于显影液后，被电子束照射到的部分会出现环形显开窗口，实现光栅复刻。

(3)参考图3b，对环形显开窗口之内的有源层3进行蚀刻或改性，剥离剩余光阻层，形成光栅区32和谐振区31，谐振区31用于出光，光栅区32上设有环绕在谐振区31周围的复数同心的环形光栅33，环形光栅33对谐振区31的光进行反射，使谐振区31发出的光尽可能多的汇聚在谐振区31射出，能够有效提高有源层3出光的单一性，实现单模出光，并且保证结构的稳定性。在其中一个实施例中，通过在光栅区32对环形显开窗口之内的有源层3进行干法蚀刻，形成凹槽，其余未被蚀刻的部分形成凸起。在另一个实施例中，通过在光栅区32对环形显开窗口之内的有源层3进行材料改性，改性的方式可采用离子注入等，破坏有源层3的材料特性，经过改性的部分形成改性结构，其余部分形成未改性结构。

(4)参考图3c，于有源层3上方二次外延生长P型DBR 5，并于P型DBR 5氧化形成限制层4，限制层4包括中部的出光孔41及其外围的氧化区域42，出光孔41与谐振区31相对设置，可以保证谐振区31的出光从出光孔41中射出。具体的，P型DBR 5由AlGaAs和GaAs构成，在二次外延生长出P型DBR 5后，从侧面氧化部分P型DBR 5的外围区域形成氧化区域42，中间形成出光孔41。具体的，出光孔41的直径小于或等于最内侧环形光栅33的直径，出光孔41的直径比最内侧环形光栅33的直径小0-100nm，因此能够使谐振区31发出的光尽可能多的从出光孔41中穿过，并从出光口射出，提高单模输出光的强度。在器件工作过程中，电流可从出光孔41中流向谐振区31，并在谐振区31实现单模光输出。若环形光栅33为凹槽，则在二次外延生长P型DBR 5时，该凹槽内填充有P型DBR 5材料，即填充AlGaAs或GaAs，使有源层3的上表面保持平整，以进一步保证P型DBR 5的生长质量。

(5)参考图1，于P型DBR 5上制作P型电极7和出光口，于衬底1上制作N型电极6，P型电极7和出光口设在P型DBR 5的顶部，N型电极6设在N型DBR 2周围的衬底1上。

(6)沉积钝化层8，钝化层8覆盖在衬底1表面除N型电极6以外的区域，并从N型DBR2的两侧延伸至P型DBR 5的顶部除P型电极7和出光口以外的区域。因此在保证单模光能够从出光口射出的同时，还能提高器件的稳定性。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种单模面射型激光器，其特征在于：包括依次层叠的衬底、N型DBR、有源层、限制层和P型DBR，所述衬底上设有N型电极，所述P型DBR上设有P型电极和出光口，所述限制层包括中部的出光孔及其外围的氧化区域，所述有源层包括中间的谐振区及其外围的光栅区，所述光栅区上设有环绕在所述谐振区周围的复数同心的环形光栅，最内侧环形光栅的直径大于或等于出光孔的直径。

2.根据权利要求1所述的单模面射型激光器，其特征在于：最内侧环形光栅的直径比出光孔的直径大0-100nm。

3.根据权利要求1所述的单模面射型激光器，其特征在于：从内向外，单数环形光栅为凹槽、双数环形光栅为凸起，或者，单数环形光栅为凸起、双数环形光栅为凹槽，并且所述凹槽内填充有P型DBR材料。

4.根据权利要求3所述的单模面射型激光器，其特征在于：所述凹槽的深度和所述凸起的厚度比所述有源层的厚度小0-4nm。

5.根据权利要求1所述的单模面射型激光器，其特征在于：从内向外，单数环形光栅为改性结构、双数环形光栅为未改性结构，或者，单数环形光栅为未改性结构、双数环形光栅为改性结构。

6.根据权利要求5所述的单模面射型激光器，其特征在于：所述改性结构的厚度比所述有源层的厚度小0-4nm。

7.根据权利要求1所述的单模面射型激光器，其特征在于：所述谐振区为三层InGaAs层，并且中间的InGaAs层的In的掺杂浓度与其上下两层的In的掺杂浓度不同。

8.根据权利要求1所述的单模面射型激光器，其特征在于：所述光栅区的宽度为8μm，所述光栅区内的环形光栅的周期为40。

9.根据权利要求1所述的单模面射型激光器，其特征在于：每个所述环形光栅的外环半径和内环半径之差均为100nm。

10.一种单模面射型激光器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)提供面射型激光器的中间制程结构，所述中间制程结构包括衬底以及所述衬底上方的N型DBR和有源层；

2)于所述有源层上方涂覆光阻层，对所述光阻层进行电子束照射，并移动电子束，而后通过显影以于预设光栅区上形成复数同心间隔设置的环形显开窗口；

3)对所述环形显开窗口之内的所述有源层进行蚀刻或改性，并剥离剩余光阻层，形成中间的谐振区及其外围的光栅区，所述光栅区上设有环绕在所述谐振区周围的复数同心的环形光栅；

4)于所述有源层上方二次外延生长P型DBR，并于所述P型DBR氧化形成限制层，所述限制层包括中部的出光孔及其外围的氧化区域，所述出光孔的直径小于或等于最内侧环形光栅的直径；

5)于所述P型DBR上形成P型电极和出光口，于所述衬底上形成N型电极。

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