CN117080865A - 一种模态可控的垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模态可控的垂直腔面发射激光器。所述垂直腔面发射激光器包括自上而下的上DBR、氧化限制层、有源层、下DBR，在上DBR顶面设置有上电极以及用于激光出射的出光窗口；在所述出光窗口上表面的中间区域敷设有与上电极电连接的透明电极层，在出光窗口下方的上DBR中形成有高电阻的电流注入限定区，所述电流注入限定区是以所述透明电极层作为掩模向上DBR进行离子注入所形成。相比现有技术，本发明技术方案可对高阶横模进行有效抑制，且制造工艺简单，实现成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，简称VCSEL），尤其涉及一种模态可控的垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器具有较高的光功率，同时可以很好地控制横向模态，因此在光通讯、姿态感知传感器、印刷以及磁存储等领域拥有极大的应用前景。但因其器件结构存在有源区薄，腔长短，单层增益较小等缺陷，为提高其有效光子限制能力，目前多采用氧化限制型DBR（Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜）结构。氧化限制型结构形成的氧化孔对注入到有源区的电流具有非常好的横向控制能力，使得横向几乎无电流。同时这一氧化孔结构还可以将激光器有源区发出的光进行一定的横向束缚，减少激光器的模态，模态减少可以很好地稳定激光器。
氧化限制型VCSEL在工作过程中经电极注入至有源区的电流分布是不均匀的，注入电流不均匀性分布表现为从电极边缘至出光窗口中心区域减小，电极边缘处电流最大，注入的电流越大这一不均匀性分布现象越严重，且随着有源区的增大电流越发集中于电极的边缘处。电极边缘注入至有源区边缘电流的多，有源区中心区域注入电流少造成激光器产生多种模态，特别是大电流条件下高阶横模模态增多。激光器模态的增多增加了模态间切换的可能性。在光通信应用中，不同模态间切换所形成的差异化的上升与下降时间会造成眼图确定性抖动，当垂直腔面发射激光器与多模光纤耦合时会产生差模延迟现象，致使这一确定性抖动会变得更加严重。因此，有必要对氧化限制型VCSEL进行调控，以尽可能减少不期望的模态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种模态可控的垂直腔面发射激光器，可对高阶横模进行有效抑制，且制造工艺简单，实现成本较低。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种模态可控的垂直腔面发射激光器，包括自上而下的上DBR、氧化限制层、有源层、下DBR，在上DBR顶面设置有上电极以及用于激光出射的出光窗口；在所述出光窗口上表面的中间区域敷设有与上电极电连接的透明电极层，在出光窗口下方的上DBR中形成有高电阻的电流注入限定区，所述电流注入限定区是以所述透明电极层作为掩模向上DBR进行离子注入所形成。
作为其中一个优选方案，所述透明电极层为透明导电氧化物/金属/透明导电氧化物的三明治叠层结构。
进一步优选地，所述三明治叠层结构的总厚度为20-100 nm，中间的金属膜层厚度为3-10 nm。
进一步优选地，所述透明电极层使用真空蒸镀工艺制备。
作为其中另一个优选方案，，所述透明电极层为以下任意一种材料或两种以上复合：纳米金属、导电石墨烯、导电碳纳米芽。
优选地，离子注入深度为从上DBR表层至有源层上方1～2 um。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在出光窗口中间区域制作与上电极电性连接的透明电极层，并以该透明电极层为掩模通过离子注入方式在出光窗口边缘区域下方的上DBR中形成高电阻的电流注入限定区，透明电极层可对注入电流方向进行引导，有效增大纵向注入至有源区的电流，而电流注入限定区可对上DBR中的横向电流进行抑制，有利于电流注入至有源区中心处，从而可将注入电流很好地限制于有源层中心区域至出光窗口中心区域的范围内，降低产生高阶横模的可能性，提升了激光器的工作稳定性和可靠性。
附图说明
图1为几种不同形状透明电极层和电流注入限定区的VCSEL俯视图；
图2为第一种VCSEL沿 A-A方向的剖面结构示意图；
图3为第一种VCSEL沿 B-B方向的剖面结构示意图；
图4～图17为第一种VCSEL的制备过程示意图。
图中包含以下附图标记：
1、GaAs衬底；2、缓冲层；3、N型DBR；4、有源层；5、氧化限制层；6、P型DBR；7、N型电极，8、P型电极；9、钝化层；10、透明电极层；11、电流注入限定区。
实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是在出光窗口中间区域制作与上电极电性连接的透明电极层，并以该透明电极层为掩模通过离子注入方式在出光窗口边缘区域下方的上DBR中形成高电阻的电流注入限定区，透明电极层可对注入电流方向进行引导，有效增大纵向注入至有源区的电流，而电流注入限定区可对上DBR中的横向电流进行抑制，从而将注入电流很好地限制于有源层中心区域至出光窗口中心区域的范围内，降低产生高阶横模的可能性。
本发明所提出模态可控的垂直腔面发射激光器，包括自上而下的上DBR、氧化限制层、有源层、下DBR，在上DBR顶面设置有上电极以及用于激光出射的出光窗口；在所述出光窗口上表面的中间区域敷设有与上电极电连接的透明电极层，在出光窗口下方的上DBR中形成有高电阻的电流注入限定区，所述电流注入限定区是以所述透明电极层作为掩模向上DBR进行离子注入所形成。
作为其中一个优选方案，所述透明电极层为透明导电氧化物/金属/透明导电氧化物的三明治叠层结构。
进一步优选地，所述三明治叠层结构的总厚度为20-100 nm，中间的金属膜层厚度为3-10 nm。
进一步优选地，所述透明电极层使用真空蒸镀工艺制备。
作为其中另一个优选方案，，所述透明电极层为以下任意一种材料或两种以上复合：纳米金属、导电石墨烯、导电碳纳米芽。
优选地，离子注入深度为从上DBR表层至有源层上方1～2 um。
为便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1～图3所示，本实施例中的VCSEL包括GaAs衬底1、缓冲层2、N型DBR 3、有源层4、氧化限制层5、P型DBR 6、N 型电极7、P型电极8、钝化层9，在P型DBR 6顶面上形成有圆形出光窗口，该出光窗口位于有源层4中心区域及氧化限制层5的氧化孔的上方；与现有VCSEL不同的是，在出光窗口上表面的中间区域敷设有与P型电极8电连接的透明电极层10，在出光窗口下方的P型DBR 6中形成有高电阻的电流注入限定区11，所述电流注入限定区11是以所述透明电极层10作为掩模向P型DBR 6进行离子注入所形成。图1显示了三种不同的透明电极层和电流注入限定区形态，第一种形态的透明电极层主体部分形状为与圆形出光窗口同心但半径略小的圆形，主体部分通过两端的窄通道与P型电极8电连接；第二种形态的透明电极层主体部分形状为与圆形出光窗口同心且被圆形出光窗口包围的正方形，主体部分通过两端的窄通道与P型电极8电连接；第三种形态的透明电极层主体部分形状为被圆形出光窗口包围的椭圆型，主体部分通过两端的窄通道与P型电极8电连接。图2、图3分别为第一种形态VCSEL在A-A方向、B-B方向的剖面结构。
该VCSEL所采用的制备工艺具体如下：
步骤1、本发明VCSEL所用外延片截面见图4，其包括自下而上的GaAs衬底、缓冲层、N型DBR、有源层、高铝含量的待氧化层、P型DBR；在外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚5-15um；对光刻胶曝光显影，得到P-Mesa（P型主动区平台）圆环形光刻胶，参见图5；
步骤2、采用ICP干法刻蚀工艺，刻蚀步骤1得到的外延片，刻蚀气体为Cl2/BCl3或Cl2/SiCl4，刻蚀至有源层之下1-10对N-DBR，使得高铝含量的待氧化层暴露出来，参见图6；去除光刻胶，得到P Mesa，参见图7；
步骤3、采用湿法氧化工艺将高铝含量的待氧化层中外围的Al氧化，中间区域未被氧化，从而得到具有氧化限制型层的P Mesa结构，参见图8；
步骤4、在步骤3得到的外延片表面镀钝化层，镀膜工艺为PECVD或者ALD，膜层为SiNx、SiO2、SiON、Al2O3、TiO2等，膜层可以为单层或上述膜材的叠层，膜厚为20-1000 nm，参见图9；
步骤5、对步骤4完成的外延片进行金属Via孔刻蚀，刻蚀气体为CF4+Ar或者BOE，得到具有金属Via孔的外延片，参见图10；
步骤6、对步骤5得到的外延片沉积金属填充金属Via孔并形成Pad，金属为Au、Pt、Ag、Al等；参见图11；
步骤7、对步骤6得到的外延片在外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚5-15 um。对光刻胶曝光显影，使得仅出光窗口处无光刻胶，参见图12；
步骤8、对步骤7完成的外延片进行出光窗口介质层刻蚀，刻蚀气体为CF4+Ar或者BOE，去胶后得到出光窗口无介质层的外延片，参见图13；以上步骤1～步骤8为现有技术，此时所得到的即为传统氧化限制型VCSEL；
步骤9、将步骤8得到的外延片置于真空腔室内进行透明电极层的膜层蒸镀，蒸镀过程采用物理掩模版遮挡激光器其它部分，仅使得出光窗口中心部分区域表面被蒸镀，激光器其余部分被物理掩模版遮挡而不会被蒸镀；
透明电极层的膜层材料可以采用纳米金属、导电石墨烯、导电碳纳米芽等单一材质或两种以上复合，也可以采用透明导电氧化物/金属/透明导电氧化物的三明治叠层结构；采用三明治叠层结构的透明电极层在同等膜厚条件下方阻更低，可以达到1-5Ω/□，同时可以具有最高达90%的透过率，镀膜工艺在室温即可以实现，方阻均一性好，而常用的ITO导电膜方阻一般大于20Ω/□，且达到这一方阻需要ITO膜厚大于100 nm，镀膜工艺为高温环境，一般不低于300℃ ，方阻均一性差，且为有氧环境，易于将被镀膜器件氧化，而单层金属的光透过率很低，同时，单层金属易于被氧化，性质不稳定。因此，本发明优选采用透明导电氧化物/金属/透明导电氧化物的三明治叠层结构的透明电极层，例如ITO/Ag/ITO、ITO/Au/ITO、ITO/Cu/ITO、ITO/Ti/ITO、IGZO/Ag/IGZO、IGZO/Au/IGZO、IGZO/Cu/IGZO、IGZO/Ti/IGZO、AZO/Ag/AZO、AZO/Au/AZO、AZO/Cu/AZO、AZO/Ti/AZO、ZnO/Ag/ZnO、ZnO/Au/ZnO、ZnO/Cu/ZnO、ZnO/Ti/ZnO、IAO/Ag/IAO、IAO/Au/IAO、IAO/Cu/IAO、IAO/Ti/IAO等，膜层总厚度20-100 nm，金属膜层膜厚3-10 nm，所得外延片参见图14（A-A方向）和图15（B-B方向）；
步骤10、如图16所示，对步骤9得到的外延片进行离子注入，注入离子为H、O、Ar、F等，本实施例中离子注入深度为从P型DBR表层至有源层上方1～2 um，所使用注入能量为50-300 Kev，注入计量为5E13-5E15/cm2；离子注入后在出光窗口下方未被透明电极层遮挡的P型DBR区域形成具有较高电阻的电流注入限定区，参见图17。
本发明通过透明电极层和电流注入限定区可实现对注入电流的引导和限制，将注入电流限制于有源层中心区域至出光窗口中心区域的范围内，降低产生高阶横模的可能性，实现模态有效调控；此外，所述透明电极层可通过现有成熟薄膜沉积工艺制备得到，而所述电流注入限定区直接以透明电极层作为掩模，利用成熟的离子注入工艺制备得到，实现工艺简单，生产成本较低。
Claims (6)
1.一种模态可控的垂直腔面发射激光器，包括自上而下的上DBR、氧化限制层、有源层、下DBR，在上DBR顶面设置有上电极以及用于激光出射的出光窗口；其特征在于，在所述出光窗口上表面的中间区域敷设有与上电极电连接的透明电极层，在出光窗口下方的上DBR中形成有高电阻的电流注入限定区，所述电流注入限定区是以所述透明电极层作为掩模向上DBR进行离子注入所形成。
2.如权利要求1所述模态可控的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述透明电极层为透明导电氧化物/金属/透明导电氧化物的三明治叠层结构。
3.如权利要求2所述模态可控的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述三明治叠层结构的总厚度为20-100 nm，中间的金属膜层厚度为3-10 nm。
4.如权利要求2所述模态可控的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述透明电极层使用真空蒸镀工艺制备。
5.如权利要求1所述模态可控的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述透明电极层为以下任意一种材料或两种以上复合：纳米金属、导电石墨烯、导电碳纳米芽。
6.如权利要求1所述模态可控的垂直腔面发射激光器，其特征在于，离子注入深度为从上DBR表层至有源层上方1～2 um。
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