CN217444828U - 一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器，包括：衬底，至少一发光单元，设置在衬底上，且发光单元包括至少两个有源层，且有源层通过隧道结连接。以及绝缘层，设置在衬底上，且覆盖发光单元侧壁。其中，发光单元呈线性排布，以形成垂直腔面发射激光器阵列。其中，垂直腔面发射激光器阵列的长边与短边的比值大于或等于三。本实用新型提出的垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器减小了发散角。

Description

一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)是以砷化镓等半导体材料为基础研制，有别于发光二极管和激光二极管等其他光源的半导体装置。具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉和易集成为大面积阵列等优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。但是，一般的垂直腔面发射激光器阵列的发散角较大，限制了发光范围，也增加了后期光学设计的复杂度。

因此，如何获取小发散角的垂直腔面发射激光器阵列，增加光射范围，并缩小后期光学设计的复杂度已经成为亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本申请提出一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器。本申请将垂直腔面发射激光器阵列设计为一维线性排列结构，通过电流限制层获取发光孔，在短脉冲大电流的工作条件下减小了发散角的直径。本申请提高了光射范围范围，同时也缩小后期光学设计的复杂度。

为实现上述目的及其他目的，本申请提出一种垂直腔面发射激光器阵列，包括：

衬底；

至少一发光单元，设置在所述衬底上，且所述发光单元包括至少两个有源层，且所述有源层通过隧道结连接；以及

绝缘层，设置在所述衬底上，且覆盖所述发光单元侧壁；

其中，所述发光单元呈线性排布，以形成所述垂直腔面发射激光器阵列；

其中，所述垂直腔面发射激光器阵列的长边与短边的比值大于或等于三。

在本实用新型一实施例中，所述发光单元还包括：

第一反射层，位于所述衬底上；

有源层，位于所述第一反射层上；

第二反射层，位于所述有源层上；

电流限制层，位于所述第二反射层上，以形成发光区。

在本实用新型一实施例中，所述发光单元还包括第一欧姆金属，且所述第一欧姆金属呈环状。

在本实用新型一实施例中，所述绝缘层上设置有第一电极，且所述第一电极通过所述第一欧姆金属与所述发光单元欧姆接触。

在本实用新型一实施例中，所述第一欧姆金属为圆环状、椭圆形环状、矩形环状或六边形环状。

在本实用新型一实施例中，所述垂直腔面发射激光器阵列还包括第二电极，且所述第二电极设置在所述衬底的下表面。

在本实用新型一实施例中，所述发光单元中设置有发光孔，所述电流限制层的氧化层宽度小于所述发光孔的直径。

在本实用新型一实施例中，所述发光孔的直径大于20μm。

在本实用新型一实施例中，所述垂直腔面发射激光器阵列包括一发散角，所述发散角随电流密度的增加而降低。

本申请还提出一种激光发射器，包括：

基板；以及

至少一发光元件，所述发光元件包括至少一垂直腔面发射激光器阵列；

其中，所述垂直腔面发射激光器阵列包括：

衬底；

至少一发光单元，设置在所述衬底上，且所述发光单元包括至少两个有源层，且所述有源层通过隧道结连接；以及

绝缘层，设置在所述衬底上，且覆盖所述发光单元侧壁；

其中，所述发光单元呈线性排布，以形成所述垂直腔面发射激光器阵列；

其中，所述垂直腔面发射激光器阵列的长边与短边的比值大于或等于三。综上所述，本申请提出一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器。本申请将垂直腔面发射激光器阵列设计为一维线性排列结构，通过电流限制层获取发光孔，在短脉冲大电流的工作条件下减小了发散角的直径。本申请提高了光射范围范围，同时也缩小后期光学设计的复杂度。

附图说明

图1为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列结构示意图；

图2为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列外延层结构示意图；

图3为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列电流限制层示意图；

图4为普通垂直腔面发射激光器阵列发散角随电流密度变化曲线示意图；

图5为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列发散角随电流密度变化曲线示意图；

图6为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列线性结构示意图；

图7为本申请在一实施例中的激光发射器结构示意图。

附图标记说明：

10 衬底；

20 外延层；

201 第一反射层；

202 有源层；

2021 第一半导体层；

2022 有源区；

2023 第二半导体层；

212 隧道结；

203 第二反射层；

30 绝缘层；

40 第一欧姆金属；

50 第一电极；

60 第二电极；

70 电流限制层；

101 第一发光单元；

102 第二发光单元；

103 第三发光单元；

104 第四发光单元；

100 激光发射器；

200 基板；

300 发光元件；

400 垂直腔面发射激光器阵列。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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。

本申请提出一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器。通过电流限制层获取发光孔，在短脉冲大电流的工作条件下减小了发散角的直径。

请参阅图1，图1为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列结构示意图。本申请提出一种垂直腔面发射激光器阵列400，在本申请的一实施例中，垂直腔面发射激光器阵列400可以包括衬底10和外延层20。在本实施例中，可以在外延层20上形成多个发光单元。在本实施例中，发光单元可以包括第一发光单元101、第二发光单元102、第三发光单元103以及第四发光单元104，并用于发射激光束。

请参阅图1，在本申请的一些实施例中，衬底10可以采用适于形成垂直腔面发射激光器阵列400的材料，例如为砷化镓(GaAs)或其他材料的半导体衬底。衬底10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，也可以是半绝缘衬底，掺杂可以降低后续形成的欧姆金属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10例如为N型掺杂半导体衬底(导电衬底)。

请参阅图1和图2，图2为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列外延层结构示意图。在本申请的一实施例中，在后续工艺中可在外延层20上形成多个发光单元，发光单元可以包括第一发光单元101、第二发光单元102、第三发光单元103以及第四发光单元104。第一发光单元101、第二发光单元102、第三发光单元103以及第四发光单元104可以为相同结构，并用于发射激光束。该外延层20可以包括第一反射层201，至少两个有源层202，隧道结212及第二反射层203。

请参阅图1和图2，在本申请的一些实施例中，第一反射层201的材料可以包括例如AlGaAs和GaAs，或者高铝组分AlGaAs和低铝组分AlGaAs的层叠材料。该第一反射层201可以为N型反射镜，该第一反射层201可以为N型的布拉格反射镜。第二反射层203的材料可以包括例如AlGaAs和GaAs，或者高铝组分AlGaAs和低铝组分AlGaAs的层叠材料。第二反射层203可以为P型反射镜，第二反射层203可以为P型的布拉格反射镜。

请参阅图1和图2，在本实施例中，在第一反射层201上形成了两个有源层202，在两个有源层202内还形成隧道结212。两个有源层202通过隧道结212间隔开来，也就是说有源层202可以通过隧道结212串联。该有源层202包括第一半导体层2021，有源区2022和第二半导体层2023，有源区2022位于第一半导体层2021和第二半导体层2023之间。第一半导体层2021和第二半导体层2023可以包括一个单独的材料层，但是第一半导体层2021和第二半导体层2023也可以包括一层以上的材料层。第一半导体层2021和第二半导体层2023可包括GaAs，其中第一半导体层2021可以为轻微N型掺杂，第二半导体层2023可以为P型掺杂。在一些实施例中，第一半导体层2021和第二半导体层2023还可以包括其他的材料，这些材料具有不同的掺杂构造。在本实施例中，有源区2022也可以称为活性区，有源区2022内包括多个量子结构层，所述量子结构层具有带隙波长，所述量子结构层中的每一层发射工作波长的光。

请参阅图1和图2，在一些实施例中，还可以在第一反射层201和第二反射层203之间形成三个、四个或更多数量的有源层202，且这些有源层202可以通过隧道结212串联起来。

请参阅图1和图2，在本实施例中，在两个有源层202之间还形成有隧道结212。隧道结212可例如采用GaAs同质隧道结，采用超薄层的隧道结212可以减少对光子的吸收损耗。隧道结212可以放置在该垂直腔面发射激光器阵列400的光学谐振腔的驻波节点处，这样可以减少隧道结212与光场的相互作用，也起到降低吸收/损耗的作用。在本实施例中，隧道结212位于有源层202之间，使得多个有源层202形成串联结构。载流子可以重复得到利用，在不提高电流的前提下提高每一发光单元的出光强度，进而提高发光单元的功率密度。

请参阅图1和图2，在本实施例中，在外延层20上还形成有第一欧姆金属40，该第一欧姆金属40位于外延层20的顶部，且第一欧姆金属40与发光单元欧姆接触。绝缘层30可以设置在衬底10的上表面且覆盖发光单元，绝缘层30从外延层20的顶部沿着外延层20的侧壁延伸至衬底10上。绝缘层30未完全覆盖外延层20，即绝缘层30在外延层20的顶部形成开口。因此绝缘层30未完全覆盖外延层20的顶部，也就是说可以暴露出部分第一欧姆金属40。在两个发光单元之间也可以形成有绝缘层30，以防止两个发光单元之间相互接触。绝缘层30的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘材料，绝缘层30的厚度范围可以为例如100-300nm。在本实施例中，可例如通过化学气相沉积的方式形成绝缘层30。在本申请的一实施例中，外延层20的上表面可以形成多个环形第一欧姆金属40。在本实施例中，第一欧姆金属40的形状可例如为圆环状。在其他实施例中，第一欧姆金属40的形状还可以为椭圆形环状、矩形环状、六边形环状或者其他形状。第一欧姆金属40的形状可根据需要进行选择，第一欧姆金属40可例如通过化学气相沉积的方法形成。第一欧姆金属40的材料可包括Au金属、Pt金属、Ge金属、Ti金属及Ni金属中的一种或组合，具体可根据需要进行选择。

请参阅图1和图2，在本实施例中，在每个外延层20上还设置有第一电极50，第一电极50上还可以包括焊料层，第一电极50的材料可以例如为Au金属，Cu金属，Pt金属，Ti金属及Ni金属中的一种或其组合。第一电极50位于绝缘层30上，且第一电极50覆盖绝缘层30，并覆盖第一欧姆金属40。焊料层的材料例如为银锡合金。当绝缘层30完全覆盖外延层20时，第一电极50无法与第一欧姆金属40连接。当绝缘层30未完全覆盖外延层20时，第一电极50可以和第一欧姆金属40连接。电流可以通过第一欧姆金属40进入外延层20内，从而发射激光束。需要说明的是，第一发光单元101、第二发光单元102、第三发光单元103以及第四发光单元104之间具有绝缘层30，因此向其中的一个发光单元通入电流时，电流无法进入其他的发光单元中。

请参阅图1和图2，在本实施例中，第二电极60可以设置在衬底10的底面。第二电极60可以作为垂直腔面发射激光器阵列400的阴极。第二电极60的材料可以为Au金属、Cu金属、Ti金属及Ni金属中的一种或其组合。

请参阅图1-图3，图3为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列电流限制层示意图。在本实施例中，在第一发光单元101、第二发光单元102、第三发光单元103以及第四发光单元104内还形成有电流限制层70，电流限制层70可以位于第一反射层201中，当然也可以位于第二反射层203中。通过电流限制层70可以在发光单元中中形成发光孔。在本实施例中(如图3)，L表示电流限制层70的氧化层长度，D表示发光孔(即氧化孔)直径。发光孔的直径的范围可以为例如10-50微米，也就是说发光孔直径的范围可以为例如10-50微米。在本实施例中，发光孔的直径范围可以大于20微米，此时发光孔直径大于20微米，有利于产生更大的功率。同时由于有效发光面积增大，填充率变大，在相同的功率条件下可以节省芯片面积，芯片的小型化有利于模组进一步的小型化。在本申请的一些实施例中，电流限制层70包括空气柱型电流限制结构、离子注入型电流限制结构、掩埋异质结型电流限制结构与氧化限制型电流限制结构的一种，本实施例中可以采用氧化限制型电流限制结构。

请参阅图1-图3，当垂直腔面发射激光器阵列400工作时，电流从第一电极50注入，经过第二反射层203进入有源层202。由于电流限制层70的存在，电流无法通过电流限制层70。因此只能在发光区域内产生受激发射，形成环形波导结构，并在第一反射层201和第二反射层203形成的谐振腔内形成激光振荡。激光振荡从第二反射层203出射，形成出射光线。

请参阅图1-图6，图4为普通垂直腔面发射激光器阵列发散角随电流密度变化曲线示意图，图5为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列发散角随电流密度变化曲线示意图，图6为本申请在一实施例中的垂直腔面发射激光器阵列线性结构示意图。在本申请的一实施例中，可以将垂直腔面发射激光器阵列400设计为一维线性阵列结构。发光单元呈一维线性排列在衬底10上，第一电极50覆盖发光单元的外围，此时垂直腔面发射激光器阵列400的长边与短边的比值大于或等于三。由于发光阵列是一维的，输入电流从打线处流入，增加了电流到达线性阵列末端的路径长度。第一电极50可以看成是串联电阻，可以通过调整第一电极50的高度、宽度以及大小等参数，相应减小金属的电阻值。其中图5为发光孔径为25um时的发散角与电流密度之间的关系，当本器件在短脉冲大电流的工况下工作时，发散角度随着电流密度的增加而降低，其中，在电流密度为例如100kA/cm²时，本申请提出的垂直腔面发射激光器阵列400的发散角明显小于一般腔面发射激光器阵列的发散角。

请参阅图7，图7为本申请在一实施例中的激光发射器结构示意图。基于同样的构思，本申请还提出一种激光发射器，该激光发射器100可以包括一基板200以及设置于基板200上的发光元件300。发光元件300内可以包括至少一个垂直腔面发射激光器阵列400，垂直腔面发射激光器阵列400可以包括多个发光单元。在本实施例中，通过在垂直腔面发射激光器阵列400中形成的多个发光单元，可以在相同的电流条件下，减小发散角的直径，提高了光射范围范围，同时也缩小后期光学设计的复杂度。

综上所述，本申请提出一种垂直腔面发射激光器阵列及激光发射器。本申请将垂直腔面发射激光器阵列设计为一维线性排列结构，通过电流限制层获取发光孔，在短脉冲大电流的工作条件下减小了发散角的直径。本申请提高了光射范围范围，同时也缩小后期光学设计的复杂度。

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，本申请中所涉及的实用新型范围，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实用新型构思的情况下，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，为突出本实用新型的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，包括：

衬底；

至少一发光单元，设置在所述衬底上，且所述发光单元包括至少两个有源层，且所述有源层通过隧道结连接；以及

绝缘层，设置在所述衬底上，且覆盖所述发光单元侧壁；

其中，所述发光单元呈线性排布，以形成所述垂直腔面发射激光器阵列；

其中，所述垂直腔面发射激光器阵列的长边与短边的比值大于或等于三。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述发光单元还包括：

第一反射层，位于所述衬底上；

有源层，位于所述第一反射层上；

第二反射层，位于所述有源层上；

电流限制层，位于所述第二反射层上，以形成发光区。

3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述发光单元还包括第一欧姆金属，且所述第一欧姆金属呈环状。

4.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述绝缘层上设置有第一电极，且所述第一电极通过所述第一欧姆金属与所述发光单元欧姆接触。

5.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述第一欧姆金属为圆环状、椭圆形环状、矩形环状或六边形环状。

6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器阵列还包括第二电极，且所述第二电极设置在所述衬底的下表面。

7.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述发光单元中设置有发光孔，所述电流限制层的氧化层宽度小于所述发光孔的直径。

8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述发光孔的直径大于20μm。

9.根据权利要求6所述的垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器阵列包括一发散角，所述发散角随电流密度的增加而降低。

10.一种激光发射器，其特征在于，包括：

基板；以及

至少一发光元件，所述发光元件包括至少一垂直腔面发射激光器阵列；

其中，所述垂直腔面发射激光器阵列包括：

衬底；

至少一发光单元，设置在所述衬底上，且所述发光单元包括至少两个有源层，且所述有源层通过隧道结连接；以及

绝缘层，设置在所述衬底上，且覆盖所述发光单元侧壁；

其中，所述发光单元呈线性排布，以形成所述垂直腔面发射激光器阵列；

其中，所述垂直腔面发射激光器阵列的长边与短边的比值大于或等于三。

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