CN217882299U

CN217882299U - 一种边发射半导体激光器

Info

Publication number: CN217882299U
Application number: CN202221693803.6U
Authority: CN
Inventors: 李明欣; 宋云菲; 魏明
Original assignee: Wuxi Huachenxin Optical Semiconductor Technology Co ltd
Current assignee: Wuxi Huachenxin Optical Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2032-06-29

Abstract

本实用新型提供一种边发射半导体激光器，包括：位于半导体衬底层上的复合有源层，复合有源层包括依次层叠的第一有源层至第N有源层，复合有源层还包括：位于第k有源层和第k+1有源层之间的第k隧道结；位于复合有源层上的第一半导体包层；贯穿第一半导体包层和复合有源层的若干个沿着慢轴方向排布的第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽，第m刻蚀槽和第m+1刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第m脊形区；第m脊形区底部的第n有源层适于侧向发出第n行第m列光束；间隔的第一电极至第M电极，第m电极位于第m脊形区的顶部。所述边发射半导体激光器能出射二维阵列的散点光斑且可寻址，光功率输出高，3D感测模块的探测距离大，信噪比小，探测精度高。

Description

一种边发射半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种边发射半导体激光器。

背景技术

边发射半导体激光器是一种重要的半导体发光器件，其本质为PIN发光二极管。通过向边发射半导体激光器施加正向电压从而持续注入电流，使得电子空穴在本征层中的有源区(增益介质)复合产生受激辐射光子，光子在激光器前后端面形成的共振腔中反复振荡，在增益介质中激发出更多的受激辐射光子，从而实现光放大，当光子的增益高过阈值时，就可以从端面射出形成激光。由于受激辐射的作用，光子的光学性质高度一致，所以激光相比普通光源(阳光/白炽灯/LED等)有更好的单色性和方向性，也有更高的亮度。边发射半导体激光器由于其良好的光学特性，小尺寸，低成本和简易的封装形式，已经被大量用于工业加工、通信、医疗等领域。边发射半导体激光器的应用场景如光通信、泵浦光纤激光器、材料加工、激光医疗等领域。

随着AR/VR等技术的发展，衍生出了多种利用激光器实现3D感测的技术方案。常规可寻址VCSEL激光阵列芯片的光功率输出小，3D感测模块的探测距离小，信噪比高，探测精度小。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种边发射半导体激光器，以解决现有技术中可寻址VCSEL激光阵列芯片的光功率输出小，3D感测模块的探测距离小，信噪比高，探测精度小的问题。

本实用新型提供一种边发射半导体激光器，包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的复合有源层，所述复合有源层包括依次层叠的第一有源层至第N有源层，所述复合有源层还包括：位于第k有源层和第k+1有源层之间的第k隧道结，k为大于或等于1且小于或等于N－1的整数，N为大于或等于2的整数；位于所述复合有源层上的第一半导体包层；贯穿第一半导体包层和复合有源层的若干个沿着慢轴方向排布的第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽，第m刻蚀槽和第m+1刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第m脊形区；第m脊形区底部的第n有源层适于侧向发出第n行第m列光束，m为大于或等于1且小于或等于M的整数，n为大于或等于1且小于或等于N的整数，M为大于或等于1的整数；间隔的第一电极至第M电极，第m电极位于第m脊形区的顶部。

可选的，任意一个第n有源层包括层叠的第n上势垒层、第n量子阱层和第n下势垒层，第n量子阱层位于第n上势垒层和第n下势垒层之间。

可选的，还包括：位于第k有源层和第k隧道结之间的第2k－1间隔层；位于第k隧道结和第k+1有源层之间的第2k间隔层。

可选的，第2k－1间隔层、第2k间隔层以及第k隧道结的总厚度为0.4微米～1微米。

可选的，第2k－1间隔层的材料包括AlGaAs或GaAs；第2k间隔层的材料包括AlGaAs或GaAs。

可选的，任意一个第m脊形区的宽度为3微米～190微米。

可选的，第n行第m列光束的高度为0.5微米～1.5微米。

可选的，还包括：位于所述第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽中的绝缘填充层。

可选的，所述第一半导体包层包括：位于复合有源层背离所述半导体衬底层一侧的上波导层；位于所述上波导层背离所述复合有源层一侧的上限制层。

可选的，还包括：位于部分所述第一半导体包层上的钝化层，所述钝化层暴露出第一脊形区至第M脊形区；位于所述钝化层上的第一焊盘至第M焊盘；第一导电连接件至第M导电连接件，第m导电连接件电学连接第m焊盘和第m脊形区。

本实用新型提供的技术方案，具有如下效果：

本实用新型技术方案提供的边发射半导体激光器，第m电极位于第m脊形区的顶部，第m电极适于给第m脊形区施加电压，不同的电极控制不同的脊形区发光。第k有源层和第k+1有源层之间设置第k隧道结，第k隧道结使得第k量子阱层和第k+1量子阱层级联，使得电子空穴对在多个量子阱层实现复合，这样在同样的电流下，可以实现第n行第m列光束的功率多倍提升，且每一列能形成多个近场光斑。即实现二维阵列光斑的一维可寻址。

进一步，第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽均贯穿第一半导体包层和复合有源层，第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽还可以位于部分厚度的第二半导体包层中。所述边发射半导体激光器还包括：位于所述第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽中的绝缘填充层。这样使得相邻的脊形区之间的第一半导体包层相互绝缘，相邻的脊形区之间的复合有源层相互绝缘。这样相邻的脊形区的电导通状态相互不影响。对第一电极至第M电极上分别加电，这样能点亮整个纵向阵列光斑。在第一电极至第M电极上选择性的加电或者断电来实现纵列光斑的点亮或关闭。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型一实施例的边发射半导体激光器的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型设计了一种一维可寻址的边发射半导体激光器，边发射半导体激光器能够投射二维阵列的散点光斑，且能根据不同的场景需求，部分开启或关闭其中一部分光斑，边发射半导体激光器具有可寻址的功能。

具体的，本实用新型提供一种边发射半导体激光器，包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的复合有源层，所述复合有源层包括依次层叠的第一有源层至第N有源层，所述复合有源层还包括：位于第k有源层和第k+1有源层之间的第k隧道结，k为大于或等于1且小于或等于N－1的整数，N为大于或等于2的整数；位于所述复合有源层上的第一半导体包层；贯穿第一半导体包层和复合有源层的若干个沿着慢轴方向排布的第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽，第m刻蚀槽和第m+1刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第m脊形区；第m脊形区底部的第n有源层适于侧向发出第n行第m列光束，m为大于或等于1且小于或等于M的整数，n为大于或等于1且小于或等于N的整数，M为大于或等于1的整数；间隔的第一电极至第M电极，第m电极位于第m脊形区的顶部。

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实施例提供一种边发射半导体激光器，参考图1，包括：

半导体衬底层100；

位于所述半导体衬底层100上的复合有源层，所述复合有源层包括依次层叠的第一有源层131至第N有源层，所述复合有源层还包括：位于第k有源层和第k+1有源层之间的第k隧道结，k为大于或等于1且小于或等于N－1的整数，N为大于或等于2的整数；

位于所述复合有源层上的第一半导体包层；

贯穿第一半导体包层和复合有源层的若干个沿着慢轴方向排布的第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽，第m刻蚀槽和第m+1刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第m脊形区；第m脊形区底部的第n有源层适于侧向发出第n行第m列光束，m为大于或等于1且小于或等于M的整数，n为大于或等于1且小于或等于N的整数，M为大于或等于1的整数；

间隔的第一电极至第M电极，第m电极位于第m脊形区的顶部。

任意一个第n有源层包括层叠的第n上势垒层、第n量子阱层和第n下势垒层，第n量子阱层位于第n上势垒层和第n下势垒层之间。第n上势垒层位于第n下势垒层背离所述半导体衬底层的一侧。

本实施例中，第m电极位于第m脊形区的顶部，第m电极适于给第m脊形区施加电压，不同的电极控制不同的脊形区发光。第k有源层和第k+1有源层之间设置第k隧道结，第k隧道结使得第k量子阱层和第k+1量子阱层级联，使得电子空穴对在多个量子阱层实现复合，这样在同样的电流下，可以实现第n行第m列光束的功率多倍提升，且每一列能形成多个近场光斑。

所述第一半导体包层包括：位于复合有源层背离所述半导体衬底层100一侧的上波导层160；位于所述上波导层160背离所述复合有源层一侧的上限制层170。

所述边发射半导体激光器还包括：位于所述复合有源层和半导体衬底层100之间的第二半导体包层，所述第二半导体包层包括：下限制层110和下波导层120，下波导层120位于下限制层110和所述复合有源层之间。

第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽均贯穿第一半导体包层和复合有源层，第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽还可以位于部分厚度的第二半导体包层中。

所述边发射半导体激光器还包括：位于所述第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽中的绝缘填充层200。这样使得相邻的脊形区之间的第一半导体包层相互绝缘，相邻的脊形区之间的复合有源层相互绝缘。这样相邻的脊形区的电导通状态相互不影响。对第一电极至第M电极上分别加电，这样能点亮整个纵向阵列光斑。在第一电极至第M电极上选择性的加电或者断电来实现纵列光斑的点亮或关闭。即实现二维阵列光斑的一维可寻址。

本实施例中，由于隧道结的引入，可以在相同的驱动电流下，实现与常规设计相比多倍的功率提升。

相比于常规可寻址VCSEL激光阵列芯片，本设计利用边发射半导体激光器高功率密度的优势，可实现至少10倍的VCSEL激光阵列芯片的光功率输出，从而极大的提升3D感测模块的探测距离，同时降低信噪比，提升探测精度。

图1中以N等于3为示例进行说明，复合有源层包括依次层叠的第一有源层131、第二有源层132和第三有源层133，复合有源层还包括：位于第一有源层131和第二有源层132之间的第一隧道结151、位于第二有源层132和第三有源层133之间的第二隧道结152。

图1中以M等于4为示例进行说明，第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽为第一刻蚀槽、第二刻蚀槽、第三刻蚀槽、第四刻蚀槽和第五刻蚀槽。第一刻蚀槽和第二刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第一脊形区，第二刻蚀槽和第三刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第二脊形区，第三刻蚀槽和第四刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第三脊形区，第四刻蚀槽和第五刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第四脊形区。

在一个实施例中，第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽中任意一个刻蚀槽的宽度为10微米～50微米。这样使得在慢轴方向上相邻的脊形区的之间的间距较大，使得在慢轴方向上相邻的光斑之间的干扰较小。具体的，第一刻蚀槽的宽度为10微米～50微米，第二刻蚀槽的宽度为10微米～50微米，第三刻蚀槽的宽度为10微米～50微米，第四刻蚀槽的宽度为10微米～50微米，第五刻蚀槽的宽度为10微米～50微米。第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽中各个刻蚀槽宽度可保持一致，也可不一致。

间隔的第一电极至第M电极分别为：第一电极191、第二电极192、第三电极193和第四电极194。第一电极191位于第一脊形区的顶部，第二电极192位于第二脊形区的顶部，第三电极193位于第三脊形区的顶部，第四电极194位于第四脊形区的顶部。

第一有源层131包括自下至上层叠的第一下势垒层、第一量子阱层和第一上势垒层。第二有源层132包括自下至上层叠的第二下势垒层、第二量子阱层和第二上势垒层。第三有源层133包括自下至上层叠的第三下势垒层、第三量子阱层和第三上势垒层。

所述边发射半导体激光器还包括：位于第k有源层和第k隧道结之间的第2k－1间隔层；位于第k隧道结和第k+1有源层之间的第2k间隔层。

参考图1，所述边发射半导体激光器还包括：位于第一有源层131和第一隧道结151之间的第一间隔层141；位于第一隧道结151和第二有源层132之间的第二间隔层142；位于第二有源层132和第二隧道结152之间的第三间隔层143；位于第二隧道结152和第三有源层133之间的第四间隔层144。

在一个实施例中，第2k－1间隔层、第2k间隔层以及第k隧道结的总厚度为0.4微米～1微米。这样使得在纵向方向上相邻的有源层之间的间距不至于过小，每个有源层发出的光在纵向方向上的干扰较小。具体的，第一间隔层141、第二间隔层142和第一隧道结151的总厚度为0.4微米～1微米。第三间隔层143、第四间隔层144和第二隧道结152的总厚度为0.4微米～1微米。

第2k－1间隔层的材料包括AlGaAs或GaAs；第2k间隔层的材料包括AlGaAs或GaAs。

在一个实施例中，任意一个第m脊形区的宽度为3微米～190微米，例如，3微米、10微米、50微米、100微米、150微米或者190微米。具体的，第一脊形区的宽度为3微米～190微米，第二脊形区的宽度为3微米～190微米，第三脊形区的宽度为3微米～190微米，第四脊形区的宽度为3微米～190微米。

在一个实施例中，第n行第m列光束的高度为0.5微米～1.5微米。

所述边发射半导体激光器还包括：位于部分所述第一半导体包层上的钝化层180，所述钝化层180暴露出第一脊形区至第M脊形区；位于所述钝化层180上的第一焊盘至第M焊盘；第一导电连接件至第M导电连接件，第m导电连接件电学连接第m焊盘和第m脊形区。

所述钝化层180的材料包括SiNx、SiO₂、Al₂O₃或苯并环丁烯。

当M等于4时，第一焊盘至第M焊盘分别为第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘。第一导电连接件至第M导电连接件分别为第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims

1.一种边发射半导体激光器，其特征在于，包括：

半导体衬底层；

位于所述半导体衬底层上的复合有源层，所述复合有源层包括依次层叠的第一有源层至第N有源层，所述复合有源层还包括：位于第k有源层和第k+1有源层之间的第k隧道结，k为大于或等于1且小于或等于N－1的整数，N为大于或等于2的整数；

位于所述复合有源层上的第一半导体包层；

贯穿第一半导体包层和复合有源层的若干个沿着慢轴方向排布的第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽，第m刻蚀槽和第m+1刻蚀槽之间的第一半导体包层和复合有源层作为第m脊形区；

第m脊形区底部的第n有源层适于侧向发出第n行第m列光束，m为大于或等于1且小于或等于M的整数，n为大于或等于1且小于或等于N的整数，M为大于或等于1的整数；

间隔的第一电极至第M电极，第m电极位于第m脊形区的顶部。

2.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，任意一个第n有源层包括层叠的第n上势垒层、第n量子阱层和第n下势垒层，第n量子阱层位于第n上势垒层和第n下势垒层之间。

3.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，还包括：位于第k有源层和第k隧道结之间的第2k－1间隔层；位于第k隧道结和第k+1有源层之间的第2k间隔层。

4.根据权利要求3所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第2k－1间隔层、第2k间隔层以及第k隧道结的总厚度为0.4微米～1微米。

5.根据权利要求3所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第2k－1间隔层的材料包括AlGaAs或GaAs；第2k间隔层的材料包括AlGaAs或GaAs。

6.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，任意一个第m脊形区的宽度为3微米～190微米。

7.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，第n行第m列光束的高度为0.5微米～1.5微米。

8.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，还包括：位于所述第一刻蚀槽至第M+1刻蚀槽中的绝缘填充层。

9.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述第一半导体包层包括：位于复合有源层背离所述半导体衬底层一侧的上波导层；位于所述上波导层背离所述复合有源层一侧的上限制层。

10.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，还包括：位于部分所述第一半导体包层上的钝化层，所述钝化层暴露出第一脊形区至第M脊形区；位于所述钝化层上的第一焊盘至第M焊盘；第一导电连接件至第M导电连接件，第m导电连接件电学连接第m焊盘和第m脊形区。