TW202408111A - 垂直共振腔面射型雷射元件 - Google Patents
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Abstract
本申請公開了一種垂直共振腔面射型雷射元件，涉及半導體元件技術領域，本申請的垂直共振腔面射型雷射元件，包括層疊設置的基底、底部電極、底部反射器、多量子井層、頂部反射器以及頂部電極，頂部反射器中設置有電流限制層，其中，電流限制層包括電流限制區內以及電流限制區界定出的多個電流通道，多個電流通道之間間隔設置，多個電流通道低電阻，頂部電極與多個電流通道一一對應設置有多個通孔。本申請提供的垂直共振腔面射型雷射元件，能夠均衡電流通道的電流密度，以使垂直共振腔面射型雷射元件的光斑模態趨於高斯模態。
Description
本申請涉及半導體元件技術領域，具體而言，涉及一種垂直共振腔面射型雷射元件。
垂直共振腔面射型雷射元件（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL），又可以稱為垂直腔面發射雷射器，與一般用切開的獨立晶片製程，與雷射光由邊緣射出的邊射型雷射有所不同，垂直共振腔面射型雷射元件通過布拉格反射器形成諧振腔，光從垂直於半導體基底表面方向出射。相比邊射型半導體雷射器，VCSEL不存在光學腔面損傷，且具有低的閾值電流、動態單模工作、遠場發散角小、近圓形光斑、光方向垂直於基底表面，與光纖耦合效率高、易於集成二微陣列等優點，所以VCSEL在光互聯、光通訊、光信號處理以及WDM光纖通訊、神經網路、電腦晶片中有著廣泛的應用。基於VCSEL的3D人臉識別、手勢識別、虹膜識別、無人駕駛、雷射雷達等等應用都屬於研究熱點。
一般地，VCSEL由以下幾部分組成：基底、N-DBR、多量子井（Multiple Quantum Well, MQW）主動區、電流限制層、P-DBR、歐姆接觸層。N-DBR與P-DBR鏡面組成了VCSEL的光學諧振腔，MQW主動區為載流子增益介質，通過電泵浦實現VCSEL雷射元件的連續激射。為了降低雷射出射時的閾值電流，通常會採用電流局限結構，即通過限制氧化層形成未氧化區和氧化物限制區，其中未氧化區作為出光孔、同時作為電流的孔徑，限制電流僅能從出光孔通過，由於現有技術中出光孔的孔徑較大，當雷射元件工作時，由於電流分佈的關係，出光孔的外緣的電流密度最高，造成出光孔內電流密度不均，電流密度不均又會影響VCSEL光斑模態，無法得到理想的高斯模態。
本申請的目的在於提供一種垂直共振腔面射型雷射元件，能夠均衡電流通道的電流密度，以使垂直共振腔面射型雷射元件的光斑模態趨於高斯模態。
本申請的實施例提供了一種垂直共振腔面射型雷射元件，包括：層疊設置的一基底、一底部電極、一底部反射器、一多量子井層、一頂部反射器以及一頂部電極，該頂部反射器中設置有一電流限制層，其中，該電流限制層包括一電流限制區以及該電流限制區界定出的多個電流通道，多個該電流通道間隔設置，多個該電流通道低電阻，該頂部電極與多個該電流通道一一對應設置有多個通孔。
作為一種可實施的方式，多個該電流通道在該基底上的投影與多個該通孔在該基底上的投影一一對應。
作為一種可實施的方式，該電流通道的孔徑小於對應的該通孔的孔徑。
作為一種可實施的方式，該底部電極包括一底部歐姆接觸層以及連接設置於該底部歐姆接觸層兩側的一金屬電極，該底部歐姆接觸層位於該基底和該底部反射器之間，該底部歐姆接觸層的橫截面積大於該底部反射器的橫截面積以使該底部反射器與該底部歐姆接觸層之間形成一第一臺階，該底部歐姆接觸層的外周外露，該金屬電極設置於該底部歐姆接觸層外露部分的上表面上。
作為一種可實施的方式，該多量子井層的橫截面積小於該與該底部反射器的橫截面積以使該多量子井與該底部反射器之間形成一第二臺階，該底部反射器的外周外露。
作為一種可實施的方式，該第一臺階的表面、該第二臺階的表面以及該頂部反射器的表面設置有一抗反射層。
作為一種可實施的方式，該電流限制區採用離子注入形成，或者，該頂部反射器採用二次生長外延沉積以在該頂部反射器內形成該電流限制區。
作為一種可實施的方式，多個該電流通道的孔徑相同且均佈設置於該電流限制層上。
作為一種可實施的方式，該頂部反射器包括P型分散式布拉格反射器，該底部反射器包括N型分散式布拉格反射器。
5作為一種可實施的方式，該P型分散式布拉格反射器包括C摻雜的Al
xGa
1-XAs/GaAs交替設置形成的疊層，該N型分散式布拉格反射器包括Si摻雜的Al
xGa
1-XAs/GaAs交替設置形成的疊層。
本申請實施例的有益效果包括：
本申請提供的垂直共振腔面射型雷射元件，包括層疊設置的該基底、該底部電極、該底部反射器、該多量子井層、該頂部反射器以及該頂部電極，該頂部反射器中設置有該電流限制層，該垂直共振腔面射型雷射元件在工作時，該多量子井層在泵浦的作用下形成駐波，該頂部反射器和該底部反射器分別具有高於99%的反射效率，駐波在相對設置的該頂部反射器和該底部反射器之間來回反射，在反射過程中，駐波中光子能量逐漸增大形成激射，然後通過該電流限制層後由該頂部電極上的該等通孔出射。其中，該電流限制層包括該電流限制區內以及該電流限制區界定出的多個該電流通道，多個該電流通道間隔設置，多個該電流通道低電阻，該頂部電極與多個該電流通道一一對應設置有多個該通孔，使得施加於該頂部電極的電流由該電流通道施加於該多量子井層，對該多量子井層的材料泵浦形成駐波，多個該電流通道的設置使得電流沿多個該電流通道流通，從而均衡該電流通道的電流密度，以使該垂直共振腔面射型雷射元件的光斑模態趨於高斯模態。
為使本申請實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本申請實施例的元件可以以各種不同的配置來佈置和設計。
因此，以下對在附圖中提供的本申請的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本申請的範圍，而是僅僅表示本申請的選定實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。
應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。
在本申請的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，或者是該申請產品使用時慣常擺放的方位或位置關係，僅是為了便於描述本申請和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本申請的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用於區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
此外，術語“水準”、“豎直”等術語並不表示要求部件絕對水準或懸垂，而是可以稍微傾斜。如“水準”僅僅是指其方向相對“豎直”而言更加水準，並不是表示該結構一定要完全水準，而是可以稍微傾斜。
在本申請的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接可以是機械連接，也可以是電連接可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本申請中的具體含義。
在垂直共振腔面射型雷射元件工作時，為了降低雷射出射時的閾值電流，通常會採用電流局限結構，具體的，在多量子井層與頂部反射器之間設置電流限制層，電流限制層中的部分材料被氧化形成氧化物具有高的電阻，電流會沿著未被氧化的部分傳導，從而降低閾值電流，現有技術中，未被氧化的部分孔徑較大，由於電流分佈的關係，出光孔的外緣的電流密度最高，造成出光孔內電流密度不均。
本申請提供了一種垂直共振腔面射型雷射元件100，如圖1、圖2所示，包括層疊設置的一基底110、一底部電極120、一底部反射器130、一多量子井層140、一頂部反射器160以及一頂部電極170，該頂部反射器160中設置有一電流限制層150，其中，該電流限制層150包括複數個電流限制區152以及該等電流限制區152界定出的多個電流通道151，多個該電流通道151間隔設置，多個該電流通道151低電阻，該頂部電極170與多個該電流通道151一一對應設置有多個通孔171。
該頂部電極170與多個該電流通道151一一對應設置該等通孔171，該等通孔171作為雷射的出光口，該底部電極120和該頂部電極170上施加電壓形成電流，電流沿著該頂部反射器160、該電流限制層150中的該等電流通道151施加於該多量子井層140，使得該多量子井層140形成駐波，駐波中的光子在該底部反射器130和該頂部反射器160之間來回反射，在反射過程中，駐波中的光子能量逐漸增大形成激射，然後沿著該等電流通道151傳播並由該等通孔171出射。
其中，該電流限制層150可以採用高鋁組分的AlGaAs材料鋪設而成，該等電流限制區152內對高鋁組分的AlGaAs材料進行氧化形成Al
2O
3材料，Al
2O
3具有較大的電阻，對流到其處的電流具有一定的阻礙作用，高鋁組分的AlGaAs材料具有較小的電阻，能夠使得流到其處的電流快速傳導，當電流從該頂部電極170通過該頂部反射器160傳導至該電流限制層150時，電流只能從未被氧化的該等電流通道151傳導，多個該電流通道151的設置使得電流從多個該電流通道151分別流過，施加於該多量子井層140對該多量子井層140內的材料進行泵浦形成光子。多個該電流通道151的設置使得電流分散至多個該電流通道151，能夠均衡各該電流通道151的電流密度。
另外，該電流限制層150的形成方式本申請實施例不做限制，示例的，可以採用離子注入，對高鋁組分的AlGaAs中的該等電流限制區152進行He離子注入，具體的，採用高速運動的He離子破壞高鋁組分的AlGaAs晶體結構，使得高鋁組分的AlGaAs中的Al離子與氧離子結合形成氧化物。
其中，該底部反射器130和該頂部反射器160具有極高的反射率，通常情況下，該底部反射器130和該頂部反射器160的反射率均大於等於99%。
其中，該多量子井層140可包括多層層疊設置的量子井結構，每個量子井的具體結構本申請實施例不做限制，示例的，可包括GaAs層和位於GaAs層上的AlGaAs層交替設置形成的疊層，也可以包括GaAs層和位於GaAs層上的GaInAs層交替設置形成的疊層，還可以GaAs層和位於GaAs層上的AlGaInAs層交替設置形成的疊層。
需要說明的是，本申請實施例中的該等電流通道151作為電流流過的通道，同時也是激射光出射的通道。當該頂部電極170與多個該電流通道151一一對應設置有多個該通孔171，是為了在該頂部電極170上形成雷射出射的出射視窗。
還需要說明的是，當該電流限制層150的材料與該頂部反射器160中的材料相同時，可以將該電流限制層150設置在該頂部反射器160內其中的一層中。
本申請提供的該垂直共振腔面射型雷射元件100，包括層疊設置的該基底110、該底部電極120、該底部反射器130、該多量子井層140、該電流限制層150、該頂部反射器160以及該頂部電極170，該垂直共振腔面射型雷射元件100在工作時，該多量子井層140在泵浦的作用下形成駐波，該頂部反射器160和該底部反射器130分別具有高於99%的反射效率，駐波在相對設置的該頂部反射器160和該底部反射器130之間來回反射，在反射過程中，駐波中光子能量逐漸增大形成激射，然後通過該電流限制層150後由該頂部電極170上的該等通孔171出射。其中，該電流限制層150包括該等電流限制區152以及該等電流限制區152界定出的多個該電流通道151，多個該電流通道151間隔設置，多個該電流通道151低電阻，該頂部電極170與多個該電流通道151一一對應設置有多個該通孔171，使得施加於該頂部電極170的電流由該等電流通道151施加於該多量子井層140，對該多量子井層140的材料泵浦形成駐波，多個該電流通道151的設置使得電流沿多個該電流通道151流通，從而均衡各該電流通道151的電流密度，以使該垂直腔面發射雷射器100的光斑模態趨於高斯模態。
可選的，如圖1所示，多個該電流通道151在該基底110上的投影與多個該通孔171在該基底110上的投影一一對應。
多個該電流通道151在該基底110上的投影於多個通道在該基底110上的投影一一對應，當駐波中光子能量逐漸增大形成激射時，通常情況下，激射形成的雷射的出射方向垂直於該頂部反射器160出射，當多個該電流通道151在該基底110上的投影與多個該通孔171在該基底110上的投影一一對應時，激光沿著該等電流通道151的延伸方向傳播至該等通孔171並從該等通孔171出射，從而提高雷射的出射率。
本申請實施例的一種可實現的方式中，如圖1所示，該等電流通道151的孔徑小於與對應的該等通孔171的孔徑。
當該多量子井層140形成激射從該頂部反射器160出射時，由於該等電流限制區152的存在，激射光由該等電流通道151出射，由於激射光出射時具有發散角，將該等通孔171的孔徑設置的大於該等電流通道151的孔徑，使得與該等電流通道151的軸向平行和與該等電流通道151的軸向具有較小的夾角的激射光均可以由該等通孔171出射，從而提高激射光的出光效率，從而提高該垂直腔面發射雷射元件100的發光效率。
可選的，該底部電極120包括底部一歐姆接觸層121以及連接設置於該底部歐姆接觸層121兩側的一金屬電極122，該底部歐姆接觸層121位於該基底110和該底部反射器130之間，該底部歐姆接觸層121的橫截面積大於該底部反射器130的橫截面積以使該底部反射器130與該底部歐姆接觸層121之間形成一第一臺階，該底部歐姆接觸層121的外周外露，該金屬電極122設置於該底部歐姆接觸層121外露部分的上表面上。
該底部歐姆接觸層121的橫截面積大於該底部反射器130的橫截面積以使該底部反射器130與該底部歐姆接觸層121之間形成該第一臺階，從而使得施加於底部歐姆接觸上的電流在流向該底部反射器130時，能夠對電流的流道進行縮減，從而降低電流的閾值電流。
另外，該底部歐姆接觸層121與該底部反射器130之間形成該第一臺階，台階面上可以用來設置該金屬電極122，使得該金屬電極122直接與該底部歐姆接觸層121接觸，減少了電流流過的路徑，從而減少了電流流通過程中的損耗。
本領域技術人員應當知曉，在該垂直共振腔面射型雷射元件100的生產過程中，在同一晶片上一次製備多個該垂直共振腔面射型雷射元件100，後續進行切割形成單個的該垂直共振腔面射型雷射元件100，為了避免切割時應力造成該底部歐姆接觸層121的損傷，本申請實施例將該底部歐姆接觸層121的橫截面積小於該基底110的橫截面積，使得相鄰兩個該垂直共振腔面射型雷射元件100的該底部歐姆接觸層121間隔設置，預留出切割空間，切割形成單個的該垂直共振腔面射型雷射元件100時，只需要從間隔處進行切割即可。
本申請實施例的一種可實現的方式中，如圖1所示，該多量子井層140的橫截面積小於與該底部反射器130的橫截面積以使該多量子井與底部反射器130之間形成該第二臺階，該底部反射器130的外周外露。
該多量子井層140的橫截面積小於該底部反射器130的橫截面積以使該多量子阱層140與該底部反射器130之間形成該第二臺階，從而使得施加於該底部反射器130的電流流向該多量子井層140時，能夠對電流的流到進行縮減，從而降低電流的閾值電流。
可選的，如圖1所示，該第一臺階的表面、該第二臺階的表面以及該頂部反射器160的表面設置有一抗反射層180。
該第一臺階面、該第二臺階面的表面以及該頂部反射器160的表面設置有該抗反射層180，該抗反射層180能夠避免傳播至該第一臺階表面、該第二臺階表面以及該頂部反射器160表面的雷射進行反射，也就是全部出射，從而提高雷射的出射率。其中，位於該頂部反射器160的表面的該抗反射層180覆蓋該頂部電極170上的該等通孔171。
本申請實施例的一種可實現的方式中，該等電流限制區152採用離子注入形成，或者，該頂部反射器160採用二次生長外延沉積以在該頂部反射器160內形成該電流限制區層。
該等電流限制區152為對高鋁組分的材料的AlGaAs材料進行氧化形成Al
2O
3材料，Al
2O
3具有較大的電阻，對流到其處的電流具有一定的阻礙作用。具體的，可以先沉積AlGaAs材料，再對高鋁組分的AlGaAs中的電流限制區152進行He離子注入，具體的，採用高速運動的He離子破壞高鋁組分的AlGaAs晶體結構，使得高鋁組分的AlGaAs中的Al離子與氧離子結合形成氧化物。
另外，因為該電流限制層150為該頂部反射器160中的一層進行氧化得到的，而該頂部反射器160為疊層設置，在該頂部反射器160製備的過程中，可以將其中某一層AlGaAs材料刻蝕，形成對應該等電流限制區152的凹槽，再在凹槽內沉積Al
2O
3形成該等電流限制區152，以形成該電流限制層150，再進行剩餘部分的該頂部反射器160的製備。
可選的，如圖2所示，多個該電流通道151的孔徑相同且均佈設置於該電流限制層150上。
多個該電流通道151的孔徑相同設置，使得流經多個該電流通道151的電流相同，避免了其中某些電流通道孔徑較大造成電流不均勻。另外，該等電流通道151的孔徑的具體數值本申請實施例不做限制，本領域技術人員可以根據垂直共振腔面射型雷射元件的大小以及電流密度的需要進行設置。
當多個該電流通道151均佈設置於該電流限制層150上時，電流會被均分到多個該電流通道151上，從而進一步均衡各該電流通道151的電流密度，以使該垂直共振腔面射型雷射元件100的光斑模態趨於高斯模態。
本申請實施例的一種可實現的方式中，該頂部反射器160包括P型分佈式布拉格反射器，該底部反射器130包括N型分散式布拉格反射器。
當該頂部反射器160包括P型分散式布拉格發射器，該底部反射器130包括N型分散式布拉格反射器式，該頂部反射器160與該底部反射器130內的載流子的類型不同，能夠避免載流子在非產生雷射激射的區域內複合，造成能量損失。
可選的，P型分散式布拉格反射器包括C摻雜的Al
xGa
1-XAs/GaAs交替設置形成的疊層，N型分散式布拉格反射器包括Si摻雜的Al
xGa
1-XAs/GaAs交替設置形成的疊層。
其中，Al
xGa
1-XAs/GaAs具有較大的折射率，GaAs具有較小的折射率，兩者之間具有較大的折射率差，從而提高分散式布拉格反射器的反射率。其中，P型分散式布拉格反射器在Al
xGa
1-XAs/GaAs中摻雜C，C進入Al
xGa
1-XAs/GaAs的晶格後取代Al原子、Ga離子的位置，使得原有的Al原子、Ga離子位置多出空穴，形成P型分散式布拉格反射器。N型分散式布拉格反射器同理設置。
以上僅為本申請的優選實施例而已，並不用於限制本申請，對於本領域的技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的保護範圍之內。
100:垂直共振腔面射型雷射元件
110:基底
120:底部電極
121:底部歐姆接觸層
122:金屬電極
130:底部反射器
140:多量子井層
150:電流限制層
151:電流通道
152:電流限制區
160:頂部反射器
170:頂部電極
171:通孔
180:抗反射層
為了更清楚地說明本申請實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本申請的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
第1圖為本申請實施例提供的一種垂直共振腔面射型雷射元件的結構示意圖之一
第2圖為本申請實施例提供的一種垂直共振腔面射型雷射元件的結構示意圖之二
100:垂直共振腔面射型雷射元件
110:基底
120:底部電極
121:底部歐姆接觸層
122:金屬電極
130:底部反射器
140:多量子井層
150:電流限制層
151:電流通道
152:電流限制區
160:頂部反射器
170:頂部電極
171:通孔
180:抗反射層
Claims (10)
- 一種垂直共振腔面射型雷射元件，其特徵在於，包括： 層疊設置的一基底、一底部電極、一底部反射器、一多量子井層、一頂部反射器以及一頂部電極，該頂部反射器中設置有一電流限制層，其中，該電流限制層包括一電流限制區以及該電流限制區界定出的多個電流通道，多個該電流通道間隔設置，多個該電流通道低電阻，該頂部電極與多個該電流通道一一對應設置有多個通孔。
- 如請求項1所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，多個該電流通道在該基底上的投影與多個該通孔在該基底上的投影一一對應。
- 如請求項2所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該電流通道的孔徑小於對應的該通孔的孔徑。
- 如請求項1所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該底部電極包括一底部歐姆接觸層以及連接設置於該底部歐姆接觸層兩側的一金屬電極，該底部歐姆接觸層位於該基底和該底部反射器之間，該底部歐姆接觸層的橫截面積大於該底部反射器的橫截面積以使該底部反射器與該底部歐姆接觸層之間形成一第一臺階，該底部歐姆接觸層的外周外露，該金屬電極設置於該底部歐姆接觸層外露部分的上表面上。
- 如請求項4所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該多量子井層的橫截面積小於該與該底部反射器的橫截面積以使該多量子井與該底部反射器之間形成一第二臺階，該底部反射器的外周外露。
- 如請求項5所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該第一臺階的表面、該第二臺階的表面以及該頂部反射器的表面設置有一抗反射層。
- 如請求項1所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該電流限制區採用離子注入形成，或者，該頂部反射器採用二次生長外延沉積以在該頂部反射器內形成該電流限制區。
- 如請求項1所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，多個該電流通道的孔徑相同且均佈設置於該電流限制層上。
- 如請求項1所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該頂部反射器包括P型分散式布拉格反射器，該底部反射器包括N型分散式布拉格反射器。
- 如請求項9所述之垂直共振腔面射型雷射元件，其中，該P型分散式布拉格反射器包括C摻雜的Al xGa 1-XAs/GaAs交替設置形成的疊層，該N型分散式布拉格反射器包括Si摻雜的Al xGa 1-XAs/GaAs交替設置形成的疊層。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2022109235149 | 2022-08-02 | ||
| CN202210923514.9A CN115313151A (zh) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | 一种垂直腔面发射激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202408111A true TW202408111A (zh) | 2024-02-16 |
Family
ID=83858830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW112128706A TW202408111A (zh) | 2022-08-02 | 2023-07-31 | 垂直共振腔面射型雷射元件 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115313151A (zh) |
| TW (1) | TW202408111A (zh) |
-
2022
- 2022-08-02 CN CN202210923514.9A patent/CN115313151A/zh active Pending
-
2023
- 2023-07-31 TW TW112128706A patent/TW202408111A/zh unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115313151A (zh) | 2022-11-08 |
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