TWI845258B - 高速垂直腔面射型雷射及具有其的電子設備、製造方法 - Google Patents
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Abstract
本公開提供了一種高速垂直腔面射型雷射及具有其的電子設備、製造方法，所述高速垂直腔面射型雷射包括基板層、第一電極層、第一反射器層、主動層、氧化限制層、第二反射器層和第二電極層，其中所述氧化限制層的氧化孔徑形狀為具有非旋轉對稱性的多邊形，採用本公開的高速垂直腔面射型雷射，能夠減小雷射器的相對強度雜訊，同時提高相對強度雜訊和均方根譜寬的一致性，極大地提升了通信品質。
Description
本公開一般涉及光電裝置技術領域，具體涉及一種高速垂直腔面射型雷射及具有其的電子設備、製造方法。
垂直腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)因具有體積小、功耗低、易集成、調製速率高和圓形光束輸出等諸多優勢，可廣泛應用於光通信、3D感測和雷射雷達等領域。
由於VCSEL的氧化限制層中氧化孔徑形狀會影響雷射器的模式，並進一步影響相對強度雜訊(Relative Intensity Noise，RIN)和均方根譜寬(Root Mean Square，RMS)等重要特性。目前，相關技術中VCSEL的氧化孔徑形狀通常為圓形，具有極高的旋轉對稱性，這就造成在同一頻點上容易出現兩個甚至多個簡併模式，而簡併模式之間會存在模態競爭現象，導致模態分割雜訊(Mode Partition Noise，MPN)增加，進而引起相對強度雜訊(RIN)增加，同時使得相對強度雜訊(RIN)和均方根譜寬(RMS)的一致性變差，因此會導致通信系統的誤碼率(Bit Error Ratio，BER)提升，嚴重影響通信品質。
鑒於相關技術中的上述缺陷或不足，期望提供一種高速垂直腔面射型雷射及具有其的電子設備、製造方法，能夠減小雷射器的相對強度雜訊，同時提高相對強度雜訊和均方根譜寬的一致性，從而解決因相對強度雜訊和色散過大而導致誤碼率增加的問題，提升通信品質。
第一方面，本公開提供一種高速垂直腔面射型雷射，所述高速垂直腔面射型雷射包括基板層、第一電極層、第一反射器層、主動層、氧化限制層、第二反射器層和第二電極層，其中所述氧化限制層的氧化孔徑形狀為具有非旋轉對稱性的多邊形。
可選地，在本公開一些實施例中，所述氧化孔徑設置在所述氧化限制層的中間位置。
可選地，在本公開一些實施例中，所述第一電極層處於所述基板層的下方，所述第一反射器層、所述主動層、所述氧化限制層、所述第二反射器層和所述第二電極層依次堆疊在所述基板層的上方。
可選地，在本公開一些實施例中，所述第一反射器層和所述第二反射器層包括布拉格反射器層和高對比光柵層中的至少一種。
可選地，在本公開一些實施例中，所述第一電極層和所述第二電極層包括N型電極層和P型電極層中的任意一種。
可選地，在本公開一些實施例中，所述主動層包括單量子阱層和多量子阱層中的任意一種。
第二方面，本公開提供一種電子設備，所述電子設備包括第一方面中任意一項所述的高速垂直腔面射型雷射。
第三方面，本公開提供一種高速垂直腔面射型雷射的製造方法，所述方法應用於第一方面中任意一項所述的高速垂直腔面射型雷射，所述方法包括：提供所述基板層，並在所述基板層上方依次形成所述第一反射器層、所述主動層、所述氧化限制層和所述第二反射器層；設置多個溝槽(Trench)，並通過蝕刻使所述氧化限制層裸露，以對所述氧化限制層進行部分氧化，獲得所述具有非旋轉對稱性的多邊形氧化孔徑；對蝕刻後的溝槽進行金屬填充，並在所述基板層下方形成所述第一電極層以及在所述第二反射器層上方形成所述第二電極層。
可選地，在本公開一些實施例中，相鄰的所述溝槽之間的距離不完全相等。
從以上技術方案可以看出，本公開實施例具有以下優點：本公開實施例提供了一種高速垂直腔面射型雷射及具有其的電子設備、製造方法，通過將高速垂直腔面射型雷射的氧化限制層中氧化孔徑形狀設置為具有非旋轉對稱性的多邊形，打破了圓形氧化孔徑模式分佈的旋轉對稱性，減小了同一頻點上多個簡併模式的產生，進而能夠減小雷射器的相對強度雜訊，同時提高相對強度雜訊和均方根譜寬的一致性，極大地提升了通信品質。
100:高速垂直腔面射型雷射
101:基板層
102:第一電極層
103:第一反射器層
104:主動層
105:氧化限制層
1051:氧化孔徑
1052:溝槽
106:第二反射器層
107:第二電極層
200:電子設備
通過閱讀參照以下圖式所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本公開的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：圖1為本公開實施例提供的一種高速垂直腔面射型雷射的剖面結構示意圖。
圖2為一種相關技術的圓形氧化孔徑高速VCSEL的氧化孔徑區域俯視圖及對應光譜模式分佈圖。
圖3為本公開實施例提供的一種具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑高速VCSEL的氧化孔徑區域俯視圖及對應光譜模式分佈圖。
圖4為一種相關技術的圓形氧化孔徑高速VCSEL和本公開實施例提供的一種具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑高速VCSEL的RIN盒鬚圖對比示意。
圖5為一種相關技術的圓形氧化孔徑高速VCSEL和本公開實施例提供的一種具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑高速VCSEL的RMS盒鬚圖對比示意。
圖6為本公開實施例提供的一種電子設備的結構框圖。
圖7為本公開實施例提供的一種高速垂直腔面射型雷射的製造方法的基本流程示意圖。
圖8為本公開實施例提供的高速VCSEL之部分氧化孔徑形狀的俯視圖及對應近場光斑圖。
為了使本技術領域的人員更好地理解本公開方案，下面將結合本公開實施例中的圖式，對本公開實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本公開一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本公開中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本公開保護的範圍。
本公開的說明書和申請專利範圍及上述圖式中的術語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用於區別類似的物件，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的資料在適當情況下可以互換，以便描述的本公開的實施例能夠以除了在這裡圖示或描述的那些以外的順序實施。
此外，術語“包括”和“具有”以及它們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或模組的過程、方法、系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或模組，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或模組。
為便於理解和說明，下面通過圖1至圖8詳細地闡述本公開實施例提供的高速垂直腔面射型雷射及具有其的電子設備、製造方法。
請參考圖1，其為本公開實施例提供的一種高速垂直腔面射型雷射的剖面結構示意圖。該高速垂直腔面射型雷射100包括基板層101、第一電極層102、第一反射器層103、主動層104、氧化限制層105、第二反射器層106和第二電極層107。
其中，氧化限制層105的氧化孔徑形狀為具有非旋轉對稱性的多邊形，比如該多邊形包括但不限於四邊形、五邊形和六邊形等。可選地，本公開實施例中氧化孔徑1051設置在氧化限制層105的中間位置，以多邊形是五邊形為例。如圖2所示，其為一種相關技術的圓形氧化孔徑高速VCSEL的氧化孔徑區域俯視圖及對應光譜模式分佈圖，而如圖3所示，其為本公開實施例提供的一種具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑高速VCSEL的氧化孔徑區域俯視圖及對應光譜模式分佈圖，其中光譜模式分佈圖的橫座標表示波長，縱座標表示發光
強度。結合圖2和圖3可以看出，具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑打破了圓形氧化孔徑模式分佈的旋轉對稱性，使得簡併模式分離，從而避免了同一頻點上多個簡併模式的產生。
進一步地，如圖4所示，其為一種相關技術的圓形氧化孔徑高速VCSEL和本公開實施例提供的一種具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑高速VCSEL的相對強度雜訊(RIN)盒鬚圖對比示意，以及如圖5所示，其為一種相關技術的圓形氧化孔徑高速VCSEL和本公開實施例提供的一種具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑高速VCSEL的均方根譜寬(RMS)盒鬚圖對比示意。結合圖4和圖5可以看出，具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑能夠減小模態分割雜訊(MPN)，從而可以有效減小VCSEL的相對強度雜訊(RIN)，並提高相對強度雜訊(RIN)和均方根譜寬(RMS)的一致性，大幅提升了通信品質。
可選地，本公開實施例的高速垂直腔面射型雷射100包括但不限於頂部發射結構和底部發射結構。比如圖1所示的頂部發射結構，該結構中第一電極層102處於基板層101的下方，第一反射器層103、主動層104、氧化限制層105、第二反射器層106和第二電極層107依次堆疊在基板層101的上方。
可選地，本公開實施例中第一反射器層103和第二反射器層106可以包括N型反射器層和P型反射器層中的任意一種。進一步地，第一反射器層103和第二反射器層106可以包括布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)層和高對比光柵(High Contrast Grating，HCG)層中的至少一種。也就是說，第一反射器層103和第二反射器層106均為布拉格反射器層，或者第一反射器層103和第二
反射器層106均為高對比光柵層，再或者第一反射器層103和第二反射器層106中的一個為布拉格反射器層，另一個為高對比光柵層。
可選地，本公開實施例中第一電極層102和第二電極層107可以包括N型電極層和P型電極層中的任意一種。
可選地，本公開實施例中主動層104可以包括單量子阱層和多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)層中的任意一種，用於在通電情況下進行發光。
本公開實施例提供了一種高速垂直腔面射型雷射，通過將高速垂直腔面射型雷射的氧化限制層中之氧化孔徑形狀設置為具有非旋轉對稱性的多邊形，打破了圓形氧化孔徑模式分佈的旋轉對稱性，減小了同一頻點上多個簡併模式的產生，進而能夠減小雷射器的相對強度雜訊，同時提高相對強度雜訊和均方根譜寬的一致性，極大地提升了通信品質。
基於前述實施例，請參考圖6，其為本公開實施例提供的一種電子設備的結構框圖。其中，該電子設備200包括圖1~圖5對應實施例的高速垂直腔面射型雷射100。比如，該電子設備200可以包括但不限於光學模組和積體光電子晶片等。
本公開實施例提供了一種電子設備，由於該電子設備的高速垂直腔面射型雷射通過將氧化限制層中之氧化孔徑形狀設置為具有非旋轉對稱性的多邊形，打破了圓形氧化孔徑模式分佈的旋轉對稱性，減小了同一頻點上多個簡併模式的產生，進而能夠減小雷射器的相對強度雜訊，同時提高相對強度雜訊和均方根譜寬的一致性，極大地提升了通信品質。
基於前述實施例，請參考圖7，其為本公開實施例提供的一種高速垂直腔面射型雷射的製造方法的基本流程示意圖。該方法可以應用於圖1~圖5對應實施例的高速垂直腔面射型雷射100，具體包括如下步驟：
S101，提供基板層，並在基板層上方依次形成第一反射器層、主動層、氧化限制層和第二反射器層。
示例性地，以圖1所示結構為例，採用有機金屬化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或者分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy，MBE)等技術在基板層101上週期交替生長形成第一反射器層103、主動層104、Al0.98Ga0.02As高鋁含量的氧化限制層105和週期交替生長形成第二反射器層106。
S102，設置多個溝槽，並通過蝕刻使氧化限制層裸露，以對氧化限制層進行部分氧化，獲得具有非旋轉對稱性的多邊形氧化孔徑。
示例性地，本公開實施例可以設置五個等間距或者非等間距的溝槽1052，即相鄰溝槽1052之間的距離相等或者不等。微影之後獲得溝槽圖形，並通過感應耦合電漿(Inductively Coupled Plasma，ICP)蝕刻，使得Al0.98Ga0.02As高鋁含量的氧化限制層105裸露，再通過濕式氧化方式獲得具有非旋轉對稱性的五邊形氧化孔徑，其中氧化孔徑1051設置在Al0.98Ga0.02As高鋁含量的氧化限制層105的中間位置。如圖8所示，其為本公開實施例提供的高速VCSEL部分氧化孔徑形狀的俯視圖及對應近場(Near field，NF)光斑圖，本公開實施例通過對溝槽1052位置進行不同設定，可以得到不同形狀的五邊形氧化孔徑，同時通過五個溝槽1052的氧化方式，能夠提升高速垂直腔面射型雷射100的穩定性和可靠性。
S103，對蝕刻後的溝槽進行金屬填充，並在基板層下方形成第一電極層以及在第二反射器層上方形成第二電極層。
示例性地，本公開實施例通過磁控濺射方式對溝槽進行金屬填充，並通過電極蒸鍍製程獲得第一電極層102對應的N型金屬電極，以及通過磁控濺射方式和剝離製程獲得第二電極層106對應的P型金屬電極，再將鍍好電極的雷射器放入快速退火爐進行退火以達到合金的目的，使得電極與半導體材料之間能夠形成良好的歐姆接觸，提高裝置的電學特性，由此得到如圖1所示的高速垂直腔面射型雷射100。
需要說明的是，本實施例中與其它實施例中相同步驟和相同內容的說明，可以參照其它實施例中的描述，此處不再贅述。
本公開實施例提供了一種垂直腔面射型雷射的製造方法，通過將高速垂直腔面射型雷射的氧化限制層中之氧化孔徑形狀設置為具有非旋轉對稱性的多邊形，打破了圓形氧化孔徑模式分佈的旋轉對稱性，減小了同一頻點上多個簡併模式的產生，進而能夠減小雷射器的相對強度雜訊，同時提高相對強度雜訊和均方根譜寬的一致性，極大地提升了通信品質。
以上實施例僅用以說明本公開的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本公開進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等效替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本公開各實施例技術方案的精神和範圍。
Claims (9)
- 一種高速垂直腔面射型雷射，其特徵在於，該高速垂直腔面射型雷射包括基板層、第一電極層、第一反射器層、主動層、氧化限制層、第二反射器層和第二電極層，其中該氧化限制層的氧化孔徑之形狀為具有非旋轉對稱性的多邊形。
- 根據請求項1所述的高速垂直腔面射型雷射，其中，該氧化孔徑設置在該氧化限制層的中間位置。
- 根據請求項1至2中任意一項所述的高速垂直腔面射型雷射，其中，該第一電極層處於該基板層的下方，該第一反射器層、該主動層、該氧化限制層、該第二反射器層和該第二電極層依次堆疊在該基板層的上方。
- 根據請求項3所述的高速垂直腔面射型雷射，其中，該第一反射器層和該第二反射器層包括布拉格反射器層和高對比光柵層中的至少一種。
- 根據請求項4所述的高速垂直腔面射型雷射，其中，該第一電極層和該第二電極層包括N型電極層和P型電極層中的任意一種。
- 根據請求項5所述的高速垂直腔面射型雷射，其中，該主動層包括單量子阱層和多量子阱層中的任意一種。
- 一種包含垂直腔面射型雷射的電子設備，其特徵在於，該電子設備包括請求項1至6中任意一項所述的高速垂直腔面射型雷射。
- 一種高速垂直腔面射型雷射的製造方法，其特徵在於，該製造方法應用於請求項1至6中任意一項所述的高速垂直腔面射型雷射，該製造方法包括：提供該基板層，並在該基板層上方依次形成該第一反射器層、該主動層、該氧化限制層和該第二反射器層； 設置多個溝槽，並通過蝕刻使該氧化限制層裸露，以對該氧化限制層進行部分氧化，獲得該形狀為具有非旋轉對稱性的多邊形之該氧化孔徑；對蝕刻後的該多個溝槽進行金屬填充，並在該基板層下方形成該第一電極層以及在該第二反射器層上方形成該第二電極層。
- 根據請求項8所述的高速垂直腔面射型雷射的製造方法，其中，該多個溝槽中的相鄰溝槽之間的距離不完全相等。
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