垂直腔面发射激光器及其制作方法技术

一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，垂直腔面发射激光器包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N面电极、N型衬底、N型DBR、有源区、以及P型DBR；多个台面结构，由该外延结构表面向下刻蚀至N型DBR表面或内部一设定深度得到；其中，多个台面结构沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，在多个台面结构之间存在绝缘介质膜实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜的光学厚度为四分之一波长奇数倍；多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜之上的P面电极实现交相互连和电流注入。能够同时实现大口径范围内光功率密度均匀分布、输出模式稳定、和高质量光束输出，且与现有垂直腔面发射激光器制备工艺兼容，制备工艺简单、重复性好及成本低。

Vertical Cavity Surface Emission Laser and Its Fabrication Method

A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) and its fabrication method include an epitaxy structure consisting of a N-plane electrode, a N-type substrate, a N-type DBR, an active region, and a P-type DBR from bottom to top; a plurality of mesa structures are obtained by downward etching of the surface of the epitaxy structure to a set depth of the N-type DBR surface or interior; and a plurality of mesa structures are along the surface of the N-type DBR. The output aperture axis is circular and densely packed, and there are insulating dielectric films between various mesa structures to achieve electrical isolation. The optical thickness of the insulating dielectric film is odd times of one quarter wavelength. The P-plane electrodes covering the insulating dielectric film are used to realize cross-connection and current injection among the mesa structures. It can achieve uniform distribution of optical power density, stable output mode, and high quality beam output in large aperture range. It is compatible with the existing vertical cavity surface emitting laser fabrication process, and has simple fabrication process, good repeatability and low cost.

【技术实现步骤摘要】
垂直腔面发射激光器及其制作方法
本公开属于半导体激光器
，涉及一种垂直腔面发射激光器及其制作方法。
技术介绍
大功率、低能耗和高波长稳定性垂直腔面发射半导体激光器VCSEL在激光测距、激光雷达、空间激光通信等国防安全领域具有重要的应用。要实现器件的大功率输出的一个重要手段就是增加VCSEL的出光口径，但出光口径增大会出现的注入电流不均、模式损耗增强，输出功率降低，光束质量变差的问题。为了改善大口径VCSEL载流子聚集效应，现有技术主要包括：采用环形桥型分布电极实现了工作电流相对均匀分布，改善了激射光场能量分布；采用透明导电薄膜结构作为电流扩展层改善电流分布的同时，增大了高阶模式的阈值增益，实现基模对高阶模的抑制；采用N面制作种子源激光器约束P面的主光源激光器，改善大口径VCSEL的光束质量。但是，现有技术存在结构设计复杂、易引入界面态杂质污染、工艺制作复杂、成本高昂的不足。因此，现有技术中存在大口径VCSEL光功率密度分布不均，模式损耗严重，导致输出功率降低、光束质量变差的技术问题。因此，有必要提出一种大功率VCSEL的结构，其能够同时实现大口径范围内光功率密度均匀分布、输出模式稳定、和高质量光束输出，且在此基础上实现对应结构的制备工艺较为简单、无界面态杂质污染、降低成本等效果。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种垂直腔面发射激光器，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N面电极108、N型衬底107、N型DBR106、有源区105、以及P型DBR103；多个台面结构201，由该外延结构表面向下刻蚀至N型DBR106表面或内部一设定深度得到；其中，多个台面结构201沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，在多个台面结构之间存在绝缘介质膜102实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜102的光学厚度为四分之一波长奇数倍；多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜102之上的P面电极101实现交相互连和电流注入。在本公开的一些实施例中，垂直腔面发射激光器，还包括：氧化限制层104，位于有源区105之上，该氧化限制层104呈一环形，该环形的中心部分形成出光孔径的通道。在本公开的一些实施例中，各个台面结构之间存在台面间隙202，该台面间隙202的宽度大于一恒定值，以保证氧化限制层104形成过程中湿法氧化气流分布的均匀性；同时，该台面间隙202的宽度为固定值或以器件中心向两侧方向逐渐减小；和/或，该台面间隙202由电镀厚金或聚酰亚胺/苯丙环丁烯(PI/BCB)材料填充；和/或，刻蚀的设定深度为有源区105下表面的第1～3对N型DBR106。在本公开的一些实施例中，有源区105包括：有源层125；P型波导层135，位于有源层125上方，作为P侧增益导引层；以及N型波导层115，位于有源层125下方，作为N侧增益导引层；其中，P型波导层135、有源层125和N型波导层115的总光学厚度为波长整数倍。在本公开的一些实施例中，有源层的结构为如下结构中的一种或几种：单层的量子阱、量子点及量子线结构，或多层的量子阱、量子点及量子线结构；和/或，有源层的材料为有源介质材料，包括如下材料中的一种：III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料；和/或，有源层的增益峰值波长范围涵盖近紫外到红外波段；和/或，P型波导层135和N型波导层115为非掺杂结构。在本公开的一些实施例中，P型DBR103和N型DBR106是由两种不同折射率材料交替排列以成对的方式形成多个周期的结构，且P型DBR103和N型DBR106的掺杂浓度从靠近有源区105向远离有源区105两侧的方向呈逐渐增大的趋势。在本公开的一些实施例中，多个台面结构201整体形成一个共用下方N型DBR106及该N型DBR106下方结构的台面阵列结构，该台面阵列结构的外围为器件扩展区203，该器件扩展区203用于集成更多台面。在本公开的一些实施例中，P面电极101为Ti/Au或Ti/Pt/Au结构，N面电极108为AuGeNi/Au、Au/Ge/Ni或Au/Ge结构。根据本公开的另一个方面，提供了一种本公开提到的任一种垂直腔面发射激光器的制作方法，该制作方法包括：制作一外延结构，该外延结构自下而上包含：N型衬底107、N型DBR106、有源区105、以及P型DBR103；制作多个台面结构201，由制作的外延结构向下采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式刻蚀至N型DBR106表面或内部一设定深度得到多个台面结构201；其中，多个台面结构201沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布；在多个台面结构201上形成绝缘介质膜102实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜102的光学厚度为四分之一波长奇数倍；在绝缘介质膜102之上覆盖P面电极101，实现多个台面结构之间的交相互连和电流注入；在N型衬底107下方制作N面电极108。在本公开的一些实施例中，在制作多个台面结构201的步骤之后还包括：将制作完多个台面结构201的器件放入湿法氧化炉中进行湿法氧化形成氧化限制层104；优选的，湿法氧化的反应条件是：流量为1L/min～2L/min的载气N2携带温度为90℃～95℃的水汽，进入410℃～450℃氧化气氛中进行氧化，通过湿法氧化反应形成致密均匀的氧化限制层104。三有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的垂直腔面发射激光器及其制作方法，具有以下有益效果：1、整个出光口径的范围内包含有呈环状密堆积分布且电极交相互连的多个台面结构，很好地缓解了器件在大电流工作时环形电极边缘的电流富集效应，电流分布不均的问题在由整化零的过程中得到解决；与此同时，交相互连的环形台面结构激光输出的光耦合效应对于器件的输出模式进行调控，大口径范围内实现接近准单模的模式输出，改善了光束质量和模式稳定性，实现大口径VCSEL的高功率准基模输出，能够同时实现大口径范围内光功率密度均匀分布、输出模式稳定、和高质量光束输出，有效提高了输出功率和光电转换效率。2、台面间隙由电镀厚金或PI/BCB材料填充后，一方面可提供良好的导电特性，另一方面还具有很好的散热特性。3、台面间隙的宽度大于某一恒定值，以保证氧化限制层形成过程中湿法氧化气流分布的均匀性。4、制作方法与现有VCSEL的制备工艺兼容，制备工艺简单，重复性好、成本低，在大功率半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)领域会有广泛的应用前景。附图说明图1为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器的结构示意图。图2为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器表面的呈环形密堆积分布的台面结构示意图。图3为本公开一实施例所示的垂直腔面发射激光器的制作方法流程图。图4为本公开一实施例所示的进行台面刻蚀后进行表面形貌的SEM表征结果。图5为本公开一实施例所示的制作完P面电极之后利用金相显微镜进行表面形貌的表征结果。图6为本公开一实施例所示的封装后的VCSEL单管的功率-电流-电压特性曲线。【符号说明】101-P面电极；102-绝缘介质膜；103-P型DBR；104-氧化限制层；105-有源区；125-有源层；115-N侧增益导引层/N型波导层；135-P侧增益导引本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N面电极(108)、N型衬底(107)、N型DBR(106)、有源区(105)、以及P型DBR(103)；多个台面结构(201)，由该外延结构表面向下刻蚀至N型DBR(106)表面或内部一设定深度得到；其中，多个台面结构(201)沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，在多个台面结构之间存在绝缘介质膜(102)实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜(102)的光学厚度为四分之一波长奇数倍；多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜(102)之上的P面电极(101)实现交相互连和电流注入。

【技术特征摘要】
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：一外延结构，该外延结构自下而上包含：N面电极(108)、N型衬底(107)、N型DBR(106)、有源区(105)、以及P型DBR(103)；多个台面结构(201)，由该外延结构表面向下刻蚀至N型DBR(106)表面或内部一设定深度得到；其中，多个台面结构(201)沿着出光孔径轴线呈环形密堆积分布，在多个台面结构之间存在绝缘介质膜(102)实现各个台面结构之间的电气隔离，该绝缘介质膜(102)的光学厚度为四分之一波长奇数倍；多个台面结构之间通过覆盖于绝缘介质膜(102)之上的P面电极(101)实现交相互连和电流注入。2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：氧化限制层(104)，位于有源区(105)之上，该氧化限制层(104)呈一环形，该环形的中心部分形成出光孔径的通道。3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述各个台面结构之间存在台面间隙(202)，该台面间隙(202)的宽度大于一恒定值，以保证氧化限制层(104)形成过程中湿法氧化气流分布的均匀性；同时，该台面间隙(202)的宽度为固定值或以器件中心向两侧方向逐渐减小；和/或，该台面间隙(202)由电镀厚金或聚酰亚胺/苯丙环丁烯(PI/BCB)材料填充；和/或，所述设定深度为有源区(105)下表面的第1～3对N型DBR(106)。4.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源区(105)包括：有源层(125)；P型波导层(135)，位于有源层(125)上方，作为P侧增益导引层；以及N型波导层(115)，位于有源层(125)下方，作为N侧增益导引层；其中，所述P型波导层(135)、有源层(125)和N型波导层(115)的总光学厚度为波长整数倍。5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层的结构为如下结构中的一种或几种：单层的量子阱、量子点及量子线结构，或多层的量子阱、量子点及量子线结构；和/或，所述有源层的材料为有源介质材料，包括如下材料中的一种：III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料；和/或，所述有源层的增益峰值波长范围涵盖近紫外到红外波段；和/或，所述P...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，刘素平，马骁宇，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11