垂直腔面发射激光器及其功率调节方法技术

本发明专利技术公开了一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)。所述垂直腔面发射激光器包括作为光出射端面的上端面分布式布拉格反射镜，在所述上端面分布式布拉格反射镜上表面设置有由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构，所述下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，SiNx层的光学厚度为1/4λ，上Al2O3层的物理厚度不小于10nm。本发明专利技术还公开了上述垂直腔面发射激光器的功率调节方法。相比现有技术，本发明专利技术可在优化非气密封装VCSEL的可靠性及寿命同时，还可以较低的工艺难度和成本实现VCSEL发射功率的大范围调节。

Vertical Cavity Surface Emission Laser and Its Power Regulation Method

【技术实现步骤摘要】
垂直腔面发射激光器及其功率调节方法
本专利技术涉及一种半导体激光器，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器。
技术介绍
基于III-V族材料的垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于出射光束易于光纤耦合、阈值电流低、直调带宽大、支持片上检测、易于实现二维阵列、生产成本低廉等优势，已经广泛应用于短距离光通信网络、数据中心以及USB,PCIExpress,HDMI等消费类电子产品中。与边发射激光器相比，垂直腔面发射激光器的功率一般较高，且其非气密封装的应用领域要求垂直腔面发射激光器具有抗湿性需求，这对其表面保护膜的要求更加严格。现有垂直腔面发射激光器的光出射端面(上端面分布式布拉格反射镜，简称上端面DBR)多使用单层1/4λSiNx(氮化硅)薄膜作为保护膜，这种材料的应力可调特性在一定程度上可以优化光器件可靠性，但由于传统的PECVD(等离子体辅助化学气相沉积)制备的SiNx薄膜，存在较多的针孔，同时与III-V族材料的粘附性不是很好，影响非气密封装VCSEL的可靠性及寿命；而现有的可以优化SiNx薄膜的ALD(原子层沉积)工艺尚不成熟，无法从根本上实现对SiNx薄膜的优化。另一方面，现有VCSEL进行发射功率调节主要方式是通过外延结构的DBR对数进行调节，这一方案需要调整外延片设计及结构，极大程度上延长了开发周期，增加了开发难度和成本。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种垂直腔面发射激光器及其功率调节方法，在优化非气密封装VCSEL的可靠性及寿命同时，还可以较低的工艺难度和成本实现VCSEL发射功率的大范围调节。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种垂直腔面发射激光器，包括作为光出射端面的上端面分布式布拉格反射镜，在所述上端面分布式布拉格反射镜上表面设置有由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构，所述下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，SiNx层的光学厚度为1/4λ，上Al2O3层的物理厚度不小于10nm。优选地，上Al2O3层和下Al2O3层使用原子层沉积工艺制备得到。优选地，SiNx层使用等离子体辅助化学气相沉积工艺制备得到。如上任一技术方案所述垂直腔面发射激光器的功率调节方法，通过调整SiNx层中Si含量以及上Al2O3层的物理厚度来改变带有所述复合膜结构的上端面分布式布拉格反射镜的反射率，进而实现所述垂直腔面发射激光器的发射功率调节。进一步地，具体根据以下公式进行所述垂直腔面发射激光器的发射功率P的调节：其中，P为激光器出射功率；hν是光子能量；q为电子能量，为常量；I为垂直腔面发射激光器工作电流；V是共振腔体积；B为双分子复合系数，为常量；Ntr是传输载流子密度；ηi是内量子效率；αi为腔内损耗；αm是镜面损耗；Γ是限制因子；g0是增益因子；η为量子效率；是垂直腔面发射激光器的温度特性；L是垂直腔面发射激光器腔长；RN是下端面分布式布拉格反射镜的反射率；Rp是带有复合膜结构的上端面分布式布拉格反射镜的反射率。相比现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构作为上端面DBR的保护膜，其中，下Al2O3层起到钝化层及胶粘层的作用，可改善上层膜结构的附着力、物理及光学性能；SiNx层起到反射率调节作用，由于夹在两层Al2O3层之间，SiNx材料的折射率可在2.0-2.3之间可调且保持稳定的性质，增加了利用相同膜系进行功率调节的范围；上Al2O3层在与SiNx层一起起到反射率大范围调节作用的同时还可有效抵抗湿气侵蚀，从而有效保证VCSEL在大范围功率调节过程中非气密封装光器件的寿命及可靠性。采用本专利技术技术方案，可以在外延片结构设计固定及膜系材料固定的情况下，实现大范围的发射功率调节，可以极大程度地降低工艺开发成本、减小工艺开发周期。附图说明图1为本专利技术VCSEL的纵剖面结构示意图；其中包含以下附图标记：1、GaAs衬底；2、下端面DBR；3、氧化层；4、量子阱；5、上端面DBR；6、P面电极；7、复合膜结构；图2为固定工作电流7.0mA情况下本专利技术VCSEL的输出功率随复合膜结构反射率的变化曲线。具体实施方式针对现有技术的不足，本专利技术的解决思路是采用由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构作为上端面DBR的保护膜。具体而言，本专利技术垂直腔面发射激光器，包括作为光出射端面的上端面分布式布拉格反射镜，在所述上端面分布式布拉格反射镜上表面设置有由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构，所述下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，SiNx层的光学厚度为1/4λ，上Al2O3层的物理厚度不小于10nm。其中，下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，几乎不起到任何光学作用，仅起到钝化层及胶粘层的作用，可改善其上的膜结构与器件间的附着力以及其上的膜结构的物理及光学性能；中间的SiNx层为1/4λ膜厚，其起到反射率调节作用，可通过调整SiNx材料中Si、N比例来改变SiNx材料的光学性质，但这种调整会带来SiNx材料的物化性能的不稳定，因此本专利技术将其夹在两层Al2O3层之间，这样，SiNx材料的折射率就可在2.0-2.3之间可调且保持稳定的性质，增加了利用相同膜系进行功率调节的范围；上Al2O3层在与SiNx层一起起到对复合膜结构的反射率进行大范围调节作用的同时还可有效抵抗湿气侵蚀，从而有效保证VCSEL在大范围功率调节过程中非气密封装光器件的寿命及可靠性。图1显示了本专利技术VCSEL的基本结构，如图1所示，其与常规VCSEL一样包括GaAs衬底1、下端面DBR2、氧化层3、量子阱4、上端面DBR5、P面电极6(图中未示出N面电极)；与常规VCSEL不同的是，在上端面DBR5的表面还设置有复合膜结构7，其为由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的三层膜复合结构，所述下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，SiNx层的光学厚度为1/4λ，上Al2O3层的物理厚度不小于10nm。由于下Al2O3层的物理厚度要求不大于5nm，如果要将这一层极薄的氧化铝膜制备的均匀而致密，最好采用ALD工艺制备。ALD工艺可以将物质以单原子膜形式一层一层的镀在基底表面，由于其具有沉积参数的高度可控型(厚度，成份和结构)以及优异的沉积均匀性和一致性，因此最适合于下Al2O3层的制备。上Al2O3层由于厚度较大，可以采用现有的CVD、PVD、PECVD等工艺，考虑到简化工艺设备及镀膜质量，最好是与下Al2O3层一样都采用ALD工艺制备。中间的SiNx层可采用常规的溅射法、CVD、PVD、PECVD等制备，优选采用比较成熟的PECVD工艺。本专利技术VCSEL可以通过调整SiNx层中Si含量以及上Al2O3层的物理厚度来改变所述复合膜结构的发射率，进而实现VCSEL发射功率的调节。由于这种功率调节的过程不涉及除所述复合膜结构以外的其他区域及结构的调整，因此可以极大程度地降低工艺开发成本、减小工艺开发周期。并且由于通过SiNx层中Si含量和上Al2O3层的物理厚度这两个参数来进行反射率的调整，反射率的调节范围及调节灵活性均得到大幅提升，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，包括作为光出射端面的上端面分布式布拉格反射镜，其特征在于，在所述上端面分布式布拉格反射镜上表面设置有由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构，所述下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，SiNx层的光学厚度为1/4λ，上Al2O3层的物理厚度不小于10nm。

【技术特征摘要】
1.一种垂直腔面发射激光器，包括作为光出射端面的上端面分布式布拉格反射镜，其特征在于，在所述上端面分布式布拉格反射镜上表面设置有由自下而上的下Al2O3层、SiNx层、上Al2O3层所组成的复合膜结构，所述下Al2O3层的物理厚度不大于5nm，SiNx层的光学厚度为1/4λ，上Al2O3层的物理厚度不小于10nm。2.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，上Al2O3层和下Al2O3层使用原子层沉积工艺制备得到。3.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，SiNx层使用等离子体辅助化学气相沉积工艺制备得到。4.如权利要求1～3任一项所述垂直腔面发射激光器的功率调节方法，其特征在于，通过调整SiNx层中Si含量以及上Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭海侠，张鹏，向宇，
申请(专利权)人：苏州长瑞光电有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32