一种VCSEL激光器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种VCSEL激光器，通过在所述发光结构的表面构建金属纳米层，使发光结构的表面形成等离激元共振效应，并构建形成拓扑二维光子晶体；当电子和空穴注入该激光器并限制在有源层复合发光，产生的倏逝波耦合到激光器谐振腔并形成有效反馈；同时，金属纳米层周期性结构形成的表面等离激元共振效应，与其构建形成的拓扑二维光子晶体相互配合，使金属纳米层引起的边界反射，只发生在布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，使受到有效的光场限制的模式集中在布里渊区中心附近，这些模式在垂直于金属纳米层的方向具有非常大的动量分量，从而与激光器中的光场耦合实现垂直出光。激光器中的光场耦合实现垂直出光。激光器中的光场耦合实现垂直出光。

【技术实现步骤摘要】
一种VCSEL激光器


[0001]本技术涉及VCSEL
，尤其涉及一种VCSEL激光器。

技术介绍

[0002]VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。
[0003]目前VCSEL激光输出功率不高，并且发散角较大，由于注入载流子除一部分复合发射光子，其余会发生非辐射复合损耗掉，限制了激光器的转换效率；另一方面，腔体中同时具有多种模式，其中高阶模的产生会增大光束的发散，增大发散角，降低激光器的亮度。上述限制发散角的方法，多为对P型DBR和N型DBR之间的光学谐振腔部分的修改。例如，1、调整氧化孔径的大小可以改善发散角，但是氧化孔径过大，会导致注入电流密度减小，转换效率变低，从而亮度降低；若氧化孔径太小，会导致阈值电压变大。2、调整SCH也可以改善发散角，但是，这会导致电流扩展变差，从而导致器件热性能变差，增大非辐射复合，降低转换效率。
[0004]为了提高激光器的单管输出功率，通常需要增大从元件出射的激光束截面积(即出射面积)。当出射面积增加到一定程度时高阶振荡模式开始获得增益形成多模激射，导致激光器亮度降低和模式不稳定等问题。
[0005]有鉴于此，本专利技术人专门设计了一种VCSEL激光器，本案由此产生。

技术实现思路

[0006]本技术的目的在于提供一种VCSEL激光器，以解决VCSEL激光器输出功率小、发散角大的问题。
[0007]为了实现上述目的，本技术采用的技术方案如下：
[0008]一种VCSEL激光器，包括：
[0009]衬底；
[0010]设置于所述衬底表面的发光结构；所述发光结构至少包括沿第一方向依次堆叠的N型DBR层、N型波导限制层、量子阱、P型波导限制层、P型氧化界面截止层、金属纳米层及P型DBR层；所述金属纳米层的自由振动频率与所述发光结构的入射光光子频率相匹配，使发光结构的表面形成等离激元共振效应，并构建形成拓扑二维光子晶体；所述第一方向垂直于所述衬底，并由所述衬底指向所述发光结构；
[0011]欧姆接触层，所述欧姆接触层层叠于所述P型DBR层背离所述金属纳米层的一侧表面。
[0012]可选地，所述金属纳米层的自由振动频率大于等于所述发光结构的入射光光子频率，诱导所述金属纳米层的电子发生共振，从而使发光结构的表面形成等离激元共振
(LSPR)效应。
[0013]优选地，所述金属纳米层包括分散压印形成的若干个金属纳米粒子，或包括由透明介质层及分散于透明介质层中的若干个金属纳米粒子所构成的纳米复合层。
[0014]优选地，各所述金属纳米粒子的大小均匀，且一个或多个金属纳米粒子构成一个周期单元，所述周期数为λ/b，其中，λ为所述VCSEL芯片的光源波长，b为所述金属纳米层的有效折射率。
[0015]优选地，所述金属纳米粒子包括Ag、Au、Pt、Pd、Cu、Al中的至少一种。
[0016]优选地，所述金属纳米粒子呈圆形或椭圆形或多边形。
[0017]优选地，所有所述金属纳米粒子在所述衬底上的投影面积总和与所述发光结构在所述衬底上的投影面积的比例取值范围为20％-60％。
[0018]优选地，P型DBR层和/或N型DBR层包括折射率不同的若干个子DBR层；且，所述P型DBR层和N型DBR层的厚度为λ/4，其中，λ为所述VCSEL芯片的光源波长。
[0019]经由上述的技术方案可知，本技术提供的VCSEL激光器，通过在所述发光结构的表面构建金属纳米层，且所述金属纳米层的自由振动频率与所述发光结构的入射光光子频率相匹配，使发光结构的表面形成等离激元共振效应，并构建形成拓扑二维光子晶体；一方面，在所述发光结构的表面形成等离激元共振效应，可以提高载流子寿命，使载流子可以尽可能的在量子阱复合；另一方面，当电子和空穴注入该激光器并限制在有源层复合发光，产生的倏逝波耦合到激光器谐振腔并形成有效反馈；同时，金属纳米层周期性结构形成的表面等离激元共振效应，与其构建形成的拓扑二维光子晶体相互配合，使金属纳米层引起的边界反射，只发生在布里渊区中心附近，从而限制了能够获得有效反馈的激光器谐振腔模式数目，使受到有效的光场限制的模式集中在布里渊区中心附近，这些模式在垂直于金属纳米层的方向具有非常大的动量分量，从而与激光器中的光场耦合实现垂直出光；
[0020]进一步地，通过：金属纳米粒子的周期分布，且各所述金属纳米粒子的大小均匀，且一个或多个金属纳米粒子构成一个周期单元，所述周期数为λ/b，其中，λ为所述VCSEL芯片的光源波长，b为所述金属纳米层的有效折射率的设置；使所述金属纳米层在发光结构的表面形成等离激元共振效应，并构建形成拓扑二维光子晶体。从而，金属纳米粒子形成偶极子模式和四极子模式的能带结构，限制光场模式；同时，金属纳米粒子的金属材料的有效折射率较周围其余材料层低，可进一步限制谐振腔中的光场，从而减小发散角。
[0021]然后，通过所述金属纳米层在所述衬底上的投影面积与所述发光结构在所述衬底上的投影面积的比例取值范围为20％-60％的设置，可在较好地满足发光结构的出光面积的同时，还能较好地发挥所述发光结构的局域表面形成等离激元共振(LSPR)效应，进而保证VCSEL激光器的出光率。
[0022]最后，通过设置：P型DBR层和/或N型DBR层包括折射率不同的若干个子DBR层；且，所述P型DBR层和N型DBR层的厚度为λ/4，其中，λ为所述VCSEL芯片的光源波长。在不影响DBR的反射率大小的同时，还能更好地限制光在N型波导限制层和P型波导限制层中传播的电场强度。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例
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，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0024]图1为本技术实施例所提供的VCSEL激光器的结构示意图；
[0025]图2为本技术实施例所提供的VCSEL激光器的金属纳米粒子的排布结构示意图；
[0026]图3为本技术实施例所提供的VCSEL激光器的金属纳米粒子的另一排布结构示意图；
[0027]图4为本技术实施例所提供的VCSEL激光器的制作方法流程示意图；
[0028]图中符号说明：1、衬底，2、缓冲层，3、N型DBR层，31、子N型DBR层，4、N型波导限制层，5、量子阱，6、P型波导限制层，7、P型氧化界面截止层，8、金属纳米层，81、金属纳米粒子，9、P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种VCSEL激光器，其特征在于，包括：衬底；设置于所述衬底表面的发光结构；所述发光结构至少包括沿第一方向依次堆叠的N型DBR层、N型波导限制层、量子阱、P型波导限制层、P型氧化界面截止层、金属纳米层及P型DBR层；所述金属纳米层的自由振动频率与所述发光结构的入射光光子频率相匹配，使发光结构的表面形成等离激元共振效应，并构建形成拓扑二维光子晶体；所述第一方向垂直于所述衬底，并由所述衬底指向所述发光结构；欧姆接触层，所述欧姆接触层层叠于所述P型DBR层背离所述金属纳米层的一侧表面。2.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述金属纳米层包括分散压印形成的若干个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰柱，韩效亚，杜石磊，罗桂兰，
申请(专利权)人：厦门乾照半导体科技有限公司，
类型：新型
国别省市：