具有自发发射阻塞的增强半导体激光器制造技术

一种用于生产包括与半导体激光器串联集成的双稳态电阻系统(BRS)的增强激光器(ATLAS)的器件和方法。通过利用BRS的突变电阻开关，激光器表现出低于激光阈值的自发发射(SE)的减少/抑制。激光器系统包括半导体激光器以及作为可逆开关操作的BRS。BRS在高阻态下操作，其中半导体激光器低于激光阈值并且以减少的自发发射机制发射，以及在低阻态下操作，其中半导体激光器高于或等于激光阈值并且以受激发射机制发射。作为可逆开关操作的BRS跨两个独立芯片或在单个晶片上串联电连接。BRS是使用绝缘体

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有自发发射阻塞的增强半导体激光器


[0001]本专利技术总体上涉及半导体激光器，并且更具体地，涉及具有自发发射阻塞(spontaneous emissions blockage)的半导体激光器。

技术介绍

[0002]半导体激光器，诸如常规的边缘发射激光器，也称为激光二极管或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，在商业上用于非常广泛的应用：显示器和照明、数据存储、通信、数据读取、数据记录、防御、激光打印、医疗和化妆品应用、材料处理诸如表面处理、光学泵浦源等。
[0003]当增加电功率时，典型的半导体激光器在给定阈值电流(I
th
)下在两种不同状态之间转变：
[0004]·
在阈值以下发生的自发发射状态，以产生相干发射、随机极化、随机相位、随机发射方向、宽波束宽度；以及
[0005]·
在功率阈值以上发生的受激发射状态，以产生激光器操作，其特征在于具有相同光子能量、窄线宽、相同光子方向、相同光子相位或时间相干以及相同光子极化或相干极化光的相干发射。

技术实现思路

[0006]在一个实施例中，示出了一种用于生产包括与半导体激光器串联集成的双稳态电阻系统(BRS)的增强激光器(ATLAS)的器件和方法。ATLAS通过利用BRS的突变电阻开关而表现出低于激光阈值的自发发射(SE)的减少/抑制。
[0007]在一个实施例中，一种激光器系统包括半导体激光器以及作为可逆开关操作的双稳态电阻系统(BRS)。BRS与半导体激光器串联电连接。BRS在高阻态下操作，其中半导体激光器低于激光阈值并且以自发发射机制发射，以及BRS在低阻态下操作，其中半导体激光器高于或等于激光阈值并且以受激发射机制发射。作为可逆开关操作的BRS跨两个独立芯片或在单个晶片上串联电连接。BRS是使用绝缘体
‑
金属转变(IMT)材料形成的或者是使用阈值开关选择器(TSS)形成的。
[0008]在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层、以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层。具有顶表面和侧壁的台面型结构是由第一波导层形成的。有源介质层和第二波导层以及在第二波导层中形成的孔。双稳态电阻系统(BRS)：i)在台面型结构周围的第一波导层上形成，或者ii)在台面型结构的顶表面上形成。
[0009]在一个实施例中，层结构是垂直腔表面发射激光器(VSCEL)，并且BRS是使用绝缘体
‑
金属转变(IMT)材料形成的或者是使用阈值开关选择器形成的。
[0010]在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形
成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层、以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层。具有顶表面和侧壁的台面型结构由第一波导层、有源介质层和第二波导层形成，以及在第二波导层中形成孔。一种形成在半导体衬底的背侧上的双稳态电阻系统(BRS)，其中第一接触层在双稳态电阻系统上方形成；以及第二接触层在第二波导层上方形成并且具有在孔上方的开口，第二接触层与第一接触层电隔离。双稳态电阻系统是使用绝缘体
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金属转变(IMT)材料或者阈值开关选择器(TSS)形成的。
[0011]一种边缘发射激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构。层结构包括设置在半导体衬底的顶侧上方的具有第一掺杂类型的第一覆层；设置在第一覆层上方的第一波导层、设置在第一波导层上方的具有多个量子阱的有源介质层、设置在有源介质层上方的第二波导层、以及设置在第二波导层上方的具有第二掺杂类型的第二覆层。具有顶表面和侧壁的台面型结构是由第二覆层形成的。氧化层是在台面型结构的任一侧上形成的。双稳态电阻系统(BRS)i)在台面型结构的顶表面上形成，其中在双稳态电阻系统上形成第一接触层以及在半导体衬底的底侧上形成第二接触层，或者ii)在半导体衬底的背侧上形成，其中在双稳态电阻系统上形成第一接触层以及在台面型结构的顶表面上形成第二接触层。双稳态电阻系统是使用绝缘体
‑
金属转变(IMT)材料或者阈值开关选择器(TSS)形成的。
[0012]在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层，其中双稳态电阻系统(BRS)中的至少一层i)在有源介质层内形成，或者ii)在第二波导层内形成；具有顶表面和侧壁的台面型结构由第一波导层、有源介质层和第二波导层形成以及在第二波导层中形成孔。双稳态电阻系统是使用绝缘体
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金属转变(IMT)材料或者阈值开关选择器(TSS)形成的。在一个示例中，垂直波导激光器是垂直腔表面发射激光器(VSCEL)，并且双稳态电阻系统是使用绝缘体
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金属转变(IMT)材料或者阈值开关选择器(TSS)形成的。
附图说明
[0013]附图用于进一步说明各种实施例并且用于解释根据本专利技术的各种原理和优点，其中在所有单独的视图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件，并且附图与下面的详细描述一起被并入说明书中并形成说明书的一部分，其中：
[0014]图1示出了根据现有技术的图1的激光器的基本操作关于泵浦电流的曲线图；
[0015]图2示出了根据现有技术的双稳态电阻系统的电流与电压特性的曲线图；
[0016]图3是根据现有技术的经典激光器的输出光功率与泵浦电流的曲线图；
[0017]图4是根据本专利技术的一个实施例的使用双稳态系统的增强激光器的输出光功率与泵浦电流的曲线图；
[0018]图5A和图5B是根据本专利技术的一个实施例的分别与双稳态电阻系统的高阻态(HRS)和低阻态(LRS)相关联的分别在关断状态和导通状态之间可逆地切换的增强激光器的图
示；
[0019]图6是根据本专利技术的一个实施例的对于具有双稳态电阻系统的增强激光器的各种配置的输出光功率与泵浦电流的一系列曲线图；
[0020]图7是根据本专利技术的一个实施例的具有双稳态电阻系统的增强激光器的各种配置的输出光功率与泵浦电流的一系列曲线图，与图6中的滞后相比，该配置表现出小的或不存在的滞后；
[0021]图8是示出了根据本专利技术的一个实施例的具有集成双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的形成的初始阶段的侧视图；
[0022]图9A是顶部透视图以及图9B是沿线X
‑
X'截取的相应截面图，示出了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种激光器系统，所述激光器系统包括：至少一个半导体激光器；以及作为可逆开关操作的至少一个双稳态电阻系统，与所述至少一个半导体激光器串联电连接，其中所述至少一个双稳态电阻系统在以下两种状态下操作：高阻态，其中至少一个半导体激光器低于激光阈值并且以自发发射机制发射，以及低阻态，其中至少一个半导体激光器高于或等于激光阈值并且以受激发射机制发射。2.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，作为可逆开关操作的所述至少一个双稳态电阻系统跨两个独立芯片串联电连接。3.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，作为可逆开关操作的所述至少一个双稳态电阻系统在单个晶片上串联电连接。4.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，所述至少一个双稳态电阻系统是使用绝缘体
‑
金属转变(IMT)材料形成的。5.根据权利要求1所述的激光器系统，其中，所述至少一个双稳态电阻系统是使用阈值开关选择器形成的。6.一种垂直波导激光器半导体器件，所述垂直波导激光器半导体器件包括：半导体衬底以及在所述半导体衬底上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴，所述层结构包括设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层，设置在所述第一波导层上方的有源介质层，以及具有第二掺杂类型的第二波导层；具有顶表面和侧壁的台面型结构，由所述第一波导层、所述有源介质层以及所述第二波导层形成；以及双稳态电阻系统(BRS)，i)在所述台面型结构周围或邻近所述台面型结构的第一波导层中形成，或者ii)在所述台面型结构的顶表面上形成。7.根据权利要求6所述的垂直波导激光器半导体器件，其中，所述层结构是垂直腔表面发射激光器(VSCEL)。8.根据权利要求6所述的垂直波导激光器半导体器件，其中，所述双稳态电阻系统是使用绝缘体
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金属转变(IMT)材料形成的。9.根据权利要求6所述的垂直波导激光器半导体器件，其中，所述双稳态电阻系统是使用阈值开关选择器形成的。10.根据权利要求6所述的垂直波导激光器半导体器件，还包括：在所述双稳态电阻系统上方形成的第一接触层；在所述第二波导层中形成的孔；以及第二接触层，在所述第二波导层上方形成并且具有在所述孔上方的开口，所述第二接触层与所述第一接触层电隔离。11.一种垂直波导激光器半导体器件，所述垂直波导激光器半导体器件包括：半导体衬底以及在所述半导体衬底上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴，所述层结构包括设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层，
设置在所述第一波导层上方的有源介质层，以及具有第二掺杂类型的第二波导层；以及具有顶表面和侧壁的台面型结构，由所述第一波导层、所述有源介质层以及所述第二波导层形成；在所述半导体衬底的底侧上形成的双稳态电阻系统(BRS)；在所述双稳态电阻系统上方形成的第一接触层；以及在所述第二波导层上方形成的第二接触层，所述第二接触层与所述第一接触层电隔离。12.根据权利要求11所述的垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：