一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器制造技术

本发明专利技术设计半导体激光技术领域，涉及一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器。目的在于解决VCSEL工作温度较低(600)、线宽较宽、光束质量较差的问题。主要方案包括至下而上依次设置的衬底(101)、散热层(102)、第一电极(103)、第一DBR反射层(104)、第一氧化限制层(105)、有源层(106)、第二氧化限制层(107)、第二DBR反射层(108)、绝缘散热层(109)，绝缘散热层(109)上设置有与第二DBR反射层(108)连接的第二电极(110)，第二电极上覆盖有隔热层。第二电极上覆盖有隔热层。第二电极上覆盖有隔热层。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器


[0001]本专利技术设计半导体激光
，涉及一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器。

技术介绍

[0002]核磁共振陀螺仪和SERF原子磁强计是量子传感中测量惯性和磁场的精密传感器，兼具了高精度和小型化的潜力，成为近年来的研究热点。国内关于核磁共振陀螺仪和SERF原子磁强计的相关研究近年来推进较为迅速，但目前制约核磁共振陀螺仪和磁强计往小型化和高精度方向进一步发展的主要原因是高温、高稳定性、高性能的半导体激光器，其中多为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface
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Emitting laser，VCSEL)。这两类传感器工作时温度可达100℃以上，温度升高使单个量子阱的增益降低，材料产生应变，最终使输出功率减小、输出波长改变，工作稳定性、工作寿命都受到影响，所以对半导体激光器进行有效的散热是提高其输出功率和效率、改善光束质量、延长使用寿命的关键问题，解决半导体激光器的技术问题，才能更好提升量子传感器的性能指标。
[0003]垂直腔面发射激光器是一种小型化高精度的半导体激光器，具有许多独特的特性，如光束质量好、光纤亲合效率高、光电集成性好、容易实现二维阵列以及工作时不易形成光学灾变等，被广泛应用于原子钟、原子陀螺仪、原子磁强计等器件。但目前国产的VCSEL工作温度较低(600)、线宽较宽、光束质量较差，工作寿命较短。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决VCSEL工作温度较低(600)、线宽较宽、光束质量较差的问题。
[0005]为了实现上述目的本专利技术采用以下技术手段：
[0006]一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器，包括至下而上依次设置的衬底、散热层、第一电极、第一DBR反射层、第一氧化限制层、有源层、第二氧化限制层、第二DBR反射层、绝缘散热层，绝缘散热层上设置有与第二DBR反射层连接的第二电极，第二电极上覆盖有隔热层。
[0007]上述技术方案中，第一氧化限制层，设置在所述第一DBR反射层上，且位于所述第一DBR反射层两端。
[0008]上述技术方案中，第二氧化限制层，设置在所述有源层上，且位于所述有源层两端。
[0009]上述技术方案中，绝缘散热层为金刚石和氧化物制备的复合膜。
[0010]上述技术方案中，所述散热层设置在第二DBR反射层的两端。
[0011]上述技术方案中，第一DBR反射层包括不同折射率材料的交替层，其中每一交替层的有效光厚度是四分之一垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍，即每一交替层的有效光厚度为垂直腔面发射激光器的工作波长的奇数整数倍的四分之一。
[0012]上述技术方案中，有源层包括层叠设置的量子阱复合结构，由势垒材料与势阱材料层叠排列构成，有源层用以将电能转换为光能，包括一个或多个氮化物半导体层，该氮化物半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。
[0013]因为本专利技术采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：
[0014]本专利技术通过在衬底上使用化学气相沉积法沉积金刚石膜作为散热层，比原有先去衬底再制备热沉方法更方便，在第二DBR反射层上外延生长金刚石/氧化物复合膜作为绝缘散热层，利用散热层与绝缘散热层中金刚石膜的高导热性将激光器内产生的热量散入外环境中，从而提高其输出功率和效率、改善光束质量、延长使用寿命。从而可将该VCSEL应用于原子陀螺仪与磁强计上。
[0015]本专利技术通过对其各有源层、欧姆接触层、分布布拉格反射镜(Distributed Brrag Reflector，DBR)进行机理分析和增加两层金刚石膜和蓝宝石层，有效提高散热和隔热的效率。半导体材料的禁带宽度会随着温度的变化而产生改变，一般情况下，温度越高，禁带宽度越小，制备的激光器输出波长增大。随着散热和隔热效率的增加，器件工作时VCSEL内部温度变化变小，有源区半导体材料禁带宽度的变化程度也变小，半导体激光器的激射波长更加稳定，使激光器工作在高温的同时，获得好的光束质量和窄线宽。设计VCSEL结构，提升其散热、隔热效率，减少高功率VCSEL内部热效应产生的热量，同时隔绝加热原子气室传递来的热量，从而提高其性能，更好地应用于核磁共振陀螺仪和SERF原子磁强计等器件上。
附图说明
[0016]图1为基于VCSEL的核磁共振陀螺仪原理装置图；
[0017]图2为本专利技术中VCSEL半导体激光器的结构示意图。
[0018]附图标记说明
[0019]衬底
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101、散热层
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102、第一电极
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103、第一DBR反射层
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104、第一氧化限制层
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105、有源层
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106、第二氧化限制层
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107、第二DBR反射层
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108、绝缘散热层
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109、第二电极
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110、隔热层111。
具体实施方式
[0020]以下将对本专利技术的实施例给出详细的说明。尽管本专利技术将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本专利技术并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本专利技术进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本专利技术的权利要求范围当中。
[0021]另外，为了更好的说明本专利技术，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本专利技术同样可以实施。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0022]基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器S1，可作为原子陀螺仪或磁强计的泵浦源与检测源，由衬底101、散热层102、第一电极103、第一DBR反射层104、第一氧化限制层105、有源层106、第二氧化限制层107、第二DBR反射层108、绝缘散热层109、第二电极110、隔热层111构成。
[0023]衬底101可以是任意适于形成垂直腔面发射激光器的材料，可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，掺杂可以降低后续形成的电极与半导体衬底之间欧姆接触的接触电阻，在一些实施例中，衬底101可以是蓝宝石衬底或其他材料衬底，或者至少衬底101的顶面由Si，GaAs，硅碳化物，铝氮化物，镓氮化物中的一种组成。
[0024]散热层102是金刚石膜。散热层102连接衬底101与第一电极103。散热层厚度可以是300
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600nm。散热层102的作用为将工作时有源层106与反射层产生的热量通过衬底101散出，本实施例使用化学气相沉积法在衬底101上沉积金刚石膜作为散热层102。
[0025]第一电极103例如本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器，其特征在于，包括至下而上依次设置的衬底(101)、散热层(102)、第一电极(103)、第一DBR反射层(104)、第一氧化限制层(105)、有源层(106)、第二氧化限制层(107)、第二DBR反射层(108)、绝缘散热层(109)，绝缘散热层(109)上设置有与第二DBR反射层(108)连接的第二电极(110)，第二电极上覆盖有隔热层。2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器，其特征在于，第一氧化限制层(105)，设置在所述第一DBR反射层(104)上，且位于所述第一DBR反射层(104)两端。3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器，其特征在于，第二氧化限制层(107)，设置在所述有源层(106)上，且位于所述有源层(106)两端。4.根据权利要求1所述的一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器，其特征在于，绝缘散热层(109)为金刚石和氧化物制备的复合膜。5.根据权利要求1所述的一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，张舒怡，刘进容，杨慧昕，魏震国，屈少涛，李婉晴，全伟，房建成，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：