一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的制作方法

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种激光发射方向垂直于芯片表面的新型半导体激光器，由于其独特的谐振腔结构，VCSEL具有高的调制带宽，并且十分适合与各种不同类型的光学、电子元件进行高密度集成。近年来基于VCSEL技术的微型原子传感器，如原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等发展很快，此类原子传感器在便携式定位导航设备中有广泛的应用前景，其主要原理是利用VCSEL发出的激光与微小型气室中的碱金属原子蒸汽相互作用，获得授时、精密测量或姿态控制所需的信号。

由于微型原子传感器的体积一般只有cm³量级，整体结构十分紧凑，因此其中采用的VCSEL器件一般采用贴片封装的方式直接与微小型原子气室接触，这就要求VCSEL工作在与气室中原子整体接近的高温环境中。对于铷原子而言，该温度一般为60-70℃，对于铯原子而言，温度可达到80-90℃。同时，要求VCSEL输出与原子能级对应的激光波长，铷原子一般对应795nm或780nm，铯原子对应894nm或852nm。在一定高温环境下精确达到指定的输出波长，对于目前的VCSEL设计与制备工艺控制提出了极高要求。以795nm VCSEL为例，其波长随温度的漂移速率一般为0.06nm/℃，因此，为在60-70℃环境下达到795nm，VCSEL的室温(25℃)发射波长应该精确控制在792.3nm-792.9nm左右，即控制在792.6±0.3nm范围内。然而，这一波长控制精度是目前的常规技术所无法达到的：VCSEL的外延材料一般采用金属有机物气相沉积(MOCVD)生长，该方法受到生长精度控制的限制，具体的，这里的外延层是多层砷化镓(GaAs)与铝镓砷(AlGaAs)组成的，一般有200-300层，每一层的厚度误差叠加到一起，导致整个外延片最后的性能不均匀，导致在一片3英寸外延片上所获得VCSEL器件的波长范围一般在±3nm以上，这意味着外延片上制备的大部分VCSEL的输出波长均偏离了微型原子传感器所要求的±0.3nm范围，这导致了器件的成品率大幅降低；此外，微型原子传感器应用要求VCSEL为单模工作，这一般是通过降低VCSEL的电流注入孔径尺寸来实现的，而电流注入孔径尺寸的降低会导致器件波长向短波移动。由于电流注入孔径制作工艺的精度有限，由其所导致的VCSEL波长漂移量是无法精确预测和控制的，这又一定程度上导致了相当一部分VCSEL的波长无法满足微型原子传感器的应用要求。

综上所述，受到材料生长和制备工艺精度的限制，VCSEL器件的波长容易偏离预定范围，导致在特定高温下难以达到所需波长，器件成品率大幅降低，单个器件成本过高，无法实现大规模应用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，能够在不增加器件工艺和材料生长工艺复杂程度，不使用外部温控，不影响器件其他基本性能的前提下，使其波长移动至满足应用需求的范围内，避免器件材料生长和制备工艺对波长影响导致的成品率下降问题。

本发明提供的一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，包括依次设置于N面电极上表面的衬底层、N型DBR层、有源层和P型DBR层，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述分段柱形台面的数量为2个或3个。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，不同的所述分段柱形台面的弧度值不相等。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述激光反射镜为多层SiO₂/TiO₂薄膜激光反射镜。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述介质薄膜电流限制层为SiO₂层、AlN层、Si₃N₄层、BeO层或SiC层。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或InGaAs/AlGaAs周期性多量子阱结构层。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述P型DBR层和所述N型DBR层均为GaAs/AlAs层。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述P面电极为Ti/Au电极或Ti/Pt/Au电极。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述N面电极为Au/Ge/Ni电极、AuGeNi/Au电极、Au/Ge电极或Pt/Au/Ge电极。

优选的，在上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中，所述衬底层为GaAs层、InP层或GaN层。

通过上述描述可知，本发明提供的上述用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，由于包括依次设置于N面电极上表面的衬底层、N型DBR层、有源层和P型DBR层，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度，因此能够在不增加器件工艺和材料生长工艺复杂程度，不使用外部温控，不影响器件其他基本性能的前提下，使其波长移动至满足应用需求的范围内，避免器件材料生长和制备工艺对波长影响导致的成品率下降问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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。

图1本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的剖面示意图；

图2为本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的俯视图；

图3为本申请实施例提供的第二种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的示意图；

图4为本申请实施例提供的第三种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，能够在不增加器件工艺和材料生长工艺复杂程度，不使用外部温控，不影响器件其他基本性能的前提下，使其波长移动至满足应用需求的范围内，避免器件材料生长和制备工艺对波长影响导致的成品率下降问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器如图1和图2所示，图1为本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的剖面示意图，图2为本申请实施例提供的第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的俯视图。该激光器包括依次设置于N面电极1上表面的衬底层2、N型DBR层3、有源层4和P型DBR层5，其中的DBR即分布布拉格反射镜(distributed bragg reflector)，其中，所述N型DBR层3、所述有源层4和所述P型DBR层5分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，其中，所述环形窗口用于电流注入，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层3中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层5的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层6，所述介质薄膜电流限制层6的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层5的一部分上表面设置有P面电极7，所述分段柱形台面的P型DBR层5的上表面位于所述P面电极7外周部以外的区域覆盖有激光反射镜8，这是一种多层结构，其作用是通过反射来阻止这部分的激光发射出来，优选的层数可以为8-10层，其用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层3传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度。

通过P面电极7注入的电流受到介质薄膜电流限制层6的限制，分别注入到圆柱形台面和分段柱形台面中，其中圆柱形台面中的有源层4在注入电流作用下产生自发辐射并在N型DBR层3与P型DBR层5构成谐振腔的作用下发射激光，分段柱形台面中的有源层4在注入电流作用下也能通过N型DBR层3与P型DBR层5构成的谐振腔发射激光，但均被多层介质薄膜反射镜8反射。分段柱形台面由于注入电流的流过产生的焦耳热将使其温度上升，并通过热串扰使圆柱形台面中的有源层4温度上升，通过控制分段柱形台面结构的注入电流，可以控制圆柱形台面结构中有源层4温度上升的速度，进而调节其激光波长向长波方向漂移的量。需要重点说明的是，利用上述结构中的分段柱形台面结构，在无需外部加热的前提下自己给自己加热，提高温度，使波长移动到符合要求的位置。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，由于包括依次设置于N面电极上表面的衬底层、N型DBR层、有源层和P型DBR层，其中，所述N型DBR层、所述有源层和所述P型DBR层分别构成圆柱形台面和位于所述圆柱形台面外周部的分段柱形台面，所述圆柱形台面的周围开设有环形窗口，所述环形窗口的底部位于所述N型DBR层中，所述环形窗口的底面和侧面及位于其周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有介质薄膜电流限制层，所述介质薄膜电流限制层的侧面和上表面以及上表面周围的所述P型DBR层的一部分上表面设置有P面电极，所述分段柱形台面的P型DBR层的上表面位于所述P面电极外周部以外的区域覆盖有激光反射镜，用于在注入电流时将产生热量通过所述N型DBR层传输至所述圆柱形台面的位置以控制激光的输出波长向长波移动的程度，因此能够在不增加器件工艺和材料生长工艺复杂程度，不使用外部温控，不影响器件其他基本性能的前提下，使其波长移动至满足应用需求的范围内，避免器件材料生长和制备工艺对波长影响导致的成品率下降问题。

本申请实施例提供的第二种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第一种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述分段柱形台面的数量为2个或3个。

参考图3，图3为本申请实施例提供的第二种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的示意图，可见该激光器利用了3个分段柱形台面，需要说明的是，可以通过分段的多少，来控制温度上升的步长，也就是精度，一般来说，分段越多，则控制精度越高。当然这里并没有对分段数量进行限制，可以根据具体需要来设置不同的分段数量。

本申请实施例提供的第三种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第二种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

不同的所述分段柱形台面的弧度值不相等。

参考图4，图4为本申请实施例提供的第三种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的示意图，可以看出，在这种情况下，介质薄膜电流限制层6被分成弧度不相等的三部分，也就是说，无论是否将其等分还是不等分，均能实现本申请实施例的对激光器加热的目的。

本申请实施例提供的第四种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第一种至第三种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

所述激光反射镜为多层SiO₂/TiO₂薄膜激光反射镜。

需要说明的是，这种制作在分段柱形台面上端的多层SiO₂/TiO₂薄膜激光反射镜具有较高的反射率，可防止分段环形台面在电流驱动下向外发射激光，避免对激光器性能产生不利影响。

本申请实施例提供的第五种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第四种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述介质薄膜电流限制层为SiO₂层、AlN层、Si₃N₄层、BeO层或SiC层，这些材质均能够起到有效的绝缘作用。

本申请实施例提供的第六种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第五种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述有源层为InGaAs/GaAsP、GaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAs或InGaAs/AlGaAs周期性多量子阱结构层，当然这些仅是优选方案，还可以采用其他材质形成的结构，此处并不做限制。

本申请实施例提供的第七种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第六种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述P型DBR层和所述N型DBR层均为GaAs/AlAs层，当然这只是其中一个优选方案，还可以采用其他材质，此处并不限制。

本申请实施例提供的第八种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第七种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述P面电极为Ti/Au电极或Ti/Pt/Au电极，当然这只是其中的优选方案，还可以采用其他材质，此处并不限制。

本申请实施例提供的第九种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第八种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述N面电极为Au/Ge/Ni电极、AuGeNi/Au电极、Au/Ge电极或Pt/Au/Ge电极，当然这只是其中的优选方案，还可以采用其他材质，此处并不限制。

本申请实施例提供的第十种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器，是在上述第九种用于微型原子传感器的垂直腔面发射激光器的基础上，还包括如下技术特征：

所述衬底层为GaAs层、InP层或GaN层，当然这只是其中的优选方案，还可以采用其他材质，此处并不限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。