一种垂直腔面发射激光器的制作方法

本实用新型属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种新型的半导体激光器，有着半导体激光器的一切优点，比如:体积小、功耗低、成本低、寿命长以及调制频率高等，也有着普通半导体激光器不具备的特点，比如：输出圆形光斑、在片测试以及高密度的阵列集成等。VCSEL自1977年诞生以来，不断的吸引着科研工作者以及市场需求的目光，尤其是小孔径低功率的VCSEL 器件，小孔径VCSEL一般是指激光输出的窗口小于10μm的激光器，因其有着动态调制频率高、光束质量好以及体积微小等优点，已经成熟的应用在通信行业。高功率大孔径VCSEL一般指的是激光输出窗口大于50μm的激光器，因其输出孔径较小孔径VCSEL大得多，因此大孔径的VCSEL激活面积也比小孔径VCSEL大，从而能输出功率更高的激光束，理论上作为测距机可以探测的距离更远精度更高。然而实际上随着激光输出窗口的逐渐变大，其光束逐渐的由单横模变成多横摸结构，光束质量变差，激光线宽变宽，从而影响了激光的测距的精度与距离，这也是目前高功率大孔径 VCSEL无法应用到市场的主要障碍。

虽然利用外腔光注入的方法可以在一定程度上提高大孔径VCSEL的光束质量和压缩线宽，但是其复杂的结构和高昂的成本大大的限制了大孔径 VCSEL在市场上的应用。因此，一种结构简单、成本低的垂直腔面发射激光器成为半导体激光器应用领域的迫切需求。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种垂直腔面发射激光器，其设计合理且体积小，设置主激光器和种子源激光器，且主激光器和种子源激光器共用N型分布式布拉格反射镜层，这样利用种子源激光器作为种子光源去约束主激光器，从而提高主激光器输出高功率激光光束的光束质量，并能压缩激光线宽，避免采用其他光学器件进行整形调节，满足短周期、大批量的生产需求，实用性强。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：包括半导体衬底、设置在半导体衬底上部的主激光器和设置在半导体衬底下部的种子源激光器，所述主激光器包括由下至上依次布设的第一缓冲层、第一N面电流引导层、第一有源区、第一高铝层、第一P型分布式布拉格反射镜层和第一P面电流引导层，所述第一有源区的圆周边缘由内至外依次设置有第一电流阻挡层和第一N面电极，所述第一高铝层的圆周边缘设置有第一氧化限制层，所述第一P面电流引导层的上表面设置有横截面为环形的第一P面电极；

所述种子源激光器包括由上至下依次布设的第二缓冲层、N型分布式布拉格反射镜层、第二N面电流引导层、第二有源区、第二高铝层、第二 P型分布式布拉格反射镜层和第一P面电流引导层，所述第二有源区的圆周边缘由内至外依次设置有第二电流阻挡层和第二N面电极，所述第二高铝层的圆周边缘设置有第二氧化限制层，所述第二P面电流引导层的底面设置有第二P面电极。

上述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述第二P型分布式布拉格反射镜层的反射率大于N型分布式布拉格反射镜层的反射率；

所述第一P型分布式布拉格反射镜层的反射率小于N型分布式布拉格反射镜层的反射率。

上述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述半导体衬底的厚度为150μm～400μm，所述第一缓冲层和第二缓冲层的厚度均为20nm～2 μm，所述第一N面电流引导层和第二N面电流引导层的厚度均为10nm～ 50nm，所述第一有源区和第二有源区的厚度均为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层和第二高铝层的厚度均为10nm～50nm，所述第二P型分布式布拉格反射镜层的厚度大于所述N型分布式布拉格反射镜层的厚度，所述N型分布式布拉格反射镜层的厚度大于第一P型分布式布拉格反射镜层的厚度，所述第一P面电流引导层和第二P面电流引导层的厚度均为10nm～ 50nm；

所述第一氧化限制层和第二氧化限制层的外圆半径与内圆半径之差为2μm～40μm，所述第一P面电极的外圆半径与内圆半径之差为3μm～ 7μm，所述第一N面电极和第二N面电极的外圆半径与内圆半径之差均为 10μm～20μm，所述第一P面电极和第二P面电极的厚度均为0.5μm～2 μm，所述第一N面电极和第二N面电极的厚度均为0.5μm～2μm，所述第二P面电极的半径为5μm～10μm；

所述第一电流阻挡层和第二电流阻挡层的厚度均为0.5μm～2μm。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的激光器简单、设计合理，投入成本较低，加工制作方便，且体积小可以高度集成在激光设备中。

2、本实用新型的激光器没有采取任何光学器件对激光器进行整形调节，无需装调，则满足短周期、大批量的生产需求。

3、本实用新型的激光器中设置主激光器和种子源激光器，且主激光器和种子源激光器共用N型分布式布拉格反射镜层，这样利用种子源激光器作为种子光源去约束主激光器，从而提高主激光器输出高功率激光光束的单色性并能压缩激光线宽，实用性强。

4、本实用新型的激光器中主激光器和种子源激光器均采用腔内接触的电极设计方式，且共用的N型分布式布拉格反射镜层无掺杂物质，从而减少激光光的吸收与散射损耗。

5、本实用新型的激光器中种子源激光器的孔径较小则种子源激光器输出的光束是一种单横模单纵模光束且横截面是圆形的激光束，种子源激光器光源所发出的光直接入射到主激光器的第一有源区范围内，这样主激光器工作时会受到种子源激光器光源的约束，从而限制的主激光器的激光波长的漂移以及高阶横摸的产生，从而保证了主激光器在输出大功率激光束的同时，拥有良好的光束质量以及相对窄的线宽。

6、本实用新型的激光器中半导体衬底不需要电流通过，则半导体衬底采用本征材料而减小光的损耗。

7、本实用新型的激光器输出圆形光束，因此非常容易与光纤直接耦合，耦合效率大于90％。

综上所述，本实用新型设计合理且体积小，设置主激光器和种子源激光器，且主激光器和种子源激光器共用N型分布式布拉格反射镜层，这样利用种子源激光器作为种子光源去约束主激光器，从而提高主激光器输出高功率激光光束的光束质量，并能压缩激光线宽，避免采用其他光学器件进行整形调节，满足短周期、大批量的生产需求，实用性强。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图标记说明:

101—第一P面电极； 102—第一P面电流引导层；

103—第一P型分布式布拉格反射镜层； 104—第一高铝层；

105—第一电流阻挡层； 106—第一氧化限制层；

107—第一N面电极； 108—第一N面电流引导层；

109—第一有源区； 110—半导体衬底；

111—第一缓冲层； 201—第二N面电流引导层；

202—第二N面电极； 203—第二电流阻挡层；

204—第二有源区； 205—第二氧化限制层；

206—第二P型分布式布拉格反射镜层； 207—第二P面电流引导层；

208—第二P面电极； 209—第二缓冲层；

210—第二高铝层； 211—N型分布式布拉格反射镜层。

具体实施方式

如图1所示的一种垂直腔面发射激光器，包括半导体衬底110、设置在半导体衬底110上部的主激光器和设置在半导体衬底110下部的种子源激光器，所述主激光器包括由下至上依次布设的第一缓冲层111、第一N面电流引导层108、第一有源区109、第一高铝层104、第一P型分布式布拉格反射镜层103和第一P面电流引导层102，所述第一有源区109的圆周边缘由内至外依次设置有第一电流阻挡层105和第一N面电极107，所述第一高铝层104的圆周边缘设置有第一氧化限制层106，所述第一P面电流引导层102的上表面设置有横截面为环形的第一P面电极101；

所述种子源激光器包括由上至下依次布设的第二缓冲层209、N型分布式布拉格反射镜层211、第二N面电流引导层201、第二有源区204、第二高铝层210、第二P型分布式布拉格反射镜层206和第二P面电流引导层207，所述第二有源区204的圆周边缘由内至外依次设置有第二电流阻挡层203和第二N面电极202，所述第二高铝层210的圆周边缘设置有第二氧化限制层205，所述第二P面电流引导层207的底面设置有第二P面电极208。

本实施例中，所述第二P型分布式布拉格反射镜层206的反射率大于 N型分布式布拉格反射镜层211的反射率；

所述第一P型分布式布拉格反射镜层103的反射率小于N型分布式布拉格反射镜层211的反射率。

本实施例中，所述半导体衬底110的厚度为150μm～400μm，所述第一缓冲层111和第二缓冲层209的厚度均为20nm～2μm，所述第一N面电流引导层108和第二N面电流引导层201的厚度均为10nm～50nm，所述第一有源区109和第二有源区204的厚度均为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层104和第二高铝层210的厚度均为10nm～50nm，所述第二P型分布式布拉格反射镜层206的厚度大于所述N型分布式布拉格反射镜层211的厚度，所述N型分布式布拉格反射镜层211的厚度大于第一P型分布式布拉格反射镜层103的厚度，所述第一P面电流引导层102和第二P面电流引导层207的厚度均为10nm～50nm；

所述第一氧化限制层106和第二氧化限制层205的外圆半径与内圆半径之差为2μm～40μm，所述第一P面电极101的外圆半径与内圆半径之差为3μm～7μm，所述第一N面电极107和第二N面电极202的外圆半径与内圆半径之差均为10μm～20μm，所述第一P面电极101和第二P面电极208的厚度均为0.5μm～2μm，所述第一N面电极107和第二N面电极 202的厚度均为0.5μm～2μm，所述第二P面电极208的半径为5μm～10 μm；

所述第一电流阻挡层105和第二电流阻挡层203的厚度均为0.5μm～ 2μm。

本实施例中，第一高铝层104的圆周边缘氧化后生成第一氧化限制层 106，一方面第一氧化限制层106是绝缘，加载在第一P面电极101上的电流载流子只能从第一氧化限制层106的内侧注入第一有源区109，这样电流载流子就会被限定在环形的第一氧化限制层106内，从而使得第一有源区109上电流载流子聚集；另一方面第一氧化限制层106中氧化物折射率变小，这样氧化孔径可以等效为起聚光作用的透镜，从而实现对激光光场进行限制，减少激光的发射程度，进而减少激光的损耗。

本实施例中，第二高铝层210的圆周边缘氧化后生成第二氧化限制层 205，一方面第二氧化限制层205是绝缘，加载在第二P面电极208上的电流载流子只能从第二氧化限制层205的内侧注入第二有源区204，这样电流载流子就会被限定在环形的第二氧化限制层205内，从而使得第二有源区204上电流载流子聚集；另一方面第二氧化限制层205中氧化物折射率变小，这样氧化孔径可以等效为起聚光作用的透镜，从而实现对激光光场进行限制，减少激光的发射程度，进而减少激光的损耗。

本实施例中，设置第一P面电流引导层102的掺杂浓度达到1×10⁹/cm³以上，则第一P面电流引导层102与第一P面电极101形成欧姆接触，这样只有形成了欧姆接触，第一P面电极101才能顺利的将载流子注入到第一P面电流引导层102；否则，没有第一P面电流引导层102，第一P面电极101是无法将载流子注入到第一有源区109。

本实施例中，设置第二P面电流引导层207的掺杂浓度达到1×10⁹/cm³以上，则第二P面电流引导层207与第二P面电极208形成欧姆接触，这样只有形成了欧姆接触，第二P面电极208才能顺利的将载流子注入到第二P面电流引导层207；否则，没有第二P面电流引导层206，第二P面电极208是无法将载流子注入到第二有源区204。

本实施例中，设置第一N面电流引导层108的掺杂浓度达到1×10⁹/cm³以上，则第一N面电流引导层108与第一N面电极107形成欧姆接触，这样只有形成了欧姆接触，经过第一N面电流引导层108的电流载流子才能进入第一N面电极107；另外，设置第一N面电流引导层108是为了提高电导率，便于电流子聚集在第一有源区109的中心区域。

本实施例中，设置第二N面电流引导层201的掺杂浓度达到1×10⁹/cm³以上，则第二N面电流引导层201与第二N面电极202形成欧姆接触，这样只有形成了欧姆接触，经过第二N面电流引导层201的电流载流子才能进入第二N面电极202；另外，设置第二N面电流引导层201是为了提高电导率，便于电流子聚集在第二有源区204的中心区域。

本实施例中，第一缓冲层111、半导体衬底110、第二缓冲层209和N 型分布式布拉格反射镜层211均为本征材料，无掺杂物质，这样可以减少激光在腔内震荡时的损耗，以使第一有源区109发射激光时更好地受到第二有源区204发射的激光的约束，从而限制第一有源区109发射激光波长的漂移以及高阶横摸的产生，从而保证了主激光器在输出大功率激光束的同时，拥有良好的光束质量以及相对窄的线宽。

本实施例中，第一P面电极101的横截面为环形，是因为主激光器要从第一P面电极101窗口输出激光，第二P面电极208的横截面为圆形，是因为种子源激光器不需要从第二P面电极208发光，则可以让载流子更加均匀的扩散。

本实施例中，第一电流阻挡层105和第二电流阻挡层203的设置，是为了在激光器封装时，提高激光器的性能，避免激光器封装过程中出现漏电；且第一电流阻挡层105和第二电流阻挡层203的厚度均为0.5μm～2 μm，是为了生长均匀致密厚度的绝缘层膜，有利于提高激光器的性能，延长激光器的寿命，避免绝缘层膜过薄，容易存在针孔，封装时会产生漏电流，降低器件的性能。

本实施例中，所述第一有源区109包括在电流引导层108的上表面生长的多周期量子阱结构，所述量子阱结构的周期为2组～8组；

本实施例中，所述第一P型分布式布拉格反射镜层103包括在第一高铝层104的上表面由下至上依次生长多周期对的第一折射材料层，所述第一折射材料层的周期对数为17～26，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层，所述第一P型分布式布拉格反射镜层103与半导体衬底110晶格相匹配。

本实施例中，所述N型分布式布拉格反射镜层211包括在第二缓冲层 209底部由下至上生长多周期对的第二折射材料层，且所述N型分布式布拉格反射镜层211与第二缓冲层209晶格相匹配，所述第二折射材料层的周期对数为25～32，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；

本实施例中，第二P型分布式布拉格反射镜层206包括在第二高铝层 210上由下至上生长多周期对的第三折射材料层，所述第三折射材料层的周期对数为26～38，所述第二P型分布式布拉格反射镜层206的反射率大于N型分布式布拉格反射镜层211的反射率，所述第一P型分布式布拉格反射镜层103的反射率小于N型分布式布拉格反射镜层211的反射率；

本实施例中，所述半导体衬底110为本征半导体；

本实施例中，所述第一N面电流引导层108中掺杂有掺杂浓度为 1×10⁹/cm³～3×10⁹/cm³的碳，所述第一N面电流引导层108与所述半导体衬底的材质相同。

本实施例中，所述量子阱结构包括自下而上依次生长的第一势垒层、势阱层和第二势垒层，所述第一势垒层、所述势阱层和所述第二势垒层为一组；所述第一势垒层和所述第二势垒层的厚度均为8nm～10nm，所述势阱层的厚度为6nm～8nm，步骤104中所述量子阱结构的下表面和上表面分别生长下空间层和上空间层，且所述下空间层和所述上空间层的材质与述半导体衬底110相同，以使所述第一有源区109的厚度为0.2μm～0.4μm。

本实施例中，每周期对所述第一折射材料层均包括由下至上依次生长的第一高折射层和第一低折射层，所述第一高折射层的层厚为48nm～ 78nm，所述第一高折射层的折射率为2.8～3.5；所述第一低折射层的层厚为50nm～80nm，所述第一低折射层的折射率为2.7～3.4；所述第一高折射层的折射率大于所述第一低折射层的折射率，所述第一高折射层的层厚小于所述第一低折射层的层厚，所述第一高折射层和所述第一低折射层均掺杂有浓度为1×10⁸/cm³～3×10⁸/cm³的硅。

本实施例中，所述第一P面电流引导层102中掺杂有掺杂浓度为 1×10⁹/cm³～3×10⁹/cm³的锌，所述第一P面电流引导层102与所述半导体衬底的材质相同，所述第一P面电流引导层102的厚度为10nm～50nm。

本实施例中，每周期对所述第二折射材料层均包括由下至上依次生长的第二高折射层和第二低折射层，所述第二高折射层与所述第一高折射层的厚度和折射率均相同，所述第二低折射层与所述第一低折射层的厚度和折射率均相同，且所述第二高折射层和所述第二低折射层均无掺杂物质。

本实施例中，每周期对所述第三折射材料层均包括由下至上依次生长的第三高折射层和第三低折射层，所述第三高折射层与所述第一高折射层的厚度和折射率均相同，所述第三低折射层与所述第一低折射层的厚度和折射率均相同，所述第三高折射层和所述第三低折射层均掺杂有浓度为 1×10⁸/cm³～3×10⁸/cm³的硅。

本实施例中，进一步地优选，所述半导体衬底110为GaN半导体、GaAs 半导体或者InP半导体；

当所述半导体衬底110为GaN半导体时，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaN，所述势阱层为InGaN，所述第一高铝层104和所述第二高铝层210均为AlGaN，第一P型分布式布拉格反射镜层103、N型分布式布拉格反射镜层211和第二P型分布式布拉格反射镜层206均为AlGaN；

当所述半导体衬底110为GaAs半导体时，所述第一势垒层和所述第二势垒层均GaAs，所述势阱层为InGaAs，所述第一高铝层104和所述第二高铝层210均为AlAs，第一P型分布式布拉格反射镜层103、N型分布式布拉格反射镜层211和第二P型分布式布拉格反射镜层206均为 AlGaAs；

当所述半导体衬底110为InP半导体，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GalnAs，所述势阱层为InGaAsP，所述第一高铝层104和所述第二高铝层210均为AlAs，第一P型分布式布拉格反射镜层103、N型分布式布拉格反射镜层211和第二P型分布式布拉格反射镜层206均为 InGaAsP。

本实用新型的激光器具体使用时，在第一P面电极101与第一N面电极107之间加载1A～6A的第一电流，第二P面电极208与第二N面电极 202之间加载小于100mA第二电流，第二电流载流子由第二P面电极208 注入到种子源激光器的第二有源区204中，第二有源区204中电子和空穴会在第二有源区204内复合发光，随着第二电流载流子向第二有源区204 不断的注入，当满足种子激光激射条件时，种子激光器内的激光得到不断地放大，最终从N型分布式布拉格反射镜层211发射激光。由于种子源激光器的阈值增益低，因此种子源激光器会比主激光器更早的发射激光，最终种子源激光器发射的激光进入到主激光器的腔内。当主激光器满足激光激射条件时，主激光器发射的光会受到种子源激光器发射激光的激励，迫使主激光器发射与种子源激光器相同的激光，因此主激光器工作时会受到种子源激光器光源的约束。由于种子源激光器是一个小孔径的垂直腔面发射激光器，因此种子源激光器输出的光束是一种单横模单纵模光束且横截面是圆形的激光束。主激光器在工作时会时刻的受到种子源激光器的约束，从而限制的主激光器的波长的漂移以及高阶横摸的产生，从而保证了主激光器在输出大功率激光束的同时，拥有良好的光束质量以及相对窄的线宽。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。