激光单元及其形成方法、激光器和激光雷达与流程

1.本发明涉及激光器领域，特别涉及一种激光单元及其形成方法、激光器和激光雷达。


背景技术：

2.光子晶体表面发射激光器(photonic crystal surface emitting lasers,pcsels)在光子晶体区域内形成驻波，从而提高光增益和控制模式，pcsels的基模阈值增益最低，注入能量达到基模的阈值增益之后基模激射，并占用谐振腔内的增益能量，由于pcsels基模和高阶模式的阈值增益差值较大，因此pcsel s只有基模激射，可单模工作。基模光束的发散角具有毫弧度的数量级，而高阶模的发散角随着模阶次的而增大，单模工作的pcsels所形成光束的远场发散角接近衍射极限。同时其出光半径可达约百微米，甚至毫米量级，也就是说，pcsels所形成的光束具有极好的光束质量。目前在激光雷达(light detection and ranging，lidar)领域，对于具有高能量密度和高亮度的光源需求旺盛，并且pcsels可垂直于腔面出射，使其易于封装或集成到电子组件中，pcsels的性能优势使其有机会成为lidar激光光源新的解决方案。
3.现有的pcsels的形成方法主要为在衬底上外延生长包层、发光层、待刻蚀层，形成光子晶体区域，然后在光子晶体区域上二次外延生长包层，因为需要进行二次外延，工艺难度极高，不利于商业化和大规模应用。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是：如何克服pcsels需要进行二次外延所导致的步骤复杂、工艺难度高以及外延层质量和孔洞形状均一性差。
5.为解决上述问题，本发明提供一种激光单元，包括：
6.第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置；衬底、第一包层、发光层和谐振结构，所述衬底、所述第一包层、所述发光层和所述谐振结构均位于所述第一电极和所述第二电极之间的间隔内，且沿第一电极指向第二电极的方向依次层叠设置；所述谐振结构包括：第二包层和多个谐振单元，其中，所述谐振单元从第二包层靠近第二电极的表面向第二包层靠近发光层的表面延伸，所述谐振单元适宜于使所述发光层发出的光在所述多个谐振单元中形成谐振。
7.可选的，在平行所述第二包层的表面的平面内，所述多个谐振单元呈阵列分布。
8.可选的，相邻所述谐振单元之间的距离与所述激光单元所产生激光的波长以及所述谐振结构的等效折射率满足预设关系。
9.可选的，所述谐振结构还包括：接触层，所述接触层位于所述第二包层和所述第二电极之间；所述谐振单元沿第二电极指向第一电极的方向贯穿所述接触层并延伸至所述第二包层。
10.可选的，还包括：限制层，所述限制层适宜于提高所述发光层的光学限制因子。
11.可选的，所述限制层位于第一位置和第二位置中至少一个位置上，其中，所述第一位置为所述第一包层和所述发光层之间的位置，所述第二位置为所述第二包层和所述发光层之间的位置。
12.可选的，所述限制层位于所述第一位置，所述限制层与所述第一包层和所述衬底相配合以提高所述发光层的光学限制因子；和/或，所述限制层位于所述第二位置，所述限制层与所述第二包层和接触层相配合以提高所述发光层的光学限制因子。
13.可选的，所述限制层位于所述第一位置，所述衬底的材料的折射率大于所述第一包层的材料的折射率，所述限制层的材料的折射率大于所述第一包层的材料的折射率；和/或，所述限制层位于所述第二位置，接触层的材料的折射率大于所述第二包层的材料的折射率，所述限制层的材料的折射率大于所述第二包层的材料的折射率。
14.可选的，所述限制层位于所述第二位置，所述谐振单元贯穿所述第二包层并延伸至至少部分厚度的所述限制层中。
15.可选的，所述谐振单元包括：孔，所述孔从所述第二包层靠近所述第二电极的表面向第一电极延伸。
16.可选的，所述谐振单元还包括：填充体，所述填充体填充于所述孔内，所述填充体的材料的折射率至少与所述第二包层的材料的折射率不相等。
17.可选的，所述填充体的材料的折射率小于所述第二包层的材料的折射率。
18.可选的，所述谐振单元的深宽比在1～5的范围内。
19.可选的，所述衬底为n型衬底，所述第一包层为n型包层，所述第二包层为p型包层。
20.可选的，所述第一包层的厚度在500nm～2000nm范围内；所述第二包层的厚度在200nm～500nm范围内。
21.可选的，所述第二电极指向所述第一电极的方向与激光出射方向一致。
22.可选的，所述第一电极具有窗口，所述窗口沿激光出射方向贯穿所述第一电极。
23.可选的，所述第二电极在所述第一电极上的投影，至少覆盖所述窗口的位置。
24.可选的，还包括：抗反射层，所述抗反射层位于所述衬底远离所述第一包层的表面。
25.可选的，所述衬底和所述第一包层相配合以抑制驻波。
26.可选的，还包括：调整结构，所述调整结构位于所述衬底和所述第一包层之间，所述调整结构适宜于抑制所述衬底内的驻波。
27.可选的，所述调整结构包括：第一调整层和第二调整层，沿所述衬底指向所述第一包层的方向，所述第一调整层和所述第二调整层依次交替层叠设置，所述第一调整层的材料的折射率与所述第二调整层的材料的折射率不同。
28.可选的，所述调整结构包括分布式布拉格反射镜。
29.相应的，本发明还提供一种激光器，包括：
30.激光单元，所述激光单元为本发明的激光单元。
31.另外，本发明还提供一种激光雷达，包括：
32.光源，所述光源为本发明的激光器。
33.此外，本发明还提供一种激光单元的形成方法，包括：
34.提供衬底；在所述衬底上依次形成第一包层、发光层和谐振结构，所述谐振结构包
括：第二包层和多个谐振单元，其中，所述谐振单元从第二包层远离发光层的表面向第二包层靠近发光层的表面延伸，所述谐振单元适宜于使所述发光层发出的光在所述多个谐振单元中形成谐振；在所述衬底远离所述发光层的一侧形成第一电极；在所述谐振结构远离所述发光层的一侧形成第二电极。
35.可选的，形成所述谐振结构的步骤包括：在所述发光层上形成第二包层；在所述第二包层上形成图形化层，所述图形化层适宜于定义所述谐振单元；以所述图形化层为掩模，刻蚀所述第二包层以形成所述谐振单元。
36.可选的，形成所述图形化层的步骤包括：通过电子束曝光和纳米压印中至少一种工艺对图形材料层进行图形化。
37.可选的，刻蚀所述第二包层的步骤中，在所述第二包层中形成孔；形成所述谐振结构的步骤还包括：填充所述孔，在所述孔内形成填充体。
38.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
39.本发明技术方案中，所述谐振结构远离发光层的一侧设置第二电极，无需二次外延，从而能够有效简化步骤、降低工艺难度，能够克服二次外延所引起的外延层质量及孔洞形状均一性差的问题，能够同时满足优质的功率特性和高亮度的需求，有利于提高外延层质量和最终产品中孔洞形状的均一性，有利于形成大规模量产和商业化应用。
40.本发明可选方案中，所述谐振结构还包括接触层，所述接触层位于所述第二包层和所述第二电极之间；所述谐振单元沿第二电极指向第一电极的方向贯穿所述接触层并延伸至所述第二包层。所述接触层与金属材料的接触性能更好，因此所述接触层的设置能够有效改善第二电极与所述谐振结构之间的电流传导性能。
41.本发明可选方案中，所述谐振结构还包括：限制层，以提高所述发光层的光学限制因子。所述限制层与相邻的第一包层和发光层或者与相邻的第二包层和发光层之间具有预设的折射率分布规律，即高-低-高的分布规律，能够有效提高光学限制因子，能够加强光场在发光层的限制程度。
42.本发明可选方案中，所述谐振结构还包括：孔和填充于所述孔内的填充体。所述填充体填充于孔内，所述填充体的材料的折射率至少与所述第二包层的材料的折射率不相等。所述填充体填充于所述谐振单元内，能够有效改善所述光子晶体结构的稳定性。
43.本发明可选方案中，所述填充体的材料为高分子材料，因此所述填充体可以通过旋涂法形成，从而能够有效保证所述填充体填充满所述孔，避免形成空洞，特别是较高深宽比的情况下，不仅能够有效提高所述激光单元的稳定性，还能够有效保证所形成光子晶体光学性能的稳定性和均匀性。
44.本发明可选方案中，所述衬底为n型衬底，所述第一包层为n型包层，所诉第二包层为p型包层；而且，所述第二电极指向所述第一电极的方向与激光出射方向一致，也就是说，所述激光单元为背向发光的激光单元。采用n型材料作为衬底，能够利用高质量的衬底以提高后续所形成材料膜层的质量；而采用背面发光的结构，能够提高发光层电流注入的均匀性，提高发光效率。
45.本发明可选方案中，所述激光单元还包括：位于衬底和第一包层之间的调整结构，以抑制衬底内的驻波。所述调整结构的厚度控制难度较低，无需高精度的工艺即可实现其抑制驻波的效果，能够有效降低工艺难度。
附图说明
46.图1是一种的pcsels激光单元的剖面示意图；
47.图2是本发明激光单元一实施例的剖面结构示意图；
48.图3是图2所示激光单元实施例中所述谐振结构沿a方向的俯视结构示意图；
49.图4是本发明激光单元另一实施例中所述谐振结构的俯视结构示意图；
50.图5是本发明激光单元再一实施例的剖面结构示意图；
51.图6是图2所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图；
52.图7是图5所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图；
53.图8是本发明激光单元又一实施例的剖面结构示意图；
54.图9是图8所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图；
55.图10是本发明激光单元又一实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图；
56.图11是本发明激光单元又一实施例的剖面结构示意图；
57.图12是图11所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图。
具体实施方式
58.由背景技术可知，现有技术中pcsels存在二次外延引起的一系列问题。现结合一种pcsels结构分析其二次外延问题的原因：
59.为了获得更好的功率特性，目前一种的pcsels激光单元的剖面示意图如图1所示。所述pcsels激光单元的制备过程如下：在n型衬底10上进行外延生长，即一次外延epi1，依次形成n型包层(n-cladding)11、发光层12(multi-quantum well，mqw)以及待刻蚀层(etching)(图中未标示)；之后，先后经电子束曝光(electron beam lithography，ebl)、刻蚀等步骤，在所述待刻蚀层内形成谐振单元以构成光子晶体区域(photonic crystal region)13。
60.之后，对形成有所述光子晶体区域13的表面进行复杂的处理，接着进行二次外延(regrowth)epi2，形成p型包层14。为了保证谐振腔内模式的强度峰值位于发光层12内，需要精确调控p型包层的组分；另外为了使二次外延后材料表面平整，维持孔洞形状，二次外延所需要生长材料的厚度超过3μm。
61.二次外延之后，再在n型衬底10和p型包层14的表面分别形成n型电极10e和p型电极14e，并在出光的一侧的表面形成减反膜ar，最终背面发光的pcsels激光单元。
62.通过上述现有方案的的pcsels结构和制备过程，本技术发明人发现：上述pcsels激光单元制备过程步骤复杂、工艺难度高，难以保证二次外延所形成的外延层质量以及二次外延后孔洞形状的均一性，因此难以形成大规模量产和商业化应用。
63.为解决所述技术问题，本发明提供一种激光单元，包括：
64.第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置；衬底、第一包层、发光层和谐振结构，所述衬底、所述第一包层、所述发光层和所述谐振结构均位于所述第一电极和所述第二电极之间的间隔内，且沿第一电极指向第二电极的方向依次层叠设置；所述谐振结构包括：第二包层和多个谐振单元，其中，所述谐振单元从第二包层靠近第二电极的表面向第二包层靠近发光层的表面延伸，所述谐振单元适宜于使所述发光层发出的光在所述多个谐振单元中形成谐振。
65.所述谐振单元位于所述第二包层内部，即在所述第二包层内直接形成光子晶体结构，无需二次外延，从而能够有效简化步骤、降低工艺难度，能够克服二次外延所引起的外延层质量及孔洞形状均一性差的问题。而且在谐振结构远离发光层的一侧设置第二电极，使第二电极距离发光层较近，能够获得良好的电流均匀性，能够同时满足优质的功率特性和高亮度的需求，有利于提高外延层质量和最终产品中孔洞形状的均一性，有利于形成大规模量产和商业化应用。
66.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
67.参考图2，示出了本发明激光单元一实施例的剖面结构示意图。
68.所述激光单元包括：第一电极100e和第二电极130e，所述第一电极110e和所述第二电极130e间隔设置；衬底100、第一包层110、发光层120和谐振结构130，所述衬底100、所述第一包层110、所述发光层120和所述谐振结构130均位于所述第一电极100e和所述第二电极130e之间的间隔内，且沿第一电极100e指向第二电极130e的方向依次层叠设置；所述谐振结构130包括：第二包层131和多个谐振单元132(图中未示出)，其中，所述谐振单元132从第二包层131靠近第二电极130e的表面向第二包层131靠近发光层120的表面延伸，所述谐振单元132适宜于使所述发光层120发出的光在所述多个谐振单元134中形成谐振。
69.所述谐振单元134从第二包层131靠近第二电极130e的表面向第二包层131靠近发光层120的表面延伸，且穿过至少部分厚度的第二包层131，也就是说，所述谐振单元从所述第二包层131靠近第二电极130e的表面向第一电极110e延伸且穿过至少部分厚度的第二包层131。
70.因此所述谐振单元134位于所述第二包层131内部，即在所述第二包层131内直接形成光子晶体结构，无需二次外延，从而能够有效简化步骤、降低工艺难度，能够克服二次外延所引起的外延层质量及孔洞形状均一性差的问题，有利于提高外延层质量和最终产品中孔洞形状的均一性，有利于形成大规模量产和商业化应用。所述谐振结构130远离发光层120的一侧设置第二电极130e，第二电极130e距离发光层120较近，能够获得良好的电流注入均匀性，满足优质的功率特性和高亮度的需求。
71.下面结合附图详细说明本发明激光单元实施例的技术方案。
72.所述第一电极100e和所述第二电极130e适宜于实现所述激光单元与外部电路连接以进行供电。
73.本发明一些实施例中，所述第二电极130e指向所述第一电极100e的方向与激光出射方向l一致。所述第一电极100e具有窗口100c，所述窗口100c沿激光出射方向l贯穿所述第一电极100e。
74.此外，本发明一些实施例中，所述第二电极130e在所述第一电极100e上的投影，至少覆盖所述窗口100c的位置，也就是说，所述第二电极130e的位置与所述窗口100c的位置相对应，且面积大于或等于所述窗口100c的面积。所述第一电极100e和所述第二电极130e的设置方式，将电流均匀的导入所述发光层120，提高所述发光层120内电流分布均匀性。
75.当然，本发明另一些实施例中，所述第二电极在所述第一电极上的投影位于所述窗口内，即所述第二电极的位置与所述窗口的位置相对应，且面积小于所述窗口的面积。本实施例第一电极和第二电极的设置方式，也能够将电流均匀的导入发光层，提高发光层电
流分布均匀性。
76.沿所述第一电极100e指向所述第二电极130e的方向，所述衬底100、所述第一包层110、所述发光层120和所述谐振结构130依次层叠于所述第一电极100e和所述第二电极130e之间。
77.所述衬底100适宜于提供工艺操作平台。
78.本发明一些实施例中，所述衬底100为n型衬底。具体的，所述衬底100的材料可以为砷化镓(gaas)。由于工艺成熟，能够形成高质量的n型衬底。因此将所述衬底100的材料设置为n型衬底，如gaas衬底，能够为后续材料形成提供高质量的基础，从而有利于提高所形成激光单元的质量。
79.需要说明的是，所述第一电极100e位于所述衬底100的表面上，因此所述第一电极100e为n型电极，即n-contact；相应的，所述第二电极130e为p型电极，即p-contact。所以电流自所述第二电极130e导入，经所述发光层120后再向所述第一电极100e扩散。
80.具体的，本发明一些实施例中，所述n型电极的材料可以为ni/ge/au/pd/ti中的任意一种或两种以上材料的组合；所述p型电极的材料可以为ti/pt/au/pd/in/sn/cu中的任意一种或两种以上材料的组合。
81.而且，所述第二电极130e指向所述第一电极100e的方向与激光出射方向l一致，即所述激光单元为背面发光的结构，能够有效提高发光层电流注入的均匀性，提高发光效率。
82.所述第一包层110填充于发光层120和所述第一电极100e之间，并在所述第一电极100e和发光层120之间起到激光模式限制的作用。
83.本发明一些实施例中，所述衬底100为n型衬底，所述第一包层110位于所述衬底100的一个表面上，所以所述第一包层为n型包层。具体的，所述衬底100的材料可以为gaas，所述第一包层110的材料可以为al
x
ga
1-x
as、al
x
ga
1-x
asyp
1-y
、和al
x
ga
1-x
asyn
1-y
中至少一种。
84.需要说明的是，所述第一电极100e位于所述衬底100远离所述第二电极130e的表面上，所述第一包层110位于所述衬底100靠近所述第二电极130e的表面上，即所述第一包层110和所述第一电极100e分别位于所述衬底100相背的两个表面上。
85.本发明的一些实施例中，所述第一包层110的厚度在500nm～2000nm范围内，从而提高激光模式限制作用。
86.所述发光层120适宜于受电流激发产生光。
87.所述发光层120分别经所述第一包层110和所述第二包层131，通过所述第一电极100e和所述第二电极130e实现与外部电路的连接。所述发光层120包括多量子阱结构(multi quantum wells，mqws)，即所述发光层120包括窄带隙及宽带隙两种材料薄膜交替生长所形成的量子阱结构。本发明一些实施例中，所述发光层120包括2～3组量子阱结构。例如，当所述激光单元所产生的激光为940nm波长的激光时，所述发光层120中的量子阱结构为ingaas/gaas量子阱结构或ingaas/gaasp量子阱结构。
88.所述谐振结构130适宜于使所述发光层120所产生的光谐振放大形成激光，所述谐振结构130包括：第二包层131和多个谐振单元132。
89.与所述第一包层110类似，所述第二包层131填充于所述发光层120和所述第二电极130e之间，并引导所述发光层120和所述第二电极130e之间的电流传输。
90.本发明一些实施例中，所述第二电极130e为p型电极，因此所述第二包层131为p型
包层。具体点，所述第二包层131的材料可以为al
x
ga
1-x
as、al
x
ga
1-x
asyp
1-y
、和al
x
ga
1-x
asyn
1-y
中至少一种。
91.本发明的一些实施例中，所述第二包层131的厚度在200nm～500nm范围内。限制所述第二包层131的厚度，即将所述第二包层131的厚度设置为小于所述第一包层110的厚度的做法，一方面能够控制所形成谐振单元的深宽比以降低工艺难度，另一方面还能够缩短谐振单元与发光层的间隔以增强谐振单元对光学模式的调控。
92.所述多个谐振单元132相配合以使所述发光层131发出的光发生谐振，从而形成激光。
93.所述谐振结构132远离发光层131的一侧设置第二电极130e，无需二次外延，从而能够有效简化步骤、降低工艺难度，能够克服二次外延所引起的外延层质量及孔洞形状均一性差的问题，能够同时满足优质的功率特性和高亮度的需求，有利于提高外延层质量和最终产品中孔洞形状的均一性，有利于形成大规模量产和商业化应用。
94.本发明一些实施例中，所述谐振单元132的深宽比在1～5的范围内，优选为3。所述谐振单元132的深宽比过小，则谐振效果较差，不利于形成激光；所述谐振单元132的深宽比过大，则会增大形成工艺难度，不利于良率和性能稳定性的提高。
95.需要说明的是，谐振单元132的深宽比是指沿延伸方向上，所述谐振单元的尺寸s与垂直延伸方向上，所述谐振单元132的尺寸k的比值。控制所述谐振单元132的深宽比能够有效降低工艺难度，有利于提高良率和稳定性。其中，所述谐振单元的尺寸s表示孔的深度，尺寸k表示孔的横截面宽度。
96.需要说明的是，不同谐振单元的尺寸可以不同。具体的，不同谐振单元的尺寸s不同，和/或不同谐振单元的尺寸k不同，和/或不同谐振单元的尺寸p不同。其中，尺寸p表示谐振单元的重复周期。
97.继续参考图2，本发明一些实施例中，所述谐振单元132包括：孔(图中未示出)，所述孔从所述第二包层131靠近所述第二电极130e的表面向第一电极100e延伸。
98.本发明一些实施例中，所述谐振单元132还包括：填充体133，所述填充体133填充于所述孔内，所述填充体133的材料的折射率至少与所述第二包层131的材料的折射率不相等。通过填充体133填充满所述孔，能够有效提高所述谐振单元132的可靠性，提高所述激光单元的稳定性。
99.本发明一些实施例中，所述填充体133的材料的折射率小于所述第二包层131的材料的折射率。选择折射率小于所述第二包层131的材料作为所述填充体133的材料难度较小，能够有效降低所述填充体材料选择的难度，有效扩大材料选择范围，有利于成本控制。
100.本发明一些实施例中，所述填充体133的材料为高分子材料，例如，所述填充体133的材料可以为聚酰亚胺或苯丙环丁烯(bcb)。采用诸如聚酰亚胺或苯丙环丁烯等的高分子材料形成所述填充体133，能够提高形成工艺的兼容性，可以通过旋涂法形成所述填充体133以填充所述孔，从而能够有效保证所述填充体133填充满所述孔，避免形成空洞，特别是较高深宽比的情况下，不仅能够有效提高所述激光单元的稳定性，还能够有效保证所形成光子晶体光学性能的稳定性和均匀性。
101.此外，本发明另一些实施例中，所述谐振结构还包括：中间层，所述中间层位于所述孔的内壁，即所述中间层位于所述孔的内壁和所述填充体之间。所述中间层的设置能够
有效提高填充体与所述孔的内壁的粘附性，能够有效提高所述谐振结构的稳定性和可靠性。具体的，所述中间层的材料可以为氧化硅或氮化硅中的至少一种。
102.需要说明的是，本发明其他实施例中，可以直接由所述孔和所述第二包层相配合以形成所述谐振单元，即所述孔内的空气层或真空层与所述第二包层形成折射率变化的光子晶体结构。
103.结合参考图3，示出了图2所示激光单元实施例中所述谐振结构沿a方向的俯视结构示意图。
104.本发明一些实施例中，在平行所述第二包层131(如图2中所示)的表面的平面内，所述多个谐振单元132呈阵列分布。因此所述多个谐振单元132和所述第二包层131相配合构成光子晶体结构，即所述谐振结构130为光子晶体结构。光子晶体具有波长选择的功能，因此所述谐振结构130可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过，从而使所述发光层120所产生的光形成特定波长的激光。
105.如图3所示，在平行所述第二包层131的表面的平面内，所述谐振单元132构成三角晶格。本发明其他实施例中，在上述平面内，所述谐振单元还可以构成其他的晶格形式，例如四方晶格(如图4所示)。
106.另外，在平行所述第二包层131的表面的平面内，所述孔的截面形状可以为圆形(如图3所示，此时尺寸k表示孔的横截面圆形的直径)，可以为矩形(如图4所示，此时尺寸k表示孔的横截面矩形的长边长度)，也可以为其他各种对称或非对称的形状。所述填充体133填充满所述孔，因此在平行所述第二包层131的表面的平面内，所述填充体133的截面与所述孔的截面相同。
107.本发明一些实施例中，相邻所述谐振单元132之间的距离与所述激光单元所产生激光的波长以及所述谐振结构130的等效折射率满足预设关系。
108.晶格间距为光子晶体的周期(period)，需满足以下关系：
109.λ＝n
eff
×
period
110.其中，λ为激射波长，n
eff
为等效折射率，其近似关系为：
[0111][0112]
式中，ff为光子晶体的填充系数、即孔洞面积/总面积，n
p
为光子晶体的折射率，ns为基底材料折射率。
[0113]
继续参考图2，本发明一些实施例中，所述谐振结构130还包括：接触层134，所述接触层134位于所述第二包层131和所述第二电极130e之间。所述接触层134与金属材料的接触性能更好，因此所述接触层134的设置能够有效改善第二电极131与所述谐振结构130的电传导性能，降低器件电阻。
[0114]
所述接触层134适宜于提高所述第二包层131和所述第二电极130e之间的接触性能。如图2所示，所述谐振单元132沿第二电极130e指向第一电极100e的方向贯穿所述接触层134并延伸至所述第二包层132，也就是说，所述谐振单元132从所述接触层134延伸至至少部分厚度的所述第二包层132。
[0115]
具体的，所述接触层134的材料与所述第二电极130e的材料等接触性能更好，能够有效提高所述第二包层131和所述第二电极130e之间连接的可靠性。本发明一些实施例中，
所述接触层134的材料与所述衬底100的材料相同。本发明一些实施例中，所述衬底100的材料为gaas，所述接触层134的材料为gaas。
[0116]
本发明一些实施例中，所述接触层134的厚度在30nm以下。将所述接触层134的厚度限制在30nm以下，有利于控制所述谐振单元132的深宽比以降低工艺难度。
[0117]
参考图5，示出了本发明激光单元另一实施例的剖面结构示意图。
[0118]
与前述实施例相同之处，本发明在此不再赘述。与前述不同之处在于，本发明一些实施例中，所述激光单元还包括：限制层235，所述限制层235适宜于提高所述发光层220的光学限制因子。所述限制层235与相邻的材料膜层之间具有预设的折射率分布规律，限制层的折射率高于相邻的包层，能够有效提高所述发光层220的光学限制因子，能够加强光场在所述发光层220的限制程度。
[0119]
本发明一些实施例中，所述限制层235位于第一位置和第二位置中至少一个位置上，其中，所述第一位置为所述第一包层210和所述发光层220之间的位置，所述第二位置为所述第二包层231和所述发光层220之间的位置。
[0120]
需要说明的是，图5所示实施例中，所述限制层235仅位于所述第二位置。本发明另一些实施例中，所述限制层也可以仅设置于所述第一位置。本发明其他一些实施例中，所述激光单元也可以包括2个限制层，分别设置于所述第一位置和第二位置。
[0121]
本发明一些实施例中，所述限制层235位于所述第二位置，所述限制层235与所述第二包层231和所述接触层234相配合以提高所述发光层220的光学限制因子。
[0122]
需要说明的是，所述限制层235位于所述第二包层231靠近所述发光层220的一侧，所以为了保证所述谐振结构的谐振效果，本发明一些实施例中，所述谐振单元232贯穿所述第二包层231并延伸至至少部分厚度的所述限制层235中。
[0123]
所述发光层220的光学限制因子(optical confinement factor)被定义为限制在所述发光层220中的光功率占比，适宜于表征光场在所述发光层220的限制程度。具体的，所述发光层220的光学限制因子γ表示为：
[0124][0125]
其中，e表示光场的电场矢量，h表示光场的磁场矢量。
[0126]
由此可见，所述限制层235与所述第二包层231和所述接触层234相配合能够有效提高所述发光层220内的光学限制因子，从而能够有效的提高发光效率。
[0127]
本发明一些实施例中，所述限制层235的厚度在50nm到300nm范围内。所述限制层235厚度过大，会造成所述谐振结构深宽比过大，会增大工艺难度；所述限制层235厚度过小，则难以起到较好的限制效果。
[0128]
本发明一些实施例中，所述限制层235位于所述第二位置，所述接触层234的材料的折射率大于所述第二包层231的材料的折射率，所述限制层235的材料的折射率大于所述第二包层231的材料的折射率。
[0129]
本发明一些实施例中，所述限制层235的材料可以与所述衬底200、所述接触层234的材料相同，例如gaas。本发明另一些实施例中，所述限制层235的材料也可以与所述第二
包层231的材料相同，为al掺杂的gaas。由于对于algaas而言，al浓度越高，折射率越低，因此所述限制层235和所述第二包层231的材料均为algaas，且所述限制层235的al含量低于所述第二包层231。
[0130]
所述限制层235、所述第二包层231和所述接触层234的叠层结构具有高/低/高的折射率分布规律，这种结构能够有效提高基模模式在所述发光层220中的光学限制因子，即提高光场在所述发光层220中的限制程度，亦可降低激光器材料损耗以及阈值增益，提高其功率特性。
[0131]
结合参考图6和图7，其中图6示出了图2所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图，图7示出了图5所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布示意图。
[0132]
其中，横轴表示沿垂直衬底表面的方向上，激光单元内部的位置与所述第二电极之间的距离，左侧横轴表示光场强度，右侧横轴表示材料折射率。图6中，图线601表示图2所示激光单元中归一化的光场强度的分布情况；图线602表示图2所示激光单元中材料折射率分布情况。图7中，图线701表示图5所示激光单元中光场强度的分布情况；图线702表示图5所示激光单元中材料折射率分布情况。
[0133]
比较图6和图7可以看到，图5所示的激光单元实施例中，在第二位置，即所述第二包层231和所述发光层220之间设置有较高折射率的限制层235(如图7中箭头703所示)，从而使图5所示的激光单元实施例在所述发光层220的位置具有更高的光学限制因子。因此，基模的强度峰值位于所述发光层220所在位置处，从而使这种模式更好的利用到所述发光层220的增益中，有利于进一步改善器件的功率特性，提高亮度。
[0134]
参考图8和图9，其中图8示出了本发明激光单元再一实施例的剖面结构示意图；图9示出了图8所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图
[0135]
与前述实施例相同之处，本发明在此不再赘述。与前述不同之处在于，本发明一些实施例中，所述限制层335位于所述第一位置，即所述限制层335位于所述第一包层310和所述发光层320之间，所述限制层335与所述第一包层310和所述衬底300相配合以提高所述发光层320的光学限制因子。
[0136]
其中图9中，横轴表示沿垂直衬底表面的方向上，激光单元内部的位置与所述第二电极之间的距离，左侧横轴表示光场强度，右侧横轴表示材料折射率。图线901表示图8所示激光单元中光场强度的分布情况；图线902表示图8所示激光单元中材料折射率分布情况。比较图6和图9可以看到，在所述第一包层310和所述发光层320之间设置限制层335，可以使光场强度更集中于所述发光层，有利于改善器件的功率特性。
[0137]
与图5和图7所示实施例的原理类似，位于第一位置的限制层335，与所述第一包层310和所述衬底100构成高/低/高的折射率分布规律的叠层，从而能够提高所述发光层320的光学限制因子。
[0138]
本发明另一些实施例中，所述激光单元也可以包括2个限制层，分别设置于所述第一位置和第二位置，即在所述第一位置和所述第二位置均设置所述限制层(图10中图线1002中箭头1003所示和箭头1004所示的部分)。分别在所述第一位置和所述第二位置均设置限制层，能够进一步提高所述发光层的光学限制因子，因此如图10中图线1001所示，基模强度峰值位于发光层所在位置处，光场强度分布被进一步集中至所述发光层，从而有利于
进一步改善器件的功率特性。
[0139]
需要说明的是，如图8所示，本发明一些实施例中，所述激光单元还包括：抗反射层340，所述抗反射层340位于所述衬底300远离所述第一包层310的表面。所述抗反射层340适宜于减少衬底300远离所述第一包层310的表面的反射以抑制驻波，提高出光效率。
[0140]
但是即使设置所述抗反射层340，依旧难以改变所述衬底300远离所述第一包层310的表面的折射率发生突变，沿所述衬底300传播到所述抗反射层34的光场，由于光子晶体其中一个周期内的辐射场强度相近，相位相反，因此会被接近完全反射，最终会在所述衬底300内形成驻波。
[0141]
所以，本发明一些实施例中，通过控制所述衬底的厚度以抑制驻波，以使所述衬底远离所述第一包层的表面上反射场和入射场相干抵消。
[0142]
参考图11，示出了本发明激光单元又一实施例的剖面结构示意图。
[0143]
与前述实施例相同之处，本发明在此不再赘述。与前述不同之处在于，本发明一些实施例中，所述激光单元还包括：调整结构450，所述调整结构450位于所述衬底400和所述第一包层410之间，所述调整结构450适宜于抑制所述衬底400内的驻波。
[0144]
所述调整结构450位于所述衬底400靠近所述第一包层410的表面上，所述调整结构450能够使反射场和入射场相干抵消，在入射场进入所述衬底400之前消除反射场对激光模式的影响。
[0145]
本发明一些实施例中，所述调整结构450包括：第一调整层(图中未示出)和第二调整层(图中未示出)，沿所述衬底400指向所述第一包层410的方向，所述第一调整层和所述第二调整层依次交替层叠设置，所述第一调整层的材料的折射率与所述第二调整层的材料的折射率不同。
[0146]
一般情况下，所述第一调整层和所述第二调整层是通过外延工艺直接生长形成的，因此所述第一调整层和所述第二调整层的厚度控制精度较高，即所述调整结构的厚度控制难度较低，无需其他复杂工艺即可精确控制其厚度，所以通过所述调整结构450抑制驻波能够简单方便的达到抑制效果。
[0147]
本发明一些实施例中，所述调整结构450包括分布式布拉格反射镜。所述调整结构450的反射率不需要太高。因此所述调整结构450的周期在1～10个之间即可。具体的，所述调整结构450中，所述第一调整层的材料的折射率与所述第二调整层的材料的折射率的相差至少10％。
[0148]
结合参考图12，示出了图11所示激光单元实施例中光场强度分布和材料折射率分布的示意图。
[0149]
其中横轴表示沿垂直衬底表面的方向上，激光单元内部的位置与所述第二电极之间的距离，左侧横轴表示光场强度，右侧横轴表示材料折射率。图线1201表示图11所示激光单元中光场强度的分布情况；图线1202表示图11所示激光单元中材料折射率分布情况。
[0150]
如图12中所示，所述第一包层410和所述衬底400之间设置所述调整结构450(如图12中圈1203中所示)。其中所述调整结构450包括4对分布式布拉格反射镜。可以明显看到，经所述调整结构450进入所述衬底400的光场可以单向继续传播(如图12中箭头1204中所示)，在透射所述衬底400、抗反射层之后，从所述激光单元出射。
[0151]
相应的，本发明还提供一种激光器，具体包括：激光单元，所述激光单元为本发明
的激光单元。
[0152]
由于所述激光单元为本发明的激光单元，因此，所述激光单元的具体技术方案参考前述激光单元的实施例，本发明在此不再赘述。
[0153]
所述激光单元为本发明的激光单元，即所述激光单元内，所述谐振结构远离发光层的一侧设置第二电极，无需二次外延，从而能够有效简化步骤、降低工艺难度，能够克服二次外延所引起的外延层质量及孔洞形状均一性差的问题，能够同时满足优质的功率特性和高亮度的需求，有利于提高外延层质量和最终产品中孔洞形状的均一性，有利于形成大规模量产和商业化应用。
[0154]
此外，本发明还提供一种激光雷达，具体包括：光源，所述光源包括本发明的激光器。
[0155]
本发明的激光器中，所述激光单元为本发明的激光单元。所述激光单元的谐振结构远离发光层的一侧设置第二电极，无需二次外延，所述激光单元的形成工艺简单，不存在二次外延所引起的各种问题，而且具有较高的外延质量，最终产品中孔洞形状均一性较高；同时，所述激光器能够保证电流注入均匀性，同时满足优质的功率特性和高亮度的需求，所述激光器具有形成大规模量产和商业化应用的前景。
[0156]
而且，激光器的外量子效率为：
[0157][0158]
其中，η为注入效率，等于激发出光子的电子数/总注入电子数，约为100％；α
rad
为辐射损耗，以本发明一个实施例结构的激光器为例，α
rad
＝21.8cm-1
，g
th
为阈值增益，g
th
＝α
rad
+α
mat
，α
mat
为材料损耗(7.5cm-1
)，计算可得外量子效率η
ext
≈74.4％。
[0159]
本发明激光器的基模阈值增益最低，达到基模的阈值增益之后基模激射，并占用谐振腔内的增益能量，由于基模和高阶模式的阈值增益的差值较大，因此本发明激光器中只有基模激射，使得光束发散角很小，亮度高，应用作为激光雷达的光源，不需要外部光学元件的聚焦即可满足探测要求。
[0160]
相应的，本发明还提供一种激光单元的形成方法。
[0161]
参考图2，示出了本发明激光单元形成方法一实施例各个步骤的剖面结构示意图。
[0162]
所述激光单元的形成方法包括：首先，提供衬底100；之后，在所述衬底100上依次形成第一包层110、发光层120和谐振结构130，所述谐振结构130包括：第二包层131和多个谐振单元132，其中，所述谐振单元132从第二包层131远离所述发光层120的表面向第二包层131靠近所述发光层120的表面延伸，所述谐振单元132适宜于使所述发光层120发出的光在所述多个谐振单元132中形成谐振。
[0163]
所述衬底100适宜于提供工艺操作平台，所述第一包层110适宜于填充空间并引导电流，所述发光层120适宜于产生光。
[0164]
所述衬底100、所述第一包层110和所述发光层120的具体技术方案参考前述激光单元的实施例，本发明在此不再赘述。
[0165]
需要说明的是，本发明一些实施例中，在所述衬底100上依次形成第一包层110、发光层120和谐振结构130的步骤中，通过外延生长的方式在所述衬底上依次形成所述第一包层110、所述发光层120和所述第二包层131。因此高质量的衬底100能够有效提高后续所形
成材料膜层的质量，有利于获得高质量的激光单元。
[0166]
所述谐振结构130适宜于使所述发光层120所产生的光谐振放大形成激光，所述谐振结构130的具体技术方案参考前述激光单元的实施例，本发明在此不再赘述。
[0167]
本发明一些实施例中，形成所述谐振结构130的步骤包括：在所述发光层120上形成第二包层131；在所述第二包层131上形成图形化层(图中未示出)，所述图形化层适宜于定义所述谐振单元132；以所述图形化层为掩模，刻蚀所述第二包层131以形成所述谐振单元132。
[0168]
本发明一些实施例中，形成所述图形化层的步骤包括：通过电子束曝光、纳米压印、光刻(如极紫外(extreme ultra-violet，euv)光刻)中至少一种工艺对图形材料层进行图形化。
[0169]
本发明一些实施例中，刻蚀所述第二包层131的步骤中，在所述第二包层131中形成孔(图中未标示)；形成所述谐振结构130的步骤还包括：填充所述孔，在所述孔内形成填充体133。
[0170]
本发明一些实施例中，所述填充体133的材料为高分子材料，例如，所述填充体133的材料可以为聚酰亚胺或苯丙环丁烯(bcb)。所以填充所述孔的步骤包括：通过旋涂的方式填充所述孔以形成填充体133。
[0171]
需要说明的是，本发明一些实施例中，所述谐振结构130还包括：接触层134，所述接触层134位于所述第二包层131远离所述发光层120的表面，而且所述谐振单元132贯穿所述接触层134并延伸至所述第二包层132，所以形成所示谐振结构130的步骤还包括：形成所述第二包层131之后，在所述第二包层131上形成图形化层之前，在所述第二包层131上形成所述接触层134。
[0172]
继续参考图2，形成所述谐振结构130之后，在所述衬底100远离所述发光层120的一侧形成第一电极100e；在所述谐振结构130远离所述发光层120的一侧形成第二电极130e。
[0173]
所述第一电极100e和所述第二电极130e适宜于实现所述激光单元与外部电路连接以进行供电。所述第一电极100e和所述第二电极130e的具体技术方案参考前述激光单元的实施例，本发明在此不再赘述。
[0174]
需要说明的是，如图5所示，本发明另一些实施例中，所述激光单元还包括限制层235，所述限制层235适宜于提高所述发光层220的光学限制因子。
[0175]
本发明一些实施例中，所述限制层235位于第一位置和第二位置中至少一个位置上，其中，所述第一位置为所述第一包层210和所述发光层220之间的位置，所述第二位置为所述第二包层231和所述发光层220之间的位置。而且，所述限制层235位于所述第二位置，所述谐振单元232贯穿所述第二包层231并延伸至至少部分厚度的所述限制层235中。
[0176]
所以，所述激光单元的形成方法还包括：形成第一包层210之后，且形成所述发光层220之前，形成限制层235；和/或，形成所述发光层220之后，且形成所述第二包层231之前，形成限制层235。
[0177]
还需要说明的是，如图8所示，本发明一些实施例中，所述激光单元还包括：抗反射层340，所述抗反射层340位于所述衬底300远离所述第一包层310的表面。所述抗反射层340适宜于减少衬底300远离所述第一包层310的表面的反射以抑制驻波，提高出光效率。所以，
所述形成方法还包括：形成所述第一电极300e之后，在所述衬底300远离所述第一包层310的表面形成所述抗反射层340。
[0178]
此外，如图11所示，本发明一些实施例中，所述激光单元还包括：调整结构450，所述调整结构450位于所述衬底400和所述第一包层410之间，所述调整结构450适宜于抑制所述衬底400内的驻波。所以，所述形成方法还包括：提供衬底400之后，形成所述第一包层410之前，在所述衬底400上形成所述调整结构450。
[0179]
综上，所述谐振结构远离发光层的一侧设置第二电极，无需二次外延，从而能够有效简化步骤、降低工艺难度，能够克服二次外延所引起的外延层质量及孔洞形状均一性差的问题，能够同时满足优质的功率特性和高亮度的需求，有利于提高外延层质量和最终产品中孔洞形状的均一性，有利于形成大规模量产和商业化应用。
[0180]
所述谐振结构还包括接触层，所述接触层位于所述第二包层和所述第二电极之间；所述谐振单元沿第二电极指向第一电极的方向贯穿所述接触层并延伸至所述第二包层。所述接触层与金属材料的接触性能更好，因此所述接触层的设置能够有效改善第二电极与所述谐振结构之间的电传导性能。
[0181]
所述谐振结构还包括：限制层，以提高所述发光层的光学限制因子。所述限制层与相邻的第一包层和发光层或者与相邻的第二包层和发光层之间具有预设的折射率分布规律，即高-低-高的分布规律，能够有效提高光学限制因子，能够加强光场在发光层的限制程度。
[0182]
所述谐振结构还包括：孔和填充于所述孔内的填充体。所述填充体填充于孔内，所述填充体的材料的折射率至少与所述第二包层的材料的折射率不相等。所述填充体填充于所述谐振单元内，能够有效改善所述光子晶体结构的稳定性。
[0183]
所述填充体的材料为高分子材料，因此所述填充体可以通过旋涂法形成，从而能够有效保证所述填充体填充满所述孔，避免形成空洞，特别是较高深宽比的情况下，不仅能够有效提高所述激光单元的稳定性，还能够有效保证所形成光子晶体光学性能的稳定性和均匀性。
[0184]
所述衬底为n型衬底，所述第一包层为n型包层，所诉第二包层为p型包层；而且，所述第二电极指向所述第一电极的方向与激光出射方向一致，也就是说，所述激光单元为背向发光的激光单元。采用n型材料作为衬底，能够利用高质量的衬底以提高后续所形成材料膜层的质量；而采用背面发光的结构，能够有效提高发光层电流注入的均匀性，提高发光效率。
[0185]
所述激光单元还包括：位于衬底和第一包层之间的调整结构，以抑制衬底内的驻波。所述调整结构的厚度控制难度较低，无需高精度的工艺即可实现其抑制驻波的效果，能够有效降低工艺难度。
[0186]
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。