一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器的制作方法

本发明涉及发光二极管领域，尤其涉及一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器是一种半导体微腔激光器，相较于传统的边发射激光器，垂直腔面发射激光器由于具有低阈值电流、体积小、圆对称光斑易于光纤耦合、高光束质量、单纵模、面发射易于集成等优势，使其在近年来得到了迅猛的发展，广泛应用于人脸识别等三维传感、光通信、激光雷达、无人驾驶等领域中。

2、目前采用的垂直腔面发射激光器芯片主要为单结垂直腔面发射激光器，单结垂直腔面发射激光器的单孔出光功率一般是5mw-10mw；对于大型三维传感应用场景而言，例如基于激光雷达的无人驾驶领域，单结垂直腔面发射激光器已经无法满足其需求，需要更大功率和高效率的激光器；为了达到更大出光功率，通常考虑增大芯片发光面积，但是这种做法增加了发光面尺寸以及物料成本，不仅增加了光学设计难度，而且也让终端产品尺寸难以小型化。

3、利用隧道结技术在材料外延过程中直接将多个半导体激光器外延层串联，如此可以在更小的空间内集成多个激光器，有效增加光功率密度。同样，垂直腔面发射激光器(vcsel)也可以通过隧穿结将谐振腔内的多个量子阱连接，提高光功率。因此，作为vcsel的新一轮发展，多结vcsel技术成为研究热点。多结vcsel包含多个级联有源区，可以提高器件的内量子效率，同时降低载流子密度，从而获得更高增益。多结vcsel具有许多明显优势。例如，更高的效率可以降低整体热负荷；更高的功率密度使芯片和封装尺寸大大减小，从而简化了光学设计和系统架构。

4、然而，传统的vcsel的发散全角通常约为20～30度，这个发散角虽能满足一些传统的应用，但对于新的应用场景而言仍相对较大，会限制三维传感器和的激光雷达探测距离、分辨率和信噪比。特别是在将多结vcsel应用于功率应用要求较高的激光雷达，受其结构影响，难以达到激光雷达的要求。因此，将多结vcsel的光束发散角进一步进行压缩在实际应用中有着非常迫切的需求。

5、有鉴于此，本发明人专门设计了一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，本案由此产生。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，以解决多结垂直腔面发射激光器的发散角问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，包括：

4、衬底以及沿所述衬底表面依次堆叠的n型dbr反射层、谐振腔层以及p型dbr反射层；

5、所述谐振腔层通过谐振形成驻波，其包括若干组多量子阱层以及设置于相邻两组多量子阱层之间的氧化层和隧穿结；其中，至少一个氧化层设置于所述驻波的波腹位置，以同时限制光场和电场。

6、优选地，其余氧化层设置于所述驻波的波节位置，以限制电流。

7、优选地，沿第一方向上的氧化层顶层设置于所述驻波的波腹位置；其中，所述第一方向垂直于所述衬底，并由所述衬底指向所述p型dbr反射层。

8、优选地，所述氧化层设置于所述多量子阱层与所述隧穿结之间。

9、优选地，所述隧穿结包括沿所述第一方向依次层叠的n型层和p型层，且所述隧穿结设置于所述驻波的波节位置，使所述隧穿结通过将至少部分p型层配置在所述波节位置以减小所述p型层的吸光。

10、优选地，所述多量子阱层设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。

11、优选地，所述砷化镓系多结垂直腔面发射激光器包括三结垂直腔面发射激光器。

12、优选地，沿所述第一方向，所述n型层和p型层的交界面与所述波节位置具有偏离距离。

13、优选地，所述n型层和p型层的交界面相对所述波节位置沿所述衬底一侧偏离。

14、优选地，所述偏离距离的数值不大于所述p型层的厚度值。

15、优选地，所述衬底包括gaas衬底。

16、优选地，每组多量子阱层包含若干个量子阱层和若干个量子垒层。

17、优选地，所述多量子阱层包括ingaas/algaas量子阱结构或ingaas/gaasp量子阱结构。

18、优选地，在所述p型dbr反射层背离所述衬底的一侧表面设有欧姆接触层。

19、经由上述的技术方案可知，本发明提供的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，通过在相邻两组多量子阱层之间的氧化层和隧穿结；其中，至少一个氧化层设置于所述驻波的波腹位置，以同时限制光场和电场。其余氧化层设置于所述驻波的波节位置，以限制电流；进一步地，沿第一方向上的氧化层顶层设置于所述驻波的波腹位置。从而，通过将一个氧化层设置于所述驻波的波腹位置，以增加此氧化层内部的光场强度，使得vcsel发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生，降低了发散角；同时通过增加氧化层内部的光场强度，还可以有效的减小激光器的有效腔长，从而增加了相邻纵模之间的波长差，实现单纵模激射，避免多波长输出。此外，通过将其余氧化层设置于所述驻波的波节位置，在保证了对发光区限定效果的同时，还可以保证其余氧化层所在位置的光场强度较小，可以进一步的减小氧化层的光限制因子，从而实现电流限制的效果。

20、其次，所述多量子阱层设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益效果；所述隧穿结包括沿所述第一方向依次层叠的n型层和p型层，且所述隧穿结设置于所述驻波的波节位置，使所述隧穿结通过将至少部分p型层配置在所述波节位置以减小所述p型层的吸光。

21、然后，所述n型层和p型层的交界面与所述波节位置具有偏离距离，进一步地，所述n型层和p型层的交界面相对所述波节位置沿所述衬底一侧偏离。如此，可将所述p型层更多地配置在所述波节的相邻位置，从而减小所述p型层的吸光，以提高整个垂直腔面发射激光器的电光转换效率。

22、最后，在本发明的一个优选方案中，所述偏离距离的数值不大于所述p型层的厚度值，如此可以最大化地实现将所述p型层配置与所述波节位置的两侧，从而使所述p型层的吸光减小到极限，以更好地提高整个垂直腔面发射激光器的电光转换效率。

技术特征：

1.一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，其余氧化层设置于所述驻波的波节位置，以限制电流。

3.根据权利要求1或2所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，沿第一方向上的氧化层顶层设置于所述驻波的波腹位置；其中，所述第一方向垂直于所述衬底，并由所述衬底指向所述p型dbr反射层。

4.根据权利要求3所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述氧化层设置于所述多量子阱层与所述隧穿结之间。

5.根据权利要求1所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述隧穿结包括沿所述第一方向依次层叠的n型层和p型层，且所述隧穿结设置于所述驻波的波节位置，使所述隧穿结通过将至少部分p型层配置在所述波节位置以减小所述p型层的吸光。

6.根据权利要求1所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述多量子阱层设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。

7.根据权利要求1所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述砷化镓系多结垂直腔面发射激光器包括三结垂直腔面发射激光器。

8.根据权利要求5所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，沿所述第一方向，所述n型层和p型层的交界面与所述波节位置具有偏离距离。

9.根据权利要求8所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述n型层和p型层的交界面相对所述波节位置沿所述衬底一侧偏离。

10.根据权利要求8所述的砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述偏离距离的数值不大于所述p型层的厚度值。

技术总结
本发明提供了一种砷化镓系多结垂直腔面发射激光器，通过在相邻两组多量子阱层之间的氧化层和隧穿结；其中，至少一个氧化层设置于所述驻波的波腹位置，以同时限制光场和电场。其余氧化层设置于所述驻波的波节位置，以限制电流；进一步地，氧化层顶层设置于所述驻波的波腹位置。从而，通过将一个氧化层设置于所述驻波的波腹位置，以增加此氧化层内部的光场强度，使得VCSEL发光孔内外的有效折射率差异降低，进而抑制高阶模式的产生，降低了发散角。此外，通过将其余氧化层设置于所述驻波的波节位置，在保证对发光区限定效果的同时，还可以保证其余氧化层所在位置的光场强度较小，可以进一步的减小氧化层的光限制因子，从而实现电流限制的效果。

技术研发人员：吴真龙
受保护的技术使用者：扬州乾照光电有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13