一种基于金刚石膜的高性能VCSEL半导体激光器

本发明设计半导体激光，涉及一种基于金刚石膜的高性能vcsel半导体激光器。

背景技术：

1、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-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。

2、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

1、本发明的目的在于解决vcsel工作温度较低(600)、线宽较宽、光束质量较差的问题。

2、为了实现上述目的本发明采用以下技术手段：

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、上述技术方案中，所述散热层设置在第二dbr反射层的两端。

8、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。

9、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。

10、因为本发明采用上述技术手段，因此具备以下有益效果：

11、本发明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。

12、本发明通过对其各有源层、欧姆接触层、分布布拉格反射镜(distributed brragreflector，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。

技术特征：

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半导体激光器，其特征在于，所述散热层(109)设置在第二dbr反射层(108)的两端。

6.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dbr反射层(104)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。

7.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，有源层(106)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(106)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。

8.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，隔热层为蓝宝石玻璃。

9.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，衬底上使用化学气相沉积法沉积金刚石膜作为散热层(102)。

技术总结
本发明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。

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
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15