一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器及制备方法

本发明涉及半导体激光器，具体涉及一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器及制备方法。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，vcsel)具有单纵模、低阈值、圆形光斑、易于形成二维阵列等特点，一种非常有吸引力的光源。在许多应用中如小型低功率原子传感器、光谱学、气体检测、激光打印、光存储、以及远距离光通信，均需要vcsel单模工作且功率要求在几毫瓦。但是由于vcsel的横向尺寸大，容易工作在多横模的状态，一般只能尽量缩小横向尺寸，从而限制了vcsel的单模功率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中垂直腔面发射激光器的单模功率低的问题，本发明提供一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器及制备方法。

2、一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器，包括：

3、依次设置的异质材料衬底，n型电极、n型欧姆接触层、n型反射镜、延长腔层、多有源区域、第二刻蚀停层、相位层、p型反射镜、p型欧姆接触层、离子注入区以及正面电极；

4、所述第二刻蚀停层和所述相位层上设有出光孔；

5、所述离子注入区位于所述出光孔的外围，所述有源区的内部和上部。

6、进一步地，所述多有源区域包括量子阱有源区、间隔层和隧道结层，所述量子阱有源区至少为两个，所述间隔层位于所述量子阱有源区和所述隧道结层之间。

7、进一步地，所述隧道结层的材料为alxga1-xas、gaas、inp、inxga1-xas和gaxin1-xnyas1-y中的一种或几种。

8、进一步地，所述异质材料衬底为金刚石、氮化铝、碳化硅、硅、铜、铝、铁、石英和聚二甲硅氧烷中的一种或几种。

9、进一步地，所述出光孔的直径不小于1微米。

10、进一步地，所述离子注入区的深度不大于20微米，所述离子注入区注入的离子为氢离子、氧离子、氮离子、氩离子、碳离子、磷离子和硼离子中的一种或几种。

11、进一步地，所述延长腔层的厚度不大于20微米，所述延长腔层的材料为alxga1-xas、gaas、inp、inxga1-xas和gaxin1-xnyas1-y中的一种或几种。

12、上述的垂直腔面发射激光器的制备方法，具体方法如下：

13、在n型衬底上依次外延生长缓冲层、第一刻蚀停层、n型欧姆接触层、n型反射镜、延长腔层、多有源区域、第二刻蚀停层、相位层；

14、选择性刻蚀掉相位层和第二刻蚀停层后形成出光孔；

15、二次外延生长p型反射镜、p型欧姆接触层；

16、在所述p型欧姆接触层上依次制作离子注入区和正面电极；

17、去除所述n型衬底、所述缓冲层和所述第一刻蚀停层，将所述n型欧姆接触层与所述异质材料衬底通过n型电极键合实现异质集成。

18、进一步地，所述多有源区域的制备方法为：所述多有源区域包括量子阱有源区、间隔层和隧道结层，根据需要设置所述量子阱有源区的数量，按如下方法制备：在所述延长腔层上生长所述量子阱有源区，在所述量子阱有源区上沉积所述间隔层，在所述间隔层上沉积所述隧道结层，在所述隧道结层上沉积所述间隔层，在所述间隔层上沉积所述量子阱有源区层。

19、进一步地，所述异质集成方法为：

20、在所述n型欧姆接触层背离所述n型反射镜的一侧进行溅射处理，形成n型接触电极；

21、在所述异质材料衬底上进行溅射处理，形成所述n型电极；

22、通过键合工艺将所述n型接触电极与所述n型电极键合。

23、本发明提供的一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器，是在n型反射镜和p型反射镜中间形成多有源区域来增加微分量子效率；同时，由于多有源区域的产热增加，通过衬底转移方法，将热导率低的n型衬底替换为热导率高的异质材料衬底，实现高效率散热。

技术特征：

1.一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器，其特征在于：包括：

2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述多有源区域(7)包括量子阱有源区(71)、间隔层(72)和隧道结层(73)，所述量子阱有源区(71)至少为两个，所述间隔层(72)位于所述量子阱有源区(71)和所述隧道结层(73)之间。

3.如权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述隧道结层(73)的材料为alxga1-xas、gaas、inp、inxga1-xas和gaxin1-xnyas1-y中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述异质材料衬底(16)为金刚石、氮化铝、碳化硅、硅、铜、铝、铁、石英和聚二甲硅氧烷中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述出光孔的直径不小于1微米。

6.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述离子注入区(12)的深度不大于20微米，所述离子注入区(12)注入的离子为氢离子、氧离子、氮离子、氩离子、碳离子、磷离子和硼离子中的一种或几种。

7.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述延长腔层(6)的厚度不大于20微米，所述延长腔层(6)的材料为alxga1-xas、gaas、inp、inxga1-xas和gaxin1-xnyas1-y中的一种或几种。

8.权利要求1所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：具体方法如下：

9.权利要求8所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：所述多有源区域(7)的制备方法为：所述多有源区域(7)包括量子阱有源区(71)、间隔层(72)和隧道结层(73)，根据需要设置所述量子阱有源区(71)的数量，按如下方法制备：在所述延长腔层(6)上生长所述量子阱有源区(71)，在所述量子阱有源区(71)上沉积所述间隔层(72)，在所述间隔层(72)上沉积所述隧道结层(73)，在所述隧道结层(73)上沉积所述间隔层(72)，在所述间隔层(72)上沉积所述量子阱有源区层(71)。

10.权利要求8或9所述的垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：所述异质集成方法为：

技术总结
本发明公开了一种单模高功率、低热阻垂直腔面发射激光器，包括：依次设置的异质材料衬底，N型电极、N型欧姆接触层、N型反射镜、延长腔层、多有源区域、第二刻蚀停层、相位层、P型反射镜、P型欧姆接触层、离子注入区以及正面电极；所述第二刻蚀停层和所述相位层上设有出光孔；制备方法：在N型衬底上依次外延生长缓冲层、第一刻蚀停层、N型欧姆接触层、N型反射镜、延长腔层、多有源区域、第二刻蚀停层、相位层；刻蚀形成出光孔；二次外延生长P型反射镜、P型欧姆接触层；制作离子注入区和正面电极；去除N型衬底、缓冲层和第一刻蚀停层，将N型欧姆接触层与异质材料衬底集成。本发明实现了单模高功率和低热阻。

技术研发人员：荀孟,周晓莉,潘冠中,赵壮壮,孙昀
受保护的技术使用者：中国科学院微电子研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15