CN110829178B - 环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器 - Google Patents
环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器 Download PDFInfo
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Abstract
环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器属于半导体激光器技术领域。现有技术出光口存在工艺损伤,也不易与光纤、透镜等元件良好耦合,器件的散热效果也有待改善。本发明之激光器自上而下依次是上电极、欧姆接触层、上分布布拉格反射镜、氧化物限制层、有源增益区、下分布布拉格反射镜、衬底、下电极;上电极、氧化物限制层的形状为内径相同的环形,所述环形的宽度为3μm~5μm,所述环形的外径为115μm~125μm;在下分布布拉格反射镜、衬底、下电极的中心部分存在一个圆柱形空心区域,所述圆柱形空心区域的顶面高度低于下分布布拉格反射镜的内镜面、高于下分布布拉格反射镜的外镜面,所述圆柱形空心区域的直径为85μm~95μm,在所述圆柱形空心区域中填充有高导热率焊料。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器,属于半导体激光器技术领域。
背景技术
空心激光束(HollowLaserBeam,HLB)是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束,也称为空心光束或者暗中空光束(TakahiroKuga,YoshioTorii,NoritsuguShiokawa,etal.Novel OpticalTrapofAto6mswithaDoughnutBeam[J].PhysRevLett,1997,78:4713~4716)。换句话说,空心激光束是光轴光强为零的光束。空心光束具有一系列新颖独特的物理性质,例如桶状强度分布、较小的暗斑尺寸(DSS)和传播不变性以及具有自旋与轨道角动量等。空心光束作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手,成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具。空心激光束应用在激光光学、二元光学、计算全息、微观粒子的光学囚禁、材料科学、生物医学等领域。
在半导体激光器技术领域有一种垂直腔面发射半导体激光器,相比于固体激光器,垂直腔面发射半导体激光器具有体积小、效率高、阈值低、具有简便的电泵浦方式以及在光纤数据传输中所具有的作用,人们渴望实现垂直腔面发射半导体激光器的腔内空心发光。专利号为ZL201510113902.0的一件中国发明专利给出一种名称为“环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器”的技术方案,如图1所示,所述环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8;上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同的环形,所述环形的宽度为3~5μm,所述环形的外径为115~125μm;欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5层叠在一起构成一个具有空心部分10的圆柱区域,在所述圆柱区域的空心部分10的下面有高阻区9;所述环形的外径与所述圆柱区域的外径尺寸相同,该具有空心部分10的圆柱区域的内径为85~95μm;所述高阻区9的底面与下分布布拉格反射镜6接触,高阻区9的顶面的高度高于上分布布拉格反射镜3的内镜面、低于上分布布拉格反射镜3的外镜面。所述环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器在工作时,电流从上电极1注入,经过欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4中部进入有源增益区5,由于欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3以及有源增益区5层叠在一起构成一个具有空心部分10的圆柱区域,并且,在所述圆柱区域的空心部分10的下面有高阻区9,在器件中形成一种“环形结构上分布布拉格反射镜”,因此,该激光器的谐振腔呈环柱形,电流只能在该环柱形谐振腔内产生受激发射,于是,出射光成为空心激光束,如图2所示,实现了垂直腔面发射半导体激光器的腔内空心发光。
然而,要在现有垂直腔面发射半导体激光器中制作环形结构上分布布拉格反射镜,需要通过湿法腐蚀或者干法刻蚀形成空心部分10,还有通过氢离子注入形成高阻区9,这不仅导致器件制作工艺步骤增多,工艺难度也增大,如腐蚀或者刻蚀的深度不易控制,离子注入的均匀性不易掌握,不利于器件的批量生产。随之而来的问题至少还有以下四点:1、工艺损伤问题,由于空心部分10的制作是在器件出光口一侧进行,所采取的湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺都会对上分布布拉格反射镜3的外镜面以及激光器环柱形谐振腔的内柱面造成损伤,极易造成不可逆的腔体结构损伤,大大降低了器件成品率;同时,由于上分布布拉格反射镜3的外镜面以及激光器环柱形谐振腔的内柱面的粗糙度增高,激射光会发生多步反射,产生较多的杂散光,降低了注入电流转化效率;2、空心激光束质量难以保证,这是因为采用氢离子注入工艺来形成高阻区9,而注入的均匀性却不易掌握,导致空心激光束中心光强不绝对为零,暗斑尺寸不可控;3、器件封装方面的问题,由于空心部分10位于器件出光口一侧,不论是单管封装还是阵列封装,都极易对谐振腔腔体造成机械损伤,提高封装工艺困难,例如,在打金丝(制作电极引线)工艺中,上分布布拉格反射镜3单位体积承担应力过大,易造成腔体机械损伤;再如,在阵列贴片工艺中,贴片头与阵列接触面积小、压力大,也易造成谐振腔腔体机械损伤;4、器件使用方面的问题,由于空心部分10位于器件出光口一侧,使得器件在后期实际应用中与光纤、透镜等光学元件耦合困难,限制器件的应用范围。
再有就是各种半导体激光器都存在的带有共性的问题,也就是由于衬底材料,如GaAs,都属于导热不良材料,而起散热作用的部分,如板块状热沉、散热片等又都是通过与衬底接触实现管芯散热,因此,器件的散热效果有待改善。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题,我们发明了一种环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器,在由激光器器件直接产生空心光束的前提下,避免了因在器件出光口一侧形成空心部分以及在空心部分下面通过离子注入形成高阻区的工艺步骤而带来的技术问题,并改善了器件的散热效果。
本发明之环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8;上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同的环形,所述环形的宽度为3μm~5μm,所述环形的外径为115μm~125μm;其特征在于,如图3所示,在下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8的中心部分存在一个圆柱形空心区域11,所述圆柱形空心区域11的顶面高度低于下分布布拉格反射镜6的内镜面、高于下分布布拉格反射镜6的外镜面,所述圆柱形空心区域11的直径为85μm~95μm,在所述圆柱形空心区域11中填充有高导热率焊料12,如图4所示。
本发明之垂直腔面发射半导体激光器在工作时,电流从上电极1注入,经过欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4中部进入有源增益区5,由于在下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8的中心部分存在一个圆柱形空心区域11,并且,所述圆柱形空心区域11的顶面高度低于下分布布拉格反射镜6的内镜面、高于下分布布拉格反射镜6的外镜面,也就是在器件管芯中心部分下分布布拉格反射镜6的外镜面缺失,形成一种“环形结构下分布布拉格反射镜”,从而在器件管芯中心部分不发生有效谐振;同时,由于所述圆柱形空心区域11的直径为85μm~95μm,小于所述环形的内径105μm~119μm,因此,在器件管芯中形成一个外径为105μm~119μm、内径为85μm~95μm的隐形环柱形谐振腔,注入的电流只能在该隐形环柱形谐振腔内引发激射,于是,出射光成为空心激光束,如图5所示,实现了垂直腔面发射半导体激光器的腔内空心发光。在这一前提下,本发明其技术效果如下所述。在本发明之垂直腔面发射半导体激光器中没有所谓的高阻区,因此省去了氢离子注入工艺步骤,因该工艺步骤带来的问题自然消除,也就是空心激光束质量问题。虽然需要在半导体激光器管芯制作完毕后,要采用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺在器件管芯中部形成圆柱形空心区域,但是,所述圆柱形空心区域11并非位于半导体激光器出光口一侧,而是位于半导体激光器管芯衬底一侧,不存在出光口工艺损伤问题、器件封装方面的问题以及器件使用方面的问题。由于在所述圆柱形空心区域11填充有高导热率焊料12,至少在该区域消除衬底7对有源增益区5产生的热的扩散的阻隔,改善了器件的散热效果,实际上,在该区域还避免了衬底7与下分布布拉格反射镜6对激光器串联电阻的贡献,减少热的产生,从而进一步改善器件的散热效果,相比于现有技术,器件的散热能力能够增强20%;并且,所述高导热率焊料12的填充能够在将器件管芯焊接在器件散热片或者热沉上的同时来完成,工艺步骤并未因此而增加,所述散热片厚度为微米量级,材质为氮化铝或者碳化硅,具有导热率高的特点;所述热沉材质为铜,同样具有良好的导热性能。
附图说明
图1是现有环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器结构及出光状态主视剖视示意图。
图2是现有环形结构上分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器出光状态俯视示意图。
图3是本发明之环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器结构及出光状态主视剖视示意图;在该图中,圆柱形空心区域尚未填充高导热率焊料。
图4是本发明之环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器结构及出光状态主视剖视示意图;在该图中,圆柱形空心区域填充有高导热率焊料;该图同时作为摘要附图。
图5是本发明之环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器出光状态俯视示意图。
具体实施方式
本发明之环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器自上而下依次是上电极1、欧姆接触层2、上分布布拉格反射镜3、氧化物限制层4、有源增益区5、下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8;上电极1材料为Ti/Pt/Au。欧姆接触层2材料为GaAs。上分布布拉格反射镜3材料为P型Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As。氧化物限制层4材料为Al2O3。有源增益区5材料为GaAs/AlGaAs。下分布布拉格反射镜6材料为N型Al0.1Ga0.9As/Al0.8Ga0.2As。衬底7材料为GaAs。下电极8材料为Au/Ge/Ni;上电极1、氧化物限制层4的形状为内径相同的环形,所述环形的宽度为3μm~5μm,所述环形的外径为115μm~125μm。如图3所示,在下分布布拉格反射镜6、衬底7、下电极8的中心部分存在一个圆柱形空心区域11,所述圆柱形空心区域11的顶面高度低于下分布布拉格反射镜6的内镜面、高于下分布布拉格反射镜6的外镜面,所述圆柱形空心区域11的直径为85μm~95μm,所述圆柱形空心区域11的高度为140~150μm。在所述圆柱形空心区域11中填充有高导热率焊料12,如图4所示;所述高导热率焊料12为金锡合金或者有机铟化合物,后者相比金锡合金焊料价格成本要低得多。
Claims (3)
1.一种环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器,自上而下依次是上电极(1)、欧姆接触层(2)、上分布布拉格反射镜(3)、氧化物限制层(4)、有源增益区(5)、下分布布拉格反射镜(6)、衬底(7)、下电极(8);上电极(1)、氧化物限制层(4)的形状为内径相同的环形,所述环形的宽度为3μm~5μm,所述环形的外径为115μm~125μm;其特征在于,在下分布布拉格反射镜(6)、衬底(7)、下电极(8)的中心部分存在一个圆柱形空心区域(11),所述圆柱形空心区域(11)的顶面高度低于下分布布拉格反射镜(6)的内镜面、高于下分布布拉格反射镜(6)的外镜面,所述圆柱形空心区域(11)的直径为85μm~95μm,在所述圆柱形空心区域(11)中填充有高导热率焊料(12)。
2.根据权利要求1所述的环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器,其特征在于,所述圆柱形空心区域(11)的高度为140~150μm。
3.根据权利要求1所述的环形结构下分布布拉格反射镜垂直腔面发射半导体激光器,其特征在于,所述高导热率焊料(12)为金锡合金或者有机铟化合物。
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