CN115764549B - 一种vcsel激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器领域，具体提供一种面发射激光器及其制备方法，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底，光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于第一反射镜和第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，光栅结构层位于有源区的上方或者下方，光栅结构层包括位于中心区域的主腔、围绕主腔设置的副腔以及位于主腔和副腔之间的电绝缘区，副腔内设有光栅结构，在工作时，通过在主腔上施加调制电流，在副腔上施加直流电流，使主腔光部分经过副腔反馈后返回主腔，与主腔的光产生谐振。通过调节光栅结构的占空比，增大副腔耦合进主腔的光，从而增大调制带宽，突破现有带宽上限。

Description

一种VCSEL激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种VCSEL激光器。

背景技术

面发射激光器尤其是垂直腔面发射激光器（VCSEL），自从1977年被提出以来，由于具有圆形对称光斑、低阈值电流、易于二维集成和在面检测等优点，受到越来越多的关注，被广泛应用于光通讯、光互连、传感、光存储、激光显示、激光雷达等众多领域。随着大数据中心和超级计算机的逐渐兴起，其内部的总网络带宽超过200T bps，相互之间的数据传输引起的功耗得到了极大的重视，采用VCSEL进行数据中心之间的光互连被视为一种降低传输功耗的有效手段。

随着数据中心流量需求激增，对VCSEL的速率要求越来越高，典型的VCSEL结构受器件寄生、热效应等因素的影响，带宽进一步提高的空间有限，因此，提高VCSEL带宽的新结构的提出尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例中提供一种VCSEL激光器及其制备方法。

第一方面，本发明提供一种VCSEL激光器，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底；

所述光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，所述光栅结构层位于所述有源区的上方或者下方；

所述光栅结构层包括位于中心区域的主腔、围绕所述主腔设置的副腔以及位于所述主腔和所述副腔之间的电绝缘区，所述副腔内均设有光栅结构，通过控制所述副腔内光栅结构的占空比调整光的耦合效率。

作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔的形状为圆形、正方形或三角形或其他规则或不规则图形。

作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔的宽度为5μm-150μm。

作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔均为正方形结构，所述副腔具有四个，四个所述副腔分别位于所述主腔的四条边上。

作为一种可选的方案，所述主腔和所述副腔的的边长均为10μm。

作为一种可选的方案，所述副腔侧壁具有或不具有高反射率结构。

作为一种可选的方案，所述高反射率结构为光子晶体全反射镜、高反射率介质膜、布拉格反射镜中的至少一个。

作为一种可选的方案，所述电绝缘区为离子注入区，所述离子注入区的区域为0-25μm。

作为一种可选的方案，所述光学谐振结构还包括用来对电流和光场进行限制的电流限制层，所述电流限制层为通过湿氮氧化工艺对外延结构中高Al掺杂的AlGaAs层进行氧化生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝层，所述氧化铝层中间部分未氧化的区域为电流孔。

作为一种可选的方案，所述电流限制层位于所述第一反射镜和所述有源区之间；或

所述电流限制层位于所述有源区和所述第二反射镜之间；或

所述电流限制层为两个，分别位于所述有源区的上方和下方。

作为一种可选的方案，所述第一反射镜采用P型分布式布拉格反射镜DBR、高反射膜，膜系结构为5-6对SiO2/TiO2的高反射膜，或采用16-25对x=0.12-0.9的P型掺杂的AlxGa1-xAs交叠层中的任一种；

所述第二反射镜采用N型分布式布拉格反射镜DBR、或x=0.12-0.9的n型掺杂的AlxGa1-xAs交叠层的任一种。

作为一种可选的方案，所述有源区为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。

作为一种可选的方案，所述电流孔的孔径为2μm-20μm，所述电流孔的形状为圆形、矩形、椭圆形或者三角形其他规则或不规则结构三角形中任一种。

作为一种可选的方案，所述光栅结构的形状为矩形、长方形、梯形或圆形中或其他规则或不规则结构中任一种或多种结构的结合。

作为一种可选的方案，所述第一型电极为P型电极，所述第二型电极为N型电极，所述第二型衬底为N型衬底。

作为一种可选的方案，还包括用于进行反射的N型高掺杂区，所述N型高掺杂区位于所述光学谐振结构和所述第二型衬底之间。

作为一种可选的方案，所述光栅结构为一阶光栅或二阶光栅或其他光栅类型。

第二方面，本发明实施例提供一种VCSEL激光器的制备方法，包括：

S1、在第二型衬底上采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术依次生长第二反射镜、有源区以及光栅结构层；

S2、在器件表面匀涂光刻胶，利用电子束曝光技术和感应耦合等离子体ICP刻蚀技术在所述光栅结构层制备一阶光栅；

S3、采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术进行二次外延生长，依次生长电流限制层、第一反射镜；

S4、在器件表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和感应耦合等离子体ICP刻蚀技术在第一反射镜上进行刻蚀；

S5、利用氧化炉对电流限制层进行氧化；

S6、进行二次光刻，在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术制备第一型电极，并生长第一型金属层；

S7、进行三次光刻，在器件表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术制备电绝缘区的图形，使用离子注入机进行离子注入形成电绝缘区；

S8、在器件表面生长二氧化氮层，通过光学掩膜版、利用紫外曝光和二氧化氮刻蚀技术制备第二型台面结构；

S9、去除器件表面残留的二氧化氮保护层，利用等离子体增强化学气相沉积法PECVD技术生长一层二氧化氮保护层；

S10、在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第二型金属层结构，通过反应离子刻蚀RIE去除第二型金属层结构的二氧化氮保护层；

S11、在第二型金属层结构上继续生长第二型金属层；

S12、涂苯并环丁烯BCB光敏胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第一型金属层、第二型金属层，使用固化炉对BCB光敏胶进行固化；

S13、在器件表面上匀涂光刻胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出共面电极，再进行共面电极生长，完成制备。

本发明实施例中提供的VCSEL激光器，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底，光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于第一反射镜和第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，光栅结构层位于有源区的上方或者下方，光栅结构层位于副腔内，或主腔和副腔均有。在工作时，光学谐振结构通过在副腔上施加直流电流，使主腔发出的光部分经过副腔反射后，返回主腔，和主腔的光之间产生谐振。通过调节光栅结构的占空比，增大横向衍射，减小纵向衍射，增大副腔耦合进主腔的光，提高光的耦合效率，从而增大调制带宽，能够突破现有带宽上限。本发明实施例中还对应提供了一种VCSEL激光器的制备方法，制备得到的VCSEL激光器可以提高光的耦合效率，从而增大调制带宽，能够突破现有带宽上限。

附图说明

图1为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器中侧壁无反射镜的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器中侧壁无反射镜结构，主腔内有光栅结构的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器中光栅结构层在有源区下方的结构示意图；

图6为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器的光路示意图；

图7为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器的部分放大结构的光路示意图；

图8为本发明实施例中提供一种VCSEL激光器的制备方法的流程示意图。

附图标记：第一型电极101，电绝缘区102，第一反射镜103，电流限制层104，光栅结构层105，有源区106，第二反射镜107，高反射率结构108，第二型电极109，N型高掺杂区110，第二型衬底111，主腔112，副腔113，主腔出射激光114，光在副腔中光路图115。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明实施例中提供一种VCSEL激光器，包括自上而下依次堆叠的第一型电极101、光学谐振结构、第二型电极109以及第二型衬底111，这里的第一型电极101和第二型电极109时为了方便区分，当第一型电极101为P型电极时，则第二型电极109为N型电极，对应的第二型衬底111也为N型衬底，反之则相应调换；

光学谐振结构具有第一反射镜103、第二反射镜107以及位于第一反射镜103和第二反射镜107之间的有源区106和光栅结构层105，光栅结构层105位于有源区106的上方或者下方，光栅结构层105位于副腔113内，或主腔112和副腔113均有；

光栅结构层105包括位于中心区域的主腔112、围绕主腔112设置的副腔113以及位于主腔112和副腔113之间的电绝缘区102，主腔112和副腔113内均设有光栅结构，在工作时，光学谐振结构通过在副腔113上施加直流电流，主腔112部分光经副腔113反射之后和主腔其他部分光之间产生谐振，从而增大主腔112输出的激光的带宽，通过控制副腔113内光栅结构的占空比调整光的耦合效率，光的耦合效率可以无限接近于1，对于光栅结构的占空比调节，可以采用通电或者位移调整的方式，对此不做限定。

本实施例中，主腔112和副腔113的数量可以为一个或多个，根据需要进行选择，对此不做限定。

在一些实施例中，光栅结构层105的形状为矩形、长方形、梯形或圆形或其他规则或不规则结构中任一种或多种组合，可以根据需要灵活选择，对此不做限定。

主腔112和副腔113的形状为圆形、正方形或其他规则或不规则图形，主腔112和副腔113的形状可以保持一致也可以不一致，可以根据需要灵活选择，对此不做限定。

在一些实施例中，主腔112和副腔113的宽度为5μm-150μm，这里需要说明的是，当形状采用圆形时，宽度对应为直径的尺寸，当形状采用正方形时，宽度对应为边长的尺寸，当形状采用三角形时，宽度对应为边长的尺寸，当采用不规则图形时，宽度对应某一部分长度。本领域普通技术人员应当理解，对此不做赘述。

结合图2所示，本实施例中，主腔112和副腔113均为正方形结构，主腔112采用1个，副腔113具有4个，四个副腔113分别位于主腔112的四条边上，呈现“+”型排布。其中，主腔112和副腔113的的边长均为10μm。

结合图3所示，在一些实施例中，在主腔112和副腔113中未设置反射镜结构。

结合图4所示，在一些实施例中，在主腔112和副腔113中未设置反射镜结构，主腔112内有光栅结构层，其中主腔112内为二阶光栅结构，副腔113为一阶光栅结构。

结合图5所示，在一些实施例中，光栅结构层105位于有源区106的下方。

结合图1所示，为了进一步提高反射效率，副腔113包括内部的光栅结构和侧壁的高反射膜结构108，这里提到的高反射率结构108可以为光子晶体全反射镜、高反射率介质膜、布拉格反射镜中的至少一个，本实施例中采用高反射率介质膜。

本实施例中，主腔112和副腔113中的光栅结构可以为一阶光栅或二阶光栅，还可以采用平面光栅、凹面光栅，黑白光栅、正弦光栅、三维光栅，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。

电绝缘区102可以保持主腔112和副腔113直接的电性绝缘，本实施例中，电绝缘区102为离子注入区，预先进行离子注入区图形的刻蚀，然后通过离子注入的方式形成离子注入区，离子注入区的区域可以为0-25μm，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。

光学谐振结构还包括用来对电流和光场进行限制的电流限制层104，电流限制层104为通过湿氮氧化工艺对外延结构中高Al掺杂的AlGaAs层进行氧化生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝层，氧化铝层中间部分未氧化的区域为电流孔，电流孔的孔径可以为2μm-20μm，电流孔的形状可以为圆形、矩形、椭圆形或者其他规则或不规则图形中任一种，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。

对于电流限制层104的位置，可以位于第一反射镜103和有源区106之间，还可以位于有源区106和所述第二反射镜107之间，电流限制层104也可以为两个，分别位于有源区106的上方和下方，提高限制效果。

在一些实施例中，第一反射镜103可以采用P型分布式布拉格反射镜DBR、高反射膜，膜系结构为5-6对SiO2/TiO2的高反射膜，或采用16-25对x=0.12-0.9的P型掺杂的AlxGa1-xAs交叠层中的任一种，第二反射镜107可以采用N型分布式布拉格反射镜DBR、或x=0.12-0.9的n型掺杂的AlxGa1-xAs交叠层的任一种，本领域普通技术人员可以灵活选择，对此不做限定。

在本实施例中，第一反射镜103采用P型分布式布拉格反射镜DBR，第二反射镜107采用N型分布式布拉格反射镜DBR。

有源区106为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构，可以根据需要进行选择。

本实施例中，还包括用于进行连接电极的N型高掺杂区110，N型高掺杂区110位于光学谐振结构和第二型衬底111之间，本实施例中，N型高掺杂区110位于N型衬底和第二反射镜107之间。

结合图6和图7所示，为了方便对本方案提供的VCSEL激光器在工作时的光路示意图，其中图6中展示主腔112和副腔113内的光路示意，图中箭头表示光反馈示意，图7中为光在有源区106、光栅结构层105以及第一反射镜103之间的光路示意，主腔出射激光114由主腔112出射，激光在副腔13中形成的光在副腔中光路图115。

本发明实施例中提供的VCSEL激光器，包括自上而下依次堆叠的第一型电极101、光学谐振结构、第二型电极109以及第二型衬底111，光学谐振结构具有第一反射镜103、第二反射镜107以及位于第一反射镜103和第二反射镜107之间的有源区106和光栅结构层105，光栅结构层105位于有源区106的上方或者下方，光栅结构层105包括位于中心区域的主腔112、围绕主腔112设置的副腔113以及位于主腔112和副腔113之间的电绝缘区102，主腔112和副腔113内均设有光栅结构，在工作时，光学谐振结构通过在副腔113上施加直流电流，在主腔112上施加调制电流，使主腔发出的光部分经过副腔113反馈后返回主腔，与主腔内的光产生谐振，通过调节光栅结构的占空比，增大横向衍射，减小纵向衍射，增大副腔113耦合进主腔112的光，提高光的耦合效率，从而增大调制带宽，能够突破现有带宽上限。

结合图3所述，相应地，本发明实施例提供一种VCSEL激光器的制备方法，包括：

S1、在第二型衬底111上采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术依次生长第二反射镜107、有源区106以及光栅结构层105。

S2、在器件表面匀涂光刻胶，利用电子束曝光技术和感应耦合等离子体ICP刻蚀技术在所述光栅结构层105制备一阶光栅。

这里提到的器件表面即完成每次步骤后得到的中间产物的表面，为便于进行表述，下文不做赘述。

S3、采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术进行二次外延生长，依次生长电流限制层104、第一反射镜103。

S4、在器件表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版，利用紫外曝光和感应耦合等离子体ICP刻蚀技术在第一反射镜103上进行刻蚀。

S5、利用氧化炉对电流限制层104进行氧化。

S6、进行二次光刻，在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术制备第一型电极101，并生长第一型金属层。

S7、进行三次光刻，在器件表面匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术制备电绝缘区102的图形，使用离子注入机进行离子注入形成电绝缘区102。

S8、在器件表面生长二氧化氮层，通过光学掩膜版、利用紫外曝光和二氧化氮刻蚀技术制备第二型台面结构。

S9、去除器件表面残留的二氧化氮保护层，利用等离子体增强化学气相沉积PECVD技术生长一层二氧化氮保护层。

S10、在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第二型金属层结构，通过反应离子刻蚀RIE去除第二型金属层结构的二氧化氮保护层。

具体地，在器件表面上匀涂光刻胶，通过光学掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第二型金属层结构，通过反应离子刻蚀RIE去除第二型金属层结构的二氧化氮保护层。

S11、在第二型金属层结构上继续生长第二型金属层。

S12、涂苯并环丁烯BCB增附剂与光敏胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第一型金属层、第二型金属层，对第一型金属层、第二型金属层进行BCB固化。

具体地，涂苯并环丁烯BCB光敏胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出第一型金属层、第二型金属层，使用固化炉对BCB光敏胶进行固化。

S13、在器件表面上匀涂光刻胶，通过光刻掩膜版、紫外曝光和刻蚀技术刻蚀出共面电极，再进行共面电极生长，完成制备。

在S1中，在第二型衬底111上采用分子束外延MBE技术或金属有机化合物化学气相沉积MOCVD技术依次生长N型高掺杂区110、第二反射镜107、有源区106以及光栅结构层105，以便增加器件底部的反射效率。

本发明实施例中提供的VCSEL激光器的制备方法，通过调节光栅结构的占空比，增大横向衍射，减小纵向衍射，增大副腔耦合进主腔的光，提高光的耦合效率，从而增大调制带宽，能够突破现有带宽上限。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (15)

1.一种VCSEL激光器，其特征在于，包括自上而下依次堆叠的第一型电极、光学谐振结构、第二型电极以及第二型衬底；

所述光学谐振结构具有第一反射镜、第二反射镜以及位于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的有源区和光栅结构层，所述光栅结构层位于所述有源区的上方或者下方；

所述光栅结构层包括位于中心区域的主腔、围绕所述主腔设置的副腔以及位于所述主腔和所述副腔之间的电绝缘区，所述副腔内均设有光栅结构，通过控制所述副腔内光栅结构的占空比调整光的耦合效率；

所述副腔的侧壁为光子晶体全反射镜、高反射率介质膜、布拉格反射镜中的一种；

工作时，在副腔上施加直流电流，在主腔上施加调制电流，使主腔发出的光部分经过副腔反射后，返回主腔，和主腔的光之间产生谐振。

2.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔的形状为圆形、正方形或三角形。

3.根据权利要求2所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔的宽度为5μm-150μm。

4.根据权利要求2或3所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔均为正方形结构，所述副腔具有4个，四个所述副腔分别位于所述主腔的四条边上。

5.根据权利要求4所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述主腔和所述副腔的的边长均为10μm。

6.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述电绝缘区为离子注入区，所述离子注入区的宽度为0-25μm。

7.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述光学谐振结构还包括用来对电流和光场进行限制的电流限制层，所述电流限制层为通过湿氮氧化工艺对外延结构中高Al掺杂的AlGaAs层进行氧化生成具有高绝缘和低折射率特性的氧化铝层，所述氧化铝层中间部分未氧化的区域为电流孔。

8.根据权利要求7所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述电流限制层位于所述第一反射镜和所述有源区之间；或

所述电流限制层位于所述有源区和所述第二反射镜之间；或

所述电流限制层为两个，分别位于所述有源区的上方和下方。

9.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述第一反射镜采用P型分布式布拉格反射镜DBR、高反射膜，膜系结构为5-6对SiO ₂ /TiO ₂的高反射膜，或采用16-25对x=0.12-0.9的P型掺杂的Al _x Ga _1-x As交叠层中的任一种；

所述第二反射镜采用N型分布式布拉格反射镜DBR、或x=0.12-0.9的n型掺杂的Al _x Ga _{1- x} As交叠层的任一种。

10.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述有源区为量子点结构、量子阱结构或分离限制异质结结构。

11.根据权利要求7所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述电流孔的孔径为2μm-20μm，所述电流孔的形状为圆形、矩形、椭圆形或者三角形中任一种。

12.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述光栅结构层的形状为矩形、长方形、梯形或圆形中任一种。

13.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述第一型电极为P型电极，所述第二型电极为N型电极，所述第二型衬底为N型衬底。

14.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，还包括用于进行反射的N型高掺杂区，所述N型高掺杂区位于所述光学谐振结构和所述第二型衬底之间。

15.根据权利要求1所述的VCSEL激光器，其特征在于，所述光栅结构为一阶光栅或二阶光栅。

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