CN211789982U

CN211789982U - 一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器

Info

Publication number: CN211789982U
Application number: CN202020881623.5U
Authority: CN
Inventors: 李林; 曾丽娜; 李再金; 乔忠良; 李功捷; 赵志斌; 杨红; 曲轶; 彭鸿雁
Original assignee: Hainan Normal University
Current assignee: Hainan Normal University
Priority date: 2020-05-24
Filing date: 2020-05-24
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2030-05-24

Abstract

本实用新型属于半导体光电子技术领域，涉及一种面发射半导体激光器。一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，由蓝宝石衬底，缓冲层，第一底部DBR层，第一下势垒层，第一有源层，隧道结层，电流注入层，第一上势垒层，第一顶部DBR层，欧姆接触层，第二底部DBR层，第二下势垒层，第二有源层，第二上势垒层，第二顶部DBR层，盖层，第三底部DBR层，第三下势垒层，第三有源层，第三上势垒层，第三顶部DBR层和窗口层组成。该结构由外延生长同质结DBR来实现高反射率的面发射激光器谐振腔，无需高反射率的谐振腔镀膜工艺，从而能够保证获得高质量的腔镜材料。

Description

一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

本实用新型涉及一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。近二十年来，GaN 基半导体材料在外延生长和光电子器件制备方面均取得了重大科技突破，其中发光二极管（LED）和边发射激光器（EEL）已经实现产业化。蓝绿光多波长单片集成面发射半导体激光器，在高密度光存储、激光显示、激光电视、水下通信、海洋资源探测及激光生物医学等领域具有广阔的应用前景。

垂直腔面发射半导体激光器谐振腔通常由高反射率的分布布拉格反射镜（DBR）组成。然而对GaN 基半导体激光而言，外延生长DBR非常困难，一般由多层介质膜DBR来获得高反射率谐振腔。由于介质膜不导电，因此目前面发射半导体激光器通常采用ITO膜内腔电极，ITO膜内腔电极吸收引起的损耗以及ITO/GaN界面带来的损耗导致较高的阈值电流和较低的光输出。多波长单片集成面发射半导体激光器均利用键合技术，把两种不同发射波长的激光芯片键合在一起，集成度较低。多波长激光的输出特性受到键合温度、压力以及键合剂等因素的影响，不易获得稳定的激光输出特性，不利于芯片集成。

本实用新型的优点是多波长单片集成激光器结构紧凑，外延生长近紫外到蓝绿光波长的面发射半导体激光器结构，形成近紫外激光泵浦蓝绿多波长单片集成面发射半导体激光器，所有半导体激光器结构直接由外延生长获得，解决了外延生长DBR的难题，实现一次外延生长即可完成多个不同发光波长有源层和多对分布布拉格反射镜材料制备。这种多波长单片集成面发射半导体激光器，不仅能够获得高质量的高反射率腔镜，还能有效减小谐振腔的腔长，有利于芯片集成。

本实用新型提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器及其制备方法。该方法采用近紫外波长的面发射半导体激光器作为泵浦光源，获得近紫外单芯片激光集成泵浦源，实现蓝绿光多波长单片集成面发射半导体激光。

本实用新型提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器外延结构，包括多个有源层、多对分布布拉格反射镜组成，实现一次外延生长即可完成多个不同发光波长有源层和多对分布布拉格反射镜材料制备，从而实现蓝绿光多波长单片集成面发射半导体激光器光源。

发明内容

本实用新型的目的在于提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，由热沉，蓝宝石衬底，缓冲层，第一底部DBR层，第一下势垒层，第一有源层，隧道结层，电流注入层，第一上势垒层，第一顶部DBR层，欧姆接触层，第二底部DBR层，第二下势垒层，第二有源层，第二上势垒层，第二顶部DBR层，盖层，第三底部DBR层，第三下势垒层，第三有源层，第三上势垒层，第三顶部DBR层，窗口层组成。

为了实现上述目的，本实用新型提出了一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底，该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层，为厚度是1000nm的GaN材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移。

第一底部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料；第一下势垒层，为GaN材料，制作在同质结DBR层上；第一有源层，为多量子阱，该层制作在第一下势垒层上；隧道结，该层制作在多量子阱层上；电流注入层，该层制作在隧道结上；第一上势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，制作在电流注入层上；第一顶部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型 n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该DBR层制作在第一上势垒层上；欧姆接触层，为厚度是300nm的n+-GaN材料，该层制作在第一顶部DBR层上。第二底部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型 n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该层制作在欧姆接触层上；第二下势垒层，为GaN材料，制作在同质结DBR层上；第二有源层，为多量子阱，该层制作在第二下势垒层上；第二上势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第二有源层上；第二顶部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型 n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该DBR层制作在第二上势垒层上；盖层，为GaN材料，为厚度是100nm的n+-GaN材料，该层制作在第二顶部DBR层上。

第三底部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该层制作在盖层上；第三下势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，制作在第三底部DBR层上；第三有源层，为多量子阱层，该层制作在第三下势垒层上；第三上势垒层，为厚度是100nm的GaN材料，制作在第三有源层上；第三顶部DBR层，为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，该层制作在第三上势垒层上；窗口层，厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第三顶部DBR层上。以此类推，获得多波长单片集成垂直腔面发射激光器外延结构。

附图说明

图1是一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器外延结构示意图，1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为第一底部DBR层，4为第一下势垒层，5为第一有源层，6为隧道结，7为电流注入层，8为第一上势垒层，9为第一顶部DBR层，10为欧姆接触层，11为第二底部DBR层，12为第二下势垒层，13为第二有源层，14为第二上势垒层，15为第二顶部DBR层，16为盖层，17为第三底部DBR层，18为第三下势垒层，19为第三有源层，20为第三上势垒层，21为第三顶部DBR层，22为窗口层。

图2 为一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器外延片刻蚀工艺示意图，1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为第一底部DBR层，4为第一下势垒层，5为第一有源层，6为隧道结，7为电流注入层，8为第一上势垒层，9为第一顶部DBR层，10为欧姆接触层，11为第二底部DBR层，12为第二下势垒层，13为第二有源层，14为第二上势垒层，15为第二顶部DBR层，16为盖层，17为第三底部DBR层，18为第三下势垒层，19为第三有源层，20为第三上势垒层，21为第三顶部DBR层，22为窗口层。30为第一底部DBR刻蚀区，31为隧道结刻蚀区，32为电流注入孔径区， 33为第一顶部DBR刻蚀区，34为第二底部DBR刻蚀区，35为第二顶部DBR刻蚀区，36为第三底部DBR刻蚀区，37为第三顶部DBR刻蚀区。40为第一次光刻、ICP刻蚀沟道。41为第二次光刻、ICP刻蚀沟道。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

请参阅图1，图1是本实用新型的一种具体实施方式：本实用新型提出了一种紧凑型三波长垂直腔面发射半导体激光器外延结构，在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底（1），该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层（2），为厚度是1000nm的GaN材料，该缓冲层制作在衬底上，用于阻止衬底中缺陷的转移；第一底部DBR层（3），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，底部DBR总共20对，厚度分别为35nm和50nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³ ，该层制作在缓冲层上；第一下势垒层（4），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第一底部DBR层上；第一有源层（5），为多量子阱层，其发光波长为380nm - 390nm，该层制作在第一下势垒层上；隧道结（6），为重掺杂n⁺- GaN/p⁺-GaN，n⁺-GaN和p+-GaN的掺杂浓度均5E19/cm³，厚度分别为15nm和10nm，该层制作在第一有源层上；电流注入层（7），为厚度是50nm的n+-GaN材料，掺杂浓度为n=5E19/cm³，该层制作在隧道结上；第一上势垒层（8），为厚度是100nm的GaN材料，制作在电流注入层上；第一顶部DBR层（9），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n⁺-GaN DBR同质结材料，顶部DBR总共15对，厚度分别为35nm和50nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n+-GaN掺杂浓度为n=1×E19/cm³，该DBR层制作在上势垒层上；欧姆接触层（10），为厚度是300nm的n+-GaN材料，掺杂浓度为n=5E19/cm³，该层制作在第一顶部DBR层上；第二底部DBR层（11），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，底部DBR总共20对，厚度分别为40nm和55nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³，该层制作在欧姆接触层上；第二下势垒层（12），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第二底部DBR层上；第二有源层（13），为多量子阱层，其发光波长为420nm - 430nm，该层制作在第二下势垒层上；第二上势垒层（14），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第二有源层上；第二顶部DBR层（15），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n⁺-GaN DBR同质结材料，顶部DBR总共15对，厚度分别为40nm和55nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n+-GaN掺杂浓度为n=1×E19/cm³，该DBR层制作在上势垒层上；盖层（16），为厚度是200nm的n+-GaN材料，掺杂浓度为n=1E18/cm³，该层制作在第二顶部DBR层上；第三底部DBR层（17），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，底部DBR总共20对，厚度分别为50nm和70nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³ ，该层制作在盖层上；第三下势垒层（18），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第三底部DBR层上；第三有源层（19），为多量子阱层，其发光波长为520nm - 530nm，该层制作在第三下势垒层上；第三上势垒层（20），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第三有源层上；第三顶部DBR层（21），为外延生长不同掺杂浓度的n型n-GaN/n+-GaN DBR同质结材料，顶部DBR总共15对，厚度分别为50nm和70nm，n-GaN掺杂浓度为n=1E18/cm³，n⁺-GaN掺杂浓度为n=1E19/cm³，该层制作在第三上势垒层上；窗口层（22），厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第三顶部DBR层上。

请参阅图2，图2是本实用新型的一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器制备工艺具体实施方式：本实用新型提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构及其制作方法。具体步骤如下：首先GaN垂直腔面发射激光器外延片第一次光刻、ICP刻蚀。1为蓝宝石衬底，2为缓冲层，3为第一底部DBR层，4为第一下势垒层，5为第一有源层，6为隧道结，7为电流注入层，8为第一上势垒层，9为第一顶部DBR层，10为欧姆接触层，11为第二底部DBR层，12为第二下势垒层，13为第二有源层，14为第二上势垒层，15为第二顶部DBR层，16为盖层，17为第三底部DBR层，18为第三下势垒层，19为第三有源层，20为第三上势垒层，21为第三顶部DBR层，22为窗口层。40为第一次光刻、ICP刻蚀沟道。41为第二次光刻、ICP刻蚀沟道。30为第一底部DBR刻蚀区，31为隧道结刻蚀区，32为电流注入孔径区， 33为第一顶部DBR刻蚀区，34为第二底部DBR刻蚀区，35为第二顶部DBR刻蚀区，36为第三底部DBR刻蚀区，37为第三顶部DBR刻蚀区。

本实用新型提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器外延片经过第一次光刻和ICP干法刻蚀工艺后，实现近紫外面发射激光器外延片电流注入孔径制作。经过第二次光刻和ICP干法刻蚀工艺后，完成蓝绿光多波长单片集成垂直腔面发射激光器制备工艺。

本实用新型提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器电极制作方法，是利用常规的半导体激光芯片的电极制作工艺，芯片电极分别制作在欧姆接触层和缓冲层上。

本实用新型由第一有源区提供电泵浦激射产生近紫外激光，在第一有源区注入电流产生电注入激发的近紫外激光，近紫外激光作为泵浦源，泵浦第二有源区和第三有源区，以此类推，从而在单芯片上获得蓝绿光多波长激光。

本实用新型提出一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，由外延生长同质结DBR来实现高反射率的面发射激光器谐振腔，无需高反射率的谐振腔镀膜工艺，从而能够保证获得高质量的腔镜材料，能解决腔镜复杂模系设计及高反射膜、增透膜制备的问题。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，其特征在于，包括蓝宝石衬底，缓冲层，第一底部DBR层，第一下势垒层，第一有源层，隧道结层，电流注入层，第一上势垒层，第一顶部DBR层，欧姆接触层，第二底部DBR层，第二下势垒层，第二有源层，第二上势垒层，第二顶部DBR层，盖层，第三底部DBR层，第三下势垒层，第三有源层，第三上势垒层，第三顶部DBR层和窗口层；

在衬底层上由下至上依次包括：蓝宝石衬底（1），该衬底用于在其上外延生长垂直腔面发射激光器各层材料；缓冲层（2），为厚度是1000nm的GaN材料，该缓冲层制作在衬底上；第一底部DBR层（3）；第一下势垒层（4），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第一底部DBR层上；第一有源层（5），为多量子阱层，其发光波长为380nm - 390nm，该层制作在第一下势垒层上；隧道结（6），厚度分别为15nm和10nm，该层制作在第一有源层上；电流注入层（7），该层制作在隧道结上；第一上势垒层（8），为厚度是100nm的GaN材料，制作在电流注入层上；第一顶部DBR层（9），该层制作在上势垒层上；欧姆接触层（10），该层制作在第一顶部DBR层上；第二底部DBR层（11），该层制作在欧姆接触层上；第二下势垒层（12），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第二底部DBR层上；第二有源层（13），为多量子阱层，其发光波长为420nm - 430nm，该层制作在第二下势垒层上；第二上势垒层（14），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第二有源层上；第二顶部DBR层（15），该层制作在上势垒层上；盖层（16），该层制作在第二顶部DBR层上；第三底部DBR层（17），该层制作在盖层上；第三下势垒层（18），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第三底部DBR层上；第三有源层（19），为多量子阱层，其发光波长为520nm -530nm，该层制作在第三下势垒层上；第三上势垒层（20），为厚度是100nm的GaN材料，制作在第三有源层上；第三顶部DBR层（21），该层制作在第三上势垒层上；窗口层（22），厚度是100nm的GaN材料，该层制作在第三顶部DBR层上。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，其特征在于，半导体激光芯片电极分别制作在欧姆接触层和缓冲层上。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型多波长垂直腔面发射半导体激光器结构，其特征在于，由外延生长同质结DBR来实现高反射率的面发射激光器谐振腔，无需高反射率的谐振腔镀膜工艺，从而能够保证获得高质量的腔镜材料。