一种窄线宽垂直腔面发射激光器

摘要

本发明公开了一种窄线宽垂直腔面发射激光器，涉及光电技术领域，其技术方案要点包括激光器顶端、接触层、上DBR层、氧化限制层、有源区、衬底层、下DBR层和下金属层，激光器顶端包括氧化铝出光窗口区，氧化铝出光窗口区由高铝组分外延层湿氧氧化获得；本发明提出一方面在氧化铝出光窗口区引入高铝组份，在湿氧氧化步骤中，使其变成Al2O3而实现增透作用，另一方面通过将下DBR层制作在衬底层下方，从而大幅度增加腔长，加强激光相干性，实现窄线宽，使得该激光器有利于在原子钟等领域应用。

权利要求

1.一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括激光器顶端(1)、接触层(2)、上DBR层(3)、氧化限制层(4)、有源区(5)、衬底层(6)、下DBR层(7)和下金属层(8)；

所述激光器顶端(1)包括P电极(101)和氧化铝出光窗口区(102)，所述氧化铝出光窗口区(102)为氧化铝增透膜，所述氧化铝增透膜由高铝组分层在湿氧氧化步骤中氧化而成，所述高铝组分层的成分为AlGaAs；

所述衬底层(6)的上侧靠器件边缘引出N型电极(601)。

2.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述氧化铝出光窗口区(102)位于圆柱形激光器中央，所述氧化铝出光窗口区(102)的直径为5‑15微米，厚度为0.2‑1微米；所述氧化铝出光窗口区(102)的外围四周分布P电极(101)，所述P电极(101)的底层为钛金属，上层为金，总厚度为1‑3微米。

3.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述接触层

19 ‑3

(2)位于激光器顶端(1)的下方，由重掺杂GaAs构成，P型掺杂浓度大于1x10 cm ，厚度为

10‑150nm。

4.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述上DBR层(3)位于接触层(2)的下方，所述上DBR层(3)包括10至30对Al0.1GaAs/Al0.9GaAs反射层，每层反射层的光学厚度为四分之一激光器激射波长，且每对反射层的两个子层具有组份渐变特

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征，在邻近有源区的两对下DBR为轻掺杂，P掺杂浓度不大于5X10 /cm，其他对上DBR掺杂浓

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度范围为5X10 /cm至5X10 /cm。

5.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述氧化限制层(4)位于上DBR层(3)的下方。

6.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述有源区(5)位于氧化限制层(4)的下方，所述有源区(5)为InGaAs/GaAs、InGaAs/AlGaAs或InGaAs/GaAsP的多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配，且多量子阱上下两侧有匹配层，用以调整腔模波长，量子阱个数为2‑4个，总厚度为1‑3个波长。

7.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底层(6)位于有源区(5)的下方，所述衬底层(6)的材料为GaAs,N型掺杂，厚度为100‑120微米；所述N型电极(601)为金锗镍/金材料，厚度为100‑300纳米。

8.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底层(6)的下方生长下DBR层(7)，所述下DBR层(7)包括10至20对SiO2/Ta2O5反射层，每层反射层光学厚度为四分之一激光器激射波长，无掺杂。

9.根据权利要求1所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述下DBR层(7)的下方生长下金属层(8)，所述下金属层(8)用于激光器散热及与焊料封装，所述下金属层(8)为钛金，总厚度为100‑300纳米。

说明书

一种窄线宽垂直腔面发射激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及光电技术领域，更具体地说，它涉及一种窄线宽垂直腔面发射激光器。

背景技术

[0002] 垂直腔面发射激光器(VCSEL)是应用前景非常广阔的一类半导体激光器，它们与传统的边发射激光器(EEL)相比具有诸多优点：1.具有较小的远场发散角，发射光束窄且圆，易与光纤进行耦合；2.阈值电流低；3.调制频率高；4.可在很宽的温度和电流范围内均以单纵模工作；5.外延晶片不必解理即可完成器件工艺制作和检测，成本低；6.易于实现大规模阵列和光电集成；近年来随着物联网、云计算、电子商务、社交网络、虚拟现实、网络游戏和视频等大数据应用技术的快速发展，各种新的互联网应用层出不穷，正在对人类社会产生深远的影响，由此产生的数据量对通信容量和计算能力的需求一直呈现出以指数式快速增长；

[0003] 通常的垂直腔面发射激光器要经过半导体材料外延、台面制作、湿氧氧化、绝缘层沉积、刻蚀窗口、P电极制作、增透膜制作、减薄、N电极制作及其他后工艺后而完成；

[0004] 795nm和894nmVCSEL激光器，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器，这些应用要求VCSEL线宽要小，在MHZ量级，常规VCSEL由于腔长较短，很难达到这一量级，本发明将充分利用氮化镓衬底，增加腔长，增加相干性，降低线宽。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种窄线宽垂直腔面发射激光器，包括激光器顶端、接触层、上DBR层、氧化限制层、有源区、衬底层、下DBR层和下金属层。

[0007] 本申请再进一步的技术方案：所述激光器顶端包括氧化铝出光窗口区和P电极；所述氧化铝出光窗口区位于圆柱形激光器中央，所述氧化铝出光窗口区为氧化铝增透膜，所述氧化铝增透膜由高铝组分层在湿氧氧化步骤中氧化而成，所述高铝组分层的成分为Al GaAs，所述氧化铝出光窗口区的直径为5‑15微米，厚度为0.2‑1微米；所述氧化铝出光窗口区的外围四周分布P电极，所述P电极的底层为钛金属，上层为金，总厚度为1‑3微米。

[0008] 本申请再进一步的技术方案：所述接触层位于激光器顶端的下方，由重掺杂GaAs19 ‑3
构成，P型掺杂浓度大于1x10 cm ，厚度为10‑150nm。

[0009] 本申请再进一步的技术方案：所述上DBR层位于接触层的下方，所述上DBR层包括10至30对Al 0.1GaAs/A l0.9GaAs反射层，每层反射层的光学厚度为四分之一激光器激射波长，且每对反射层的两个子层具有组份渐变特征，在邻近有源区的两对下DBR为轻掺杂，P
17 3 17 3 18 3
掺杂浓度不大于5X10 /cm，其他对上DBR掺杂浓度范围为5X10 /cm至5X10 /cm。

[0010] 本申请再进一步的技术方案：所述氧化限制层位于上DBR层的下方。

[0011] 本申请再进一步的技术方案：所述有源区位于氧化限制层的下方，所述有源区为I nGaAs/GaAs、I nGaAs/Al GaAs或I nGaAs/GaAsP的多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配，且多量子阱上下两侧有匹配层，用以调整腔模波长，量子阱个数为2‑4个，总厚度为1‑3个波长。

[0012] 本申请再进一步的技术方案：所述衬底层位于有源区的下方，所述衬底层的材料为GaAs,N型掺杂，厚度为100‑120微米；所述衬底层的上侧靠器件边缘引出N型电极，所述N型电极为金锗镍/金材料，厚度为100‑300纳米。

[0013] 本申请再进一步的技术方案：所述衬底层的下方生长下DBR层，所述下DBR层包括10至20对SiO2/Ta2O5反射层，每层反射层光学厚度为四分之一激光器激射波长，无掺杂。

[0014] 本申请再进一步的技术方案：所述下DBR层的下方生长下金属层，所述下金属层用于激光器散热及与焊料封装，所述下金属层为钛金，总厚度为100‑300纳米。

[0015] 本申请还提供一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制作方法，应用于上述所述的一种窄线宽垂直腔面发射激光器，所述窄线宽垂直腔面发射激光器的制作方法包括以下步骤：

[0016] S1：首先定制外延片，外延片由MOCVD或者MBE生长，在N型GaAs衬底层上生长GaAs缓冲层、量子阱有源区、氧化限制层、上DBR层、接触层以及激光器顶端；

[0017] S2：进行器件工艺加工，首先在激光器顶端上光刻圆环状的电极图形，并刻蚀出高铝组分层的沟槽，沟槽中间为高铝组分层Al GaAs，Al组分为95％以上；

[0018] S3：进行P电极的制作，将钛金属通过生长方式填到圆环状的电极图形中，从而形成P电极；

[0019] S4：进行台面制作，利用I CP干法刻蚀工艺沿P电极外圆边缘向下刻蚀，刻蚀至衬底层上方，从而形成圆柱台面；

[0020] S5：对圆柱台面进行湿氧氧化，氧化温度为400‑410度，使得高铝组分层Al GaAs形成氧化铝增透膜；

[0021] S6：通过光刻剥离工艺进行N型电极制作，先进行金锗镍/金材料沉积，然后剥离，从而形成N型电极；

[0022] S7：对衬底层进行晶片减薄抛光；

[0023] S8：在衬底层下表面进行下DBR介质膜蒸镀，从而形成下DBR层；

[0024] S9：在下DBR层下方生长下金属层，下金属层为钛金，总厚度为100‑300纳米。

[0025] 与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

[0026] 本发明适用于窄线宽垂直腔面发射激光器的低成本实现，有助于大幅度降低激光器线宽，其中氧化铝出光窗口区由高铝组分外延层湿氧氧化获得，下DBR层位于衬底层下方，由介质材料交替生长而成；本发明提出一方面在外延材料中顶层引入高铝组份，在湿氧氧化步骤中，使该顶层变成Al2O3而实现增透作用，另一方面通过将下DBR层制作在衬底层下方，从而大幅度增加腔长，加强激光相干性，实现窄线宽，使得该激光器有利于在原子钟等领域应用。

[0027] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

[0028] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0029] 图1为本发明实施例中一种窄线宽垂直腔面发射激光器的结构示意图；

[0030] 图2为本发明实施例中一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制作方法流程图。

[0031] 图中：1、激光器顶端；101、P电极；102、氧化铝出光窗口区；2、接触层；3、上DBR层；4、氧化限制层；5、有源区；6、衬底层；601、N型电极；7、下DBR层；8、下金属层。

具体实施方式

[0032] 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，都属于本发明保护的范围。

[0033] 在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0034] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0035] 参照图1，本申请的一个实施例中，一种窄线宽垂直腔面发射激光器，包括激光器顶端1、接触层2、上DBR层3、氧化限制层4、有源区5、衬底层6、下DBR层7和下金属层8。

[0036] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述激光器顶端1包括氧化铝出光窗口区102和P电极101；所述氧化铝出光窗口区102位于圆柱形激光器中央，所述氧化铝出光窗口区102为氧化铝增透膜，氧化铝增透膜是由半导体外延片最顶层高铝组分层氧化而来，质地紧密，用于保护激光器腔面，这不同于常用的氮化硅保护膜，所述氧化铝出光窗口区102的直径为5‑15微米，厚度为0.2‑1微米；所述氧化铝出光窗口区102的外围四周分布P电极101，所述P电极101的底层为钛金属，上层为金，总厚度为1‑3微米；

[0037] 现有窗口增透膜常采用氮化硅材料，与半导体材料间常引入应力而脱落，本申请在外延材料中顶层引入高铝组份，在湿氧氧化步骤中，使该顶层变成Al 2O3而实现增透作用，而不用进行单独的增透膜加工。

[0038] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述接触层2位于激光器顶端1的下方，19 ‑3
由重掺杂GaAs构成，P型掺杂浓度大于1x10 cm ，厚度为10‑150nm。

[0039] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述上DBR层3位于接触层2的下方，所述上DBR层3包括10至30对Al0.1GaAs/Al0.9GaAs反射层，每层反射层的光学厚度为四分之一激光器激射波长，且每对反射层的两个子层具有组份渐变特征，在邻近有源区的两对下DBR17 3 17 3 18
为轻掺杂，P掺杂浓度不大于5X10 /cm ，其他对上DBR掺杂浓度范围为5X10 /cm 至5X10 /
3
cm。

[0040] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述氧化限制层4位于上DBR层3的下方。

[0041] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述有源区5位于氧化限制层4的下方，所述有源区5为I nGaAs/GaAs、I nGaAs/Al GaAs或I nGaAs/GaAsP的多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配，且多量子阱上下两侧有匹配层，用以调整腔模波长，量子阱个数为2‑4个，总厚度为1‑3个波长。

[0042] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述衬底层6位于有源区5的下方，所述衬底层6的材料为GaAs,N型掺杂，厚度为100‑120微米；所述衬底层6的上侧靠器件边缘引出N型电极601，所述N型电极601为金锗镍/金材料，厚度为100‑300纳米。

[0043] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述衬底层6的下方生长下DBR层7，所述下DBR层7包括10至20对SiO2/Ta2O5反射层，每层反射层光学厚度为四分之一激光器激射波长，无掺杂，将下DBR层7制作在衬底层6的下方，能够大幅度增加腔长，加强激光相干性，实现窄线宽。

[0044] 参照图1，作为本申请一个优选的实施例，所述下DBR层7的下方生长下金属层8，所述下金属层8用于激光器散热及与焊料封装，所述下金属层8为钛金，总厚度为100‑300纳米。

[0045] 参照图2，在本申请的另一个实施例中，还提出了一种窄线宽垂直腔面发射激光器的制作方法，包括以下步骤：

[0046] S1：首先定制外延片，外延片由MOCVD或者MBE生长，在N型GaAs衬底层6上生长GaAs缓冲层、量子阱有源区5、氧化限制层4、上DBR层3、接触层2以及激光器顶端1；

[0047] S2：进行器件工艺加工，首先在激光器顶端1上光刻圆环状的电极图形，并刻蚀出高铝组分层的沟槽，沟槽中间为高铝组分层Al GaAs，Al组分为95％以上；

[0048] S3：进行P电极101的制作，将钛金属通过生长方式填到圆环状的电极图形中，从而形成P电极101；

[0049] S4：进行台面制作，利用I CP干法刻蚀工艺沿P电极101外圆边缘向下刻蚀，刻蚀至衬底层6上方，从而形成圆柱台面；

[0050] S5：对圆柱台面进行湿氧氧化，氧化温度为400‑410度，使得高铝组分层A l GaAs形成氧化铝增透膜；

[0051] S6：通过光刻剥离工艺进行N型电极601制作，先进行金锗镍/金材料沉积，然后剥离，从而形成N型电极601；

[0052] S7：对衬底层6进行晶片减薄抛光；

[0053] S8：在衬底层6下表面进行下DBR介质膜蒸镀，从而形成下DBR层7；

[0054] S9：在下DBR层7下方生长下金属层8，下金属层8为钛金，总厚度为100‑300纳米。

[0055] 需要说明的是：本申请文件中出现的电器元件均与外界的主控制器及220V市电电连接，并且主控制器可为处理器、警报模块和驱动模块等，起到控制常规的已知设备，本申请文件中使用到的标准零件均可以从市场上购买，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段进行连接，且机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再作出具体叙述。

[0056] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

[0057] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。