二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，屬于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有技術(shù)中相干激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差的技術(shù)問題。該激光器包括依次排列的P面電極、P型DBR、有源區(qū)、N型DBR、襯底和N面電極，P型DBR中設(shè)有具有多個氧化孔的氧化限制層，該激光器還包括一階光柵和二階光柵，一階光柵和二階光柵的偏振方向相同，偏振方向均平行或垂直于(110)晶向，二階光柵設(shè)定在出光面上，且遮擋所有出光孔及出光孔的連接處；一階光柵設(shè)定在出光面上，且設(shè)置于二階光柵的兩端。本發(fā)明的激光器，不僅自身能實現(xiàn)偏振控制，還具有穩(wěn)定性高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，可以用于大規(guī)模生產(chǎn)制造。
【專利說明】二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，屬于激光器(VCSEL)【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器由于具有良好的激光穩(wěn)定性、相干性和光束質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用于通信、印刷、泵浦源、氣體檢測分析、電腦光學(xué)鼠標(biāo)等領(lǐng)域。隨著這些領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，要求VCSEL能夠?qū)崿F(xiàn)高光強(qiáng)度的輸出?，F(xiàn)有技術(shù)中主要采用激光器列陣結(jié)構(gòu)或者相干激光器解決這一技術(shù)問題。激光器列陣結(jié)構(gòu)由多個垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器依次排列組成，每個垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器主要包括從下至上依次排列的N面電極、襯底、N型DBR(布拉格反射鏡)、有源區(qū)、P型DBR和P面電極，其中，P型DBR中設(shè)有具有氧化孔的氧化限制層。但是，該激光器列陣結(jié)構(gòu)各個臺面輸出的光存在兩個垂直的偏振方向，為不相干光，輸出光強(qiáng)為總光強(qiáng)的疊加，遠(yuǎn)場發(fā)散角大。相干激光器主要有反波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器，掩埋異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器，泄露波耦合結(jié)構(gòu)激光器等。但這些激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，不便于實際應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中相干激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差的技術(shù)問題，提供一種二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下。
[0005]二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，包括依次排列的P面電極、P型DBR、有源區(qū)、N型DBR、襯底和N面電極；
[0006]所述P型DBR中設(shè)有具有多個氧化孔的氧化限制層；
[0007]所述激光器還包括一階光柵和二階光柵，一階光柵和二階光柵的偏振方向相同，所述偏振方向平行或垂直于(110)晶向，所述二階光柵設(shè)定在出光面上，且遮擋所有出光孔及出光孔的連接處；所述一階光柵設(shè)定在出光面上，且設(shè)置于二階光柵的兩端。
[0008]進(jìn)一步的，所述出光面為P面，P型DBR、有源區(qū)、N型DBR、襯底和N面電極從上至下依次緊密排列，P面電極固定在P型DBR的上表面邊緣，P型DBR的上表面刻蝕有一階光柵和二階光柵。
[0009]進(jìn)一步的，所述出光面為N面，P面電極、P型DBR、有源區(qū)、N型DBR和襯底從下至上依次緊密排列，N面電極固定在襯底的上表面邊緣，襯底的上表面刻蝕有一階光柵和二階光柵。
[0010]進(jìn)一步的，所述二階光柵為矩形光柵。
[0011]進(jìn)一步的，所述多個氧化孔在氧化限制層上均勻分布。
[0012]進(jìn)一步的，所述多個氧化孔在氧化限制層上沿直線均勻分布，所述二階光柵為矩形光柵，二階光柵垂直于多個氧化孔的中心連線。
[0013]進(jìn)一步的，所述N型DBR和襯底之間還設(shè)有緩沖層。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0015]本發(fā)明的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，在出光面制作二階光柵，利用二階光柵的水平和垂直衍射原理，實現(xiàn)不同出光孔之間的相互注入，形成相干，在二階光柵外圍增加高反射率的一階光柵，減少輸出光在水平方向的損耗；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的激光器，不僅自身能實現(xiàn)偏振控制，還具有穩(wěn)定性高，可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，可以用于大規(guī)模生產(chǎn)制造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器在出光面為P面時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為圖1中的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的一階光柵和二階光柵的俯視圖；
[0018]圖3為本發(fā)明二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器在出光面為N面時的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖中:1、二階光柵，2、一階光柵，3、P面電極，4、P型DBR，5、氧化限制層，51、氧化孔，6、有源區(qū)，7、N型DBR，8、襯底，9、N面電極。

【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0021]如圖1-3所示，本發(fā)明的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器包括二階光柵1、一階光柵2、P面電極3、P型DBR4、有源區(qū)6、N型DBR7、襯底8和N面電極9。
[0022]其中，N型DBR7和襯底8之間還可以設(shè)置有緩沖層。P型DBR4和N型DBR7均為多層結(jié)構(gòu)，P型DBR4的任意一層上設(shè)有多個氧化孔51，該層即為氧化限制層5。多個氧化孔51在氧化限制層5上均勻分布，每個氧化孔51對應(yīng)一個出光單元。二階光柵I和一階光柵2的偏振方向相同，該偏振方向平行或垂直于(110)晶向；二階光柵I設(shè)定在出光面上，且遮擋所有出光孔及出光孔的連接處；一階光柵2設(shè)定在出光面上，且設(shè)置在二階光柵2的兩端，并不遮擋出光孔及出光孔的連接處。二階光柵I和一階光柵2可以均為矩形光柵，當(dāng)多個氧化孔51在氧化限制層5上沿直線均勻分布，二階光柵I和一階光柵2均垂直于多個氧化孔51的中心連線。
[0023]本實施方式中，如圖1所示，當(dāng)出光面為P面，P型DBR4、有源區(qū)6、N型DBR7、襯底8和N面電極9從上至下依次緊密排列，P面電極3固定在P型DBR的上表面邊緣，且不遮擋出光孔，P型DBR4上表面的中心區(qū)域上刻蝕有一階光柵2和二階光柵I ;如圖3所示，當(dāng)出光面為N面，P面電極3、P型DBR4、有源區(qū)6、N型DBR7和襯底8從下至上依次緊密排列，N面電極9固定在襯底8的上表面邊緣，且不遮擋出光孔，襯底8上表面的中心區(qū)域上刻蝕有一階光柵2和二階光柵I。
[0024]本實施方式中，P型DBR4和N型DBR7均為多層結(jié)構(gòu)，均由交替排列的高折射率介質(zhì)材料和低折射率介質(zhì)材料組成，按本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識，一般與P面電極3接觸的為高折射率介質(zhì)材料，與有源區(qū)6接觸的為低折射率介質(zhì)材料，與襯底8接觸的為高折射率介質(zhì)材料；高折射率介質(zhì)材料和低折射率介質(zhì)材料的厚度均為四分之一光學(xué)波長:低折射率介質(zhì)材料為聞?wù)薪M分的招嫁神材料，聞?wù)凵渎式橘|(zhì)材料為低招組分的招嫁神材料，聞?wù)薪M分的鋁鎵砷材料和低鋁組分的鋁鎵砷材料為本領(lǐng)域人員公知技術(shù)。
[0025]本實施方式中，有源區(qū)6的材料一般為GaAs的化合物，厚度一般為一個光學(xué)波長，P面電極3和N面電極9的材料一般為金，厚度一般為200nm-400nm，襯底8的材料一般為GaAs0本實施方式中，各層的尺寸依據(jù)實際需要設(shè)置，優(yōu)選各層的中心在同一條直線上。
[0026]本發(fā)明中，二階光柵I具有對垂直入射到其表面的光有水平和垂直方向的衍射的特征。二階光柵I遮擋出光孔和出光孔的連接處，對出光孔輸出光進(jìn)行反饋。一階光柵2和二階光柵I的偏振方向相同，且偏振方向平行或垂直于(110)晶向，一階光柵2位于二階光柵I兩端，對二階光柵I水平方向衍射的光起高反射的作用，減少二階光柵I水平衍射光的損耗。
[0027]本實施方式的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制備方法(以出光面為P面為例):
[0028]步驟一、清洗外延片，對清洗好的外延片P面第一次光刻、顯影，干法刻蝕P面后出現(xiàn)P型DBR4臺面，刻蝕深度剛好至N型DBR7的上方；
[0029]其中，外延片通過本領(lǐng)域技術(shù)人員公知方式可以獲得，一般采用商購；
[0030]步驟二、對P型DBR4臺面進(jìn)行測氧化，得到具有多個氧化孔51的氧化限制層5 ；
[0031]步驟三、利用lift-off工藝在P型DBR4的上表面邊緣生長P面電極3 ;
[0032]步驟四、減薄拋光襯底8，然后在襯底8的下表面上生長N面電極9 ；
[0033]步驟五、在P型DBR4的上表面的中心區(qū)域上利用電子束直寫或者納米壓印等技術(shù)直接干法刻蝕做出一階光柵2和二階光柵I ;
[0034]步驟六、解理，測試，封裝。
[0035]顯然，以上實施方式的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于所述【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，包括依次排列的P面電極(3)、P型DBR(4)、有源區(qū)(6)、N型DBR(7)、襯底(8)和N面電極(9)； 其特征在于， 所述P型DBR (4)中設(shè)有具有多個氧化孔(51)的氧化限制層(5)； 所述激光器還包括一階光柵(2)和二階光柵(I)，一階光柵(2)和二階光柵(I)的偏振方向相同，所述偏振方向平行或垂直于(110)晶向； 所述二階光柵(I)設(shè)定在出光面上，且遮擋所有出光孔及出光孔的連接處； 所述一階光柵(2)設(shè)定在出光面上，且設(shè)置于二階光柵(I)的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述出光面為P面，P型DBR(4)、有源區(qū)(6)、N型DBR(7)、襯底⑶和N面電極(9)從上至下依次緊密排列，P面電極⑶固定在P型DBR(4)的上表面邊緣，P型DBR(4)的上表面刻蝕有一階光柵(2)和二階光柵(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述出光面為N面，P面電極(3)、P型DBR(4)、有源區(qū)(6)、N型DBR(7)和襯底⑶從下至上依次緊密排列，N面電極(9)固定在襯底(8)的上表面邊緣，襯底(8)的上表面刻蝕有一階光柵(2)和二階光柵(I)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項所述的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述二階光柵(I)為矩形光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項所述的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述多個氧化孔(51)在氧化限制層(5)上均勻分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任何一項所述的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述多個氧化孔(51)在氧化限制層(5)上沿直線均勻分布，所述二階光柵(I)為矩形光柵，二階光柵(I)垂直于多個氧化孔(51)的中心連線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二階光柵相干垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述N型DBR(7)和襯底⑶之間還設(shè)有緩沖層。
【文檔編號】H01S5/183GK104319627SQ201410581884
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】寧永強(qiáng), 李秀山, 賈鵬, 張建偉, 王立軍, 劉云, 秦莉, 張星 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所