CN110247303A - 一种垂直腔面发射激光器及光谱检测仪 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种本垂直腔面发射激光器，包括多层复合有源层；所述复合有源层依次包括第一InGaAs势垒层、InGaAs量子阱层及第二InGaAs势垒层；所述InGaAs量子阱层的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；所述复合有源层包括多个图形化的发光单元，其中，所述发光单元的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。本申请实现了以InGaAs为量子阱层材料的1.4微米至1.7微米的长波长发光，降低了材料的生长难度。GaAs衬底的DBR反射镜降低了器件损耗，提升了激光器的输出性能。本申请还提供了一种具有上述有益效果的光谱检测仪。
Description
技术领域
本申请涉及半导体激光设备领域，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器及光谱检测仪。
背景技术
随着石油、化工、煤炭、冶金等工业的迅猛发展，对城市大气污染气体的时空分布、工业生产过程中毒害气体的含量和易燃易爆气体的含量的准确监测，具有重要的科学意义和社会意义。
在气体检测领域，可调谐半导体二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术是一种具有较高技术水平的检测技术。以气体激光吸收光谱为检测依据，在环境监测、燃爆安全、化工生产等领域涉及的检测气体及其在近红外波段的吸收峰主要包括：CO2-1570nm、CO-1560nm、CH4-1654nm、H2S-1580nm。VCSEL在TDLAS应用中具有调谐范围宽、重复频率高、调谐速度快等优点。可以更加快速地得到更高精度的气体浓度检测结果。
现有的长波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)制备技术只能基于磷化铟(InP)衬底，但InP基的有源层电阻较大、发热严重并且价带内带间吸收(IvBA)严重，为解决上述问题，现有技术中多采用在长波长VCSEL中设置掩埋隧道结结构(Buried Turme Junetion,即BTJ)，但BTJ结构要求在10几纳米厚的材料内进行超高浓度的掺杂，对材料生长条件十分苛刻，成本高，生产效率低。因此，找到一种工艺简单的新型长波长垂直腔面发射激光器就成了本领域技术人员亟待解决的问题。
申请内容
本申请的目的是提供一种垂直腔面发射激光器及光谱检测仪，以解决现有技术中长波长垂直腔面发射激光器工艺难度高的问题。
为解决上述技术问题，本申请提供一种垂直腔面发射激光器，包括多层复合有源层；
所述复合有源层依次包括第一InGaAs势垒层、InGaAs量子阱层及第二InGaAs势垒层；
所述InGaAs量子阱层的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；
所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；
所述复合有源层包括多个图形化的发光单元，其中，所述发光单元的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，相邻的所述复合有源层之间，设置有GaAs隔离层。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述图形化的发光单元为菱形发光单元。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述菱形发光单元的两条对角线的长度比的范围为1:2至1:4，包括端点值。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述图形化的发光单元为通过质子注入法得到的发光单元。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述第一InGaAs势垒层及所述第二InGaAs势垒层，与所述InGaAs量子阱层的晶格失配的范围为4％至4.9％，包括端点值。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述垂直腔面发射激光器的N型DBR反射镜为GaAs基反射镜，厚度范围为8微米至8.6微米，包括端点值。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述垂直腔面发射激光器的P型DBR反射镜为GaAs基反射镜，厚度范围为4.7微米至5.3微米，包括端点值。
可选地，在所述垂直腔面发射激光器中，所述垂直腔面发射激光器包括5层所述复合有源层。
本申请还提供了一种光谱检测仪，所述光谱检测仪包括如上述任一种所述的垂直腔面发射激光器。
本申请所提供的垂直腔面发射激光器，包括多层复合有源层；所述复合有源层依次包括第一InGaAs势垒层、InGaAs量子阱层及第二InGaAs势垒层；所述InGaAs量子阱层的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；所述复合有源层包括多个图形化的发光单元，其中，所述发光单元的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。本申请通过提高量子阱层中In的组分，同时设置图形化发光单元，实现了以InGaAs为量子阱层材料的1.4微米至1.7微米的长波长发光，本申请所述的InGaAs量子阱层电阻小，工作发热少，并且价带内带间吸收低，因此相比于现有技术中的长波长VCSEL结构，本申请不需要设置掩埋隧道结结构(BTJ)，大大降低了材料的生长难度。此外，与本申请中的InGaAs基量子阱配套使用的GaAs衬底的DBR反射镜折射率差更大，热阻更小，导热性更好，易生长，进而降低了器件损耗，提升了激光器的输出性能。本申请还提供了一种具有上述有益效果的光谱检测仪。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的垂直腔面发射激光器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本申请提供的垂直腔面发射激光器的另一种具体实施方式的局部结构示意图；
图3为本申请提供的垂直腔面发射激光器的又一种具体实施方式的局部结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的核心是提供一种垂直腔面发射激光器，其一种具体实施方式的结构示意图如图1所示，称其为具体实施方式一，包括多层复合有源层100；
所述复合有源层100依次包括第一InGaAs势垒层110、InGaAs量子阱层120及第二InGaAs势垒层130；
所述InGaAs量子阱层120的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；
所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；
所述复合有源层100包括多个图形化的发光单元150，其中，所述发光单元150的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。
需要提醒注意的是，所述图形化的发光单元150为通过质子注入法得到的发光单元150；质子注入法相比于现有的其他技术，可控性更好，得到的图形化的发光单元150精度更高。
特别的，所述第一InGaAs势垒层110及所述第二InGaAs势垒层130，与所述InGaAs量子阱层120的晶格失配的范围为4％至4.9％，包括端点值，如4.00％、4.56％或4.90％中任一个。晶格失配越大，接触面上的缺陷及应力集中就越多，会增加器件损耗，降低器件输出，因此，将晶格失配范围维持在上述范围内，可得到较好的结果。
另外，所述垂直腔面发射激光器的N型DBR反射镜300为GaAs基反射镜，厚度范围为8微米至8.6微米，包括端点值，如8.00微米或8.23微米或8.60微米中任一个；更进一步地，所述垂直腔面发射激光器的P型DBR反射镜200为GaAs基反射镜，厚度范围为4.7微米至5.3微米，包括端点值，如4.70微米、5.00微米或5.30微米中任一个。由于本申请是第一个利用GaAs基材料实现1.4微米至1.7微米的长波长发光的，因此BDR反射镜的厚度也需随着发光波长的改变而改变以达到最佳效果。
更进一步的，所述垂直腔面发射激光器包括5层所述复合有源层100；所述复合有源层100越多，输出功率越高，同样器件发热及器件厚度都会增加，经过理论计算与实际检验，5层是最平衡输出与厚度的层数，当然，也可以根据实际情况作相应调整。
本申请所提供的垂直腔面发射激光器，包括多层复合有源层100；所述复合有源层100依次包括第一InGaAs势垒层110、InGaAs量子阱层120及第二InGaAs势垒层130；所述InGaAs量子阱层120的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；所述复合有源层100包括多个图形化的发光单元150，其中，所述发光单元150的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。本申请通过提高量子阱层中In的组分，同时设置图形化发光单元150，实现了以InGaAs为量子阱层材料的1.4微米至1.7微米的长波长发光，本申请所述的InGaAs量子阱层120电阻小，工作发热少，并且价带内带间吸收低，因此相比于现有技术中的长波长VCSEL结构，本申请不需要设置掩埋隧道结结构(BTJ)，大大降低了材料的生长难度。此外，与本申请中的InGaAs基量子阱配套使用的GaAs衬底的DBR反射镜折射率差更大，热阻更小，导热性更好，易生长，进而降低了器件损耗，提升了激光器的输出性能。
在具体实施方式一的基础上，进一步对相邻的所述复合有源层100之间做改进，得到具体实施方式二，其复合有源层100的结构示意图如图2所示，包括多层复合有源层100；
所述复合有源层100依次包括第一InGaAs势垒层110、InGaAs量子阱层120及第二InGaAs势垒层130；
所述InGaAs量子阱层120的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；
所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；
所述复合有源层100包括多个图形化的发光单元150，其中，所述发光单元150的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值；
相邻的所述复合有源层100之间，设置有GaAs隔离层140。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中增设了所述GaAs隔离层140，其余结构与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
本具体实施方式中，在相邻的所述复合有源层100之间增设了所述GaAs隔离层140，本申请中的所述复合有源层100中的In组分较高，因此材料内部应力较大，插入所述GaAs隔离层140可以阻断应力在相邻所述复合有源层100之间的传导，提高器件工作稳定性，同时进一步降低器件损耗，提高输出效率。
需要特别注意的是，图2中给出了所述复合有源层100与所述GaAs隔离层140的结构示意图，实际所述GaAs隔离层140不一定位于所述复合有源层100下方，只要满足在相邻所述复合有源层100之间即可。
在上述具体实施方式的基础上进一步限定所述发光单元150的形状，得到具体实施方式三，其复合有源层100的结构示意图如图3所示，包括多层复合有源层100；
所述复合有源层100依次包括第一InGaAs势垒层110、InGaAs量子阱层120及第二InGaAs势垒层130；
所述InGaAs量子阱层120的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；
所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；
所述复合有源层100包括多个图形化的发光单元150，其中，所述发光单元150的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值；
相邻的所述复合有源层100之间，设置有GaAs隔离层140；
所述图形化的发光单元150为菱形发光单元150。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中限定了所述发光单元150的形状，其余结构与上述具体实施方式相同，在此不再展开赘述。
本具体实施方式中限定了所述发光单元150的形状为菱形，预定尺寸下的菱形发光单元150可起到强偏振选择性的作用，可使所述垂直腔面发射激光器的出射光具有良好的偏振性。更进一步地，所述菱形发光单元150的两条对角线的长度比的范围为1:2至1:4，包括端点值，如1.0:2.0、1.0:3.5或1.0:4.0中任一个。
需要特别提醒的是，现有其他技术中为实现偏振性选择，通常使用氧化限制层，通过氧化物结晶的各向异性实现对出射光的偏振性的调控，但由于氧化物的各向异性是定值，因此氧化限制层对偏振性的调控范围较小，同时会增加激光器的厚度，影响器件散热和电阻，增加器件损耗，而使用本申请中的质子注入法得到的图形化的发光单元150，不影响器件厚度，同时对电阻和发热的影响也较小，降低了器件损耗，提高了输出功率。
本申请还提供了一种光谱检测仪，所述光谱检测仪包括上述任一种所述的垂直腔面发射激光器。本申请所提供的垂直腔面发射激光器，包括多层复合有源层100；所述复合有源层100依次包括第一InGaAs势垒层110、InGaAs量子阱层120及第二InGaAs势垒层130；所述InGaAs量子阱层120的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；所述复合有源层100包括多个图形化的发光单元150，其中，所述发光单元150的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。本申请通过提高量子阱层中In的组分，同时设置图形化发光单元150，实现了以InGaAs为量子阱层材料的1.4微米至1.7微米的长波长发光，本申请所述的InGaAs量子阱层120电阻小，工作发热少，并且价带内带间吸收低，因此相比于现有技术中的长波长VCSEL结构，本申请不需要设置掩埋隧道结结构(BTJ)，大大降低了材料的生长难度。此外，与本申请中的InGaAs基量子阱配套使用的GaAs衬底的DBR反射镜折射率差更大，热阻更小，导热性更好，易生长，进而降低了器件损耗，提升了激光器的输出性能。
下面为本申请提供的垂直腔面发射激光器的一种制作方法：
步骤一：在N型GaAs衬底上利用金属有机物化学气相沉积设备(MOCVD)生长N型DBR反射镜300、循环生长5对分渐变超薄量子阱层有源区、P型DBR反射镜200。制备出外延晶片。
步骤二：在外延晶片上均匀旋涂一层光学敏感的胶膜结构，然后利用如图3所示的图形化掩膜版版对外延晶片曝光，显影后，生长质子注入掩膜材料，经过lift-off工艺后，在P型DBR反射镜200上形成质子注入掩膜。
步骤三：对掩膜的外延晶片进行质子注入，形成图形化有源区。
步骤四：利用干法刻蚀设备刻蚀掉外延晶片表面的质子注入掩膜材料。
步骤五：外延晶片P型DBR反射镜200上均匀旋涂一层光学敏感的胶膜结构，曝光显影后，将晶片放入金属沉积设备，在P型DBR反射镜200上沉积金属材料。形成P面电极，然后通过lift-off工艺形成出光窗口。
步骤六：将N型衬底进行减薄抛光后，放入金属沉积设备，沉积N面电极。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的垂直腔面发射激光器及光谱检测仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括多层复合有源层；
所述复合有源层依次包括第一InGaAs势垒层、InGaAs量子阱层及第二InGaAs势垒层；
所述InGaAs量子阱层的厚度范围为1纳米至3纳米，In的组分变化范围为0.8至1，包括端点值；
所述第一势垒层及所述第二势垒层的厚度的范围为3纳米至5纳米，In的组分变化范围为0.1至0.3，包括端点值；
所述复合有源层包括多个图形化的发光单元，其中，所述发光单元的长轴长度及短轴长度的范围为50纳米至100纳米，包括端点值。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，相邻的所述复合有源层之间，设置有GaAs隔离层。
3.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述图形化的发光单元为菱形发光单元。
4.如权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述菱形发光单元的两条对角线的长度比的范围为1:2至1:4，包括端点值。
5.如权利要求1至4任一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述图形化的发光单元为通过质子注入法得到的发光单元。
6.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一InGaAs势垒层及所述第二InGaAs势垒层，与所述InGaAs量子阱层的晶格失配的范围为4％至4.9％，包括端点值。
7.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器的N型DBR反射镜为GaAs基反射镜，厚度范围为8微米至8.6微米，包括端点值。
8.如权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器的P型DBR反射镜为GaAs基反射镜，厚度范围为4.7微米至5.3微米，包括端点值。
9.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括5层所述复合有源层。
10.一种光谱检测仪，其特征在于，所述光谱检测仪包括如权利要求1至9任一项所述的垂直腔面发射激光器。
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