CN112310810A

CN112310810A - 一种半导体激光发射器

Info

Publication number: CN112310810A
Application number: CN202011200779.3A
Authority: CN
Inventors: 雷述宇
Original assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Ningbo Abax Sensing Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2021-02-02

Abstract

本发明提供一种半导体激光器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区；还包含降低寄生电容特性的出光限制孔，本发明将现有技术的氧化限制孔变换为降低寄生电容特性的出光限制孔，例如采用空气、氮气等等气体作为出光限制孔的填充材料，如此通过与现有技术的氧化限制孔相比，本发明材料的介电常数仅为氧化物的1/4，因此按照寄生电容的计算公式，通过本发明的方案可以从最底层的设计中在相同的限制孔尺寸下将氧化限制孔的寄生电容减小为原来的1/4，这样对于TOF激光测距中的需要高功率和快的调制速率场景适应将非常有用。

Description

一种半导体激光发射器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，具体而言，涉及一种半导体激光发射器。

背景技术

半导体类型的激光器，由于其出色的可控性能，并且非常容易实现阵列型的集成化设计，被越来越多地利用在各个探测过程中，通过对于电压等特性的控制也能比较方便地实现激光参数的调整，对于整个系统而言是非常有利的，半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管(LD)，是20世纪60年代发展起来的一种激光器。半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。半导体激光器的优点主要包含以下几个方面：1)体积小、重量轻。2)可注入激励：仅用几伏的电压注入毫安级的电流就能够驱动。除电源装置以外不需要其它的激励设备和部件。电功率直接变换成光功率，能量效率高。3)波长范围宽：适当的选择材料和合金比，在红外和可见光很宽的波长范围内能够实现任意波长的激光器。4)可直接调制：把信号重叠在驱动电流上，在直流到G赫兹范围内，可以调制振荡强度、频率和相位。5)相干性高：用单横模的激光器可以得到空间上相干性高的输出光。在分布反馈型(DFB)和分布布拉格反射型(DBR)激光器中能够得到稳定的单纵模激射，得到时间上的高相干性等等优势。

目前应用较多的一种半导体激光器为表面发射半导体激光器，与传统的边缘发射报道提激光器相比也具有许多的优势，而在表面发射型半导体激光器中垂直腔表面发射激光器VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers)因其本身低阈值、圆形光束、易耦合和易二维集成其同时具有边模抑制比高、阈值低、体积小、易于集成、输出功率高等优点，成为光电子领域研究的热点。在光纤通讯系统中，动态单模工作的长波长垂直腔面发射激光光源是不可缺少的关键性元件。主要用于中距离和长距离高速数据通讯和光互连、光并行处理、光识别系统，在城域网和广域网中都有着重要的应用。

垂直腔表面发射激光器VCSEL基本结构如图1所示，包括上、下分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)、氧化限制孔、多量子阱有源区和欧姆接触电极。量子阱有源区位于n型掺杂和p型掺杂的DBR之间。DBR反射镜具有大于99％的反射率，由高低折射率介质或半导体材料交替外延生长而成，每层材料的光学厚度为激光波长的1/4。有源区的光学厚度为1/2(或(2k+1)*1/2)激光波长的整数倍，以满足谐振条件。通过P-contact向有源区注入电流并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。在三维的激光雷达系统和三维光学传感系统的发射端光源需要高功率的垂直腔面发射激光器，无论是对于激光雷达还是三维传感，较为主流的技术是采用飞行时间技术方向进行实现，这就对于激光雷达、三维传感系统中的光源提出较高的要求。因为VCSEL的功率、调制速率决定中激光雷达系统的测量距离以及分辨率，而VCSEL的调制速率主要由两方面的因素决定，①内部因素：电注入后VCSEL内部电子与光子相互作用的速率方程决定；②外部因素：外部限制因素主要是器件本身的RC寄生参数对于高频特性的影响，高速VCSEL进行光电调制时，器件基本一致，所以要提高VCSEL的调制速率需要降低其外部的RC电学寄生参数，以提高VCSEL的调制速率。

整个VCSEL器件的寄生参数可以分为内部寄生和外部寄生，外部寄生主要来源于VCSEL器件的封装所引入的寄生，也是目前降低寄生的主要手段和途径。然后外部寄生降低到一定值后，内部RC寄生成为限制性能提升的主要因素。而VCSEL的内部寄生电容的主要来源有三个，上下电极之间的电容、有源区电容以及氧化限制层电容，其中氧化限制层电容为VCSEL芯片内部的主要电容贡献部分。

因此开发一种能够减小半导体激光发射器内部寄生电容，尤其是现有技术中氧化限制层设置所引入的寄生电容是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体激光发射器，以便解决相关技术中，由于氧化限制层存在而导致的寄生电容较大的技术问题，严重导致在激光雷达中不能匹配应用的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：

第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区；还包含降低寄生电容特性的出光限制孔。

可选的，所述出光限制孔内填充材料为空气。

可选的，所述出光限制孔内填充材料为具有第一真空度的空气。

可选的，所述第一真空度不低于10^-5Pa。

可选的，所述出光限制孔外围还包含防护层。

可选的，所述防护层为有机材料防护层。

可选的，所述防护层为无机材料防护层。

可选的，所述第一DBR层内还包含正离子注入部。

可选的，还包含衬底层，所述衬底层连接所述第二DBR层。

可选的，所述第一DBR层为P型掺杂，所述第二DBR层为N型掺杂。

本发明的有益效果是：本发明实施例提供一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：第一DBR层，第二DBR层，配置于所述第一DBR层与所述第二DBR层之间的量子阱有源区；还包含降低寄生电容特性的出光限制孔。本发明将现有技术的氧化限制孔换为降低寄生电容特性的出光限制孔，例如采用空气、氮气等等气体作为出光限制孔的填充材料，如此通过与现有技术的氧化限制孔相比，本发明材料的介电常数仅为氧化物的1/4，因此按照寄生电容的计算公式，通过本发明的方案可以从最底层的设计中在相同的限制孔尺寸下将氧化限制孔的寄生电容减小为原来的1/4，这样对于TOF激光测距中的需要高功率和快的调制速率场景适应将非常有用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为现有技术中提供的一种激光发射器的结构示意图；

图2为现有技术中提供的另一种激光发射器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光发射器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种激光发射器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

图1为现有技术公开的一种激光发射器的示例图，包含了第一电极101，第一电极的材料可以采用金(Au)，锗(Ge)，银(Ag)，钯(Pd)，铂(Pt)，镍(Ni)，钛(Ti)，钒(V)，钨(W)，铬(Cr)，铝(Al)，铜(Cu)，锌(Zn)，锡(Sn)和铟(In)等等材料，当然也不限定于金属材料，也可以为金属氧化物等形成的透明电极，第一电极与第一DBR层102相连接，其中第一DBR层102具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层叠结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的p型AlX1Ga(1-X1)As(0＜X1＜1)。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的p型AlX2Ga(1-X2)As(0≤X2＜X1)，此处也只是示例性地说明，也非具体限定实施材料必须为此，满足中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，107为氧化限制层，起到对于生成光子限制的作用，使得生成的激光发出更居中，同时其可减小共振器的折射率来增加在该位置中的高次横向模式的光损失并因此抑制振荡，其中在高次横向模式中可得到最强强度，进而实现更好的聚准效果，此处也不限定具体的材料。103a、103b和103c组成了发射器的有源区，有源区103具有量子阱结构，在该量子阱结构中，交替地层叠具有8nm厚度的未掺杂Al0.11As0.89GaAs量子阱层的量子阱层和具有5nm厚度的未掺杂Al0.3Ga0.7As层的阻挡层。例如将有源区103设计成具有780nm、950nm等等波长的光发射，有源区103的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，以满足谐振条件。由未掺杂Al0.6Ga0.4As层形成的作为用于形成有源区3中的一层的隔离层在其中心包括量子阱结构，当然此处也仅仅为示例型说明，并不限定具体的下料和厚度以及出射光波长等等特征。整个隔离层具有的膜厚同λ/n_r的整数倍一样大，这里λ是振荡波长而n_r是介质的折射率，有源区103的另一端连接第二DBR层104，其具有其中低折射率层和高折射率层交替堆叠的层压结构。该低折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的n型AlX3Ga(1-X3)As(0＜X3＜1)。λ表示半导体激光器1的振荡波长。高折射率层例如是光学膜厚为λ/4(或者(2k+1)*λ/4)的n型AlX4Ga(1-X4)As(0≤X4＜X3)。与第一DBR层102结构类似，此处并不限定具体的材料，也可以由其他材料形成中低折射率与高折射率交替堆叠的布拉格型结构设置即可，通过如此设置的DBR反射区可具有大于99％的反射率。第二DBR层104进一步可以连接衬底层105，例如由砷化镓(GaAs)衬底层105构成。衬底层105由对层叠结构(更具体地说，由对有源层103产生的光具有高透明性的材料制成)。衬底层105可以由磷化铟(InP)，氮化镓(GaN)，氮化镓铟(InGaN)，蓝宝石，硅(Si)，碳化硅(SiC)等制成，此处也不限定只能采用列举的材料制成，进一步衬底层105还连接第二电极106，其可采用与第一电极101类似的材料制成。通过电极施压，图1的发射器可发射处激光。DBR反射镜(包含第一DBR层101和第二DBR层104)不仅可以提供高的反射率，掺杂后具有导电性使其可以成为电流的通路，而且DBR的两种半导体材料的折射率差越大，获得高反射率所需的对数越少。如之前所述的技术问题，其中限制出光孔为氧化限制层，也就是依靠氧化来实现对出光的约束，但是VCSEL的内部寄生电容的主要来源有三个，上下电极之间的电容、有源区电容以及氧化限制层电容，其中氧化限制层电容为VCSEL芯片内部的的主要电容贡献部分。现有技术中一般采用图2台阶型结构方案，可以减小整个氧化限制层的面积，通过减小等效截面积可以一定程度地减小寄生电容。但是台阶型的设计中，需要保证激光的出光孔出射直径有10μm，20μm等等，为了保证施加电压可靠性台面最小尺寸需要保证在35μm以上的当量直径范围，如此台阶设计将受到一定的限制，如此对于寄生电容的减小是相当有限的，不能一味追求寄生电容小而丧失了器件的可靠性，因此不能通过该设计得到在技术越来越快速发展中对于激光器发光源的快速响应特性要求，因此基于上述的技术问题，本发明从最底层的设计上进行改进，以实现减小器件内寄生电容的效果。

图3为本发明实施例提供的一种激光发射器的结构示意图，此处以台阶型的发射器为例进行说明，当然实际实现中并不限于图3的台阶型结构，在图3中将现有技术的氧化限制层(107或207)进行替换，变为降低寄生电容特性的出光限制孔308，也就是此时的限制孔中材料为气体，从介电常数角度来看，变更之前的氧化物的介电参数与气体例如空气的介电参数之间存在如下关系：

ε_氧化物＝4ε_空气； (1)

因此两者产生的寄生电容关系如下：

通过上式的计算，在相同尺寸下，仅将氧化限制层的材质变化为本发明的降低寄生电容特性的出光限制孔308就可以降低寄生电容至原来相同器件的1/4，也就是仅变为原来寄生电容的0.25，如此设计，之前在器件中占据主要寄生电容贡献力量的氧化限制层将被大大减小，另一方面由于消除了相邻活性层上的氧化层诱导应力，我们的出光限制孔308对于整个器件的可靠性也有提高，如此器件可以形成高功率和高响应速度也能保证器件可靠性。

为了实现图3结构中的降低寄生电容特性的出光限制孔308，本发明氧化层区域(高铝组分Al0.98Ga0.02As和Al As)通过侧部氧化技术后形成氧化限制层(Al₂O₃)，通过选择性湿化学蚀刻，将电流限制的氧化层从氧化物浮雕结构中移除，如此的工艺形成出光限制孔308，此处也仅仅为示例性说明一种实现方式，当然也可以采用其他的一些工艺形成该出光限制孔308。

图4为本发明实施例提供的另一种激光发射器的结构示意图，与图3的区别在于，图4的出光限制孔外还包含防护层409，该防护层409主要是为了防止氧化限制层刻蚀释放掉外界空气对有源区的氧化从而造成VCSEL可靠性方面的问题，进一步，防护材料包括有机材料和无机材料，其中有机材料包括BCB、聚酰亚胺等，无机材料包括氧化硅、氮化硅等材料。本发明采用的沉积工艺为CVD方法，工艺过程真空度大于10^-5pa，以确保空气介电层中无氧气残留而造成后期有源区的氧化，如此设计可以使得被密封在限制孔中的空气中氧含量较小，这样即使在激光器在高功率状态下工作，所产生的高温环境也难以氧化出光限制孔408表面，如此保证了整个器件的寄生电容较低的效果，也保证了器件在使用过程中不会产生电学参数特性的变化，当然工艺过程也可以在氮气环境中进行，如此被密封在出光限制孔408内的气体为氮气，也不会在高温下对于器件出光限制孔408表面产生氧化，如此也可保证器件使用的可靠性，此处并不进行特殊限定。

图5为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图，由于采用了本方案的光限制孔508，因此之前采用的氧化限制层对于载流子的限制作用和高阶光模的吸收作用减弱了，为了保证器件的这一功能，在第一DBR层内还设置正离子注入部510，可以采用Zn²⁺、H⁺等阳离子注入方式获得该注入部510，一方面进行载流子限制，另一方面进行高阶光模场吸收,实现单纵模输出，注入深度为出光限制孔508的上表面至器件表面距离的1/2-3/4，如此可以一方面保证限制作用的可靠性，另一方面不至于影响电极501施加效果。

图6为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图，在本实施例中既设置了出光限制孔608，还在出光限制孔的外围设置了防护部609，为了弥补氧化限制层取消可能引发的载流子限制不可靠的问题，还设置了正离子注入部610，如此保证了器件高响应速度输出的同时还具有更高的可靠性，其他类似功能的部位不再详细赘述。

图7和图8为本发明实施例提供的又一种激光发射器的结构示意图，与之前的方案相比设置了更多的台阶，同时第一电极和第二电极的位置也有所不同，采用这一实施方式可以保证器件有源区两端电压被更精确的施加，增强光电转化效率也能适应器件的小型化和低功耗的发展趋势，其余与之前实施例相类似的功能不再详细赘述。

通过本发明的技术方案实现了如下几个的技术优点：1)减小VCSEL内部寄生电容；2)氧化层释放消除氧化限制层对有源区的应力提高器件可靠性。

需要说明的是，在本文中，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。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体激光发射器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述出光限制孔内填充材料为空气。

3.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述出光限制孔内填充材料为具有一定真空度的空气。

4.根据权利要求3所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述真空度不低于10^-5Pa。

5.根据权利要求2或3所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述出光限制孔外围还包含防护层。

6.根据权利要求5所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述防护层为有机材料防护层。

7.根据权利要求5所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述防护层为无机材料防护层。

8.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一DBR层内还包含正离子注入部。

9.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，还包含衬底层，所述衬底层连接所述第二DBR层。

10.根据权利要求1所述的半导体激光发射器，其特征在于，所述第一DBR层为P型掺杂，所述第二DBR层为N型掺杂。