[發明專利]一種高功率垂直腔面發射激光器的外延結構

在審

• 申請號: 202111285439.X
• 申請日: 2021-11-02
• 公開（公告）號: CN113964649A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 鄢靜舟;薛婷;楊奕;糜東林
• 申請（專利權）人: 福建慧芯激光科技有限公司
• 主分類號: H01S5/183
• 分類號: H01S5/183
• 代理公司: 北京君有知識產權代理事務所(普通合伙) 11630
• 代理人: 焦麗雅

本發明提出高功率垂直腔面發射激光器的外延結構，屬于新型半導體激光器技術領域，包括襯底（1）、MOCVD沉積緩沖層（2）、第一N型摻雜分布式布拉格反射層（3）、多級聯有源區（4）、第二隧穿結（5）、第二N型摻雜分布式布拉格反射層（6）和歐姆接觸層（7）；襯底為GaAs或者InP襯底；第一N型摻雜分布式布拉格反射層（3）和第二N型摻雜分布式布拉格反射層（6）由至少兩種半導體材料疊加形成。本發明提高了VCSEL的輸出功率，同時通過第二隧穿結（5）將頂部P型摻雜分布式布拉格反射層替換為N型摻雜分布式布拉格反射層，提高了器件斜率效率和光電轉換效率，解決了如何提高外延均勻性和良率的技術問題。

技術領域

本發明屬于新型半導體激光器技術領域，尤其涉及一種高功率垂直腔面發射激光器的外延結構。

背景技術

伴隨著人工智能（AI）技術逐步成熟，智能硬件的發展趨勢滲透到光電產業的許多方面。3D傳感作為AI感知核心技術之一，能夠捕捉真實世界空間、人體、物體的三維信息，可以賦予終端設備類似人眼感知環境的能力。激光雷達（LiDAR）與飛行時間（ToF）傳感器都是一種利用發射和接收激光脈沖信號的時間差來實現對被測目標的距離測量的裝置。高功率脈沖VCSEL（垂直腔面發射激光器）是ToF技術與LiDAR的核心器件。目前，應用于3D傳感的VCSEL芯片正面臨著輸出光功率及轉換效率等挑戰。

中國發明專利CN112003124B提出具備非圓柱形平臺的垂直腔面發射激光器及其制備方法，所述激光器包括襯底、位于所述襯底之上的第一鏡層、位于所述第一鏡層之上的活化層和位于所述活化層之上的第二鏡層，所述第二鏡層、所述活化層和靠近所述活化層的部分所述第一鏡層經過蝕刻之后形成非圓柱形主動區平臺。該發明綜合考慮了晶面類型以及主動區平臺不同方向對氧化速度的影響，針對不同的晶面類型，對常用的圓柱形主動區平臺的形狀進行改進，進而實現氧化孔徑的形狀規則化，使其與圓形或正多邊形近似，使VCSEL射出的光更加的規則。

中國發明專利CN111181001B提出一種垂直腔面發射激光器及其制造方法與應用，包括，襯底；第一反射層，形成在所述襯底的第一表面上；至少兩個發光單元，形成在所述第一反射層上，每一所述發光單元包括至少兩個發光子單元；絕緣層，形成在所述至少兩個發光單元之間；至少兩個第二電極，形成在所述至少兩個發光單元上，每一所述發光單元內的發光子單元通過所述第二電極連接；第一電極，形成在所述襯底的第二表面上；其中，每一所述發光子單元包括一發光孔，所述第二電極圍繞在所述發光孔的外周。該發明提出的垂直腔面發射激光器應用頻率快。

傳統VCSEL芯片大都采用氧化物限制結構，即在量子阱和上層DBR(分布式布拉格反射層)之間分別插入一層一定厚度的AlGaAs或AlAs層。其中高Al含量的AlGaAs層在高溫下與H₂O反應轉化為原生氧化鋁，由于氧化鋁是絕緣體，可以實現良好的電學限制，與此同時，氧化鋁（折射率約為1.7）和半導體（折射率約為3.0）之間的高折射率差異，也可以提供良好的光學限制，使VCSEL實現極低閾值連續發射。

工業界采用的850 nm和940 nm的VCSEL產品都是基于氧化孔徑技術平臺。雖然氧化孔徑技術給VCSEL提供了可接受的光學和電學特性，但幾個與氧化孔徑有關的缺點嚴重影響并限制了VCSEL芯片的性能和良率。

首先，氧化鋁層的熱導率(0.7 W/（m?K）)比半導體(約20-50 W/（m?K）)低，降低了芯片內部的熱傳導，導致熱阻增加。因此，氧化孔徑VCSEL的最大輸出功率以及調制帶寬由于早期熱致功率滾降而受到根本限制。