一种多结垂直腔面发射激光器

技术领域

本发明涉及发光二极管领域，尤其涉及一种多结垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器是一种半导体微腔激光器，相较于传统的边发射激光器，垂直腔面发射激光器由于具有低阈值电流、体积小、圆对称光斑易于光纤耦合、高光束质量、单纵模、面发射易于集成等优势，使其在近年来得到了迅猛的发展，广泛应用于人脸识别等三维传感、光通信、激光雷达、无人驾驶等领域中。

目前采用的垂直腔面发射激光器芯片主要为单结垂直腔面发射激光器，单结垂直腔面发射激光器的单孔出光功率一般是5mW-10mW；对于大型三维传感应用场景而言，例如基于激光雷达的无人驾驶领域，单结垂直腔面发射激光器已经无法满足其需求，需要更大功率和高效率的激光器；为了达到更大出光功率，通常考虑增大芯片发光面积，但是这种做法增加了发光面尺寸以及物料成本，不仅增加了光学设计难度，而且也让终端产品尺寸难以小型化。

利用隧道结技术在材料外延过程中直接将多个半导体激光器外延层串联，如此可以在更小的空间内集成多个激光器，有效增加光功率密度。同样，垂直腔面发射激光器(VCSEL)也可以通过隧穿结将谐振腔内的多个量子阱连接，提高光功率。因此，作为VCSEL的新一轮发展，多结VCSEL技术成为研究热点。多结VCSEL包含多个级联有源区，可以提高器件的内量子效率，同时降低载流子密度，从而获得更高增益。多结VCSEL具有许多明显优势。例如，更高的效率可以降低整体热负荷；更高的功率密度使芯片和封装尺寸大大减小，从而简化了光学设计和系统架构。

然而，红外VCSEL通常是在GaAs衬底上生长，最广泛应用的激光器波长为940nm。为达到设计波长940nm，MQW需要采用InGaAs量子阱，InGaAs量子阱相对GaAs衬底晶格失配，生长多个量子阱层会导致应力积累，最终形成位错释放应力，影响器件性能和可靠性。特别对于多结VCSEL，其有源区是通过隧穿结把多组的多量子阱层连接起来，而多量子阱层的个数增加会导致应力积累增加，如此很难避免形成位错。

同时，隧穿结因为高掺杂形成的Moss-Burstein效应会导致吸光，特别是P型层的自由载流子吸收高于N型层。而，级联VCSEL因为在谐振腔内存在多组隧穿结，如此势必会导致隧穿结吸光会影响其光电效率。

有鉴于此，本发明人专门设计了一种多结垂直腔面发射激光器，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多结垂直腔面发射激光器，以解决级联VCSEL的晶格失配以及隧穿结的吸光问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多结垂直腔面发射激光器，包括：

衬底以及沿所述衬底表面依次堆叠的N型DBR反射层、谐振腔层以及P型DBR反射层；

所述谐振腔层通过谐振形成驻波，其包括若干组多量子阱层；且，在相邻两组多量子阱层之间还设有隧穿结；其中，所述隧穿结包括沿第一方向依次层叠的N型层和P型层，且至少部分所述隧穿结设置于所述驻波的波节位置，使所述隧穿结通过将至少部分P型层配置在所述波节位置以减小所述P型层的吸光。

优选地，所述多量子阱层设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。

优选地，沿所述第一方向，所述N型层和P型层的交界面与所述波节位置具有偏离距离。

优选地，所述N型层和P型层的交界面相对所述波节位置沿所述衬底一侧偏离。

优选地，所述偏离距离的数值不大于所述P型层的厚度值。

优选地，在各所述多量子阱层朝向所述P型DBR反射层的一侧设有氧化层。

优选地，所述衬底包括GaAs衬底。

优选地，每组多量子阱层包含若干个量子阱层和若干个量子垒层。

优选地，所述多量子阱层包括InGaAs/AlGaAs量子阱结构或InGaAs/GaAsP量子阱结构。

优选地，在所述P型DBR反射层背离所述衬底的一侧表面设有欧姆接触层。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的多结垂直腔面发射激光器，通过所述在谐振腔层内的相邻两个多量子阱层之间设有隧穿结；其中，所述多量子阱层设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益效果；至少部分所述隧穿结设置于所述驻波的波节位置，且其包括沿第一方向依次层叠的N型层和P型层，所述隧穿结通过将至少部分P型层配置在所述波节位置以减小所述P型层的吸光。

其次，所述N型层和P型层的交界面与所述波节位置具有偏离距离，进一步地，所述N型层和P型层的交界面相对所述波节位置沿所述衬底一侧偏离。如此，可将所述P型层更多地配置在所述波节的相邻位置，从而减小所述P型层的吸光，以提高整个垂直腔面发射激光器的电光转换效率。

最后，在本发明的一个优选方案中，所述偏离距离的数值不大于所述P型层的厚度值，如此可以最大化地实现将所述P型层配置与所述波节位置的两侧，从而使所述P型层的吸光减小到极限，以更好地提高整个垂直腔面发射激光器的电光转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的多结垂直腔面发射激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的N型DBR反射层的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的多量子阱层的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的隧穿结的结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的P型DBR反射层的结构示意图；

图中符号说明：

1、衬底；

2、缓冲层；

3、N型DBR反射层，31、高折射率薄膜，32、低折射率薄膜；

4、限制层，41、第一限制层，42、第二限制层，43、第三限制层，44、第四限制层，45、第五限制层，46、第六限制层；

5、多量子阱层，5a、阱层，5b、垒层，51、第一组多量子阱层，52、第二组多量子阱层，53、第三组多量子阱层；

6、氧化层，61、第一氧化层，62、第二氧化层，63、第三氧化层；

7、隧穿结，7a、N型层，7b、P型层，71、第一隧穿结，72、第二隧穿结；

8、P型DBR反射层，81、高折射率薄膜，82、低折射率薄膜；

9、欧姆接触层。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例。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。

如图1所示，一种多结垂直腔面发射激光器，包括：

衬底1以及沿所述衬底1表面依次堆叠的N型DBR反射层3、谐振腔层以及P型DBR反射层8；

所述谐振腔层通过谐振形成驻波，其包括若干组多量子阱层5以及设置于在相邻两组多量子阱层5之间的隧穿结7；其中，至少部分所述隧穿结7设置于所述驻波的波节位置，且如图4所示，所述隧穿结7包括沿第一方向依次层叠的N型层7a和P型层7b，所述隧穿结7通过将至少部分P型层7b配置在所述波节位置以减小所述P型层7b的吸光。

本实施例中，所述多量子阱层5设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。

本实施例中，在N型DBR反射层3与P型DBR反射层8之间设置的谐振腔层包括了M组多量子阱层5，M为≥2的正整数，例如，M＝2、M＝3、M＝4、M＝5等；如图3所示，每一多量子阱层5中包括交替堆叠的阱层5a以及垒层5b。

具体的，在该垂直腔面发射激光器中，所述衬底1为GaAs衬底1。在本发明的其他实施例中，所述衬底1也可以为其他半导体材料。当所述衬底1为其他半导体材料时，所述N型DBR反射层3、谐振腔层以及P型DBR反射层8的材料可以根据所述衬底1的材料进行选择以实现应力平衡。

进一步的，基于本发明上述实施例，当衬底1为GaAs衬底1时，多量子阱层5包括InGaAs/AlGaAs量子阱结构或InGaAs/GaAsP量子阱结构，也即，在本发明的一个实施例中，所述阱层5a包括InGaAs层，所述垒层5b包括AlGaAs层或GaAsP。在本发明的其他实施例中，所述阱层5a可以包括InAlGaAs层，所述垒层5b可以包括AlGaAsP垒层，本发明对此不作限定。

需要说明的是，在本发明的实施例中，由于隧穿结7是用于连接相邻两组多量子阱层5，将谐振腔层内的M组多量子阱层5连接，在小的空间内集成了M组多量子阱层5，可以有效增加光功率密度，从而提高光功率。因此，当有三组多量子阱层5时，隧穿结7有两个，用于连接三组多量子阱层5；而有M组多量子阱层5时，隧穿结7有M-1个，用于连接M组多量子阱层5。

具体的，所述N型DBR反射层3和所述P型DBR反射层8均包括高折射率薄膜和低折射率薄膜，高折射率薄膜和低折射率薄膜交替设置。相邻的高折射率薄膜31和低折射率薄膜32构成一个周期。需要说明的是，在N型DBR反射层3和所述P型DBR反射层8的每个膜层的厚度为反射中心波长的1/4n(n为该膜层材料的折射率)；同时，本实施并不限定N型DBR反射层3和所述P型DBR反射层8的周期数。

例如，N型DBR反射层3和P型DBR反射层8可以为依次交替排列的(Al

为了保证谐振腔的增益，所述N型DBR反射层3的周期数应当满足高反射率的要求。而且为了保证出射激光具有窄线宽，光线经所述N型DBR反射层3反射之后，在所述谐振腔内形成驻波。因此，所述N型DBR反射层3的反射率需要根据预设要求而设定，本实施例对此不作限定。

进一步的，基于本发明上述实施例，为了实现载流子转换，所述P型层7b和所述N型层7a均为重掺杂层，即所述P型层7b和所述N型层7a内的掺杂浓度相当高。在本发明的一个实施例中，所述P型层7b和所述N型层7a中至少一个重掺杂层的材料为GaAs和AlGaAs中的一种，从而与DBR反射镜材料接近，以保证材料生长质量。可选地，所述N型层7a的掺杂离子为Si或Te；所述P型层7b的掺杂离子为C，本实施例对此不作限定。

进一步的，基于本发明上述实施例，沿所述第一方向，所述N型层7a和P型层7b的交界面与所述波节位置具有偏离距离。具体地，所述N型层7a和P型层7b的交界面相对所述波节位置沿所述衬底1一侧偏离；且所述偏离距离的数值不大于所述P型层7b的厚度值。

进一步的，基于本发明上述实施例，在各所述多量子阱层5的两侧均设有用于进行光电限制的限制层4。在本发明的一个具体实施例中，限制层4由AlGaInP构成。

进一步的，基于本发明上述实施例，在各所述多量子阱层5朝向所述P型DBR反射层8的一侧设有氧化层6，且所述氧化层6具有用于实现隧穿结7与多量子阱层5连接的导电区。其中，所述氧化层6可通过对半导体化合物氧化而形成的，被氧化的半导体化合物形成所述绝缘区以实现电流限制，未被氧化的半导体化合物用以形成所述导电区。本实施例对氧化层6不作限定，例如，在一些实施例中，所述氧化层6的导电区的材料为铝镓砷(AlGaAs)；所述氧化层6的绝缘区的材料为氧化铝(Al2O3)或氧化铝镓。

需要说明的是，在多量子阱层5朝向所述P型DBR反射层8的一侧，一限制层设置于多量子阱层5与氧化层6之间。

进一步的，基于本发明上述实施例，在所述P型DBR反射层8背离所述衬底1的一侧表面设有欧姆接触层9。

进一步的，基于本发明上述实施例，在所述衬底1与所述N型DBR反射层3之间还设有缓冲层2。在本发明的一个具体实施例中，优选为GaAs缓冲层2。

结合上述内容，如图1所示，本实施例还提供了一种多结垂直腔面发射激光器，其M＝3时，包括：

GaAs衬底1；

沿所述GaAs衬底1表面依次堆叠的缓冲层2、N型DBR反射层3、第一限制层41、第一组多量子阱层51、第二限制层42、第一氧化层61、第一隧穿结71、第三限制层43、第二组多量子阱层52、第四限制层44、第二氧化层62、第二隧穿结72、第五限制层45、第三组多量子阱层53、第六限制层46、第三氧化层63、P型DBR反射层8以及欧姆接触层9。

具体地，所述缓冲层2为GaAs缓冲层2。

具体地，如图2所示，N型DBR反射层3为依次交替排列的高折射率薄膜31和低折射率薄膜32，具体可为(Al

具体地，在本发明的一个实施例中，所述第一限制层41、第二限制层42由AlGaInP构成。

具体地，所述第一组多量子阱层51设置于所述第一驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。如图3所示，第一组多量子阱层51包括交替堆叠的阱层5a以及垒层5b，具体地，所述第一组多量子阱层51为InGaAs/AlGaAs量子阱结构或InGaAs/GaAsP量子阱结构，也即，在本发明的一个实施例中，阱层5a包括InGaAs层，垒层5b包括AlGaAs层或GaAsP。在本发明的其他实施例中，阱层5a可以包括InAlGaAs层，垒层5b可以包括AlGaAsP垒层；同时，阱层5a和垒层5b的交替周期数根据预设要求而设定，本发明对此不作限定。

具体地，所述第一氧化层61可通过对半导体化合物氧化而形成的，被氧化的半导体化合物形成所述绝缘区以实现电流限制，未被氧化的半导体化合物用以形成所述导电区。本实施例对氧化层6不作限定，例如，在一些实施例中，所述第一氧化层61的导电区的材料为铝镓砷(AlGaAs)；所述第一氧化层61的绝缘区的材料为氧化铝(Al2O3)或氧化铝镓。

具体地，如图4所示，所述第一隧穿结71设置于第一驻波的波节位置，且所述第一隧穿结71包括沿第一方向依次层叠的N型层7a和P型层7b，所述第一隧穿结71通过将至少部分P型层7b配置在所述波节位置以减小所述P型层7b的吸光。为了实现载流子转换，所述P型层7b和所述N型层7a均为重掺杂层，即所述P型层7b和所述N型层7a内的掺杂浓度相当高。在本发明的一个实施例中，所述P型层7b和所述N型层7a中至少一个重掺杂层的材料为GaAs和AlGaAs中的一种，从而与DBR反射镜材料接近，以保证材料生长质量。可选地，所述N型层7a的掺杂离子为Si或Te；所述P型层7b的掺杂离子为C，本实施例对此不作限定。

进一步的，沿所述第一方向，所述N型层7a和P型层7b的交界面与所述波节位置具有偏离距离。具体地，所述N型层7a和P型层7b的交界面相对所述波节位置沿所述衬底1一侧偏离；且所述偏离距离的数值不大于所述P型层7b的厚度值。

具体地，在本发明的一个实施例中，所述第三限制层43、第四限制层44由AlGaInP构成。

具体地，所述第二组多量子阱层52设置于所述第二驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。如图3所示，第二组多量子阱层51包括交替堆叠的阱层5a以及垒层5b，具体地，所述第二组多量子阱层52为InGaAs/AlGaAs量子阱结构或InGaAs/GaAsP量子阱结构，也即，在本发明的一个实施例中，阱层5a包括InGaAs层，垒层5b包括AlGaAs层或GaAsP。在本发明的其他实施例中，阱层5a可以包括InAlGaAs层，垒层5b可以包括AlGaAsP垒层；同时，阱层5a和垒层5b的交替周期数根据预设要求而设定，本发明对此不作限定。

具体地，所述第二氧化层62可通过对半导体化合物氧化而形成的，被氧化的半导体化合物形成所述绝缘区(图中未标示)以实现电流限制，未被氧化的半导体化合物用以形成所述导电区(图中未标示)。本实施例对氧化层6不作限定，例如，在一些实施例中，所述第二氧化层62的导电区的材料为铝镓砷(AlGaAs)；所述第二氧化层62的绝缘区的材料为氧化铝(Al2O3)或氧化铝镓。

具体地，如图4所示，所述第二隧穿结72设置于第二驻波的波节位置，且所述第二隧穿结72包括沿第一方向依次层叠的N型层7a和P型层7b，所述第二隧穿结72通过将至少部分P型层7b配置在所述波节位置以减小所述P型层7b的吸光。为了实现载流子转换，所述P型层7b和所述N型层7a均为重掺杂层，即所述P型层7b和所述N型层7a内的掺杂浓度相当高。在本发明的一个实施例中，所述P型层7b和所述N型层7a中至少一个重掺杂层的材料为GaAs和AlGaAs中的一种，从而与DBR反射镜材料接近，以保证材料生长质量。可选地，所述N型层7a的掺杂离子为Si或Te；所述P型层7b的掺杂离子为C，本实施例对此不作限定。

进一步的，沿所述第一方向，所述N型层7a和P型层7b的交界面与所述波节位置具有偏离距离。具体地，所述N型层7a和P型层7b的交界面相对所述波节位置沿所述衬底1一侧偏离；且所述偏离距离的数值不大于所述P型层7b的厚度值。

具体地，在本发明的一个实施例中，所述第五限制层45、第六限制层46由AlGaInP构成。

具体地，所述第三组多量子阱层53设置于所述第三驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益。如图3所示，第三组多量子阱层51包括交替堆叠的阱层5a以及垒层5b，具体地，所述第三组多量子阱层53为InGaAs/AlGaAs量子阱结构或InGaAs/GaAsP量子阱结构，也即，在本发明的一个实施例中，阱层5a包括InGaAs层，垒层5b包括AlGaAs层或GaAsP。在本发明的其他实施例中，阱层5a可以包括InAlGaAs层，垒层5b可以包括AlGaAsP垒层；同时，阱层5a和垒层5b的交替周期数根据预设要求而设定，本发明对此不作限定。

具体地，所述第三氧化层63可通过对半导体化合物氧化而形成的，被氧化的半导体化合物形成所述绝缘区以实现电流限制，未被氧化的半导体化合物用以形成所述导电区。本实施例对氧化层6不作限定，例如，在一些实施例中，所述第三氧化层63的导电区的材料为铝镓砷(AlGaAs)；所述第三氧化层63的绝缘区的材料为氧化铝(Al2O3)或氧化铝镓。

具体地，如图5所示，所述P型DBR反射层8为依次交替排列的高折射率薄膜81和低折射率薄膜82，具体可为(Al

经由上述的技术方案可知，本发明提供的多结垂直腔面发射激光器，通过所述在谐振腔层内的相邻两个多量子阱层5之间设有隧穿结7；其中，所述多量子阱层5设置于所述驻波的波腹位置，通过所述波腹位置的电场强度以获得最大的激光增益效果；至少部分所述隧穿结7设置于所述驻波的波节位置，且其包括沿第一方向依次层叠的N型层7a和P型层7b，所述隧穿结7通过将至少部分P型层7b配置在所述波节位置以减小所述P型层7b的吸光。

其次，所述N型层7a和P型层7b的交界面与所述波节位置具有偏离距离，进一步地，所述N型层7a和P型层7b的交界面相对所述波节位置沿所述衬底1一侧偏离。如此，可将所述P型层7b更多地配置在所述波节的相邻位置，从而减小所述P型层7b的吸光，以提高整个垂直腔面发射激光器的电光转换效率。

最后，在本发明的一个优选方案中，所述偏离距离的数值不大于所述P型层7b的厚度值，如此可以最大化地实现将所述P型层7b配置与所述波节位置的两侧，从而使所述P型层7b的吸光减小到极限，以更好地提高整个垂直腔面发射激光器的电光转换效率。

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他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，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，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。