一种单片多波长输出面发射激光器结构及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子学技术领域，尤其是指一种单片多波长输出面发射激光器结构及制备方法。

背景技术

随着当今社会发展，激光医疗技术在生命健康领域充当着不可或缺的角色，激光修复、光子嫩肤、激光脱毛乃至干眼症诊疗等领域均对激光的输出波长种类以及输出激光强度提出了新的要求，由于传统的垂直腔面发射激光器（VCSEL）结构为单一有源区量子阱结构，同一激光器仅能输出一种波长的光束且输出强度具有限制。单一波长的光束输出具有单一的治疗效果，而当630nm左右波段红光激光光束和830nm波段近红外激光光束同时输出时，可以同步实现生产细胞能量ATP、刺激细胞膜，加速细胞活动以及生产胶原蛋白等多重功能。如何在垂直腔面发射激光器中同时输出更聚集高效的多种波长激光成为国内外研究热点。

为解决VCSEL激光器的上述问题，一般采用多种VCSEL激光器在外部排列的方法，获得多种激光光源，然而这种腔外排列的方式具有光束分布不均匀、光束质量差、制作成本高等缺点。

发明内容

为此，本发明提供一种单片多波长输出面发射激光器结构及制备方法，增加了输出波长的种类且集成度高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单片多波长输出面发射激光器结构，包括：

衬底；

设置于所述衬底上表面的N型DBR反射镜层；

第一有源层，设置于所述N型DBR反射镜层上表面；

第一氧化层，设置于所述第一有源层上表面；

垂直叠加设置于所述第一氧化层上表面的至少一个中间有源区结构，每个所述中间有源区结构包括由下至上依次设置的中间DBR反射镜层、第二有源层和第二氧化层；

P型DBR反射镜层，设置于所述中间有源区结构上；

P面电极层，设置于P型DBR反射镜层上表面；

N面电极层，设置于所述衬底下表面；

其中，所述P面电极层表面设置有中心出光孔，所述第一氧化层和所述第二氧化层对应所述中心出光孔分别设置氧化孔。

在本发明的一种实施方式中，在所述第一有源层和所述第二有源层中，位于下方的有源层发光波长大于位于上方的有源层发光波长。

在本发明的一种实施方式中，所述第一有源层和所述第二有源层的材料均包括AlGaAs、AlGaInAs、GaAs之一。

在本发明的一种实施方式中，所述第一氧化层和所述第二氧化层均为AlAs氧化层。

在本发明的一种实施方式中，所述中心出光孔尺寸大于所述氧化孔尺寸。

在本发明的一种实施方式中，所述衬底为GaAs衬底。

在本发明的一种实施方式中，所述第一有源层和所述第二有源层的形状均包括正多边形和圆形。

本发明还提供一种单片多波长输出面发射激光器结构的制备方法，包括：

提供GaAs衬底；

通过金属有机化学气相沉积在所述GaAs衬底上表面交替生长组分不同的N掺杂AlGaAs层，形成N型DBR反射镜层；

在所述N型DBR反射镜层表面生长一层第一有源层；

在所述第一有源层表面生长一层第一AlAs氧化层；

通过金属有机化学气相沉积在所述第一AlAs氧化层表面交替生长组分不同的AlGaAs层，形成中间DBR反射镜层 ，在所述中间DBR反射镜层表面生长一层第二有源层，在所述第二有源层表面生长一层第二AlAs氧化层；

在所述第二AlAs氧化层表面交替生长P掺杂的AlGaAs，形成P型DBR反射镜层，并得到VCSEL结构；

通过光刻在所述VCSEL结构外侧面蚀刻出台面；

通过侧氧化在所述第一氧化层和所述第二氧化层中心制作氧化孔；

通过光刻在所述VCSEL结构表面制作中心出光孔；

通过蒸镀金属在所述中心出光孔周围制作P面电极层；

对所述GaAs衬底进行减薄、抛光处理后，在其底面沉积一层N面电极层。

在本发明的一种实施方式中，在通过金属有机化学气相沉积在所述第一AlAs氧化层表面交替生长组分不同的AlGaAs层，形成中间DBR反射镜层，在所述中间DBR反射镜层表面生长一层第二有源层，在所述第二有源层表面生长一层第二AlAs氧化层；之后，还包括：

重复一次或多次上述步骤，形成多组垂直叠加设置于所述AlAs氧化层表面的中间DBR反射镜层、第二有源层和第二氧化层，其中，在所述第一有源层和所述第二有源层中，位于下方的有源层发光波长大于位于上方的有源层波长。

在本发明的一种实施方式中，所述中心出光孔尺寸大于所述氧化孔尺寸。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的一种单片多波长输出面发射激光器结构及制备方法，结构制作工艺简单，可以实现多波长在激光器同一输出口输出，通过在内部生长多层同种类或不同类量子阱有源区形成VCSEL激光器，增加了其输出波长种类，集成度更高且激光诊疗效果更显著。

本发明中，量子阱有源层的设计包括如下方式：同种发光材料的叠加生长，通过调整材料层的厚度和组成，可以实现所需的发光波长和光电特性；使用不同种的发光材料，通过调整不同材料层的厚度和组成，可以实现更复杂的能带结构和光电特性；生长层数差异，通过逐渐增加或减少量子阱有源层的层数，可以实现发光波长的差异。

本发明的多波长输出结构可扩展于包括VCSEL激光器、大功率泵浦激光器、大光腔激光器等领域。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例一中单片多波长输出面发射激光器结构示意图。

图2是本发明实施例二中单片多波长输出面发射激光器结构示意图。

图3是本发明实施例二中单片多波长输出面发射激光器结构侧示图。

图4是本发明实施例四的制作结构示意图。

说明书附图标记说明：

1、衬底；2、N型DBR反射镜层；3、第一有源层；4、第一氧化层；5、中间有源区结构；6、中间DBR反射镜层；7、第二有源层；8、第二氧化层；9、P型DBR反射镜层；10、P面电极层；11、N面电极层；12、中心出光孔；13、氧化孔；14、第一中间DBR反射镜层；15、第二中间DBR反射镜层；16、第三有源层；17、第三氧化层；

101、GaAs衬底；

102、N型DBR反射镜层；

103、第一有源层；

104、第一AlAs氧化层；

105、中间DBR反射镜层；

106、第二有源层；

107、第二AlAs氧化层；

108、P型DBR反射镜层；

109、台面；

110、氧化孔；

111、中心出光孔；

112、P面电极层；

113、N面电极层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1所示，一种单片多波长输出面发射激光器结构，包括：

衬底1；

设置于所述衬底1上表面的N型DBR反射镜层2；

第一有源层3，设置于所述N型DBR反射镜层2上表面；

第一氧化层4，设置于所述第一有源层3上表面；

依次设置于所述第一氧化层4上表面的中间DBR反射镜层6、第二有源层7和第二氧化层8；

P型DBR反射镜层9，设置于所述第二氧化层8上表面；

P面电极层10，设置于P型DBR反射镜层9上表面；

N面电极层11，设置于所述衬底1下表面；

其中，所述P面电极层10表面设置有中心出光孔12，所述第一氧化层4和所述第二氧化层8对应所述中心出光孔12分别设置氧化孔13。

具体地，所述第一有源层3的发光波长大于所述第二有源层7的发光波长，以避免所述第二有源层7的强光吸收效应。

具体地，所述第一有源层3和所述第二有源层7的材料均包括AlGaAs、AlGaInAs、GaAs之一。

具体地，所述第一氧化层4和所述第二氧化层8均为AlAs氧化层。

具体地，所述中心出光孔12尺寸大于所述氧化孔13尺寸。

具体地，所述衬底1为GaAs衬底1。

具体地，所述第一有源层3和所述第二有源层7的形状均包括正多边形和圆形，也可以为梯形等其余可实现形状。

实施例2

参照图2与图3所示，一种单片多波长输出面发射激光器结构，包括：

衬底1；

设置于所述衬底1上表面的N型DBR反射镜层2；

第一有源层3，设置于所述N型DBR反射镜层2上表面；

第一氧化层4，设置于所述第一有源层3上表面；

依次设置于所述第一氧化层4上表面的第一中间DBR反射镜层14、第二有源层7、第二氧化层8、第二中间DBR反射镜层15、第三有源层16和第三氧化层17；

P型DBR反射镜层9，设置于所述第三氧化层17上表面；

P面电极层10，设置于P型DBR反射镜层9上表面；

N面电极层11，设置于所述衬底1下表面；

其中，所述P面电极层10表面设置有中心出光孔12，所述第一氧化层4、所述第二氧化层8和所述第三氧化层17对应所述中心出光孔12分别设置氧化孔13。

具体地，所述第一有源层3的发光波长大于所述第二有源层7的发光波长，所述第二有源层7的发光波长大于所述第三有源层16的发光波长，以避免所述第三有源层16的强光吸收效应。

具体地，所述第一有源层3、所述第二有源层7和所述第三有源层16的材料均包括AlGaAs、AlGaInAs、GaAs之一。

具体地，所述第一氧化层4、所述第二氧化层8和所述第三氧化层17均为AlAs氧化层。

具体地，所述中心出光孔12尺寸大于所述氧化孔13尺寸。

具体地，所述衬底1为GaAs衬底1。

具体地，所述第一有源层3、所述第二有源层7和所述第三有源层16的形状均包括正多边形和圆形，也可以为梯形等其余形状。

实施例3

本实施例的一种单片多波长输出面发射激光器结构，与实施例一和实施例二的结构类似，区别在于在第一氧化层4上表面设置更多（三个以上）的中间有源区结构5，具体包括：

衬底1；

设置于所述衬底1上表面的N型DBR反射镜层2；

第一有源层3，设置于所述N型DBR反射镜层2上表面；

第一氧化层4，设置于所述第一有源层3上表面；

垂直叠加设置于所述第一氧化层4上表面的至少三个中间有源区结构5，每个所述中间有源区结构5包括由下至上依次设置的中间DBR反射镜层6、第二有源层7和第二氧化层8；

P型DBR反射镜层9，设置于所述中间有源区结构5上；

P面电极层10，设置于P型DBR反射镜层9上表面；

N面电极层11，设置于所述衬底1下表面；

其中，所述P面电极层10表面设置有中心出光孔12，所述第一氧化层4和所述第二氧化层8对应所述中心出光孔12分别设置氧化孔13。

具体地，在所述第一有源层3和所述第二有源层7中，位于下方的有源层发光波长大于位于上方的有源层发光波长。

为实现对两种波长均可反射的方法之一是使用布拉格反射镜（DBR）。布拉格反射镜是由一系列交替排列的高折射率和低折射率材料组成的。这些材料的厚度和折射率选择使得特定波长的光在反射镜内部经过多次反射后相干干涉，形成反射峰。为了实现对两种波长均可反射，可以采用双周期布拉格反射镜的结构。双周期布拉格反射镜由两个周期的高折射率和低折射率材料交替叠加而成。这样的结构可以同时满足两种波长的反射要求。另外，可以通过调节布拉格反射镜中高折射率和低折射率材料的厚度和折射率，来实现对更多波长的反射，这种方法可以根据需要设计出多波长反射镜。

具体地，所述第一有源层3和所述第二有源层7的材料均包括AlGaAs、AlGaInAs、GaAs之一。量子阱有源层的设计包括如下方式：同种发光材料的叠加生长，通过调整材料层的厚度和组成，可以实现所需的发光波长和光电特性；使用不同种的发光材料，通过调整不同材料层的厚度和组成，可以实现更复杂的能带结构和光电特性；生长层数差异，通过逐渐增加或减少量子阱有源层的层数，可以实现发光波长的差异。

具体地，所述第一氧化层4和所述第二氧化层8均为AlAs氧化层，所述中心出光孔12尺寸大于所述氧化孔13尺寸，所述衬底1为GaAs衬底1。

具体地，所述第一有源层3和所述第二有源层7的形状均包括正多边形和圆形，也可以为梯形等其余可实现形状。

实施例4

参照图4所示，本实施例提供一种单片多波长输出面发射激光器结构的制备方法，包括：

S1、提供GaAs衬底101；

S2、通过金属有机化学气相沉积在所述GaAs衬底101上表面交替生长组分不同的N掺杂AlGaAs层，形成N型DBR反射镜层102；

S3、在所述N型DBR反射镜层102表面生长一层第一有源层103；

S4、在所述第一有源层103表面生长一层第一AlAs氧化层104；

S5、通过金属有机化学气相沉积在所述第一AlAs氧化层104表面交替生长组分不同的AlGaAs层，形成中间DBR反射镜层105，在所述中间DBR反射镜层105表面生长一层第二有源层106，在所述第二有源层106表面生长一层第二AlAs氧化层107；

S6、在所述第二AlAs氧化层107表面交替生长P掺杂的AlGaAs，形成P型DBR反射镜层108，并得到VCSEL结构；

S7、通过光刻在所述VCSEL结构外侧面蚀刻出台面109；

S8、通过侧氧化在所述第一氧化层和所述第二氧化层中心制作氧化孔110；

S9、通过光刻在所述VCSEL结构表面制作中心出光孔111；

S10、通过蒸镀金属在所述中心出光孔111周围制作P面电极层112；

S11、对所述GaAs衬底101进行减薄、抛光处理后，在其底面沉积一层N面电极层113。

通过上述制备方法，可得到如实施例一的结构。

具体地，在步骤S5之后，还包括：重复一次或多次上述步骤S5，形成多组垂直叠加设置于所述AlAs氧化层表面的中间DBR反射镜层105、第二有源层106和第二氧化层，其中，在所述第一有源层103和所述第二有源层106中，位于下方的有源层发光波长大于位于上方的有源层波长。可得到如实施例二或实施例三的结构。

上述结构制作工艺简单，可以实现多波长在激光器同一输出口输出，通过在内部生长多层同种类或不同类量子阱有源区形成VCSEL激光器，增加了其输出波长种类，集成度更高且激光诊疗效果更显著。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。