阅读说明：本技术 外延集成介质膜dbr外腔面发射激光器 (Epitaxial integrated dielectric film DBR external cavity surface emitting laser ) 是由 徐晨 吴博 解意洋 傅攀 赵旭鹏 于 2021-01-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了外延集成介质膜DBR外腔面发射激光器,包括P型金属电极层、钝化层、周期交替生长的上分布式布拉格反射镜、高铝组分的氧化限制层、有源区、周期生长的下分布式布拉格反射镜、GaAs衬底层、N型金属电极层、电流限制氧化孔、相位匹配层、腔长匹配层、氧化硅氮化硅介质膜分布式布拉格反射镜和出光孔；本发明中采用生长相位匹配层、腔长匹配层的方法延长垂直腔面发射激光器的固有腔长,通过感应耦合等离子体增强气相沉积的方法外延氧化硅氮化硅介质膜分布式布拉格反射镜,达到控制光偏振的同时压窄线宽。本发明降低半导体激光器阈值,提高了器件的成品率。(The invention discloses an epitaxial integrated dielectric film DBR (distributed Bragg reflector) external cavity surface emitting laser, which comprises a P-type metal electrode layer, a passivation layer, an upper distributed Bragg reflector which alternately grows in a period, an oxidation limiting layer of a high-aluminum component, an active region, a lower distributed Bragg reflector which grows in a period, a GaAs substrate layer, an N-type metal electrode layer, a current limiting oxidation hole, a phase matching layer, a cavity length matching layer, a silicon oxide and silicon nitride dielectric film distributed Bragg reflector and a light outlet hole; the invention adopts the method of growing the phase matching layer and the cavity length matching layer to prolong the inherent cavity length of the vertical cavity surface emitting laser, and the silicon oxide silicon nitride dielectric film distributed Bragg reflector is extended by the method of inductively coupled plasma enhanced vapor deposition to control the light polarization and narrow the line width at the same time. The invention reduces the threshold value of the semiconductor laser and improves the yield of the device.)

外延集成介质膜DBR外腔面发射激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种外延集成介质膜DBR外腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其具备体积微型化，低的功率损耗，快调制响应，连续光束输出等特点，被广泛应用于光通信、激光雷达、集成芯片系统等领域。普通的氧化型垂直腔面发射激光器，由于其自身氧化限制层材料的各向异性和有源区材料增益的各向异性等特点，导致激光器出现偏振不确定或不稳定的现象，而且，由于有源区温度的变化，也可能出现偏振的不稳定；其次，在氧化限制型垂直强面发射激光器中，由于光子寿命短，光谱线宽要压窄到100MHz一下是很困难的，通常是处于几百MHz的范围。以上这些特点严重影响了垂直腔面发射激光器的出光质量，阻碍了垂直腔面发射激光器在原子微系统等高精尖系统中的应用。基于以上的问题，提出了一种在垂直腔面发射激光器上进行外延的方法达到压窄线宽，控制偏振的目的。对于垂直腔面发射激光器，光谱线宽可以通过增加激光器的有效腔长来减小，对于普通垂直腔面发射激光器，有效腔长的大小由上下分布式布拉格反射镜决定，其在外延片生长后就已确定。本发明中，通过ICPCVD在VCSEL芯片上外延氧化硅和氮化硅形成介质膜分布式布拉格反射镜，达到延长外腔的同时控制偏振，最终获得稳定偏振模式的窄光谱线宽集成外腔面发射激光器。

发明内容

本发明中采用生长相位匹配层、腔长匹配层的方法延长垂直腔面发射激光器的固有腔长，通过感应耦合等离子体增强气相沉积的方法外延氧化硅氮化硅介质膜分布式布拉格反射镜，达到控制光偏振的同时压窄线宽。

本发明采用的技术方案为外延集成介质膜DBR外腔面发射激光器，该外腔面发射激光器包括P型金属电极层(1)、钝化层(2)、周期交替生长的上分布式布拉格反射镜(3)、高铝组分的氧化限制层(4)、有源区(5)、周期生长的下分布式布拉格反射镜(6)、GaAs衬底层(7)、N型金属电极层(8)、电流限制氧化孔(9)、相位匹配层(10)、腔长匹配层(11)、氧化硅氮化硅介质膜分布式布拉格反射镜(12)和出光孔(13)；周期性交替生长的上分布式布拉格反射镜(3)、高铝组分的氧化限制层(4)、有源区(5)、周期性交替生长的下分布式布拉格反射镜(6)和GaAs衬底层(7)由上到下依次布置，周期交替生长的上分布式布拉格反射镜(3)、高铝组分的氧化限制层(4)、有源区(5)、周期交替生长的下分布式布拉格反射镜(6)和GaAs衬底层(7)的外侧由钝化层(2)包覆；高铝组分的氧化层(4)中间是电流限制氧化孔(9)；周期交替生长的上分布式布拉格反射镜的顶部是出光孔(13)，出光孔顶部依次是相位匹配层(10)、腔长匹配层(11)、介质膜分布式布拉格反射镜(12)；钝化层(2)处于激光器侧壁，P型电极(1)在钝化层(2)上，钝化层(2)和GaAs衬底(7)共同在N型电极(8)上。

本发明的VCSEL电流限制氧化孔的大小为5-12um，相位匹配层(10)、腔长匹配层(11)通过等离子体增强化学气相沉积、磁控溅射或MOCVD工艺将介质层沉积到普通垂直腔面发射激光器器件上，相位匹配层(10)和腔长匹配层(11)的厚度为激光器四分之一工作波长的整数倍，具体厚度根据器件线宽设计。周期交替生长的氧化硅/氮化硅分布式布拉格反射镜(12)通过电感耦合等离子体增强化学气相沉积外延生长获得，厚度为激光器四分之一工作波长，具体厚度根据器件线宽设计。

通过以上方法制备高光束质量的集成外腔面发射激光器、以沉积腔长匹配层来增加有效腔长，压窄线宽。通过外延方法获得介质膜分布式布拉格反射镜，稳定偏振。

与现有技术相比，本发明具有一下优点：

1、采用外腔匹配介质层和相位匹配层不仅可以增加原有腔长也可以获得晶格应力释放缓解晶格不匹配的问题。

2、采用介质膜分布式布拉格反射镜可以增加高反特性，降低半导体激光器阈值。

3、采用外延的方法获得集成外腔的方式实现稳定偏振压窄线宽，较简单的平面加工工艺即可完成激光器的制备，提高了器件的成品率。

附图说明

图1、普通氧化型垂直腔面发射激光器示意图

图2、高光束质量的集成外腔面发射激光器示意图

图中：1、P型电极；2、钝化层；3、周期交替生长的上分布式布拉格反射镜；4、高铝组分的氧化限制层；5、有源区；6周期交替生长的下分布式布拉格反射镜；7、GaAs衬底层；8、N型电极；9、电流限制氧化孔；10、相位匹配层；11、腔长匹配层；12、周期交替生长的介质膜分布式布拉格反射镜；13、出光孔。

具体实施方式

如图1、2所示，通过MOCVD生长850nm外延片，ICPCVD淀积氧化硅，光刻腐蚀出台面图形，使用ICP刻蚀出台面，露出高铝组分的氧化限制层(4)，通过湿法氧化出电流限制氧化孔(9)，使用ICPCVD生长钝化层(2)，通过光刻腐蚀出出光孔(13)，通过热蒸发和剥离制作P型电极(1)，通过磁控溅射制作N型电极(8)，得到普通氧化型垂直腔面发射激光器(附图1)；通过感应耦合等离子体增强化学气相沉积和剥离的方法将介质层淀积到普通垂直腔面发射激光器器件形成相位匹配层(10)、腔长匹配层(11)和介质膜分布式布拉格反射镜(12)，得到外延集成介质膜分布式布拉格反射镜外腔面发射激光器(附图2)。