增透型垂直腔面发射激光器及芯片的制作方法

本发明实施例涉及半导体激光装置，尤其涉及一种增透型垂直腔面发射激光器及芯片。

背景技术：

1、多结垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，vcsel)在汽车激光雷达中越来越受欢迎，但传统的vcsel的发散角一般为20°～30°，这对于大多数中长程扫描激光雷达(lidar)来说是相当大的。

2、目前，减小vcsel光束发散角的传统方法是采用延腔层来延长腔的长度，从而减小vcsel的光学孔径的内部和外部之间的有效折射率的对比度，抑制高阶横向模式的产生。然而，将vcsel的腔长加长之后，激光纵向模式的间距也会减小，vcsel的发射光谱会出现多个纵向模式，即出现多个光谱峰。这些多个光谱峰中除了设计的激射波长之外，还有其他不希望出现的光谱峰出现在设计的激射波长的一侧或两侧，这些不希望出现的光谱峰通常称为侧模(side mode)。侧模的出现会导致一些潜在的问题，例如激光雷达的接收端无法识别这些侧模导致效率下降和串扰等。其他减小发散角的方法包括使用高对比度光栅(hcg)、使用慢光光学放大器、微透镜集成或使用不同类型的电流限制，例如离子注入和掩埋隧道结。然而，这些方法中都有各自的挑战，例如制造复杂、成本高、功率密度低以及难以实现均匀的发光图案。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种增透型垂直腔面发射激光器及芯片，以极大地降低发散角，增大亮度和光谱亮度的同时，还可以保持单纵模激射，以及避免出现制造复杂、成本高、功率密度低问题。

2、根据本发明的一方面，提供了一种增透型垂直腔面发射激光器，包括：

3、下布拉格反射层；

4、有源区，位于所述下布拉格反射层的一侧，所述有源区包括至少5个有源层和位于所述有源层之间的隧道结；

5、上布拉格反射层，位于所述有源区远离所述下布拉格反射层的一侧；

6、光增透存储腔，位于下布拉格反射层与所述有源区之间和所述上布拉格反射层与有源区之间的至少一处；

7、所述光增透存储腔用于将光场强度峰值增大至高于所述有源区的光场强度峰值，以及存储光场能量；

8、其中，所述有源区内或所述有源区外侧附近设置有电流限制层；电流限制层包括氧化层；所述氧化层为外延生长的al组分高于预设值的外延膜层，其外侧被氧化的区域形成绝缘的氧化铝膜层；其中未氧化的区域形成有效电流注入的发光区域；所述增透型垂直腔面发射激光器的光学孔径位于所述电流注入区；所述光学孔径的孔径值与激光的激光质量因子负相关；所述增透型垂直腔面发射激光器输出的激光为单横模激光。

9、可选的，位于电流限制区的电流限制层包括氧化层；所述氧化层为外延生长的al组分高于预设值的algaas外延膜层，其外侧被氧化的区域形成绝缘的氧化铝膜层；其中，未氧化的区域形成有效电流注入的发光区域；

10、所述电流限制层与最近的驻波光场的0值位置的光程距离小于十分之一激射波长；所述电流限制层在所述有源区外侧时，位于沿垂直于所述有源层一侧的两个波长范围内；所述电流限制层层数小于或等于有源层层数且小于或等于隧道结数加1。

11、可选的，所述增透型垂直腔面发射激光器还包括：发光孔；所述发光孔位于algaas膜层未被氧化的区域，所述光学孔径为所述发光孔的孔径；靠近发光孔外缘的氧化层的厚度小于30nm。

12、可选的，所述激光的发散角与所述氧化层的光限制因子正相关；

13、所述激光的亮度与所述氧化层的光限制因子负相关；

14、所述激光的光谱亮度与所述氧化层的光限制因子负相关。

15、可选的，所述氧化层的光限制因子小于0.16％。

16、可选的，所述孔径值的取值范围为3μm～22μm。

17、可选的，所述有源层包括pin结构，所述pin结构包括至少一个量子阱；所述有源层通过隧道结串联连接；

18、所述有源层包括一个量子阱时，所述量子阱与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于五分之一激射波长；多于一个量子阱时，一组量子阱整体的中心位置与最近的驻波光场的峰值位置的光程距离小于十分之一激射波长。

19、可选的，沿着与激光出光方向相反的方向，所述增透型垂直腔面发射激光器依次包括介电层、电接触层、横向电流扩散层、p型上布拉格反射层、具有氧化层的有源区、所述光增透存储腔、n型下布拉格反射层和衬底。

20、可选的，不同的有源层的电场强度峰值相同或不同；有源区中最大电场强度峰值，小于光增透存储腔中的最大电场强度峰值。

21、10、根据权利要求1～9任一所述的增透型垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述光增透存储腔包括：增透层和储光层；所述增透层位于所述储光层和所述有源区之间；所述增透层用于增大所述储光层的光场强度峰值至高于所述有源区的光场强度峰值；所述储光层用于存储光场能量；

22、其中，储光层的厚度为二分之一激射波长的奇数倍；沿着所述有源区指向所述光增透存储腔的方向，所述增透层包括储光层和有源区之间的位于从低折射率到高折射率界面处的第一增透界面，和/或储光层和有源区之间的位于从高折射率到低折射率界面处的第二增透界面；所述第一增透界面与最近的驻波光场的波腹的光程距离小于十分之一激射波长；所述第二增透界面与最近的驻波光场的波节的光程距离小于十分之一激射波长。

23、可选的，所述光增透存储腔包括：

24、多个第一半导体材料层和多个第二半导体材料层；所述第一半导体材料层和所述第二半导体材料层依次交替设置；

25、所述第一半导体材料层与所述第二半导体材料层的数量以及光学厚度相同；所述第一半导体材料层与所述第二半导体材料层的折射率不同；所述有源区与所述光增透存储腔相邻的布拉格反射层之间的距离为二分之一激射波长的整数倍。

26、可选的，在有源区与所述储光层之间设置有多个增透界面，使从有源区到储光层的电场强度逐渐增大。

27、根据本发明的另一方面，提供了一种增透型垂直腔面发射激光器芯片，包括至少一个激光器阵列；所述激光器阵列包括多个如权利要求1-12任一所述的增透型垂直腔面发射激光器；所述激光器阵列为规则排布阵列，或者为随机排布阵列，或者是具有可寻址的多个子阵列的阵列。

28、本发明实施例提供的增透型垂直腔面发射激光器，通过在多结有源区与下布拉格反射层之间和多结有源区与上布拉格反射层之间至少一处设置光增透存储腔；光增透存储腔可以将光场强度峰值增大至高于多结有源区的光场强度峰值，以及存储光场能量，使得透光存储器的光场强度高于多结有源区的光场强度，进而降低vcsel发光孔内外的有效折射率差异，抑制高阶模式的产生，降低了发散角；同时通过增加光增透存储腔内部的光场强度，相对于现有技术中增长腔长的方式，可以减小腔长增加的幅度，进而可以改善vcsel的发射光谱会出现多个纵向模式的问题，从而实现了极大地降低发散角的同时，还可以保持单纵模激射。另外，无需使用高对比度光栅(hcg)、慢光光学放大器、微透镜集成或使用不同类型的电流限制，避免了出现制造复杂、成本高和功率密度低等问题。有源区包括至少5个有源层，可以增大亮度和光谱亮度。光学孔径oa的大小与m2因子之间存在明显的相关性。氧化孔径的孔径值为7um的5结以上的ar-vcsel单发射器，m2因子接近1，可以实现28.4mw的高功率单横模激光。

29、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。