【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光器，具体涉及一种多结垂直腔面发射激光器及其制备方法。
技术介绍
1、在光源市场，垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel）的优势在于：有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；兼容平面化工艺、良率高成本低，能够满足消费市场应用需求；圆形光束及较小的发散角易于实现较高的功率密度；低温漂系数有利于器件在高温及低温的超宽温度范围内实现性能的稳定。因此，vcsel阵列芯片正在逐步成为诸如传感、激光加热、激光热处理等一系列应用领域的重要光源。
2、光电转换效率是一个综合性能指标，其影响因素包括阈值电流、斜率效率、串联电阻、工作电压等。应用于不同场景的vcsel阵列芯片，其对于多个性能参数的关注程度有所不同。传感类vcsel阵列芯片更关注斜率效率和发散角性能，以实现低辐射面积的应用，故其光电转换效率提升有限；加热类vcsel阵列芯片则需要更高的辐射功率和更大的辐射面积，但由于vcsel阵列芯片在长脉宽或直流的工作条件下产生的焦耳热会直接影响阵列芯片的性能及可靠性，因此需要对光电转换效率进一步优化，才能得到高辐射功率、高辐射面积和高光电转换效率的加热类vcsel阵列芯片。
3、相关技术中，光电转换效率的优化通常是针对低辐射面积的效率优化，体现在vcsel的结构层面上来说：首先是设置分离的隧道结和氧化层，即隧道结和氧化层分别对应不同的波谷位置，这种设计使得隧道结和氧化层都远离有源区量子阱，从而造成电流限制减弱、光场限制减弱，虽然
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种多结垂直腔面发射激光器及其制备方法，以解决多结垂直腔面发射激光器的光电转换效率低的问题。
2、第一方面，本专利技术提供了一种多结垂直腔面发射激光器，包括：衬底层、外延结构、第一氧化层和第二氧化层，外延结构包括层叠设置的第一反射镜层、有源层和第二反射镜层，第一反射镜层设置在衬底层上，有源层包括相互间隔设置的多个势垒层和多个隧道结；第一氧化层设置在隧道结远离衬底层的一侧表面，第一氧化层具有沿出光方向贯穿第一氧化层的第一氧化孔；第二氧化层设置在隧道结靠近衬底层的一侧表面，第二氧化层具有沿出光方向贯穿第二氧化层的第二氧化孔，第一氧化孔和第二氧化孔同心，第一氧化层的氧化深度大于第二氧化层的氧化深度；任一隧道结、第一氧化层和第二氧化层形成一个集成结构，集成结构设置在相邻的两个势垒层之间，且一个集成结构对应设置于激光器的驻波场的一个波谷内。
3、有益效果：本专利技术的多结垂直腔面发射激光器，一方面形成在隧道结两侧设置不同的氧化层的光场限制结构，有助于增强谐振腔对驻波场的横向限制作用，减弱高阶光模式在横向方向上往谐振腔两侧的泄漏，保证谐振腔内存在更多的高阶光模式，实现对于光场谐振模式的控制。高阶光模式占比较大，有利于获得更大的增益体积，获得斜率效率的最大提升以及整个器件的辐射面积的提升，有助于提高高辐射面积下的光电转换效率。另一方面，本专利技术中氧化深度较大的第一氧化层位于在隧道结远离衬底层的一侧表面上，也即具有较小孔径第一氧化孔的第一氧化层更靠近出光孔，实现对横向电流的有效限制；在第一氧化层形成较小出光路径的前提下，设置在隧道结靠近衬底层的一侧表面上的第二氧化层其氧化深度较小，从而形成孔径较大的第二氧化孔，平衡由于出光路径过小造成的串联电阻的过度增大。因此设置在隧道结靠近出光孔一侧设置氧化较深的第一氧化层，在另一侧设置氧化较浅的第二氧化层，既能够实现对横向电流的有效限制，也能够避免串联电阻的增大，最终实现对光电转换效率的提升。除此之外，将隧道结、第一氧化成和第二氧化层组成的集成结构整体设置于驻波场的一个波谷内，使得每一个隧道结对应的波数缩短，实现驻波场有效腔长的缩短，并大大降低有效腔长增加带来的器件串阻，最终实现光电转换效率的进一步提高。
4、在一种可选的实施方式中，有源层还包括：过渡层，设置在相邻的势垒层之间；过渡层被配置为调整集成结构在驻波场中的位置。
5、有益效果：通过调整过渡层的厚度实现集成结构整体在驻波场中的位置，使其更好地整体集中设置于驻波场的一个波谷内，不增加器件整体厚度的前提下，便捷实现有效腔长的缩短和器件串阻的降低，实现光电转换效率的提高。
6、在一种可选的实施方式中，集成结构的厚度位于驻波场的能量分布的0%-30%范围内。
7、有益效果：将集成结构的整体厚度限制在驻波场的能量分布的0%-30%内，可以有效避免引入额外的掺杂损耗，保证激光器的斜率效率以及光电转换效率。
8、在一种可选的实施方式中，第一氧化层的氧化深度与第二氧化层的氧化深度之间的差值设置为δd1，则δd1的范围为0.5μm~1μm。
9、有益效果：通过将氧化深度较深的第一氧化层置于隧道结的上方，可以起到更好的电流限制作用；而位于隧道结下方的第二氧化层，由于横向电流扩展能力的减弱，可以适当使用更短的氧化深度。将第一氧化层的氧化深度与第二氧化层的氧化深度之间的差值限定在0.5μm~1μm之间，可以达到光电转换效率的最大提升效果，一方面有效避免由于差值过大，造成的出光过小、器件串阻升高；另一方面也能避免由于差值过小，对电场、光场的限制能力不足。
10、在一种可选的实施方式中，第一氧化层包括铝组分含量范围为0.98~0.99的铝砷化镓，第二氧化层包括铝组分含量范围为0.96~0.98的铝砷化镓。
11、有益效果：通过采用不同含量铝组分的铝砷化镓，精准形成不同氧化深度的第一氧化层和第二氧化层，进而实现光电效率的有效提升。
12、在一种可选的实施方式中，外延结构还包括：
13、第三氧化层，设置在第一反射镜层内远离衬底层的一侧；第三氧化层具有贯穿第三氧化层的第三氧化孔，第三氧化孔与第一氧化孔同心，第三氧化层的氧化深度小于第二氧化层的氧化深度；和/或，
14、第四氧化层，设置在第二反射镜层内靠近衬底层的一侧；第四氧化层具有贯穿第四氧化层的第四氧化孔，第四氧化孔与第一氧化孔同心，第四氧化层的氧化深度小于第二氧化层的氧化深度。
15、有益效果：在第一氧化层和第二氧化层的基础上，还设置有第三氧化层和第四氧化层，在不缩小出光路径的前提下，进一步增大了谐振腔平面内的折射率差，减弱了高阶光模式在横向方向上往谐振腔两侧的泄漏，保证谐振腔内存在更多的高阶光模式，从而有助于获得更大的增益体积、斜率效率的最大提升以及整个器件的辐射面积的提升，最终实现高辐射面积下的光电转换效率的提升。
16、在一种可选的实施方式中，第三氧化层的氧化深度和第四氧化层的氧化深度相等；第三氧化层本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层还包括：
3.根据权利要求2所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述集成结构的厚度位于所述驻波场的能量分布的0%-30%范围内。
4.根据权利要求1所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一氧化层的氧化深度与所述第二氧化层的氧化深度之间的差值设置为Δd1，则Δd1的范围为0.5μm~1μm。
5.根据权利要求4所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一氧化层包括铝组分含量范围为0.98~0.99的铝砷化镓，所述第二氧化层包括铝组分含量范围为0.96~0.98的铝砷化镓。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外延结构还包括：
7.根据权利要求6所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第三氧化层的氧化深度和所述第四氧化层的氧化深度相等；所述第三氧化层的氧化深度或所述第四氧化层的氧化深度，与所述第二氧化层的氧化深度之间的差值设置
8.根据权利要求7所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外延结构还包括：设置在所述第二反射镜层背离所述衬底层的一侧表面上的接触层；
9.根据权利要求8所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括：
10.一种多结垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备权利要求1-9中任一项所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述制备方法包括：
11.根据权利要求10所述的多结垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，在所述有源层内形成多个第一氧化层和多个第二氧化层之后，所述制备方法还包括：
12.根据权利要求11所述的多结垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述外延结构还包括设置在所述第二反射镜层背离所述衬底层的一侧表面上的接触层；
13.根据权利要求12所述的多结垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，在所述第一反射镜层内远离所述衬底层的一侧形成第三氧化层，和/或在所述第二反射镜层内靠近所述衬底层的一侧形成第四氧化层之后，所述制备方法还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述有源层还包括：
3.根据权利要求2所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述集成结构的厚度位于所述驻波场的能量分布的0%-30%范围内。
4.根据权利要求1所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一氧化层的氧化深度与所述第二氧化层的氧化深度之间的差值设置为δd1，则δd1的范围为0.5μm~1μm。
5.根据权利要求4所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一氧化层包括铝组分含量范围为0.98~0.99的铝砷化镓，所述第二氧化层包括铝组分含量范围为0.96~0.98的铝砷化镓。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外延结构还包括：
7.根据权利要求6所述的多结垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第三氧化层的氧化深度和所述第四氧化层的氧化深度相等；所述第三氧化层的氧化深度或所述第四氧化层的氧化深度，与所述第二氧化层的氧化深度之间的差...
【专利技术属性】
技术研发人员：苗霈，王俊，刘恒，肖垚，闵大勇，李泉灵，
申请(专利权)人：苏州长光华芯光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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