窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器

摘要

本公开提供了一种隧道结光子晶体激光器，包括：衬底；以及在所述衬底上依次形成的多个叠层结构；其中，每个所述叠层结构包括有源层以及光子晶体层，且在相邻的所述叠层结构之间形成有隧道结。本公开隧道结光子晶体激光器，提高了峰值功率，增加了激光的探测距离，实现了高峰功率窄垂直远场发散角的激光输出，在激光测距、激光成像、激光雷达等领域中具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本公开属于半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器。

背景技术

半导体激光器是电光转换效率最高的光源，具有覆盖波段范围广、寿命长、能直接调制、体积小、成本低等优点。在激光测距、激光成像、光信息存储等领域具有广泛的应用。早期用于激光测距和激光成像的光源为红宝石激光器和CO₂气体激光器，但是固体激光器和气体激光器相比于半导体激光器面临体积大、效率低和可靠性差等缺点。并且随着半导体激光器制造工艺的成熟，半导体激光器的输出功率不断提高，成本不断降低，促使以半导体激光器为光源的激光雷达迅速发展，成为激光雷达研究和发展的热点。

在激光雷达装置中，为有效进行激光成像和激光测距，需要光源进行长距离、高精度扫描探测，其中，激光的峰值功率越高，可探测的距离越远；用于扫描的光源发散角越小，可获得的数据点越多，成像精度越高。现阶段商用普通单结半导体激光器水平发散角约10度，垂直发散角约40度。商用三有源区隧道结半导体激光器水平发散角约10度，垂直发散角约25度。可探测范围有限，并且角分辨率较差，常配合一系列压缩准直光学系统才能使用。这显著增加了激光雷达装置的体积、系统复杂性和不稳定性，也增加了其成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本公开的主要目的在于提供一种窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器，以便解决上述问题的至少之一。

(二)技术方案

为了达到上述目的，作为本公开的一个方面，提供了一种隧道结光子晶体激光器，包括：

衬底；以及

在所述衬底上依次形成的多个叠层结构；

其中，每个所述叠层结构包括有源层以及光子晶体层，且在相邻的所述叠层结构之间形成有隧道结。

在一些实施例中，所述衬底为N型衬底；所述叠层结构包括：N型限制层，形成于所述N型限制层之上的所述光子晶体层，形成于所述光子晶体层之上的N侧波导层，形成于所述N侧波导层上的所述有源层，形成于所述有源层之上的P侧波导层，形成于所述P侧波导层上的光子晶体层，以及形成于所述光子晶体层上的P型限制层。

在一些实施例中，所述的隧道结光子晶体激光器，包括三个所述叠层结构，分别为第一叠层结构、形成于所述衬底上，第二叠层结构、形成于所述第一叠层结构上，以及第三叠层结构，形成于所述第二叠层结构上；其中，在所述第一叠层结构和第二叠层结构之间形成有第一隧道结，在所述第二叠层结构和第三叠层结构之间形成有第二隧道结。

在一些实施例中，所述第一叠层结构的N型限制层形成于所述N型衬底上，所述第一隧道结形成于所述第一叠层结构的所述P型限制层上，所述第二叠层结构的所述N型限制层形成于所述第一隧道结上，所述第二隧道结形成于所述第二叠层结构的所述P型限制层上，所述第三叠层结构的所述N型限制层形成于所述第二隧道结上。

在一些实施例中，所述的隧道结光子晶体激光器，还包括：

盖层，形成于所述第三叠层结构的所述P型限制层上；

欧姆接触层，形成于所述盖层上，其中，所述欧姆接触层和盖层通过选择性刻蚀形成脊形波导结构，该脊形波导结构包括一凸部及位于该凸部两侧的凹部；

电绝缘层，形成于所述凸部两侧的凹部上；

上电极，形成于所述欧姆接触层和电绝缘层上；以及

下电极，形成于所述N型衬底上。

在一些实施例中，所述第一隧道结和第二隧道结的材质为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料。

在一些实施例中，所述有源层的结构包括：量子阱、量子线或量子点；有源层的材质为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料；有源层的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。

在一些实施例中，所述光子晶体层由第一折射率材料和第二折射率材料交替堆叠而成，该第一折射率小于第二折射率。

在一些实施例中，所述电绝缘层的材质为SiO₂、SiN₄或Al₂O₃。

在一些实施例中，所述脊形波导结构的宽度介于500nm～500μm之间；所述脊形波导剖面为矩形、梯形或者三角形。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用多有源区和隧道结结构，提高了峰值功率，增加了激光的探测距离。

(2)通过在外延结构中引入光子晶体结构，利用光子晶体能带折叠效应，将激光模式场在有源区和隧穿层中实现模式匹配耦合，实现了高峰功率窄垂直远场发散角的激光输出。

(3)本公开隧道结光子晶体激光器，有利于减小激光雷达装置的体积、降低系统复杂性和不稳定性，在激光测距、激光成像、激光雷达等领域中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为依据本公开实施例窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器三维结构示意图。

图2为依据本公开实施例窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器剖视图。

图3为依据本公开实施例激射波长905nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的侧向远场发散角。

图4为依据本公开实施例激射波长905nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直近场分布。

图5为依据本公开实施例激射波长905nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直远场发散角。

图6为依据本公开实施例激射波长980nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直近场分布。

图7为依据本公开实施例激射波长980nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直远场发散角。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器，利用隧道结多有源区结构可以有效增加激光脉冲峰值功率，并且在隧道结外延结构中引入光子晶体结构，可以大大减小输出激光的远场垂直发散角，有助于简化现有激光雷达装置中的光学准直镜组系统。

具体的，所述隧道结光子晶体激光器，包括：

衬底；以及

在所述衬底上依次形成的多个叠层结构；

其中，每个所述叠层结构包括有源层以及光子晶体层，且在相邻的所述叠层结构之间形成有隧道结。

本公开隧道结光子晶体激光器利用多有源区和隧道结结构，提高了峰值功率，增加了激光的探测距离。此外，通过在外延结构中引入光子晶体结构，利用光子晶体能带折叠效应，将激光模式场在有源区和隧穿层中实现模式匹配耦合，实现了高峰功率窄垂直远场发散角的激光输出。

更具体而言，所述衬底可为N型衬底；所述叠层结构可包括：N型限制层，形成于所述N型限制层之上的所述光子晶体层，形成于所述光子晶体层之上的N侧波导层，形成于所述N侧波导层上的所述有源层，形成于所述有源层之上的P侧波导层，形成于所述P侧波导层上的光子晶体层，以及形成于所述光子晶体层上的P型限制层。

所述隧道结光子晶体激光器可包括三个所述叠层结构，分别为第一叠层结构、形成于所述衬底上，第二叠层结构、形成于所述第一叠层结构上，以及第三叠层结构，形成于所述第二叠层结构上；其中，在所述第一叠层结构和第二叠层结构之间形成有第一隧道结，在所述第二叠层结构和第三叠层结构之间形成有第二隧道结。本领域技术人员应当可以理解的是，隧道结光子晶体激光器并不仅限于包括三个所述叠层结构。

其中，所述第一叠层结构的N型限制层形成于所述N型衬底上，所述第一隧道结形成于所述第一叠层结构的所述P型限制层上，所述第二叠层结构的所述N型限制层形成于所述第一隧道结上，所述第二隧道结形成于所述第二叠层结构的所述P型限制层上，所述第三叠层结构的所述N型限制层形成于所述第二隧道结上。

进一步的，所述的隧道结光子晶体激光器还包括：盖层，形成于所述第三叠层结构的所述P型限制层上；欧姆接触层，形成于所述盖层上，其中，所述欧姆接触层和盖层通过选择性刻蚀形成脊形波导结构，该脊形波导结构包括一凸部及位于该凸部两侧的凹部；电绝缘层，形成于所述凸部两侧的凹部上；上电极，形成于所述欧姆接触层和电绝缘层上；以及下电极，形成于所述N型衬底上。

在一实施例中，请参阅图1-2所示，所述窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器，包括：

N型衬底2；

形成于所述N型衬底2下表面的下电极1；

形成于所述N型衬底2上表面的N型限制层3；

形成于所述N型限制层3之上的光子晶体层4；

形成于所述光子晶体层4之上的N侧波导层5；

形成于所述N侧波导层5上的有源层6；

形成于所述有源层6之上的P侧波导层7；

形成于所述P侧波导层7上的光子晶体层8；

形成于所述光子晶体层上的P型限制层9；

形成于所述P型限制层9上的隧道结10；

形成于所述隧道结10之上的N型限制层11；

形成于所述N型限制层11上的光子晶体层12；

形成于所述光子晶体层12上的N侧波导层13；

形成于所述N侧波导层13上的有源层14；

形成于所述有源层14之上的P侧波导层15；

形成于所述P侧波导层15上的光子晶体层16；

形成于所述光子晶体层16上的P型限制层17；

形成于所述P型限制层17上的隧道结18；

形成于所述隧道结18之上的N型限制层19；

形成于所述N型限制层19上的光子晶体层20；

形成于所述光子晶体层20上的N侧波导层21；

形成于所述N侧波导层21上的有源层22；

形成于所述有源层22之上的P侧波导层23；

形成于所述P侧波导层23上的光子晶体层24；

形成于所述光子晶体层24上的P型限制层25；

形成于所述P型限制层25上的盖层26；

形成于所述盖层26之上的欧姆接触层27，该欧姆接触层和盖层可通过选择性刻蚀形成脊波导结构28，该脊波导结构包括一凸部及位于该凸部两侧的凹部；

形成于所述凸部两侧的凹部之上的电绝缘层29；以及

形成于所述欧姆接触层和电绝缘层之上的上电极30。

所述隧道结10和18采用的材料为两层III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料，如GaAs材料。

所述有源层6、14、22的结构包括：量子阱、量子线或量子点；有源层的材料为III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料；有源层的增益谱峰值波长范围覆盖近紫外到红外波段。

所述光子晶体层4、8、12、16、20和24由低折射率材料31和高折射率材料32交替叠置而成，其周期至少为一对。

所述电绝缘层29材料为SiO₂、SiN₄或Al₂O₃等。

所述脊形波导结构28的宽度(凸部的宽度)介于500nm到500μm之间。所述脊形波导剖面可以是矩形、梯形或者三角形。

所述限制层、波导层的材质可为GaAs/A1GaAs，可采用MOCVD外延生长形成，当然所述限制层、波导层的材质及形成工艺并不限于此。

以下结合一实例详细介绍本公开窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器及其制作方法。

本实例中窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器脊型结构宽度为100μm。所述的光子晶体4、8、12、16、20和24分别包含3、2、2、2、2和3对交替生长的Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs层。

所述隧道结10和18为两层GaAs材料，但本公开不限于此，也适用于其它III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料。

所述电绝缘层29的材料为SiO₂，也适用于其他材料的电绝缘层，如：SiN₄、Al₂O₃等。

采用发射波长是905nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的外延片进行器件的制作，但本公开不限于此。

本实例窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的制作过程主要包括：

一、制作外延片：在GaAs衬底上依次生长N型限制层、光子晶体层、有源层、光子晶体层、GaAs隧道结、光子晶体层、有源层、光子晶体层、GaAs隧道结、光子晶体层、有源层、光子晶体层、P型限制层以及P型盖层，制作出外延片；

二、制作脊波导部分：通过基本的光刻、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺刻蚀出脊波导部分；

三、制作电极和电绝缘层：在整个外延片上沉积一层二氧化硅绝缘材料，再通过光刻和湿法刻蚀将注入区台面上的二氧化硅刻蚀掉，形成注入窗口，最后在p面生长Ti/Pt/Au材料作为正面电极，衬底减薄之后在n面生长金锗镍金材料作为背面电极。

本实例隧道结光子晶体激光器的侧向远场发散角和垂直远场发散角分别如图3和图5所示，垂直近场分布如图4所示。请参照图3，激射波长905nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的侧向远场发散角，其半高全宽值为4度。请参照图5，激射波长905nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直远场发散角，其半高全宽值为3度。

此外，激射波长980nm的窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直近场分布如图6所示；激射波长980nm的为窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的垂直远场发散角其半高全宽值为3.87度，如图7所示。

综上所述，本公开窄垂直远场发散角的隧道结光子晶体激光器的低发散角远场分布有利于简化光学准直压缩系统，降低系统的复杂性。通过利用隧道结多有源区结构，实现了更高峰值功率的激光脉冲输出，有效增加了激光的探测距离。通过本公开隧道结光子晶体激光器合理的外延结构，使得光子晶体结构，有源区和隧穿层合理分布，实现模式匹配耦合，从而得到高峰功率窄远场垂直发散角激光输出，在激光测距、激光成像、激光雷达等领域中具有广阔的应用前景。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。