垂直腔面发射激光器

摘要： 对自主研发的940 nm大功率三结垂直腔面发射激光器(VCSEL)单点器件的高温高电流老化失效后的器件进行了失效分析研究。首先,通过热阻测试确定了加速老化实验的结温,并计算了老化加速因子为104。随后,对老化过程中产生的失效器件进行失效分析。通过老化前后器件L-I-V、正反向V-I、光学及红外外观、近场光斑及透射电子显微镜(TEM)研究了器件老化前后性能及发光模式变化,确定了器件的失效位置,分析了失效原因,并通过TEM图像确认了器件失效是由P-DBR中的位错生长导致。本文为国际首次对多结VCSEL器件失效分析的研究报道,对继续优化VCSEL内部结构设计及提升工艺控制能力、提高多结VCSEL器件寿命及可靠性具有一定指导意义。

摘要： GaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)的制备技术尚未成熟,其产生激光激射需使3个波长对准,即制备的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector,DBR)决定的谐振波长、制备的腔长度决定的谐振波长、有源区量子阱InGaN的In掺杂浓度决定的蓝光发光波长。如果以上3个波长对准差,激光输出将大幅度衰减。借助辅助软件对GaN基蓝光垂直腔面发射激光器的分布式布拉格反射镜的周期和膜厚、腔长膜厚作细致的理论研究,得到分布式布拉格反射镜周期数不同、DBR膜厚偏差、腔长膜厚偏差情况下的GaN基蓝光垂直腔面发射激光器的激光输出差异。

摘要： VCSEL简介及应用垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)是一种激光发射方向垂直于P-N结平面而谐振腔面平行于P-N结平面的半导体激光器。1977年,日本东京工业大学的伊贺健一教授提出VCSEL的概念,随后相关的研究如火如荼地展开。1979年,首个VCSEL采用LPE制备,波长1300nm左右,但只能在低温(77K)激射;1983年.

摘要： 垂直腔面发射激光器凭借阈值低、发散角小、调制速率高以及输出光束呈圆斑对称等特点,迅速成为当下半导体激光器的研究热点。氮化镓(GaN)材料是制造紫外到绿光波段光电子器件的理想材料,经过四十余年的研究,蓝光和绿光LED在照明、显示等领域得到广泛应用。技术含量更高的激光器件也已进入了应用的快车道,即将覆盖照明、通信、投影显示、光存储、医疗、微型原子钟及传感器等场景。铝镓氮(AlGaN)是GaN基半导体材料的重要代表之一,其禁带宽度可在3.4 eV(GaN)到6.2 eV(AlN)范围内连续可调,对应波长可覆盖200~365 nm波段,是制造从近紫外波段到深紫外波段紫外垂直腔面发射激光器的理想材料。而铝镓氮(AlGaN)垂直腔面发射激光器经过近20年来的发展,如今已成为半导体激光器的研究热点之一。首先回顾了GaN基垂直腔面发射激光器的发展历史,简要介绍了其在各个波段的主要应用场景;然后介绍蓝光、绿光及紫外垂直腔面发射激光器的研究进展;最后分析了光注入和电注入紫外垂直腔面发射激光器发展过程中的挑战和困难,并介绍了改进和优化的策略。

摘要： 制备了不同氧化孔径的940 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL),选取氧化孔径为3,6,9μm的VCSEL进行了测试表征分析。氧化孔径为3,6,9μm的VCSEL的最高输出功率分别为2.92,6.79,10.49 mW,调制带宽分别为27.65,23.34,20.56 GHz。此外,氧化孔径为3μm的VCSEL在整个工作电流下都可实现单模工作,氧化孔径为6μm和9μm的VCSEL在较大电流下呈现少模和多模特性。最后,选取3μm氧化孔径的VCSEL进行数据传输测试,在非归零(NRZ)码下实现了传输速率53 Gbit/s。

摘要： 为了研制出表面微透镜集成外腔的垂直腔面发射激光器(VCSEL),实现窄线宽无磁激光输出,满足原子磁强计等量子传感器应用要求,本文设计并生长了适合于表面集成微透镜的VCSEL外延结构,完成了表面微透镜集成外腔VCSEL器件制备,在电极材料方面选取无磁材料以满足应用要求。实验结果表明:研制的VCSEL器件工作温度达到90°C,激光波长为896.3 nm,功率为1.52 mW,边模抑制比为36.3 dB,激光线宽为38 MHz,封装为模组后的磁场强度低于0.03 nT。结果表明本文研制的窄线宽无磁VCSEL满足量子传感的应用需求。

摘要： 氧化型垂直腔面发射激光器(VCSEL)在数据通信等领域具有广泛的应用,然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件,静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一,并且器件失效后很难判断问题的原因。本文对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)3种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击,以分析其具体失效原因。其中,在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征,然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜(EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明,不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值,氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤,而对CDM模式不敏感。研究发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征包括反向漏电增加、出光功率衰减、EMMI亮点等,而TEM作为最为直接有效的分析手段,不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制,并且能够精确地判断出引起失效的具体ESD模式,具有重要的意义。

摘要： 提出了一种光子晶体反射镜作为垂直腔面发射激光器的P面反射镜,并分析了其反射特性。为了设计在850 nm波段具有高反射率和宽带宽的光子晶体反射镜,采用三维时域有限差分法对光子晶体反射镜的结构参数进行计算优化。结果表明,当二维光子晶体结构的气孔半径为84 nm,周期为212 nm,高度为90 nm时,对应TE光学模式的高反射率(R≥99.5%)带宽为106 nm,与中心波长之比为12.5%;同时对于TM光学模式的反射率低于80%,具有较宽的偏振选择性。并且光子晶体反射镜薄,串联电阻小,没有氧化物引入的电阻和应力问题。因此,提出的新型光子晶体反射镜可替代传统垂直腔面发射激光器的P型分布布拉格反射镜,提供高反射率和宽带宽,并提高器件的光电性能。

摘要： 高速垂直腔面发射激光器(VCSEL)是高速光通信的主要光源之一,受数据流量的迅速增长牵引,高速VCSEL正向更大带宽、更高速率方向发展。长春光机所团队通过优化VCSEL外延设计和生长、器件设计和制备、以及性能表征技术,在多个波长的高速VCSEL的调制带宽、传输速率、模式、功耗等性能方面取得了显著进展。实现高速单模940 nm VCSEL 27.65 GHz调制带宽和53 Gbit/s传输速率;通过波分复用基于850 nm、880 nm、910 nm和940 nm高速VCSEL实现200 Gbit/s链路方案;通过光子寿命优化,实现高速VCSEL低至100 fJ/bit的超低能耗;实现1030 nm高速VCSEL 25 GHz调制带宽;实现1550 nm高速VCSEL 37 Gbit/s传输速率。研制的高速VCSEL在光通信等领域有重要应用前景。

摘要： 该文结合PICS3D软件模拟,以1λ腔长、5对InGaAs/AlGaAs量子阱为基础,优化了有源区阱层的厚度、组分以及谐振腔腔长。模拟结果表明:随着量子阱个数的增加,微分电阻和阈值电流增大,弛豫振荡频率降低,阻尼因子变小;随着阱层In组分的增加,阈值电流变小,弛豫振荡频率和阻尼因子增大;腔长缩短为1/2λ,弛豫振荡频率增大,同时由于传输因子变小,阻尼因子不会限制调制响应带宽;在1/2λ腔中Al_(0.90)Ga_(0.10)As掺杂,可以使微分电阻变小。优化后的单氧化层VCSEL最大电光转换效率为42.3%,调制响应-3 dB带宽为25 GHz。

摘要： 基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术的气体传感器在气体含量检测、有毒气体泄漏遥测、大气质量监测等领域具有广泛的应用.本文根据气体吸收光谱原理,确立了氧气测量的谐波检测理论依据,设计完成了基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)的新型长光程气体池,并制作完成了氧气传感器实现氧气浓度的测量,传感器测量范围为(0～100)％,测量精度优于0.2％.在氧气测量中使用760nm的VCSEL激光器,该激光器由于其几乎等同于本征安全的工作电流和极低的功耗等优点,特别适用于恶劣的高危工况环境下的气体检测以及工业过程中氧气的在线监测等,在基于TDLAS的气体传感器中具有显著的优势和广泛的应用前景.

摘要： 与传统边发射激光器相比,垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有单纵模工作、低阈值、圆形对称光斑、与光纤耦合效率高以及制作成本低等优点,因而在高密度光存储、高分辨率激光打印、固态照明以及显示光源等领域有着广泛的应用前景.经过不断的努力,国际上已有若干研究小组报道了电注入GaN基VCSEL的室温激射.前不久,小组也报道了蓝紫光波段GaN基VCSEL的室温激射,并且获得了1.2KA/cm2的较低阈值电流密度.在本论文中，在已有的基础上做出改进，使用量子点材料取代量子阱作为VCSEL的有源区，提高了器件的内量子效率，采用金属键合技术将器件转移到具有更高热导率的Cu衬底上，极大的改善了器件的散热特性，并最终实现了室温下蓝绿光波段的GaN基VCSEL的激射。

摘要： 本文对可调谐垂直腔面发射激光器中多层介质悬臂结构特性进行了研究。根据经典 Castigliano位移理论，对等效单层介质模型的结构刚度进行修正，并推导出适合于多层介质的等效结构刚度通式，更准确地表征出多介质悬臂梁结构的力电特性。同时，利用COMSOL Multiphysics软件对多介质层悬臂梁结构进行模拟分析。结果表明，当介质层数从2 层增加10 层时，等效结构刚度增加了1.9671N/m，系统基本频率提高了22Hz。在相同载荷下，悬臂梁形变量由2 层时的613nm 减小到10 层时的544.225nm。分析得出，随着介质层数的增加，由于各层材料的杨氏模量和热膨胀系数不同，层与层之间的形变产生了相互抑制作用，同时各介质层之间存在的静摩擦力产生了粘滞效应，等效结构刚度逐渐增大；固有频率及动态性能随着介质层数的增加而提高。

摘要： 本文提出了一种新型内腔集成亚波长光栅可调谐垂直腔面发射激光器(VCSELs),首次实现了在波长调谐过程单偏振模式稳定输出的可调谐VCSELs新型器件结构设计。利用严格耦合波法对亚波长光栅的周期、占空比、脊深等几何参数进行了优化分析,使得偏振方向平行于光栅脊的TE模式和偏振方向垂直于光栅脊的TM模式波长分离度达到20.9nm,从而进一步增加TE/TM偏振模式增益差,使得在整个波长调谐过程中实现光波单偏振稳定输出。同时,采用有限元法对可调谐VCSELs中微机电系统(MEMS)薄膜结构进行设计和分析,结果表明该器件结构可以实现调谐范围达30rim以上的单偏振波长调谐稳定输出。

摘要： VCSEL作为一种特殊的半导体激光器，其反射镜主要由上下两组A1xGaAs/AIyGaAs材料的布拉格反射器((DBR)构成，增益介质则由夹在DBR中间的半导体量子阱有源区构成，三者构成了电流注入发光的P-I-N结构。干法刻蚀形成的台面直径尺寸22-26μm，高度5μm左右。通过专用的湿法侧氧化工艺工艺，可以将有源区电流注入区域直径限制在1-5μm，从而大幅降低器件阐值电流和功耗。同时，采用新型有源区材料结构和增益-腔模失配方法设计并实现了高温工作795nmVCSEL器件，器件108°C下闽值电流仅为0.6mA，在1mA注入下获得钩原子对应的794.7nm输出。

摘要： 目前提高大功率垂直腔面发射激光器输出功率的途径有二:一，增大单管器件的尺寸;二，多个单管器件进行二维集成。其中方法一使得有源区的尺寸增加，器件具有更大的发光面积，可以提高输出功率并减小串联电阻，但是器件的尺寸不能无限增大，否则会引起电流注入不均匀，从而导致功率密度的减小和光束质量的下降，具有很大的局限性。方法二将多个发光单元进行集成来实现较高的输出功率，同时保持较高的转换效率，但会导致光束质量的下降，不利于进行光纤祸合。本文针对以上两方面问题分别提出解决方案:一是从VCSEL器件结构出发，合理优化n-DBR反射率、单元器件尺寸等关键参数，并采用纳秒级窄脉冲驱动方式消除热效应影响，有效提高了VCSEL单管及列阵器件的峰值输出功率;二是利用限制扩散湿法刻蚀法实现了微透镜列阵与VCSEL列阵的集成，研制出同时具有高输出功率及高光束质量的VCSEL列阵。

摘要： 采用二次转移衬底技术制作了电注入氮化物谐振腔器件,其谐振腔的结构包括InGaN/GaN多量子阱、30 nm厚的ITO透明导电薄膜层和两个具有高反射率的介质膜DBRs。在ITO和DBR之间插入一层厚度为40 nm的Ta2O5层使得ITO置于光场的波节,这样谐振腔器件的Q值达到1720。进一步对激光剥离后的GaN表面采用化学机械抛光后,其表面的粗糙度减小到0.6 nm,最终所制作的谐振腔器件的Q值高达2170。本文制作的高性能电注入氮化物谐振腔器件为实现垂直腔面发射激光器奠定了基础。

摘要： 本文设计了一款用于芯片原子钟的VCSEL激光控制系统.此激光器精密控制系统中温度控制选用半导体制冷器(TEC)作为核心元件,电流源则选用低噪声运算放大器来设计.利用此控制系统,得到了VCSEL激光功率分别随温度和电流变化情况,获得激光功率一小时稳定度为5E-4.最后把此款控制系统用于芯片原子钟样机,并优化了样机短期稳定度指标。

摘要： 本文设计了一款用于芯片原子钟的VCSEL激光控制系统.此激光器精密控制系统中温度控制选用半导体制冷器(TEC)作为核心元件,电流源则选用低噪声运算放大器来设计.利用此控制系统,得到了VCSEL激光功率分别随温度和电流变化情况,获得激光功率一小时稳定度为5E-4.最后把此款控制系统用于芯片原子钟样机,并优化了样机短期稳定度指标。

摘要： 本文设计了一款用于芯片原子钟的VCSEL激光控制系统.此激光器精密控制系统中温度控制选用半导体制冷器(TEC)作为核心元件,电流源则选用低噪声运算放大器来设计.利用此控制系统,得到了VCSEL激光功率分别随温度和电流变化情况,获得激光功率一小时稳定度为5E-4.最后把此款控制系统用于芯片原子钟样机,并优化了样机短期稳定度指标。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法，包括：对柱状主动区平台进行氧化处理以形成氧化孔的步骤，具体如下：第一次湿法氧化，在柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸大于目标孔径尺寸的第一氧化孔，然后去除氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；第二次湿法氧化，在柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸小于第一氧化孔但大于目标孔径尺寸的第二氧化孔，然后去除氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；依此类推，直到第N次湿法氧化后，形成孔径尺寸等于目标孔径尺寸的氧化孔，N为大于等于2的整数。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明可消除氧化限制层在氧化过程中出现开裂或者鼓裂的现象，从而有效提高器件可靠性。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制造方法，包括：形成主动区平台的步骤；以及对所形成的主动区平台进行侧壁氧化以形成氧化孔的步骤；在上述两个步骤之间还包括：为主动区平台侧壁表面覆盖水汽透过率为1×100～5×10‑2g/（m2·D）的保护膜的步骤。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器，使用上述制造方法得到。相比现有技术，本发明可使得主动区平台的侧壁氧化过程均匀一致，从而提高产品的良率和一致性。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制造方法，所述垂直腔面发射激光器包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层、上电极，氧化限制层中间设置有氧化孔，上电极中间设置有与所述氧化孔同心且孔径大于氧化孔孔径的出光孔，上反射层中设置有与所述出光孔垂直方向投影同心的环状高电阻区，环状高电阻区的内径大于出光孔孔径；本发明提前制作上电极，并在上电极制作过程中以上电极金属膜作为掩模进行质子注入，形成环状高电阻区，然后对上电极金属膜进行刻蚀，从而得到与环状高电阻区准确对准的上电极。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明可有效消除对位偏差所导致的电流拥挤问题，降低寄生电容，提高激光器数据传输带宽。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法，所述垂直腔面发射激光器以（100）晶面GaAs为衬底材料；该制备方法包括：湿法氧化步骤，用于将DBR中的一层或多层高铝层的外圈区域作为目标氧化区域，将其氧化为氧化铝，并在所述一层或多层高铝层的中间区域形成未被氧化的氧化孔；该制备方法还包括：在湿法氧化步骤前的离子注入步骤，用于通过离子注入的方式使得目标氧化区域中的部分区域形成具有离子注入损伤的缺陷区，并基于缺陷区与目标氧化区域中的其他区域之间的湿氧化速率差异，使得经湿法氧化步骤所生成的氧化孔为非圆形的氧化孔。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明在保证了VCSEL激光器性能的同时，可大幅降低生产成本和芯片切割难度。

摘要： 本发明涉及一种形成垂直腔面发射激光器(120)的光学孔径(24)的方法，包括：提供半导体层的层堆叠体，这些半导体层包括中间层，其中中间层包括适合于被氧化的半导体材料；将中间层氧化至氧化宽度，以便在所述中间层中形成被氧化的外部区域和未被氧化的中心区域；去除被氧化的外部区域的至少一部分，使得在已经去除被氧化的外部区域或者被氧化的外部区域的一部分的位置处形成空隙；以及将非导电材料沉积在空隙中。非导电材料使用原子层沉积(ALD)进行沉积，其中，非导电材料(90)以比空隙的厚度小的厚度沉积在空隙的壁上。在沉积非导电材料之后，用另外的材料填充空隙的剩余空间。还描述了一种具有光学孔径(24)的垂直腔面发射激光器(120)。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述湿法氧化方法分为两个阶段：第一阶段的氧化气氛为H2、N2与H2O蒸汽混合；第二阶段的氧化气氛为H2、N2、O2与H2O蒸汽混合，其中O2与H2O蒸汽的体积比为1%～10%。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术，本发明可对湿法氧化速率进行更为精准的控制，有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象，提高激光器的使用寿命及可靠性。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法，包括：对高铝组分区进行侧壁氧化以生成中间带有氧化孔的氧化限制层的步骤；所述高铝组分区是由至少两个具有不同铝组分的高铝组分层上、下复合而成的复合层结构，所述复合层结构可防止所述氧化限制层内缘的纵截面上出现尖端结构。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术，本发明可以较低的成本有效实现氧化限制层的内缘纵截面尽量平滑，避免出现曲率较大的尖端结构，进而提升VCSEL的性能和可靠性。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法。本发明方法包括：在衬底上的层结构中蚀刻沟槽以形成被所述沟槽分隔出的柱状主动区平台的步骤，以及对所述柱状主动区平台进行侧壁氧化以在所述柱状主动区平台内形成氧化孔的步骤；所述沟槽为非闭合沟槽，所述柱状主动区平台与沟槽外的层结构之间具有至少一处连接部；所形成氧化孔的横截面形状呈边缘为平滑曲线的非圆形。本发明还公开一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术，本发明可以极低的成本和代价同时实现垂直腔面发射激光器高速传输性能和可靠性的大幅提高。

摘要： 本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法，包括：对柱状主动区平台进行氧化处理以形成氧化孔的步骤，具体如下：第一次湿法氧化，在柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸大于目标孔径尺寸的第一氧化孔，然后去除氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；第二次湿法氧化，在柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸小于第一氧化孔但大于目标孔径尺寸的第二氧化孔，然后去除氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；依此类推，直到第N次湿法氧化后，形成孔径尺寸等于目标孔径尺寸的氧化孔，N为大于等于2的整数。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明可消除氧化限制层在氧化过程中出现开裂或者鼓裂的现象，从而有效提高器件可靠性。

摘要： 本实用新型提供一种具备倒装结构的垂直腔面发射激光器、垂直腔面发射激光器阵列，所述V C S E L包括衬底、设置于所述衬底之上的第一镜层、设置于所述第一镜层之上的活化层和设置于所述活化层之上的第二镜层，所述第二镜层之上设置钼金属层，所述第二镜层与所述钼金属层之间设置有上电极层，所述衬底与所述第一镜层之间设置有蚀刻制止层，所述蚀刻制止层材质不同于所述衬底材质，所述衬底设置光窗用于光线射出，且所述衬底的非光窗区域设置底部电极。所述V C S E L阵列包括至少2个所述V C S E L。本实用新型金属散热层制备简单，且适宜制作高功率阵列V C S E L芯片。