高对比度光栅及其垂直腔面发射激光器

摘要

本申请公开了一种高对比度光栅及其垂直腔面发射激光器，垂直腔面发射激光器包括层叠设置的第一反射器层、有源层、高对比度光栅；所述高对比度光栅包括层叠设置的氧化物间隔层、光栅层及钝化层，所述钝化层至少覆盖所述光栅层的顶面上述方案，通过至少在光栅层的顶面覆盖钝化层，钝化层一方面可以提高高对比度光栅的机械性能，另一方面还可以隔绝空气中的水氧，避免空气中的水氧对氧化物间隔层及光栅层造成影响，因此提高了高对比度光栅的可靠性及寿命。还有，可以通过改变钝化层的厚度及材料来调节高对比度光栅的特性，以提高高对比度光栅垂直腔面发射激光器的性能。

说明书

技术领域

本发明一般涉及激光器技术领域，具体涉及一种高对比度光栅及其垂直腔面发射激光器。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser； VCSEL)，其基本结构是由上下两个反射镜和有源层这三部分组成。传统的DBR(Distributed BraggReflector；布拉格反射器)VCSEL的反射镜由上下两个DBR与有源层构成谐振腔。而HCG(High Contrast Grating；高对比度光栅)VCSEL是一种新型的VCSEL，其结构相对DBR 而言，将上下DBR或者其中之一替换成高对比度光栅。和传统的DBR VCSEL相比，HCG VCSEL具有发散角小、单偏振性等优异性能。HCG作为HCG VCSEL的核心部分，决定着VCSEL的阈值增益、激射波长、发散角、偏振性、发光效率等重要参数，同时VCSEL是精密器件，如何提高其寿命是本领域技术人员所要解决的技术问题之一。

发明内容

本申请期望提供一种高对比度光栅及其垂直腔面发射激光器，用以至少提高高对比度光栅垂直腔面发射激光器的寿命。

第一方面，本发明提供一种高对比度光栅，包括层叠设置的氧化物间隔层、光栅层及钝化层，所述钝化层至少覆盖所述光栅层的顶面。

作为可实现的方式，所述高对比度光栅的光栅槽底面和/或侧壁覆盖有所述钝化层。

作为可实现的方式，所述钝化层的顶面高于所述光栅层，所述钝化层的顶面为平面或所述钝化层的顶面设置有凹槽，所述凹槽正对所述高对比度光栅的光栅槽设置，且所述凹槽的宽度小于等于所述光栅槽的宽度，所述凹槽的深度小于等于所述光栅槽的深度。

作为可实现的方式，所述钝化层包括SiO

第二方面，本发明提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括：

层叠设置的第一反射器层、有源层、高对比度光栅；

所述高对比度光栅包括层叠设置的氧化物间隔层、光栅层及钝化层，所述钝化层至少覆盖所述光栅层的顶面。

作为可实现的方式，所述高对比度光栅的光栅槽底面和/或侧壁覆盖有所述钝化层。

作为可实现的方式，所述钝化层的顶面高于所述光栅层，所述钝化层的顶面为平面或所述钝化层的顶面设置有凹槽，所述凹槽正对所述高对比度光栅的光栅槽设置，且所述凹槽的宽度小于等于所述光栅槽的宽度，所述凹槽的深度小于等于所述光栅槽的深度。

作为可实现的方式，所述钝化层具有容腔，所述容腔位于所述光栅槽内。

作为可实现的方式，所述钝化层包括SiO

作为可实现的方式，所述有源层与所述高对比度光栅之间设置有第二反射器层。

作为可实现的方式，所述有源层与所述高对比度光栅之间设置有导电电流扩展层。

作为可实现的方式，所述光栅层为导电层，所述光栅层上设置有 P型电极，所述P型电极位于所述光栅层异于设置光栅槽的位置。

作为可实现的方式，所述光栅层为绝缘层，所述第二反射器层或导电电流扩展层具有第一区域和第二区域，所述第一区域上设置有P 型电极，所述氧化物间隔层和所述光栅层设置于所述第二区域。

作为可实现的方式，所述第一反射器层背离所述有源层的一侧设置有N型电极接触层,所述N型电极接触层背离所述第一反射器层的一侧设置有N型电极和/或所述N型电极接触层在径向上凸出所述第一反射器层，且在所述N型电极接触层凸出所述第一反射器层的位置朝向所述第一反射器层的一侧设置N型电极。

上述方案，通过至少在光栅层的顶面覆盖钝化层，钝化层一方面可以提高高对比度光栅的机械性能，另一方面还可以隔绝空气中的水氧，避免空气中的水氧对氧化物间隔层及光栅层造成影响，因此提高了高对比度光栅的可靠性及寿命。还有，可以通过改变钝化层的厚度及材料，以调节高对比度光栅的特性，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的性能。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明第一实施例提供的高对比度光栅的示意图；

图2为本发明第二实施例提供的高对比度光栅的示意图；

图3为本发明第三实施例提供的高对比度光栅的示意图；

图4为本发明第四实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图5为本发明第五实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图6为本发明第六实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图7为本发明第七实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图8为本发明第八实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图9为本发明第九实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图10为本发明第十实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图11为本发明第十一实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图；

图12为本发明第十二实施例提供的高对比度光栅垂直腔面发射激光器的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请(图示仅为示意图，图中大小和比例关系并不代表实际的大小和比例关系)。

第一方面，本发明实施例提供的高对比度光栅，包括层叠设置的氧化物间隔层、光栅层及钝化层，所述钝化层至少覆盖所述光栅层的顶面。

如图1所示，本发明第一实施例提供的高对比度光栅，包括层叠设置的氧化物间隔层9、光栅层10及钝化层15，钝化层15仅覆盖光栅层10的顶面。氧化物间隔层9具有间隔区域12和非间隔区域。

如图2所示，本发明第二实施例提供的高对比度光栅，其钝化层 15除了覆盖光栅层10的顶面外，还覆盖高对比度光栅的光栅槽13底面和侧壁。当然，在某些示例中，还可以覆盖高对比度光栅的光栅槽 13底面或侧壁。

如图3所示，本发明第三实施例提供的高对比度光栅，其钝化层 15的顶面高于光栅层10，钝化层10的顶面设置有凹槽17，凹槽17 正对高对比度光栅的光栅槽13设置，且凹槽17的宽度d小于等于光栅槽13的宽度D，凹槽17的深度小于等于光栅槽13的深度。在其他示例中，钝化层15的顶面还可以不开设凹槽，而为平面。

上述各示例中的钝化层15均可以包括SiO

SiO

第二方面，本发明提供一种高对比度光栅垂直腔面发射激光器，包括：

层叠设置的第一反射器层3、有源层4、高对比度光栅；

所述高对比度光栅包括层叠设置的氧化物间隔层9、光栅层10及钝化层，所述钝化层至少覆盖所述光栅层10的顶面。

需要说明的是，在某些情况下，在有源层与高对比度光栅之间还可以设置第二反射器层6，当然不设置第二反射器层6也是可以的。以下实施例中，以设置有第二反射器层6为例进行说明。

具体地，如图4所示，该示例中，高对比度光栅垂直腔面发射激光器包括层叠设置的N型电极1、N型电极接触层2、第一反射器层3 (此示例中第一反射器层3为N型反射器层)、有源层4、第二反射器层6(此示例中第二反射器层6为P型反射器层)、间隔层9(如氧化物间隔层)和光栅层10。氧化物间隔层9具有间隔区域12(氧化) 和非间隔区域(如非氧化区域)，光栅层10对应于间隔区域12的位置设置有光栅槽13，光栅槽13自光栅层10背离氧化物间隔层9一侧向下延伸，其延伸深度根据具体情况确定这里不做具体限定。本示例中以延伸至第二反射器层6的顶面为例。在光栅层10上沉积有钝化层，钝化层可以采用随形的结构，也即覆盖光栅层10的顶面、光栅槽13 的侧壁及底面。

通过沉积工艺在光栅层10上形成钝化层；沉积可以采用化学气相淀积(ChemicalVapor Deposition；CVD)、等离子体增强化学的气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition；PECVD)、物理气相淀积(Physical Vapor Deposition；PVD)、脉冲激光淀积(Pulsed Laser Deposition；PLD)、原子层淀积(Atomic Layer Deposition；ALD)、等离子体增强原子层淀积(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition；PEALD)等。

沉积钝化层的材料可以为SiO

为了对电流进行局限，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的出光效率，在有源层4的至少一侧或中部形成有氧化层5，在该示例中，氧化层5设置在有源层4的顶面，氧化层5包括第二氧化区域7和第二未氧化区域8，第二氧化区域7环绕第二未氧化区域8，第二未氧化区域8用于界定激光出射窗。该高对比度光栅垂直腔面发射激光器设置多个发光区域的情况下，通过设置氧化层5使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。

当然，还可以在第二反射器层6与有源层4之间设置导电电流扩展层，或者在第二反射器层6与氧化物间隔层9之间设置导电电流扩展层以提高电流的均匀性，电流扩展层的材料例如但不限于为GaAs 等。

在该示例中光栅层10采用可导电的结构，也即对光栅层10进行掺杂使光栅层10导电，在此种情况下，在光栅层10上设置P型电极 11，P型电极11位于光栅层10异于设置光栅槽13的位置。

该高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以但不限于采用如下工艺制作：

提供一基底；该基底可为GaAs基底。

在基底上形成N型电极接触层2。

在N型电极接触层2上形成第一反射器层3；第一反射器层3可以为DBR。第一反射器层3可包括由AlGaAs和GaAs两种不同折射率的材料层叠构成；该示例中基底及第一反射器层3可均为N型。

在第一反射器层3上形成有源层4。

有源层4至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由GaAs、 AlGaAs、GaAsP及InGaAs材料层叠排列构成，有源层4用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。

在有源层4上形成第二反射器层6；第二反射器层6可以为DBR。第二反射器层6可包括由AlGaAs和GaAs两种不同折射率的材料层叠构成；该示例中第二反射器层6可均为P型。

在第二反射器层6上形成氧化物间隔层9。氧化物间隔层9的材料可以为Al

在氧化物间隔层9上形成光栅层10。光栅层10的材料可以为 Al

自光栅层10向下刻蚀形成至少延伸至有源层4的氧化沟槽14，在氧化沟槽14内通过湿法氧化工艺，形成氧化层5，且氧化层5自氧化沟槽14向内形成环绕第二未氧化区域8的第二氧化区域7。通过湿法氧化工艺，例如在温度430℃下，2L/min的氮气携带一定温度的水蒸气进行选择性湿法氧化，氧化深度即图中左右方向的延伸深度由时间控制，以在氧化层5形成第二氧化区域7，第二氧化区域7围绕氧化层5中的第二未氧化区域8。

在光栅层10的部分区域刻蚀形成光栅槽13，光栅槽13延伸至第二反射器层6的顶面。通过控制刻蚀时间来控制形成光栅槽13的深度，刻蚀时间越长，光栅槽13的深度越深。

透过光栅槽13对氧化物间隔层9进行湿法氧化工艺，形成与光栅槽13位置对应的氧化区域12。

在光栅层10上异于设置光栅槽13的位置形成P型电极11。在光栅层10上沉积形成钝化层15。

减薄或者去除基底。

在N型电极接触层2上形成N型电极1。P型电极11、N型电极1 均可通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式形成。N型电极1 可以是面状电极，以提供足够大的电极面积，降低电阻。当然，在某些示例中，N型电极接触层2的径向尺寸(图中左右的方向)大于其上设置的第一反射器层3等结构，此时就可以在上N型电极接触层2 朝向有源层4的一侧形成N型电极1。

上述方案，通过至少在光栅层10的顶面覆盖钝化层15，钝化层 15一方面可以提高高对比度光栅的机械性能，另一方面还可以隔绝空气中的水氧，避免空气中的水氧对氧化物间隔层及光栅层造成影响，因此提高了高对比度光栅的可靠性及寿命。还有，可以通过改变钝化层15的厚度及材料，以调节高对比度光栅的特性，以提高该高对比度光栅垂直腔面发射激光器的性能。

如图5所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第四实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，钝化层15仅覆盖光栅层10的顶面，而光栅槽13的侧壁及底面不覆盖钝化层15。

如图6所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第四实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，钝化层15覆盖光栅层10的顶面以及光栅槽13的底面，而光栅槽13的侧壁不覆盖钝化层15。

如图7所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第四实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，钝化层15设置的厚度比较厚，一般地钝化层15的顶面高于所述光栅层10，且其顶面为平面。

如图8所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第七实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，钝化层15具有容腔16，所述容腔16位于所述光栅槽13内，容腔16内可设置气体或液体，如空气、氮气等，也可为真空。

如图9所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第七实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，钝化层15的顶面为平面，且顶面设置有凹槽17，所述凹槽17正对所述高对比度光栅的光栅槽13设置，且所述凹槽17的宽度d小于等于所述光栅槽13的宽度D，凹槽17的深度小于等于光栅槽13的深度。

如图10所示，该示例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器与第四实施例中的高对比度光栅垂直腔面发射激光器区别主要在于，光栅层10为绝缘层，第二反射器层6具有第一区域和第二区域，第一区域上设置有P型电极11，氧化物间隔层9和光栅层10设置于第二区域。该示例的高对比度光栅垂直腔面发射激光器可以但不限于采用如下工艺制作：

提供一基底；该基底可为GaAs基底。

在基底上形成N型电极接触层2。

在N型电极接触层2上形成第一反射器层3；第一反射器层3可以为DBR。第一反射器层3可包括由AlGaAs和GaAs两种不同折射率的材料层叠构成；该示例中基底及第一反射器层3可均为N型。

在第一反射器层3上形成有源层4。

有源层4至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由GaAs、AlGaAs、GaAsP及InGaAs材料层叠排列构成，有源层4用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。

在有源层4上形成第二反射器层6；第二反射器层6可以为DBR。第二反射器层6可包括由AlGaAs和GaAs两种不同折射率的材料层叠构成；该示例中第二反射器层6可均为P型。

在第二反射器层6上形成氧化物间隔层9。氧化物间隔层9的材料可以为Al

在氧化物间隔层9上形成光栅层10。光栅层10的材料可以为 Al

自光栅层10向下刻蚀形成至少延伸至有源层4的氧化沟槽14，在氧化沟槽14内通过湿法氧化工艺，形成氧化层5，且氧化层5自氧化沟槽14向内形成环绕第二未氧化区域8的第二氧化区域7。

在光栅层10的部分区域--对应于第二反射器层6的第二区域刻蚀形成光栅槽13，光栅槽13延伸至光栅槽13的内部但不贯通光栅层10。

透过光栅槽13对氧化物间隔层9进行湿法氧化工艺，形成与光栅槽13位置对应的氧化区域12。

自光栅层10对应于第二反射器层6的第一区域的位置直至刻蚀暴露出第二反射器层6。

在第二反射器层6的第一区域形成P型电极11，也即在第一反射器层3背离有源层4的一侧形成P型电极11。

在光栅层10上沉积形成钝化层15。

减薄或者去除基底。

在N型电极接触层2上背离和/或朝向第一反射器层3的一侧形成 N型电极1，该示例中仅在N型电极接触层2上背离第一反射器层3 的一侧形成N型电极1，该N型电极1为面状电极。P型电极11、N 型电极1均可通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式形成。

例如，如图11所示，在第一反射器层3背离有源层4的一侧设置有N型电极接触层2,N型电极接触层2在径向(也即图中左右的方向) 上凸出第一反射器层3，在N型电极接触层2凸出第一反射器层3的位置朝向第一反射器层3的一侧设置N型电极1。

例如，如图12所示，在第一反射器层3背离有源层4的一侧设置有N型电极接触层2,N型电极接触层2在径向(也即图中左右的方向) 上凸出第一反射器层3，在N型电极接触层2凸出第一反射器层3的位置朝向第一反射器层3的一侧设置N型电极1，并且在N型电极接触层2上背离第一反射器层3的一侧同样还形成N型电极1。

在其他示例中，第二反射器层6上在设置有导电电流扩展层的情况时，导电电流扩展层具有第一区域和第二区域，第一区域上设置有 P型电极11。

钝化层15除了可以是图10中所示的随形结构外，还可与上述实施例中的任一结构的钝化层15相同。

需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。