垂直腔面发射激光器——原理、制备及测试技术(范鑫烨等著)思维导图
垂直腔表面发射激光器元件、垂直腔表面发射激光器阵列、光学扫描
专利名称：垂直腔表面发射激光器元件、垂直腔表面发射激光器阵列、光学扫描装置和成像设备
专利类型：发明专利
发明人：花冈克成
申请号：CN200980158073.0
申请日：20091222
公开号：CN102356525A
公开日：
20120215
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种垂直腔表面发射激光器元件，包括衬底；层叠体，该层叠体是通过用上反射镜和下反射镜夹置半导体有源层而形成并且定位于衬底的表面上；连接到衬底中的与所述表面相对的另一表面上的下电极；以及连接到上反射镜的上表面的上电极，其中，所述上反射镜和下反射镜分别通过交替层叠具有不同折射率的半导体膜而形成，并且在电流施加在上电极和下电极之间时，垂直腔表面发射激光器元件沿着垂直于衬底的表面的方向发射激光，所述垂直腔表面发射激光器元件还包括：在上反射镜中的选择性氧化层，其具有由氧化区域和未氧化区域构成的电流阻挡结构，以及可探测部分，该可探测部分形成在由包括选择性氧化层和有源层的上反射镜成形的台地结构的侧表面上，由此能够探测在层叠体的深度方向上选择性氧化层距层叠体的顶部的位置。
申请人：株式会社理光
地址：日本东京都
国籍：JP
代理机构：北京市柳沈律师事务所
代理人：王冉
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GaN垂直腔面发射激光器的发展与挑战
GaN垂直腔面发射激光器的发展与挑战目录1.内容概括．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.1 研究背景与意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21.2 国内外研究现状及发展趋势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32.GaN材料特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.1 GaN基本性质．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.2 GaN在激光器中的应用优势．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62.3 GaN生长及制备技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．73.垂直腔面发射激光器原理及结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．83.1 VCSEL基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 3.2 VCSEL结构与特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．113.3 VCSEL在GaN材料上的实现．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．124.GaN垂直腔面发射激光器的发展历程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 4.1 初始阶段．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 4.2 技术突破与进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．154.3 商业化应用及产业化现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．165.GaN垂直腔面发射激光器的挑战．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 5.1 材料生长与器件制备难度高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.2 器件性能稳定性及可靠性问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．205.3 成本控制与商业化推广难题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．215.4 市场竞争与技术创新压力．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．226.GaN垂直腔面发射激光器的应用前景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．236.1 通信设备中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．246.2 消费电子领域的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．256.3 光电集成及光互联领域的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．277.研究展望与建议．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．287.1 进一步突破技术瓶颈．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．297.2 加强产学研合作与成果转化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．317.3 加大政策支持与资金投入力度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．327.4 关注市场需求，推动产品升级与创新．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．331. 内容概括本段落简要概述了GaN垂直腔面发射激光器（VCSEL）的发展历程及当前面临的挑战。
垂直腔面发射激光器
器中最理想的结构&
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垂直腔面发射激光器的结构
❖ 其衬底的选择有以下3种：
❖ 硅衬底：将 AlAs/GaAs DFB直接生长在 Si 上;由于其界 面不平整;使DFB的反射率较低;所以在硅Si上制作的 VCSEL还不曾实现室温连续波工作&
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制作过程
❖ VCSEL的横向结构通常用刻蚀法形成台面结构; 或用质子注入法及特殊氧化法等&这些方法均有各 自的优缺点&刻蚀法可分为湿法化学刻蚀和干法刻 蚀两种&近年来;为降低阈值电流和提高效率 ;优 先选用氧化AlAs层的方法&这种方法是在420 ℃的 高温下;用氮气携带 80 ℃的水蒸气对AlAs层中的 铝进行氧化;形成AlxOy绝缘层;对载流子进一步 限制&
❖ VCSEL的谐振腔非常小;因此可做成高速率的光开关&控制二维列阵 中各VCSEL的位相可以控制输出光的相干性&通过对各个 VCSEL激 射光的锁模效应;可以获得方向性很强的大功率激光输出&
❖ VCSEL还是各种固体激光器的理想泵浦光源;它适宜与光纤实现高效 率耦合;满足高密度光盘的读写光源的要求&
❖ 蓝宝石衬底：美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为 使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底;采用晶片键合工 艺将VCSEL结构从吸收光的 GaAs衬底移开;转移到透明 的蓝宝石衬底上;提高了wall-plug效率;最大值达到 25%&
❖ 砷化钾衬底：基于砷化钾GaAs基材料系统的VCSEL 由 于高的 Q 值而备受研究者青睐;目前VCSEL采用最多也是 生长在GaAs衬底上&
垂直腔面发射激光器的设计与制备
垂直腔面发射激光器的设计与制备垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL）是一种重要的光电子器件，具有广泛的应用前景。
它在通信、传感、光存储等领域都有着重要的作用。
本文将介绍VCSEL的设计与制备过程，以及其在实际应用中的一些特点和挑战。
首先，VCSEL的设计是整个制备过程的关键。
VCSEL的设计主要包括结构设计和材料选择两个方面。
在结构设计方面，VCSEL通常由多个半导体材料层组成，其中包括活性层、波导层、反射镜层等。
这些层的厚度和材料的选择都会对VCSEL的性能产生重要影响。
例如，活性层的厚度决定了激光的波长，而反射镜层的设计则直接决定了激光的输出效率。
在材料选择方面，需要考虑材料的光学、电学和热学性质，以及材料的可制备性和可靠性等因素。
其次，VCSEL的制备过程需要借助一系列的工艺步骤。
首先是材料的生长，通常采用金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD）技术。
在MOCVD过程中，通过控制反应物的流量和温度等参数，可以实现不同材料层的生长。
接下来是光刻和蚀刻等工艺步骤，用于定义VCSEL的结构和形状。
最后是金属电极的制备和封装等步骤，用于实现电流注入和激光输出。
然而，VCSEL的制备过程并不是一帆风顺的。
在实际制备中，会遇到一些挑战和困难。
首先是材料的生长过程中的缺陷问题。
由于材料的生长过程往往涉及到复杂的物理和化学反应，因此很容易引入杂质和缺陷。
这些缺陷会影响VCSEL的性能和可靠性。
其次是工艺的可控性和一致性问题。
VCSEL的制备过程通常需要多个工艺步骤的组合，每个步骤都需要严格控制。
如果某个步骤的参数设置不当，就会导致VCSEL的性能和一致性出现问题。
在实际应用中，VCSEL具有一些独特的特点。
首先是其较小的体积和低功耗。
相比传统的边射激光器，VCSEL具有更小的体积和更低的功耗，这使得它在集成光电子系统中具有更大的优势。
分布反馈量子阱及垂直腔面发射激光器
第八章分布反响、量子阱和垂直腔面发射激光器1.名词讲解：超晶格、 I 型超晶格和 II 型超晶格、组分超晶格、混淆超晶格、量子阱、量子线、量子点；超晶格：两种半导体资料交替生长的薄层组成一维周期结构，每层厚度足够薄，以致于其厚度小于电子在该资料中德布罗意波长。
一型超晶格：由于、E g的不同样，可将两种半导体薄层组成超晶格或量子阱的Ⅰ型和Ⅱ型结构。
Ⅰ型超晶格结构以下图 1 ，满足： E g E C E V，E C E2CE1C，EVE1V E2V。
Ⅱ型超晶格结构以以下列图 2，满足：E g E C E V，E CE2CE1CEg2，EVE2VE1V E g1。
图 1.1 I 型超晶格表示图图 1.2 II 型超晶格表示图组分超晶格：利用周期性改变薄层半导体组分而形成的超晶格，如Ga1-xAlxAs/GaAs 。
混淆超晶格：利用周期性改变组分同样的半导体各薄层中的混淆种类而形成的超晶格。
量子阱：与超晶格结构近似，但周期数有限，若是限制势阱的势垒厚度足够厚，大于德布罗意波长，那么不同样势阱中的波函数不再交叠，势阱中的电子的能级状态变为分立状态，这种结构称为量子阱。
量子线：其让导带电子、价带空穴及激子碰到二维限制，只有一维自由度，载流子限制在了线状势阱中。
量子点：其让载流子碰到三维限制，有零维自由度，载流子限制在箱状势阱中。
2.DFB 激光器与 F-P 腔激光器在原理、结构和性能上有何差异？结构：对于一般的 F-P 腔激光器，结构上主要依赖于一对平行的解理面形成光腔，进而用以光反响放大使激光产生；DFB 激光器不是依赖于激光器的端面反射镜形成光腔，而是在整个腔上，依赖刻蚀在激光器有源层〔激活区〕或其相邻波导层上的周期光栅。
原理和性能：F-P 腔激光器的光反响是经过两个解离面的反射实现，纵模的选择是由增益谱决定的，由于增益谱平时比纵模间隔宽的多，因此难于实现单纵模工作。
DFB 激光器的光反响是经过有源层或其相邻波导层上的周期性光栅所形成的扰动，即经过布拉格衍射供应分布反响的，这种反响作用使得激活区内的前向波与后向波发生有关耦合。
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器
一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器沈少棠北京工业大学应用数理学院 000611指导教师：宋晏蓉摘要介绍了一种新型的垂直外腔面发射半导体激光器的结构、制作工艺、优点及其应用。
关键词激光器，半导体，垂直外腔面一、引言垂直腔面发射激光器（VCSEL）及其阵列是一种新型半导体激光器，它是光子学器件在集成化方面的重大突破，它与侧面发光的端面发射激光器在结构上有着很大的不同。
端面发射激光器的出射光垂直于晶片的解理平面；与此相反，VCSEL的发光束垂直于晶片表面。
它优于端面发射激光器的表现在：易于实现二维平面和光电集成；圆形光束易于实现与光纤的有效耦合；有源区尺寸极小，可实现高封装密度和低阈值电流；芯片生长后无须解理、封装即可进行在片实验；在很宽的温度和电流范围内都以单纵模工作；价格低。
二、垂直腔面发射激光器的结构图1为VCSEL的结构示意图，由布拉格反射镜，有源层和金属层接触组成。
其衬底的选择有以下3种。
1、硅衬底 在硅（Si）上制作的VCSEL还不曾实现室温连续波工作。
这是由于将AlAs/GaAs DFB直接生长在Si上，其界面不平整所致，使DFB的反射率较低。
日本Toyohashi大学的研究者由于在GaAs/Si异质界面处引入多层（GaAs）m（GaP）n应变短周期超晶格（SSPS）结构而降低了GaAs-on-Si异质结外延层的密度。
2、蓝宝石衬底 美国南方加利福利亚大学的光子技术中心为使VCSEL发射的850nm波长光穿过衬底，采用晶片键合工艺将VCSEL结构从吸收光的GaAs衬底移开，转移到透明的蓝宝石衬底上，提高了wall-plug效率，最大值达到25%。
3、砷化钾衬底 基于砷化钾（GaAs）基材料系统的VCSEL由于高的Q值而备受研究者青睐，目前VCSEL采用最多也是生长在GaAs衬底上。
但以GaAsSb QW作为有源区的CW长波长VCSEL发射波长被限制在1.23 微米。
发射波长1.3 微米的GaAsSb-GaAs系统只有侧面发射激光器中报道过。
光电子技术6. 第六章—分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器
DFB半导体激光器的应用前景
从1989年美国ORTEL公司研制成大功率、高线性的DFB激光器开 始，DFB激光器就在有线电视领域得到了最广泛的应用。其应用领 域如下：
• 高速数据传输系统需要高速激光器，高速激光器是超长距离、 超大容量光纤通信系统的关键器件。
• 应用于光纤通信系统中作光源，为了突破单信道传输速率的局 限 充 分 利 用 单 模 光 纤 的 带 宽 ， 可 采 用 波 分 复 用 (WDM) 和 时 分 复 用 (TDM)技术，而波长稳定、精度可控的光源是实现WDM的关键。可调 谐DFB激光器在WDM中作光源。
19
20
10 Gb/s EA Modulator Integrated DFB LDs for Trunk Line Communications
• Transmission length: 100 km • Feature: Low power penalty (<1.5 dB) & Wide bandwidth (~14 GHz)
上述方法中，引进/4相移和不对称端面反射率两种 方法较可行，并且有效。
31
设DFB激光器分左右两段。为简单起见，假定左右两段
的折射率相同，两端的反射率也相同，即R1=R2。两段 各在中心附近产生一个/4的相移：
=/2
左右区的折射率分别为：
n1 ( z)
n0
nm
cos(2
mz
)
n2 (z)
n0
nm
cos(2
0c
E(x, y, z,t)
t
1 c2
2E(x, y, z,t)
t 2
1
0c2
2P(x, y, z,t)
t 2
一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用[发明专利]
![一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f0b2cb69e53a580217fcfe92.png)
专利名称：一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用专利类型：发明专利
发明人：刘嵩,张成,梁栋,赵励
申请号：CN202010143280.7
申请日：20200304
公开号：CN111211483A
公开日：
20200529
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出一种垂直腔面发射激光器及其制造方法与应用，包括，衬底；第一反射层，形成在所述衬底上；至少两个发光单元，形成在所述第一反射层上，每一所述发光单元包括至少两个发光子单元；第一沟槽，形成在所述至少两个发光单元之间，所述第一沟槽暴露所述衬底；绝缘层，形成在所述第一沟槽内；至少一个第一电极，形成在所述至少两个发光单元上，连接所述至少两个发光单元，且每一所述发光单元内的发光子单元通过所述第一电极连接，以形成公共阳极；至少两个第二电极，接触所述第一反射层；其中，每一所述发光子单元内包括一发光孔，所述第一电极围绕在所述发光孔的外周。
本发明提出的垂直腔面发射激光器应用频率快。
申请人：常州纵慧芯光半导体科技有限公司
地址：213000 江苏省常州市武进国家高新技术产业开发区凤翔路7号
国籍：CN
代理机构：上海光华专利事务所(普通合伙)
代理人：王华英
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现代光学基础—新型激光器介绍
P型DBR由30.5对碳(2x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.9%的反
射率。
N型DBR由21.5对硅(1.5x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.3%的 反射率。 (3)氧化物孔径与钝化层：
GaAs
0.9 0.1
传统边发射激光器： 有源区形状设计自由，可按照需求制成圆柱形，与圆形孔径和圆形电极共同作 通过移动N型上DBR， 用，使输出光束窄又圆，无像散，易于与光纤耦合。 改变空气层厚度，进而增 腔长通常为几百微米，纵模间隔不 到一纳米，使得改变腔长对输出波长影
垂直腔表面发射激光器： [10]。同时，由 通过控制有源区直径和注入电流对输出光束远场发散角进行控制 腔长短，仅有单个纵模落在激光器 波长。 的增益带宽内。 于光束的远场特性圆对称，可被透镜聚焦和准直。
2019/3/20 现代光学基础 10
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请大家批评指正
2019/3/20 现代光学基础 9
参考文献
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[1]陈鹤鸣, 赵新彦. 激光原理及应用.第2版 [M]. 电子工业出版社, 2013. [2]周炳琨. 激光原理 [M]. 国防工业出版社, 2009. [3]潘教青, 王圩, 朱洪亮, et al. 1．74μm压应变InGaAs／InGaAsP量子阱分布反馈激光器 [J]. 半导体学 报, 2005, 26(9): 1688-91. [4]王圩, 张静媛. 1.5μm InGaAsP/InP脊型波导分布反馈激光器 [J]. 半导体学报, 1989, 10(10): 794-8. [5]刘恩科. 半导体物理学 [J]. 1979, [6]YAN-FANG S, TE L, YONG-QIANG N, et al. 垂直腔面发射激光器 [J]. 光机电信息, 2005, 4): [7]赵路民, 王青, 宁永强, et al. 垂直腔面发射微腔激光器 [J]. 激光与光电子学进展, 2003, 40(8): 39-43. [8]CHANG-HASNAIN C J. Tunable VCSEL [J]. Selected Topics in Quantum Electronics IEEE Journal of, 2000, 6(6): 978-87. [9]MENA P V, MORIKUNI J J, KANG S M, et al. A simple rate-equation-based thermal VCSEL model [J]. Journal of Lightwave Technology, 1999, 17(5): 865-72. [10]张岩, 宁永强, 秦莉, et al. 小发散角垂直腔面发射激光器的设计与制作 [J]. 发光学报, 2011, 32(1): 47-52. [11]张岩, 宁永强, 王烨, et al. 高功率低发散角垂直腔面发射激光器阵列 [J]. 中国激光, 2010, 37(9): 2428-32. [12]郑婉华, 刘安金. 一种单模大功率低发散角的光子晶体垂直腔面发射激光器 [J]. 中国科学院半导体 研究所:2009年前, 2009, [13]KOYAMA F. Recent Advances of VCSEL Photonics [J]. Journal of Lightwave Technology, 2007, 24(12): 4502-13. [14]李洪雨. 单模表面浮雕结构垂直腔面发射激光器的特性研究 [D]; 长春理工大学, 2014.
垂直腔面激光器汇编
波长 均匀性
可靠性
可扩 展性
垂直腔面激光器的应用
VCSEL在条形码扫描中的应用
条形码扫描器在超市、图书馆等多种行业中被广泛应用。如超 市用条形码标示商品价格,并用激光自动扫描和读取条形码。 以下将对此过程作简单介绍： 以常用的旋转棱镜扫描器为例 ,条形码扫描器由条形码、 激光扫描器、VCSEL和光探测器等组成,如图所示。控制门使 激光扫描器通电后,VCSEL发出红光激光束,经过激光扫描器转 换光路至条形码,条形码反射的光线由激光扫描器接收,通过集 光、滤光将光线射入光探测器,产生光电感应信号,再经放大,整 形译码,成为有用信息,传输到主机中。
Thanks
导体微结构材料及器件
Байду номын сангаас
垂直腔面激光器的结构及工作原理
VCSEL主要由三部分组成 (见左图）， 即激光 工作物质、崩浦源和光学谐振腔。 工作物质是发出激光的物质,但不是任何时刻都 能发出激光,必须通过崩浦源对其进行激励,形成 粒子数反转,发出激光,但这样得到的激光寿命很 短,强度也不会太高,并且光波模式多,方向性很差。 所以,还必须经过顶部反射镜(Top Mirror) 和底 部反射镜 (Bottoo Mirror)组成的谐振腔,在激光 腔 (Laser Cavity)内放大与振荡,并由顶部反射镜 (Top Mirror)输出,而且输出的光线只集中在中间 不带有氧化层(Oxide Layers)的部分输出。
垂直腔面激光器
垂直腔面激光器
定义
结构及工作原理
优点
应用
垂直腔面激光器的定义
垂直腔面发射激光器
英文名称：vertical cavity surface emitting laser，简称VCSEL 它是一种激光发射方向垂直于pn结平面而谐 振腔面平行于pn结平面的半导体激光器 一般应用于材料科学技术、半导体材料、半