CN102709808A

CN102709808A - 微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构

Info

Publication number: CN102709808A
Application number: CN2012101712625A
Authority: CN
Inventors: 张祥伟; 宁永强; 秦莉; 刘云; 王立军
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2012-10-03

Abstract

微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，属于半导体光电子学技术领域，为提高现有高功率垂直腔面发射激光器光束的相干度，本发明提供微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，包括多个微透镜集成垂直腔面发射激光器，所述每个微透镜集成垂直腔面发射激光器由上至下为n面电极、衬底、缓冲层、n型DBR层、有源区、氧化限制层、p型DBR层、欧姆接触层和金属栅格电极；所述衬底上面腐蚀成微透镜；在所述有源区向下至金属栅格电极两侧设置钝化层。本发明是阵列单元之间相干耦合输出的高功率垂直腔面发射激光器阵列，具有良好的光束相干性，在激光探测、激光雷达成像、激光加工、激光操控、激光武器等应用领域具有潜在的价值。

Description

微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构

技术领域

本发明属于半导体光电子学技术领域，具体涉及微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构。

背景技术

垂直腔面发射激光器（VCSEL）及列阵是一种垂直表面出光的半导体激光器，是光子学器件在集成化上的一个突破。微腔效应使其自发辐射因子较边发射激光器高几个量级，许多物理特性大为改善，如输出光是圆光斑无像散，光束整形系统简单；大面积、高密度集成的列阵通过微透镜阵列进行简单的整形。激光腔面损伤阈值高，激光功率密度高。散热结构简单紧凑、易于二维集成实现大功率输出。工作温度高达80℃，可靠性高。光谱线宽窄（<1nm），与激光晶体的吸收带匹配更好，泵浦效率高。垂直腔面发射激光阵列成像可自成系统，实现四维（距离和三维图像）的高速、精确测量，是下一代小型化成像系统的理想光源。

高光束质量大功率垂直腔面发射激光器是光纤激光器、固态激光器的重要泵源，是激光加工、激光医疗、激光显示、激光监控、激光测距、激光制导、激光雷达、激光引信领域的核心光源和支撑技术。大功率面发射激光器特别适合机载和弹载中对体积要求严格的应用，并在搜索、营救、车辆识别、反恐、监狱和港口的夜间监控、银行和仓库的监控等领域有重要的实用价值和广泛的应用前景。

现有多种方案实现VCSEL的相干控制，如光子晶体结构、倏逝波耦合，泄漏波耦合、反波导结构、注入锁相、外腔锁相、掩埋隧道结锁相和金属栅格反射调制技术等。

现有面发射激光器采用了金属栅格反射调制技术后，实现出射光的发散角过大，通常有15°以上的发散角，因此阵列中器件的相干度会非常低。

发明内容

为了提高现有激光器光束的相干度，本发明提供一种微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构。

微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，包括多个微透镜集成垂直腔面发射激光器，所述每个微透镜集成垂直腔面发射激光器由上至下为n面电极、衬底、缓冲层、n型DBR层、有源区、氧化限制层、p型DBR层、欧姆接触层和金属栅格电极；所述衬底上表面中间区腐蚀成微透镜，衬底上表面两端生长n面电极；在所述有源区向下至金属栅格电极两侧生长钝化层（8）。

本发明有益效果：本发明通过金属栅格电极具有不同折射率的金属，既可以进行反射调制，还可以当电极；金属栅格电极反射调制可有效地消除自发filamentation效应，并可以制成锁相和空间高度相干的二维VCSEL阵列；并在衬底出光窗口上化学法腐蚀处微透镜阵列以提高相干度进而光束提高质量。

本发明是一种列阵单元之间相干耦合输出的高功率垂直腔面发射激光器列阵，具有良好的空间和时间相干性，在激光探测、激光雷达成像、激光加工、激光操控、激光武器等广泛应用领域具有潜在的价值。

附图说明

图1本发明微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构单管的结构原理图。

图2本发明微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构原理图。

图3本发明微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构的8×8列阵器件实物图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明结构作进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，包括多个微透镜集成垂直腔面发射激光器，每个微透镜集成垂直腔面发射激光器由上至下为n面电极1、衬底2、缓冲层3、n型DBR层4、钝化层5、有源区（有源区由上至下包括上空间层6-1、增益介质层7和下空间层6-2）、p型DBR层9、欧姆接触层10和金属栅格电极11；衬底2上面腐蚀成微透镜12；在有源区向下至金属栅格电极11两侧设置钝化层8。

结合图1说明微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构中每个单管结构的生长过程：

VECSEL最大的特点是谐振腔是由外延生长形成，与器件的有源区自成一体，本发明的每个单管结构主体VCSEL部分是由MOCVD一次生长而成，具体的生长顺序为由上至下：在N型掺杂GaAs衬底2上首先生长一层GaAs的缓冲层3，目的是整个结构能够更紧凑更坚固的生长在衬底2上。在缓冲层3上生长N型分布布拉格反射镜组4，生长方式为高低折射率交替生长，目的是通过高低折射率的突变提供比较高的反射率，掺杂方式为渐变调制掺杂，此方式掺杂的目的是尽量减小高低折射率层的能带的突变以减小串联电阻为目的。在N型分布布拉格反射镜组4上面生长一层上空间层6-1，其目的为收容载流子和构成一个光学波长长度的腔长；在上空间层6-1上生长增益介质层7即三个量子阱层，阱层和垒层交替生长，并使其位置处于光学驻波的波峰上以提供最大的增益，增益介质层7处于光学腔的中心；在增益介质层上面生长一层与上空间层对称的下空间层6-2，其目的与上空间层6-1相同，其中上、下空间层与增益介质层7合成为有源区。在有源区上面生长一层氧化限制层5，目的是通过侧氧化提供载流子的注入孔径和限制光波导的作用。在氧化限制层5上继续生长P型分布布拉格反射镜组9，生长方式与掺杂方式如同N型分布布拉格反射镜组4，与N型分布布拉格反射镜4组构成激光器的谐振腔的两个高反射镜。欧姆接触层10生长在P型分布布拉格反射镜组9上，金属栅格电极11生长在欧姆接触层10上，目的是欧姆接触层10与金属栅格电极11接触以提供载流子的注入通道；金属栅格电极11由金属Au和Cr组成。衬底2上表面中间区域腐蚀成微透镜12，衬底2上表面两端生长n面电极1；在有源区向下至金属栅格电极11两侧设置钝化层8。

在每个单管结构的制作过程中，用AlN做钝化绝缘层8，来代替传统的SiO2绝缘层，主要原因是SiO2的热导率太低，严重影响了器件的散热性能，这对于我们制作的出光孔径大于100μm的高功率VCSEL相干列阵来说是一个缺陷，只有AlN这种高热导率，高绝缘性的这种材料才适合做符合我们要求的钝化绝缘层8。

在出光窗口侧，采用限制扩散湿法刻蚀的方法制作微透镜12，该方法具有如下优点：可以直接在垂直腔面发射激光器的衬底上制备微透镜12，操作简单，不需要复杂的实验设备和冗长的实验周期，可以得到表面形貌较好的微透镜12，而且具有很好的可重复性，更重要的是用该方法制备的微透镜12集成垂直腔面发射激光器可以二维集成，这样制作的二维列阵会具有更好的光束质量。

如图3所示，是本发明微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构的8×8列阵器件实物图。

器件工艺制作：

1、外延片清洗：在VCSELs工艺过程中，外延片的清洗过程是VCSELs器件制作中最简单但同时也是最重要的环节，它随着器件制作工艺的各个步骤。清洗时需要特别注意的是不能对外延片表面结构造成损伤，尽量避免出现很深的划痕，否则后期会很难处理，清洗完的芯片表面应该光亮、平滑、无杂质污染。经过多次重复实验研究，我们总结出一套高效的外延片的清洗方法，光刻之前采用了水浴清洗，擦拭，在生长光学膜和金属电极之前采用酸、碱稀溶液去除表面氧化物薄膜等。实验室中我们通常使用的试剂有四氯化碳，三氯乙烯，丙酮，乙醇，烯盐酸，氨水等等。

2、减薄：采用机械减薄的方法，第一次把外延片减薄到400μm左右，以便于后面的光刻，显影，烘烤，减薄过程中要避免对外延片表面的划伤，若是出现很深的划痕，难以去除，会影响器件的性能。我们采用UNIPOL-802型精密研磨抛光机，使用白刚玉粉，在减薄过程中要反复调整抛光机的平整度，这样有利于外延片的平整性和一致性，经过减薄后的外延片平整度在±10μm的范围。

3、光刻：采用紫外接触式曝光机，将光刻板上的图形转移到外延片上，第一次光刻时要充分利用外延片有结构的部分，将光刻板的图形尽量多的刻到芯片上，光刻完后，得到清洗的图案为最好，曝光过度或者曝光不足都会对后面的第二次光刻影响很大。

4、湿法腐蚀台面：在光刻胶的保护下，使用冰醋酸，氢溴酸，重铬酸钾的混合溶液或者使用磷酸，双氧水，水的混合溶液进行湿法刻蚀，刻蚀到正好刚露出高铝层即可，以便进行湿法选择性氧化。经过实验发现第一种混合溶液腐蚀完的台面会出现“甩尾”现象，不利于氧化层对器件的电流限制和光学限制，而第二种溶液腐蚀完的台面呈现菱形台面，这是由于选择性腐蚀有关，对于小直径单管尤为明显。腐蚀完台面的外延片要进行彻底的清洗，准备湿法氧化。

5、湿法选择性氧化：在温度为420℃下，1.5L/min的N₂携带一定温度的水蒸气进行选择性湿法氧化，氧化深度由时间控制，选择合适的氧化孔径有利于减少器件的阈值，提高器件的输出功率。

6、大面积反应溅射AlN绝缘膜8：为了防止器件在焊接时短路，合适厚度的AlN至关重要，当厚度较薄时，容易存在针孔，焊接时会产生漏电流，如果AlN较厚时表面应力较大，合金时表面的欧姆接触电极易发生脱落。生长均匀致密的AlN绝缘膜有利于器件提高器件的性能，延长器件的寿命。以前我们工艺上都是采取SiO₂做钝化绝缘层，可是由于SiO₂的热导率太低，严重影响了VCSEL的散热性能，特别是高功率VCSEL的散热性能，进而会使器件效率降低，功率减小，寿命缩短。

7、P面制作金属栅格的金属层：P面采用Ti－Cr－Au结构，Ti直接与半导体表面接触，起到粘附剂作用，Cr和Au组成高低折射率的反射调制层。

8、在金属表面刻蚀出金属栅格11。刻蚀设备为等离子体直写干刻机。

9、二次减薄抛光：为了减少衬底对光的散射损耗，对外延片进行第二次减薄，厚度减到120～170μm，然后使用二氧化硅悬浮液进行抛光，平滑光亮的表面能减少器件的表面散射损耗，有利于限制扩散湿法刻蚀制作微透镜。

10、N面大面积生长SiO₂：在N面衬底上采用磁控溅射的方法制备厚度为150nm的SiO₂绝缘膜做保护层，均匀致密的SiO₂绝缘膜有利于微透镜12的制作。

11、双面对准光刻：利用双面对准光刻机在N面上制作出与P面图形对准的出光窗口，以便在出光窗口制作微透镜12。

12、限制扩散湿法刻蚀法制作微透镜：通过标准的光刻工艺，先将样品窗口表面的SiO₂去掉，然后将样品放在HBr、H₂O₂、H₂O组成的腐蚀液中，控制好腐蚀时间和腐蚀液的配比度，就可以得到不同曲率半径的微透镜12。腐蚀过程周围环境对微透镜12的表面形貌影响很大，任何的空气扰动会破环Br₂分子扩散运动，影响表面形貌的形成，因而保持周围环境稳定和温度稳定是形成完好的表面形貌的重要条件。制作的微透镜12具体参数为，曲率半径为959.9μm、焦距269.2μm，此参数的微透镜结构可以将光束发散角压缩到三分之一左右，因而此微透镜能有效的提高VCSEL的相干度。

13、N面制作电极1：在微透镜的表面利用不同类型的光刻胶制备倒梯形，然后利用DM-450A型真空镀膜机设备热蒸发Ge-Au-Ni-Au，倒梯形的好坏直接会影响出光窗口的形状，为了得到高质量的倒梯形，选择合适的光刻胶至关重要，在光刻完之后将样品放在烘箱中坚膜40分钟，就是为了保持倒梯形的完整性。

14、合金：将制作完N面电极1的外延片放在丙酮中剥离窗口的金层，使窗口露出，然后放到RTP-500快速热处理装置中在合金60秒。

15、芯片解理封装：将芯片解理，采用P面倒封装的方式焊接在无氧铜热沉上。在N面电极上利用金丝球焊机引线，封装到TO-3管壳上。

Claims

1.微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，其特征是，该阵列结构包括多个微透镜集成垂直腔面发射激光器，所述每个微透镜集成垂直腔面发射激光器由上至下为n面电极（1）、衬底（2）、缓冲层（3）、n型DBR层（4）、有源区、氧化限制层（5）、p型DBR层（9）、欧姆接触层（10）和金属栅格电极（11）；所述衬底（2）上表面中间区腐蚀成微透镜（12），衬底（2）上表面两端生长n面电极（1）；在所述有源区向下至金属栅格电极（11）两侧生长钝化层（8）。

2.根据权利要求1所述的微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，其特征在于，所述有源区具有上空间层（6-1）、下空间层（6-2）和增益介质层（7），所述上空间层（6-1）生长在n型DBR层（4）上，在上空间层（6-1）上生长增益介质层（7），在增益介质层（7）上生长下空间层（6-2）。

3.根据权利要求1所述的微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，其特征在于，所述金属栅格电极（11）由金属Au和Cr组成。

4.根据权利要求1所述的微透镜集成垂直腔面发射激光器的相干控制阵列结构，其特征在于，所述钝化层（8）材料为AlN。