CN106654857A - 一种高光束质量大规模vcsel同相耦合阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，属于半导体激光器技术领域，该阵列为一种带网格电极的高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，采用质子注入法实现出光单元间的电隔离。器件工作时，使得出光孔区域的有效折射率低于间隔区域的有效折射率，形成特殊的反波导结构。而间隔区域的网格电极进一步加大了反波导的折射率台阶，使得同相耦合的难度降低。通过适当的调节质子注入的深度d和单元间距，使得阵列满足同相激射的条件，便能够实现同相耦合阵列。本发明通过合理设计阵列单元间距和质子注入深度d，可以得到同相激光输出，提高了阵列的光束质量，可以应用于自由空间光互联、激光雷达、激光打印、光纤通信、光泵浦等领域。

Description

一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种工艺简单、低成本的高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列。
背景技术
高光束质量大功率垂直腔面发射激光器阵列在泵浦、激光打印、自由空间光通信、高密度光存储等领域具有广泛的应用。同相耦合阵列不仅可以实现单模激射，而且能够获得近衍射极限的高光束质量，远场中心光强具有极大值，在光纤耦合等应用具有更大的优势。然而当阵列规模增大到一定程度时，需要采用网格电极来实现电流的均匀注入。但电极的引入使得阵列往往处于反相激射，远场中心为暗斑，通常认为这是由于阵列处于倏逝波耦合。反波导中的泄露模耦合更容易实现同相激射并具有更好的稳定性。虽然利用腔诱导反波导结构能够实现同相耦合VCSEL阵列，然而腔诱导反波导结构需要二次外延等复杂制备工艺，成本十分昂贵。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于质子注入法的低成本、工艺简单、带网格电极的高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，即使采用网格电极，仍可以使VCSEL阵列获得高光束质量大功率的同相耦合输出。这种阵列在载流子浓度、温度及网格电极的共同作用下，也能形成特殊的反波导结构，使阵列耦合方式为泄露模耦合，更容易实现同相激射。器件的俯视图及结构图分别如图1和图2所示。采用多次质子注入实现出光单元间的电隔离，由于质子注入区为绝缘区，因此载流子浓度近乎为零；而出光孔载流子浓度较高。因此，器件工作时，在不对称的载流子浓度分布以及器件内部温度分布的影响下，会使得出光孔区域的有效折射率低于间隔区域的有效折射率，形成特殊的反波导结构。而间隔区域的网格电极进一步加大了反波导的折射率台阶，使得同相耦合的难度降低。通过适当的调节质子注入的深度d和单元间距，使得阵列满足同相激射的条件，便能够实现同相耦合阵列。大大提高了阵列的光束质量，可以应用于自由空间光互联、激光雷达、激光打印、光纤通信、光泵浦等领域。
如图2所示，VCSEL同相耦合阵列包括背面AuGeNi/Au电极(1)、N型GaAs衬底(2)、N型Al(0.12-0.9)GaAs/Al0.9GaAs交替生长的下DBR(3)、上下限制层(4)、量子阱有源区(5)、P型Al0.12GaAs/Al(0.9-0.12)GaAs交替生长的上DBR(6)、P型接触层(7)、质子注入区(8)、外部边框大电极(9)、内部网格电极(10)、纳米薄金层(11)；外部边框大电极(9)为顶部Ti/Au外电极；如图2所示，该器件从下到上依次为背面AuGeNi/Au电极(1)、N型GaAs衬底(2)、34对N型Al(0.12-0.9)GaAs/Al0.9GaAs交替生长的下DBR(3)、上下限制层(4)、量子阱有源区(5)、22.5对P型Al0.12GaAs/Al(0.9-0.12)GaAs交替生长的上DBR(6)、P型接触层(7)、质子注入区(8)、外部边框大电极(9)、内部网格电极(10)、纳米薄金层(11)。
所述VCSEL同相耦合阵列的出光单元间距为3μm～9μm，单元出光孔径为4μm～7μm。
所述VCSEL同相耦合阵列的质子注入区域上方的SiO2质子注入掩膜厚度为500nm～900nm。
所述VCSEL同相耦合阵列为质子注入型阵列，第一次注入能量为315keV，第二次注入能量为250keV，两次注入H+剂量均为1E15cm-2。
所述VCSEL同相耦合阵列，可以通过改变质子注入区域上方的SiO2质子注入掩膜厚度来调节质子浓度峰值的位置。
所述VCSEL同相耦合阵列，注入的质子浓度峰值的位置距离表面为2.2μm～2.8μm。
所述VCSEL同相耦合阵列的网格电极，其外部边框大电极宽度为10μm-30μm，内部网格电极宽度为2μm-6μm。
所述VCSEL同相耦合阵列的网格电极，其外部边框大电极与内部网格电极相连。
所述VCSEL同相耦合阵列的网格电极，其外部边框大电极与阵列单元间距为1μm-3μm，网格电极与单元间距为0.5μm-3μm；
本发明所带来的有益效果如下：
采用质子注入法实现出光单元间的电隔离，结合网格电极及纳米薄金层提供均匀的电流注入，在载流子浓度、温度分布以及网格电极的影响下形成独特的反波导结构，通过适当的调节质子注入的深度，使得阵列满足同相激射的条件，便能够得到高光束质量的同相耦合阵列。该种方法成本低、工艺简单，易于推广和应用。
附图说明
图1：本发明提出的阵列俯视图；
图2：本发明提出的高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列示意图；
图3：采用MOCVD外延生长得到的外延片结构示意图；
图4：外延片表面生长二氧化硅示意图；
图5：溅射并剥离镍后的结构示意图；
图6：ICP刻蚀出的掩膜示意图；
图7：质子注入后的结构示意图；
图8：湿法腐蚀二氧化硅后的结构示意图；
图9：溅射并剥离后的顶部金属外电极结构示意图；
图10：光刻并溅射制备的网格电极结构示意图；
图11：溅射纳米薄金层后的结构示意图；
图12：衬底减薄并溅射背面电极后的结构示意图；
图中：1、背面AuGeNi/Au电极，2、N型GaAs衬底，3、34对N型Al(0.12-0.9)GaAs/Al0.9GaAs交替生长的下DBR，4、上下限制层，5、量子阱有源区，6、22.5对P型Al0.12GaAs/Al(0.9-0.12)GaAs交替生长的上DBR，7、P型接触层，8、质子注入区，9、外部边框大电极，10、内部网格电极，11、纳米薄金层，12、二氧化硅层，13、溅射的金属镍。
具体实施方式
下面结合图4-图12分别介绍高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列的制备方法的具体实施方式；
步骤1、采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)在N-GaAs上依次外延生长三十四对n-Al(0.12-0.9)GaAs与n-Al0.9GaAs构成DBR反射镜，Al(0.12-0.9)GaAs/Al0.9GaAs下限制层，三对Al0.3GaAs/GaAs量子阱结构有源区，Al0.9GaAs/Al(0.12-0.9)GaAs上限制层，22.5对p-Al0.12GaAs与p-Al(0.9-0.12)GaAs构成DBR反射镜，p-Al0.12GaAs与p-GaAs重掺杂接触层；
步骤2、利用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)在上述得到的外延片表面生长一层3.2μm的二氧化硅；
步骤3、利用反转胶做光刻和溅射工艺在出光孔上方二氧化硅溅射一层的金属镍，用丙酮结合超声剥离掉除出光孔外其他区域的镍；
步骤4、利用感应耦合等离子体刻蚀方法(ICP)刻蚀除出光孔外其他区域的二氧化硅，刻蚀厚度为2.4μm，余下0.8μm防止质子注入时产生沟道效应和控制质子注入深度，从而完成质子注入掩膜的制作；
步骤5、利用质子注入法在上述得到的片子中进行H+注入，第一次注入能量为315keV，第二次注入能量为250keV，两次注入剂量均为1E15cm-2；
步骤6、利用光刻胶保护对版标记，用湿法腐蚀法去除二氧化硅；
步骤7、利用反转胶做光刻和溅射工艺在注入区正上方表面溅射 的Ti/Au外部边框大电极，用丙酮结合超声剥离掉出光孔区域的金属；
步骤8、利用光刻和溅射工艺溅射制备内部Ti/Au网格电极，对应厚度为
步骤9、利用溅射工艺溅射6nm的纳米薄金层；
步骤9、使用磨片机将衬底磨薄到100μm左右，溅射的AuGeNi/Au背面电极；
步骤10、利用快速热退火使片子形成良好的欧姆接触；
步骤11、解理，压焊，封装；
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和构思的前提下作出的任何修改、替换和改进等，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：采用质子注入法实现出光单元间的电隔离，结合网格电极及纳米薄金层提供均匀的电流注入；在载流子浓度、温度分布以及网格电极的影响下形成独特的反波导结构，通过适当的调节质子注入的深度，使得阵列满足同相激射的条件，便能够得到高光束质量的同相耦合阵列；
VCSEL同相耦合阵列包括背面AuGeNi/Au电极(1)、N型GaAs衬底(2)、N型Al(0.12-0.9)GaAs/Al0.9GaAs交替生长的下DBR(3)、上下限制层(4)、量子阱有源区(5)、P型Al0.12GaAs/Al(0.9-0.12)GaAs交替生长的上DBR(6)、P型接触层(7)、质子注入区(8)、外部边框大电极(9)、内部网格电极(10)、纳米薄金层(11)；外部边框大电极(9)为顶部Ti/Au外电极；该器件从下到上依次为背面AuGeNi/Au电极(1)、N型GaAs衬底(2)、34对N型Al(0.12-0.9)GaAs/Al0.9GaAs交替生长的下DBR(3)、上下限制层(4)、量子阱有源区(5)、22.5对P型Al0.12GaAs/Al(0.9-0.12)GaAs交替生长的上DBR(6)、P型接触层(7)、质子注入区(8)、外部边框大电极(9)、内部网格电极(10)、纳米薄金层(11)。
2.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：VCSEL同相耦合阵列的出光单元间距为3μm～9μm，单元出光孔径为4μm～7μm。
3.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列的质子注入区域上方的SiO2质子注入掩膜厚度为500nm～900nm。
4.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列为质子注入型阵列，第一次注入能量为315keV，第二次注入能量为250keV，两次注入H+剂量均为1E15cm-2。
5.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列，通过改变质子注入区域上方的SiO2质子注入掩膜厚度来调节质子浓度峰值的位置。
6.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列，注入的质子浓度峰值的位置距离表面为2.2μm～2.8μm。
7.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列的网格电极，其外部边框大电极宽度为10μm-30μm，内部网格电极宽度为2μm-6μm。
8.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列的网格电极，其外部边框大电极与内部网格电极相连。
9.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：所述VCSEL同相耦合阵列的网格电极，其外部边框大电极与阵列单元间距为1μm-3μm，网格电极与单元间距为0.5μm-3μm。
10.根据权利要求1所述的一种高光束质量大规模VCSEL同相耦合阵列，其特征在于：利用外延生长得到的外延片为一次外延得到。
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