CN112670829A

CN112670829A - 晶圆级vcsel激光阵列结构及制备方法

Info

Publication number: CN112670829A
Application number: CN202011565705.XA
Authority: CN
Inventors: 王智勇; 兰天; 李冲; 李颖; 代京京
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-04-16

Abstract

本发明公开了晶圆级VCSEL激光阵列结构及制备方法，属于激光器技术领域，包括晶圆级VCSEL激光芯片，晶圆级VCSEL激光芯片从下至上依次包括衬底层、缓冲层、第一反射镜、氧化层、有源层、第二反射镜以及盖层；在缓冲层上刻蚀形成发光单元阵列，且发光单元电连接；位于衬底层上的第三反射镜；位于第三反射镜上的多个相位差补偿膜；每个相位差补偿膜与发光单元阵列中相邻两个发光单元之间中心处位于同一条直线上。本发明采用一体化集成，直接将整片晶圆级VCSEL激光芯片制备成发光单元阵列，实现晶圆级VCSEL激光芯片的最大利用化，同时使得发光单元阵列满足实现Talbot效应，最终在衬底层获得同相位相干输出的VCSEL激光。

Description

晶圆级VCSEL激光阵列结构及制备方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及晶圆级VCSEL激光阵列结构及制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有小体积、出光方向垂直于衬底、易二维集成、阈值电流小、圆形对称光斑、单纵模工作、调制速率高等优异的结构特性和物理特性，相比于边发射激光器(EEL)，在精确度、小型化、紧凑型、低功耗、可靠性等方面占有明显优势。而VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现，逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。未来，随着智能化信息世界的不断发展，VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/ 云计算、自动驾驶等领域。其中，VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用，VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

随着技术的不断推进发展，各应用领域对VCSEL激光器的器件性能有了更高的应用需求，尤其是对其其输出功率和光束质量均提出了更高要求，即需要获得高亮度的VCSEL阵列激光器。因此，为了进一步提高输出功率，由此产生了VCSEL阵列激光器。但由于受到制备工艺的限制，VCSEL阵列激光器中每个VCSEL发光单元激射波长很难保证完全一致，从而无法实现各个发光单元之间的相干输出，因此VCSEL阵列激光器输出的激光光束质量一般较差。此外，VCSEL阵列激光器由于尺寸很小，而VCSEL阵列激光器会产生大量热，因此大功率VCSEL阵列激光器同时还面临着高效散热的难题。另外，为了获得更大功率输出的输出，通常会增大VCSEL阵列激光器阵列面积和发光单元数量，所需的电流也越来越大，由此供电电源也成了限制激光器输出功率的难题。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供晶圆级VCSEL激光阵列结构及制备方法。

为实现上述目的，本发明提供晶圆级VCSEL激光阵列结构，包括：

晶圆级VCSEL激光芯片，所述晶圆级VCSEL激光芯片从下至上依次包括衬底层、缓冲层、第一反射镜、氧化层、有源层、第二反射镜以及盖层；

在所述缓冲层上刻蚀形成发光单元阵列，且所述发光单元电连接；

位于所述衬底层底部的第三反射镜；以及

位于所述第三反射镜底部的多个相位差补偿膜；

其中，每个所述相位差补偿膜与所述发光单元阵列中相邻两个所述发光单元之间中心处位于同一条直线上。

优选的是，所述第一反射镜的反射率R1＜所述第三反射镜的反射率R3 ＜所述第二反射镜的反射率R2，使得所述发光单元发出的光从所述衬底层发出。

优选的是，所述衬底层不导电，且所述氧化层中设有光学窗口。

优选的是，所述发光单元阵列电连接包括并联连接或串联连接；

并联连接，在相邻所述发光单元之间的所述缓冲层上设有第二电极接触层，且在所述第二电极接触层上设有钝化层；在所述晶圆级VCSEL激光芯片上设有第一电极接触层，使得所述第一电极接触层覆盖所述发光单元阵列以及所述钝化层，使得所述发光单元之间形成并联连接；

串联连接，在相邻所述发光单元的中心处设有与所述衬底相接触的绝缘沟通层，所述绝缘沟通层到一个所述发光单元之间设有所述第二电极接触层，到另一个所述发光单元之间设有所述钝化层，在所述第二电极接触层、所述钝化层以及与所述钝化层相接触的所述发光单元的一侧和顶层设有所述第一电极接触层，使得所述发光单元之间形成串联连接。

优选的是，在所述晶圆级VCSEL激光芯片的边缘处设有与所述缓冲层相接触的环状电极接触区，在所述环状接触区对称位置处开设有与所述衬底层相接触的隔离沟道，所述隔离沟道将所述环状接触区分为第一电极接触区和第二电极接触区，使得外部电路正极电流通过所述第一电极接触区，流入所述发光单元阵列，并从所述第二电极接触区接入所述外部电路负极。

优选的是，所述发光单元阵列采用周期性排列方式，以实现Talbot效应，所述Talbot距离L为：

其中，λ为所述发光单元的发光波长；n为光传输的介质折射率；d₀为相邻两个所述发光单元中心之间的间距。

优选的是，根据分数Talbot效应，所述衬底层的厚度D₀为：

D₀＝L/N

其中，N为自然数。

优选的是，所述相位差补偿膜的长度和宽度≤相邻所述发光单元的间距。

优选的是，所述相位差补偿膜的相位为：

其中，N＝0,1,2,…。

本发明还提供一种晶圆级VCSEL激光阵列结构的制备方法，包括：

提供一晶圆级激光外延片，所述晶圆级激光外延片从下至上依次包括衬底层、缓冲层、第一反射镜、氧化层、有源层、第二反射镜以及盖层；

对所述晶圆级激光外延片进行光刻，使得所述缓冲层上形成发光单元阵列，且所述发光单元采用周期性排列，满足Talbot效应；

采用掩膜、溅射工艺，制备第一电极接触层和第二电极接触层，形成并联连接的所述发光单元；

采用掩膜、刻蚀工艺，将所述晶圆级激光外延片的边缘1～10mm的范围首先刻蚀至所述缓冲层，形成环状接触区，再采用深刻蚀技术，将所述环状接触区对称两端刻蚀至所述衬底层，形成隔离沟道，并将所述环状接触区分为第一电极接触区和第二电极接触区；

通过溅射金属工艺，将第一电极接触区与第一电极接触层相连，第二电极接触区与第二电极接触层相连，形成并联结构的发光单元阵列；

同时，在上述基础，再次利用掩膜、刻蚀、沉积、溅射工艺将并联结构的发光单元阵列制备成串联结构的发光单元阵列；

利用研磨、减薄、抛光工艺使得所述衬底层厚度为D₀，使其满足分数Talbot 效应；

采用真空镀膜方式在所述衬底层设有第三反射镜；

在所述第三反射镜表面蒸镀相位差补偿膜。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用一体化集成，直接将整片晶圆级VCSEL激光芯片制备成发光单元阵列，实现晶圆级VCSEL激光芯片的最大利用化，同时使得发光单元阵列满足实现Talbot效应，最终在衬底层获得同相位相干输出的VCSEL激光。

附图说明

图1为本发明中晶圆级VCSEL激光芯片横截面结构示意图；

图2为本发明中发光单元并联连接的结构示意图；

图3为本发明中发光单元串联连接的结构示意图；

图4为本发明中环状电极接触区俯视图；

图5为本发明中发光单元阵列实现Talbot效应的结构示意图；

图6为本发明中三种发光单元周期排布阵列俯视图。

附图标记：

1A、1B、1C、发光单元；101、衬底层；102、缓冲层；103、第一反射镜；104、有源层；105、氧化层；106、第二反射镜层；107：盖层；108、第一电极接触层；109、第二电极接触层；110、钝化层；111、第一VCSEL激光光束；112、第二VCSEL激光光束；113、第三反射镜；114：相位差补偿膜；115：光学窗口；116：绝缘沟通层；117：第一电极接触区；118：第二电极接触区；119：隔离沟道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1-6对本发明做进一步的详细描述：

参照图1，本发明提供晶圆级VCSEL激光阵列结构，包括：

晶圆级VCSEL激光芯片，晶圆级VCSEL激光芯片从下至上依次包括衬底层101、缓冲层102、第一反射镜103、氧化层105、有源层104、第二反射镜106以及盖层107；

具体地，晶圆级VCSEL激光芯片尺寸包括2英寸、3英寸、4英寸、6 英寸、8英寸等；衬底层101不导电，采用不导电材料，例如非掺杂的GaAs、 Si、SiC等。氧化层105中设有光学窗口115，用于VCSEL激光出射窗口；第一反射镜103和第二反射镜106可选用布拉格反射镜或高对比度光栅，且第一反射镜103的反射率R1为60％～99％，第二反射镜106的反射率R2为90％～99.9％，第一反射镜103的反射率R1＜第二反射镜106的反射率R2。

在缓冲层102上刻蚀形成发光单元阵列，且发光单元电连接；

具体地，发光单元适用于任意半导体材料体系，如GaAs、GaN、InP等，同时适用于任意发光波段，如紫外波段、蓝/绿光、红光波段、红外光波段等。

位于衬底层101底部的第三反射镜113；

具体地，第一反射镜103的反射率R1＜第三反射镜113的反射率R3＜第二反射镜106的反射率R2，使得发光单元发出的光从衬底层101发出。

位于第三反射镜113底部的多个相位差补偿膜114；

其中，每个相位差补偿膜114与发光单元阵列中相邻两个发光单元之间中心处位于同一条直线上。

具体地，相位差补偿膜114可选用ZrO/SiO₂等多层介质材料，补偿的相位差为：

其中，N＝0,1,2,…。

本实施例中，发光单元电连接包括并联连接或串联连接，

如图2所示为并联连接的发光单元阵列结构，在相邻发光单元之间的缓冲层102上设有第二电极接触层109，且在第二电极接触层109上设有钝化层 110；在晶圆级VCSEL激光芯片上设有第一电极接触层108，使得第一电极接触层108覆盖发光单元阵列以及钝化层110，使得发光单元之间形成并联连接；

如图3所示为串联连接的发光单元阵列结构，在相邻发光单元的中心处设有与衬底相接触的绝缘沟通层116，绝缘沟通层116到一个发光单元之间设有第二电极接触层109，到另一个发光单元之间设有钝化层110，在第二电极接触层109、钝化层110以及与钝化层110相接触的发光单元的一侧和顶层设有第一电极接触层108，使得发光单元之间形成串联连接。

参照图4，在晶圆级VCSEL激光芯片的边缘处设有与缓冲层102相接触的环状电极接触区，在环状接触区对称位置处开设有与衬底层101相接触的隔离沟道119，隔离沟道119将环状接触区分为第一电极接触区117和第二电极接触区118，使得外部电路正极电流通过第一电极接触区117，流入发光单元阵列，并从第二电极接触区118接入外部电路负极。

具体地，并联连接电流流向为：

外部电路正极电流通过第一电极接触区117，进入第一电极接触层108后，电流同时注入到发光单元，依次通过盖层107、第二反射镜106、有源层104、氧化层105、第一反射镜103、缓冲层102，后通过第二电极接触层109从第二电极接触区118接入外部电路负极，即发光单元之间形成并联连接；

串联连接电流流向为：

外部电路正极电流通过第一电极接触区117，流入一个第一电极接触层 108，后注入到与第一电极接触层108相接触的发光单元中，依次通过盖层107、第二反射镜106、有源层104、氧化层105、第一反射镜103、缓冲层102，随后经过第二电极接触层109，流入下一个第一电极接触层108，后进入相邻发光单元，依次流入每个发光单元，直至从最后第二电极接触区118接入外部电路负极，即发光单元之间形成串联连接。

参照图5，发光单元阵列采用周期性排列方式，以实现Talbot效应，Talbot 距离L为：

其中，λ为发光单元的发光波长；n为光传输的介质折射率；d₀为相邻两个发光单元中心之间的间距。

进一步地，根据分数Talbot效应，衬底层101的厚度D₀为：

D₀＝L/N

其中，N为自然数。即衬底层101的厚度D₀可以L、L/2、L/4等。

再进一步地，相位差补偿膜114的相位为：

其中，N＝0,1,2,…。

且相位差补偿膜114的长度和宽度≤相邻发光单元的间距。

参照图6，展示了三种可产生Talbot效应的周期性分布的发光单元阵列结构，分别为正方形分布(6A)、菱形分布(6B)以及正六边形分布(6C)。

在本实施例中，通过上述结构，在所述衬底层101出射具有一定的发散角θ的VCSEL激光光束，即可简化为从VCSEL发光单元1A发射出垂直与衬底层101的第一VCSEL激光光束111，以及最外侧斜入射到衬底层101的第二VCSEL激光光束112。由于Talbot效应，第一VCSEL激光光束111和第二VCSEL激光光束112之间的存在相位差。因此，通过相位差补偿膜114后，可将第一VCSEL激光光束111和第二VCSEL激光光束112之间的相位差进行补偿，最终从衬底层101背面发射出同相位且相干的VCSEL激光光束115，且该VCSEL激光光束115具有超高亮度。

提供一晶圆级激光外延片，晶圆级激光外延片从下至上依次包括衬底层 101、缓冲层102、第一反射镜103、氧化层105、有源层104、第二反射镜106 以及盖层107；

对晶圆级激光外延片进行光刻，使得缓冲层102上形成发光单元阵列，且发光单元采用周期性排列，满足Talbot效应；

采用掩膜、溅射工艺，制备第一电极接触层108和第二电极接触层109，形成并联连接的发光单元；

采用掩膜、刻蚀工艺，将晶圆级激光外延片的边缘1～10mm的范围首先刻蚀至缓冲层102，形成环状接触区，再采用深刻蚀技术，将环状接触区对称两端刻蚀至衬底层101，形成隔离沟道119，并将环状接触区分为第一电极接触区117和第二电极接触区118；

通过溅射金属工艺，将第一电极接触区117与第一电极接触层108相连，第二电极接触区118与第二电极接触层109相连，形成并联结构的发光单元阵列；

利用研磨、减薄、抛光工艺使得衬底层101厚度为D₀，使其满足分数Talbot 效应；

采用真空镀膜方式在衬底层101设有第三反射镜113；

在第三反射镜113表面蒸镀相位差补偿膜114。

在本发明中还提供一个以GaAs基VCSEL激光芯片晶圆的具体例，具体如下：

VCSEL激光芯片至下而上包括GaAs衬底层101、n型GaAs缓冲层102、 n型AlAs/GaAs第一反射镜103、Al₉₀GaAs氧化层105、InGaAs/GaAsP有源层104，输出波长λ＝940nm、p型AlAs/GaAs第二反射镜106、p型GaAs盖层107；

其中，GaAs晶圆尺寸为2英寸，n型掺杂源为Si₂H₆，掺杂浓度为 2e18/cm³～1e19/cm³，p型掺杂源为Si₂H₆，掺杂浓度为5e18/cm³～1e20/cm³；

n型AlAs/GaAs第一反射镜103的反射率R1为86％，p型AlAs/GaAs第二反射镜106的反射率R2为99.7％。Al₉₀GaAs氧化层105中的光学窗口115 大小为2μm～100μm；

发光单元阵列排布方式为正方形排布，相邻发光单元之间的中心距d₀设置为40μm。

第一电极接触层108采用的合金材料为Ti/Au/Ge，厚度为10nm、50nm 或30nm，第二电极接触层109采用的合金材料为Au/Ge/Ni，厚度为30nm、 20nm或50nm；第一电极接触层108与第一电极接触区117连接，并接入外部电路正极；第二电极接触层109与第二电极接触区118连接，并接入外部电路负极；所有发光单元采用并联方式相互连通。

利用公式

计算得到Talbot距离L≈1031.6μm，由此，可使用分数 Talbot距离D₀＝L/2。因此，采用研磨、减薄、抛光技术将衬底层101厚度减小至257.9nm。

最后，在衬底层101上蒸镀第三反射镜113，所用材料为ZnSe或CaF₂，反射率R3＝95％，并在相邻发光单元间距中心对应的衬底层101位置蒸镀相位差补偿膜114，所有采用为ZrO或SiO₂材料，可补偿的相位差为Δφ＝π。激射稳定后，即可得到同相位相干输出的高亮度VCSEL激光，输出波长为940nm。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，包括：

在所述缓冲层上刻蚀形成发光单元阵列，且所述发光单元之间电连接；

位于所述衬底层底部的第三反射镜；以及

位于所述第三反射镜底部的多个相位差补偿膜；

2.如权利要求1所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，所述第一反射镜的反射率R1＜所述第三反射镜的反射率R3＜所述第二反射镜的反射率R2，使得所述发光单元发出的光从所述衬底层发出。

3.如权利要求1所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，所述衬底层不导电，且所述氧化层中设有光学窗口。

4.如权利要求1所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，所述发光单元阵列电连接包括并联连接或串联连接；

5.如权利要求4所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，在所述晶圆级VCSEL激光芯片的边缘处设有与所述缓冲层相接触的环状电极接触区，在所述环状接触区对称位置处开设有与所述衬底层相接触的隔离沟道，所述隔离沟道将所述环状接触区分为第一电极接触区和第二电极接触区，使得外部电路正极电流通过所述第一电极接触区，流入所述发光单元阵列，并从所述第二电极接触区接入所述外部电路负极。

6.如权利要求1所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，所述发光单元阵列采用周期性排列方式，以实现Talbot效应，所述Talbot距离L为：

7.如权利要求6所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，根据分数Talbot效应，所述衬底层的厚度D₀为：

D₀＝L/N

其中，N为自然数。

8.如权利要求1所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，所述相位差补偿膜的长度和宽度≤相邻所述发光单元的间距。

9.如权利要求1所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构，其特征在于，所述相位差补偿膜的相位为：

其中，N＝0,1,2,…。

10.如权利要求1-9中任一项所述的晶圆级VCSEL激光阵列结构的制备方法，其特征在于，包括：

利用研磨、减薄、抛光工艺使得所述衬底层厚度为D₀，使其满足分数Talbot效应；

采用真空镀膜方式在所述衬底层设有第三反射镜；

在所述第三反射镜表面蒸镀相位差补偿膜。