CN115189227A - 一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器及制备方法 - Google Patents

一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，该半导体激光器结构包括：导电衬底和形成于导电衬底上的外延层，外延层表面设置一维阵列种子区、无损耗激光传输波导和相位光栅层。该半导体激光器通过刻蚀周期性排布的阵列单元，形成相干阵半导体激光器内腔即种子区，再通过刻蚀无损耗激光传输波导形成相干阵半导体激光器外腔，进而建立起一种单片集成型复合光腔结构。该半导体激光器引入相位光栅层，改变相干阵半导体激光器非同相模的相位，使其与同相模相位一致，进而获得边发射半导体激光器在慢轴方向孔径完全装填的相干阵列激光输出。本发明公开的该半导体激光器的制备方法具有简单易实施的优点。

Description

一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器及制备方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、寿命长、效率高、可靠性高、易调谐等优点，其应用在光纤耦合、光纤激光器的种子源、激光加工、通信系统等领域。为了提高半导体激光器的输出功率，通常采用阵列半导体激光器结构，但阵列半导体激光器结构慢轴方向光束质量差，限制其在应用上的广泛性。
为改善阵列半导体激光器慢轴方向的光束质量，研究学者们提出了各种方法，如采用倏逝波、漏波、Y型耦合等器件结构实现阵列半导体激光器锁相。由于这些方法只针对于阵列单元个数少的边发射阵列半导体激光器可行，因此往往无法获得器件高功率输出。如若增加阵列单元个数，则需要依靠复杂的外腔光学系统得以实现，然而这又增加了阵列半导体激光器系统的复杂性、体积以及成本。如何提供一种结构简单、体积小、成本低和高光束质量的阵列半导体激光器是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器及制备方法，相干阵半导体激光器是指沿平行于p-n结方向半导体激光巴条中各个阵列单元进行相干的半导体激光器。此方法解决了现有大规模外腔阵列半导体激光器件高复杂性、大体积、高成本以及锁相效果差以及光束质量差的缺点，实现了结构简单、体积小、成本低、高光束质量以及孔径完全装填输出的相干阵半导体激光器。
本发明公开了一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，包括导电衬底以及导电衬底上的外延层，在外延层表面设置一维阵列种子区和无损耗激光传输波导，在一维阵列种子区和无损耗激光传输波导上面依次设置第一光学波导层和第二光学波导层，在第二光学波导层上面刻蚀相位光栅层，相位光栅层位于远离一维阵列种子区的位置，在第二光学波导层和相位光栅层上面依次设置第三光学波导层和P面电极，在导电衬底的下面设置N面电极，在靠近相位光栅层的端面蒸镀增透膜，在靠近一维阵列种子区的端面蒸镀高反膜。
作为本发明进一步地改进，导电衬底的材料选自：硅、砷化镓、氮化镓或碳化硅。
作为本发明进一步地改进，外延层的结构依次为：N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层、P型限制层以及高掺层，且N型波导层的厚度比P型波导层厚。
作为本发明进一步地改进，一维阵列种子区为一维阵列波导，一维阵列波导的尺寸参数为：长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm。
作为本发明进一步地改进，一维阵列波导选自：窄脊波导、表面DBR脊型波导或者表面DFB脊型波导。
作为本发明进一步地改进，无损耗激光传输波导尺寸由Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ根据实际需要进行计算得到，其中，ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长。
作为本发明进一步地改进，第一光学波导层的折射率与第三光学波导层相同，第一、第三光学波导层的折射率小于第二光学波导层的折射率。
作为本发明进一步地改进，P面电极采用金、铂、钛金属材料，N面电极采用金、锗、镍金属材料。
作为本发明进一步地改进，相位光栅层的尺寸参数为：刻蚀深度为0.7μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为1.5μm～4μm。
本发明还提供一种上述相干阵半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、选取一种导电衬底；
步骤二、在导电衬底上，采用金属有机化合物气相沉积法或分子束外延的方法生长外延层，的外延层内自下而上分别设置N型AlGaAs限制层、N型AlGaAs波导层、InGaAs/GaAsP单量子阱有源区、P型AlGaAs波导层、P型AlGaAs限制层以及GaAs高掺层；
步骤三、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在外延层表面得到一维阵列种子区图形，再利用电感耦合等离子体的方法刻蚀一维阵列种子区图形，得到一维阵列种子区；
步骤四、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在外延层表面靠近一维阵列种子区的位置得到无损耗激光传输波导图形，再利用电感耦合等离子体的方法刻蚀无损耗激光传输波导图形，得到无损耗激光传输波导；
步骤五、清洗外延层，利用等离子体增强化学气相沉积法在外延层的最上面依次沉积第一光学波导层与第二光学波导层；
步骤六、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在第二光学波导层表面远离一维阵列种子区的位置得到相位光栅层结构图形，再利用反应离子刻蚀的方法刻蚀相位光栅层图形，得到相位光栅层，并填充光学材料形成第三光学波导层；
步骤七、减薄、抛光一维阵列种子区表面的第一、第二和第三光学波导层；
步骤八、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在一维阵列种子区表面得到电极窗口图形，再利用反应离子刻蚀的方法刻蚀电极窗口图形，显露出GaAs高掺层；
步骤九、清洗外延层，采用磁控溅射的方法在外延层的最上面溅射P面电极；
步骤十、减薄、抛光导电衬底；
步骤十一、清洗外延层，采用磁控溅射的方法在导电衬底的下面溅射N面电极；
步骤十二、利用合金退火机对芯片进行合金退火处理；
步骤十三、利用解理机解理阵列巴条；
步骤十四、利用电子束蒸镀的方法，在靠近相位光栅层的端面蒸镀增透膜，在靠近一维阵列种子区的端面蒸镀高反膜；
步骤十五、采用倒装焊方式，将阵列巴条P面向下封装在具有焊料的铜热沉上，并进行器件性能测试。
作为本发明进一步地改进，步骤一中导电衬底的材料选自：硅、砷化镓、氮化镓或碳化硅。
作为本发明进一步地改进，步骤二中N型波导层的厚度比P型波导层厚，属于“P薄N厚”型非对称结构。
作为本发明进一步地改进，步骤三中一维阵列种子区为一维阵列波导，一维阵列波导的尺寸参数为：长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm。
作为本发明进一步地改进，步骤三中一维阵列波导选自：窄脊波导、表面DBR脊型波导或者表面DFB脊型波导。
作为本发明进一步地改进，当一维阵列波导为表面DBR脊型波导时，DBR光栅的尺寸参数基于布拉格条件mλ＝2nd计算得到(其中，m为光栅的阶数、λ为自由空间光波长、n为光栅折射率、d为光栅周期)。具体地，DBR光栅的尺寸参数为：一阶光栅周期为0.1μm～0.5μm，占空比为30％～70％，刻蚀深度为0.2μm～0.7μm。
作为本发明进一步地改进，当一维阵列波导为表面DFB脊型波导时，DFB光栅的尺寸参数基于布拉格条件mλ＝2nd计算得到(其中，m为光栅的阶数、λ为自由空间光波长、n为光栅折射率、d为光栅周期)。具体地，DFB光栅的尺寸参数为：一阶光栅周期为0.1μm～0.4μm，占空比为40％～60％，刻蚀深度为0.3μm～0.6μm。
作为本发明进一步地改进，步骤四中无损耗激光传输波导尺寸由Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ根据实际需要进行计算得到，其中，ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长。
作为本发明进一步地改进，步骤五和六中第一光学波导层的折射率与第三光学波导层相同，第一、第三光学波导层的折射率小于第二光学波导层的折射率。具体地，第一、第三波导层的材料均选自：SiO2或Ta2O5，第二波导层的材料选自：Si3N或TiO2。
作为本发明进一步地改进，步骤六中相位光栅层的尺寸参数为：刻蚀深度为0.7μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为1.5μm～4μm。
作为本发明进一步地改进，步骤九中P面电极采用金、铂、钛金属材料。
作为本发明进一步地改进，步骤十一中N面电极采用金、锗、镍金属材料。
与现有技术相比，本发明公开的一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器通过刻蚀周期性排布的阵列单元，形成相干阵半导体激光器内腔即种子区，刻蚀无损耗激光传输波导形成相干阵半导体激光器外腔，进而建立起一种单片集成型复合光腔结构，与传统外腔半导体激光器结构相比，减小了激光结构的复杂性，引入相位光栅层，改变相干阵半导体激光器非同相模的相位，使其与同相模相位一致，进而获得边发射半导体激光器在慢轴方向孔径完全装填的相干阵列激光输出。本发明公开的孔径完全装填输出相干阵半导体激光器有利于实现快慢轴方向光束质量相同的高功率高亮度高光束质量的边发射半导体激光输出。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的孔径完全装填输出相干阵半导体激光器的结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的孔径完全装填输出相干阵半导体激光器出光面结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的孔径完全装填输出相干阵半导体激光器前腔面结构示意图；
图4为本发明一种实施例公开的孔径完全装填输出相干阵脊型波导半导体激光器俯视图；
图5为本发明一种实施例公开的孔径完全装填输出相干阵DBR脊型波导半导体激光器俯视图；
图6为本发明一种实施例公开的孔径完全装填输出相干阵DFB脊型波导半导体激光器俯视图。
图中：
1：N面电极；2：导电衬底；3：N型限制层；4：N型波导层；5：有源区；6：P型波导层；7：P型限制层；8：高掺杂层；9：电绝缘层；10：P面电极；11：脊型波导；12：无损耗激光传输波导；13：相位光栅层；14：高反膜；15：增透膜；16：DBR脊型波导；17：DFB脊型波导。
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“上”、“下”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”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一、一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器
如图1所示，本发明提供一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，包括导电衬底2，导电衬底2的材料可根据实际需要从硅、砷化镓、氮化镓和碳化硅中进行选择。如图2所示，在导电衬底2上的外延层(3-8)，外延层(3-8)的结构依次为：N型限制层3、N型波导层4、有源区5、P型波导层6、P型限制层7以及高掺层8，且N型波导层4的厚度比P型波导层6厚。如图4所示，在外延层(3-8)表面设置一维阵列种子区和无损耗激光传输波导12，一维阵列种子区为一维阵列波导，一维阵列波导可以选择如图4所示的窄脊波导11，也可以选择如图5所示的表面DBR脊型波导16，还可以选择如图6所示的表面DFB脊型波导17。当一维阵列波导为表面DBR脊型波导16时，则需要基于布拉格条件mλ＝2nd(m为光栅的阶数、λ为自由空间光波长、n为光栅折射率、d为光栅周期)，计算得到一阶DBR光栅周期为0.1μm～0.5μm，占空比为30％～70％，刻蚀深度为0.2μm～0.7μm。当一维阵列波导为表面DFB脊型波导17时，则需要基于布拉格条件mλ＝2nd(m为光栅的阶数、λ为自由空间光波长、n为光栅折射率、d为光栅周期)，计算得到一阶DFB光栅周期计算得到一阶光栅周期为0.1μm～0.4μm，占空比为40％～60％，刻蚀深度为0.3μm～0.6μm。一维阵列波导的尺寸参数为：长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm。另外，无损耗激光传输波导12的尺寸由Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ根据实际需要进行计算得到，其中，ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长。在一维阵列种子区和无损耗激光传输波导12上面依次设置第一光学波导层和第二光学波导层，在第二光学波导层上面刻蚀相位光栅层13，相位光栅层13位于靠近无损耗激光传输波导12且远离一维阵列种子区的位置，相位光栅层的尺寸参数为：刻蚀深度为0.7μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为1.5μm～4μm。如图3所示，在第二光学波导层和相位光栅层13上面依次设置第三光学波导层和P面电极10，在导电衬底2的下面设置N面电极1。第一光学波导层的折射率与第三光学波导层相同，第一、第三光学波导层的折射率小于第二光学波导层的折射率，并且，P面电极采用金、铂、钛金属材料，N面电极采用金、锗、镍金属材料。如图4所示，在靠近相位光栅层13的端面蒸镀增透膜15，在靠近一维阵列种子区的端面蒸镀高反膜14。
孔径完全装填输出相干阵半导体激光器的工作原理：
光子在相干阵半导体激光器内腔即种子区内震荡放大形成激光出射，在无损耗波导层即外腔中传输，基于Talbot效应在分数阶Talbot距离处刻蚀光栅相位层，通过改变相干阵半导体激光器非同相模的相位即近场光斑表现为暗斑，使其与同相模相位一致即近场光斑表现为亮斑，进而获得边发射半导体激光器在慢轴方向孔径完全装填的相干阵列激光输出。
实施例二、制备一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器
步骤一、选取材料为GaAs的导电衬底2。
步骤二、在导电衬底2上，采用金属有机化合物气相沉积法生长外延层(3-8)。外延层3为N型掺杂的限制层，采用铝组分为0.3的Al0.3Ga0.7As材料，厚度为1μm～1.5μm。外延层4为N型掺杂的波导层，采用铝组分为0.2的Al0.2Ga0.8As材料，厚度为0.8μm～1μm。外延层5为有源区，采用单量子阱结构，其中量子阱为铟组分为0.15的In0.15Ga0.85As材料，厚度为0.008μm～0.010μm，量子垒为镓组分为0.17的Ga0.17As0.83P材料，厚度为0.010μm～0.015μm。外延层6为P型掺杂的波导层，采用铝组分为0.2的Al0.2Ga0.8As材料，厚度为0.5μm～0.7μm。外延层7为P型掺杂的限制层，采用铝组分为0.35的Al0.35Ga0.65As材料，厚度为1μm～1.5μm。为了使P面电极10与外延层(3-8)结构之间形成良好的欧姆接触，在外延层7上方生长了外延层8，其为高掺杂层，采用GaAs材料，厚度为0.2μm～0.3μm。
步骤三、严格清洗外延层，首先使用丙酮溶液，用以清除外延层表面的污染物。其次使用无水乙醇溶液，用以清理外延层表面的丙酮溶液。最后使用去离子水进行冲洗外延层表面的无水乙醇溶液。此过程多次重复直至外延层表面无污染物。若外延层表面存在难以清除的污染物，可利用打胶机进行清洗，所使用的气体为氮气(N2)与氧气(O2)，气体流量均为200sccm～300sccm，功率为200W～300W，时间为2min～3min。严格清洗外延片后，使用氮气枪将外延层表面水分吹干，在甩胶之前还需要增加光刻胶与外延层之间的粘附性，防止后续的光刻显影环节出现“裂纹”甚至是漂胶等问题。所以，在使用正性光刻胶做掩膜时，甩胶后需要对外延层进行前烘处理，将表面附有正性光刻胶的外延层放置在95℃的加热板上，前烘时间为20min～30min，用以去除光刻胶表面的挥发性物质，防止后续光刻显影时出现图形“断裂”、“弯曲”以及“飘移”等问题。
然后，进行第一次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，如图4所示，将光刻板上的图形转移到外延片表面，显影后在外延层表面获得若干个具有光刻胶覆盖的窄脊波导11图形，在刻蚀窄脊波导11图形之前需要对外延层进行后烘处理，将曝光显影后的外延层放置在120℃的加热板上，后烘时间为30min～35min，此步骤可以更精确的控制图形形貌以及增加光刻胶的抗刻蚀能力。接着，使用常规的电感耦合等离子体(ICP)的方法刻蚀窄脊波导11图形，在刻蚀实验之前，需要将反应室抽真空，再通入反应气体(反应气体及流量为：Cl2流量为20sccm～25sccm、BCl3流量为5sccm～10sccm、Ar流量为5sccm～10sccm)，ICP功率为300W～400W，RF功率为50W～100W，刻蚀时间50s～60s，获得了长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm的脊型波导11。
步骤四、基于Talbot腔理论，通过计算Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ(ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长)计算实际需要的无损耗激光传输波导12的尺寸参数。按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第二次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，采用ICP的刻蚀方法且选择在靠近脊型波导11的位置处，获得了长度为50μm～500μm，宽度为1mm～10mm，深度为2.5μm～3μm的无损耗激光传输波导12。
步骤五、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积低折射率材料SiO2形成第一光学波导层，沉积前需要将反应室抽真空，工作温度升至200℃，再通入反应气体(反应气体及流量为：SiH4流量为50sccm～60sccm、N2O流量为20sccm～30sccm)，RF功率为150W～200W，沉积时间40min～42min，得到厚度为1μm～1.5μm的SiO2的第一光学波导层。再次采用PECVD的方法沉积高折射率材料Si3N4形成第二光学波导层，沉积前需要将反应室抽真空，工作温度升至200℃，通入的反应气体(反应气体及流量为：SiH4流量为30sccm～40sccm、N2流量为10sccm～20sccm)，RF功率为150W～200W，沉积时间45min～50min，得到厚度为1μm～1.5μm的Si3N4第二光学波导层。
步骤六、基于Talbot效应以及光程差与相位变化关系，计算得到了相位光栅层13尺寸参数。按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第三次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，采用反应离子刻蚀(RIE)的方法在靠近无损耗激光传输波导12且远离脊型波导11的位置处获得相位光栅层13，刻蚀高折射率材料Si3N4前需要将反应室抽真空，通入SF6流量为40sccm～50sccm，O2流量为30sccm～40sccm，射频功率200W～250W，获得了刻蚀深度为0.7μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为2μm～3μm的相位光栅层13，并采用PECVD的方法对外延层表面沉积低折射率材料SiO2形成第三光学波导层，厚度为1μm～1.5μm。
步骤七、为增加器件的散热能力，需要使用减薄机对阵列的窄脊波导11表面的SiO2/Si3N4/SiO2材料进行减薄至300nm～350nm，为保证磁控溅射P面电极10溅射质量，使用抛光机对SiO2材料表面进行抛光，抛光后剩余SiO2厚度为200nm～300nm，形成电绝缘层9。
步骤八、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第四次紫外曝光显影，开电极窗口，使用负胶做掩膜，显影后窄脊波导11中心电极窗口图形因为无光刻胶，使GaAs高掺杂层8显露出来。
步骤九、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，在外延层表面的最上层采用磁控溅射的方法溅射P面电极10，使用的金属材料以及厚度分别为：Ti金属为20nm～30nm、Pt金属20nm～30nm、Au金属130nm～150nm。
步骤十、为减小器件串联电阻，导电衬底2需要减薄140μm～150μm。为保证磁控溅射N面电极1质量，在溅射N面电极1之前还需要对导电衬底2进行抛光处理，抛光后的导电衬底2厚度为120μm～140μm。
步骤十一、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，在导电衬底2的下部采用磁控溅射的方法溅射N面电极1，使用的金属材料以及厚度分别为：Au金属280nm～300nm、Ge金属90nm～100nm、Ni金属5nm～10nm。
步骤十二、为降低外延层与金属电极之间的残余应力、减少其变形与裂纹倾向，使外延层的P面电极10与N面电极1能够形成更好的欧姆接触。还需要使用合金退火机对芯片进行合金退火处理，合金温度为400℃～420℃，并在合金退火过程中通入气体流量为20psi～25psi的N2。
步骤十三、利用解理机解理孔径完全装填输出相干阵半导体激光器阵列巴条。
步骤十四、利用电子束蒸镀的方法，在阵列巴条靠近相位光栅层13的端面蒸镀增透膜15，在阵列巴条靠近窄脊波导11的端面蒸镀高反膜14。通过电子束蒸镀的方法，在相干阵半导体激光器前后腔面蒸镀交替生长的SiO2/Ta2O5介质膜，使其前腔面反射率达到3％～4％，后腔面反射率达到97％～99％。
步骤十五、采用倒装焊方式，将阵列巴条P面向下封装在具有焊料的铜热沉上，并进行器件性能测试。
实施例三、制备一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器
步骤一、选取材料为GaAs的导电衬底2。
步骤二、在导电衬底2上，采用金属有机化合物气相沉积法生长外延层(3-8)。外延层3为N型Al0.28Ga0.72As限制层，厚度为1.2μm～1.5μm。外延层4为N型Al0.2Ga0.8As波导层，厚度为0.7μm～1μm。外延层5为有源区，采用单量子阱结构，其中量子阱为铟组分为0.15的In0.15Ga0.85As材料，厚度为0.008μm～0.010μm，量子垒为镓组分为0.17的Ga0.17As0.83P材料，厚度为0.010μm～0.015μm。外延层6为P型Al0.2Ga0.8As波导层，厚度为0.5μm～0.8μm。外延层7为P型Al0.35Ga0.65As限制层，厚度为1.2μm～1.5μm。为了使P面电极与外延层(3-8)结构之间形成良好的欧姆接触，在P型限制层7上方生长了外延层8，其为高掺杂层，采用GaAs材料，厚度为0.2μm～0.4μm。
步骤三、严格清洗外延层，首先使用丙酮溶液，用以清除外延层表面的污染物。其次使用无水乙醇溶液，用以清理外延层表面的丙酮溶液。最后使用去离子水进行冲洗外延层表面的无水乙醇溶液。此过程多次重复直至外延层表面无污染物。若外延层表面存在难以清除的污染物，可利用打胶机进行清洗，所使用的气体为氮气(N2)与氧气(O2)，气体流量均为200sccm～300sccm，功率为200W～300W，时间为2min～3min。严格清洗外延片后，使用氮气枪将外延层表面水分吹干，在甩胶之前还需要增加光刻胶与外延层之间的粘附性，防止后续的光刻显影环节出现“裂纹”甚至是漂胶等问题。所以，在使用正性光刻胶做掩膜时，甩胶后需要对外延层进行前烘处理，将表面附有正性光刻胶的外延层放置在95℃的加热板上，前烘时间为20min～30min，用以去除光刻胶表面的挥发性物质，防止后续光刻显影时出现图形“断裂”、“弯曲”以及“飘移”等问题。
然后，进行第一次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，如图5所示，将光刻板上的图形转移到外延片表面，显影后在外延层表面获得若干个具有光刻胶覆盖的DBR脊型波导16图形，在刻蚀DBR脊型波导16图形之前需要对外延层进行后烘处理，将曝光显影后的外延层放置在120℃的加热板上，后烘时间为30min～35min，此步骤可以更精确的控制图形形貌以及增加光刻胶的抗刻蚀能力。接着，使用常规的电感耦合等离子体(ICP)的方法刻蚀DBR脊型波导16图形，在刻蚀实验之前，需要将反应室抽真空，再通入反应气体(反应气体及流量为：Cl2流量为20sccm～25sccm、BCl3流量为5sccm～10sccm、Ar流量为5sccm～10sccm)，ICP功率为300W～400W，RF功率为50W～100W，刻蚀时间50s～60s，获得了长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm的DBR脊型波导16。
最后，通过电子束曝光方法在DBR脊型波导16表面得到DBR光栅图形，使用ICP方法刻蚀表面DBR光栅，基于布拉格条件mλ＝2nd(m为光栅的阶数、λ为自由空间光波长、n为光栅折射率、d为光栅周期)，计算得到一阶光栅周期为0.1μm～0.5μm，占空比为30％～70％，刻蚀深度为0.2μm～0.7μm。
步骤四、基于Talbot腔理论，通过计算Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ(ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长)计算实际需要的无损耗激光传输波导12的尺寸参数。按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第二次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，采用ICP的刻蚀方法且选择在靠近DBR脊型波导16的位置处，获得了长度为60μm～600μm，宽度为2mm～10mm，深度为2μm～3μm的无损耗激光传输波导12。
步骤五、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面采用电子束蒸镀的方式得到由低折射率材料Ta2O5形成的第一光学波导层，实验首先需要将电子束蒸镀系统的本底真空达到5×10-5Pa～7×10-5Pa，沉积过程中，工作温度升至200℃～300℃，腔室压强控制在2.5×10-3Pa～3.5×10-3Pa，电子枪高压5kV～7kV，灯丝电流0.5A～1A，沉积120min～180min，得到厚度为0.7μm～1μm的Ta2O5第一光学波导层。再次使用电子束蒸镀的方法获得由高折射率材料TiO2形成的第二光学波导层，实验首先需要将电子束蒸镀系统的本底真空达到3×10-5Pa～5×10-5Pa，沉积过程中，工作温度升至100℃～200℃，腔室压强控制在3×10-3Pa～5×10-3Pa，电子枪高压5kV～7kV，灯丝电流0.03A～0.08A，沉积120min～220min，得到厚度为0.7μm～1μm的TiO2第二光学波导层。
步骤六、基于Talbot效应以及光程差与相位变化关系，计算得到了相位光栅层13尺寸参数。按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第三次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，采用反应离子刻蚀(RIE)的方法在靠近无损耗激光传输波导12且远离DBR脊型波导16的位置处获得相位光栅层13，刻蚀高折射率材料TiO2，获得了刻蚀深度为0.7μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为1.5μm～2.5μm的相位光栅层13，并采用电子束蒸镀的方法对外延层表面沉积低折射率材料Ta2O5形成第三光学波导层，厚度为1μm～1.5μm。
步骤七、为增加器件的散热能力，需要使用减薄机对阵列的DBR脊型波导16表面的Ta2O5/TiO2/Ta2O5材料进行减薄至280nm～330nm，为保证磁控溅射P面电极10溅射质量，使用抛光机对Ta2O5材料表面进行抛光，抛光后剩余Ta2O5厚度为200nm～220nm，形成电绝缘层9。
步骤八、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第四次紫外曝光显影，开电极窗口，使用负胶做掩膜，显影后DBR脊型波导16中心电极窗口图形因为无光刻胶，使GaAs高掺杂层8显露出来。
步骤九、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，在外延层表面的最上层采用磁控溅射的方法溅射P面电极10，使用的金属材料以及厚度分别为：Ti金属为25nm～35nm、Pt金属25nm～35nm、Au金属130nm～180nm。
步骤十、为减小器件串联电阻，导电衬底2需要减薄130μm～140μm。为保证磁控溅射N面电极1质量，在溅射N面电极1之前还需要对导电衬底2进行抛光处理，抛光后的导电衬底2厚度为120μm～130μm。
步骤十一、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，在导电衬底2的下部采用磁控溅射的方法溅射N面电极1，使用的金属材料以及厚度分别为：Au金属250nm～280nm、Ge金属80nm～90nm、Ni金属8nm～10nm。
步骤十二、为降低外延层与金属电极之间的残余应力、减少其变形与裂纹倾向，使外延层的P面电极10与N面电极1能够形成更好的欧姆接触。还需要使用合金退火机对芯片进行合金退火处理，合金温度为400℃～440℃，并在合金退火过程中通入气体流量为20psi～25psi的N2。
步骤十三、利用解理机解理孔径完全装填输出相干阵半导体激光器阵列巴条。
步骤十四、利用电子束蒸镀的方法，在阵列巴条靠近相位光栅层13的端面蒸镀增透膜15，在阵列巴条靠近DBR脊型波导16的端面蒸镀高反膜14。通过电子束蒸镀的方法，在相干阵半导体激光器前后腔面蒸镀交替生长的SiO2/Ta2O5介质膜，使其前腔面反射率达到3％～4％，后腔面反射率达到97％～99％。
步骤十五、采用倒装焊方式，将阵列巴条P面向下封装在具有焊料的铜热沉上，并进行器件性能测试。
实施例四、制备一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器
步骤一、选取材料为GaAs的导电衬底2。
步骤二、在导电衬底2上，采用金属有机化合物气相沉积法生长外延层(3-8)。外延层3为N型Al0.3Ga0.7As限制层，厚度为1.3μm～1.5μm。外延层4为N型Al0.2Ga0.8As波导层，厚度为0.8μm～1μm。外延层5为有源区，采用单量子阱结构，其中量子阱为铟组分为0.15的In0.15Ga0.85As材料，厚度为0.008μm～0.010μm，量子垒为镓组分为0.17的Ga0.17As0.83P材料，厚度为0.010μm～0.015μm。外延层6为P型Al0.2Ga0.8As波导层，厚度为0.5μm～0.7μm。外延层7为P型Al0.35Ga0.65As限制层，厚度为1.3μm～1.5μm。为了使P面电极与外延层(3-8)结构之间形成良好的欧姆接触，在P型限制层7上方生长了外延层8，其为高掺杂层，采用GaAs材料，厚度为0.2μm～0.5μm。
步骤三、严格清洗外延层，首先使用丙酮溶液，用以清除外延层表面的污染物。其次使用无水乙醇溶液，用以清理外延层表面的丙酮溶液。最后使用去离子水进行冲洗外延层表面的无水乙醇溶液。此过程多次重复直至外延层表面无污染物。若外延层表面存在难以清除的污染物，可利用打胶机进行清洗，所使用的气体为氮气(N2)与氧气(O2)，气体流量均为200sccm～300sccm，功率为200W～300W，时间为2min～3min。严格清洗外延片后，使用氮气枪将外延层表面水分吹干，在甩胶之前还需要增加光刻胶与外延层之间的粘附性，防止后续的光刻显影环节出现“裂纹”甚至是漂胶等问题。所以，在使用正性光刻胶做掩膜时，甩胶后需要对外延层进行前烘处理，将表面附有正性光刻胶的外延层放置在95℃的加热板上，前烘时间为20min～30min，用以去除光刻胶表面的挥发性物质，防止后续光刻显影时出现图形“断裂”、“弯曲”以及“飘移”等问题。
然后，进行第一次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，如图5所示，将光刻板上的图形转移到外延片表面，显影后在外延层表面获得若干个具有光刻胶覆盖的DFB脊型波导17图形，在刻蚀DFB脊型波导17图形之前需要对外延层进行后烘处理，将曝光显影后的外延层放置在120℃的加热板上，后烘时间为30min～35min，此步骤可以更精确的控制图形形貌以及增加光刻胶的抗刻蚀能力。接着，使用常规的电感耦合等离子体(ICP)的方法刻蚀DFB脊型波导17图形，在刻蚀实验之前，需要将反应室抽真空，再通入反应气体(反应气体及流量为：Cl2流量为20sccm～25sccm、BCl3流量为5sccm～10sccm、Ar流量为5sccm～10sccm)，ICP功率为300W～400W，RF功率为50W～100W，刻蚀时间50s～60s，获得了长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm的DFB脊型波导17。
最后，通过电子束曝光方法在DFB脊型波导17表面得到DFB光栅图形，使用ICP方法刻蚀表面DFB光栅，基于布拉格条件mλ＝2nd(m为光栅的阶数、λ为自由空间光波长、n为光栅折射率、d为光栅周期)，计算得到一阶光栅周期为0.1μm～0.4μm，占空比为40％～60％，刻蚀深度为0.3μm～0.6μm。
步骤四、基于Talbot腔理论，通过计算Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ(ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长)计算实际需要的无损耗激光传输波导12的尺寸参数。按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第二次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，采用ICP的刻蚀方法且选择在靠近DFB脊型波导17的位置处，获得了长度为60μm～600μm，宽度为2mm～10mm，深度为2μm～3μm的无损耗激光传输波导12。
步骤五、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面采用采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积低折射率材料SiO2形成第一光学波导层。其次使用电子束蒸镀的方式得到由高折射率材料Al2O3形成的第二光学波导层。
步骤六、基于Talbot效应以及光程差与相位变化关系，计算得到了相位光栅层13尺寸参数。按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第三次紫外曝光显影，使用正胶做掩膜，采用反应离子刻蚀(RIE)的方法在靠近无损耗激光传输波导12且远离DFB脊型波导17的位置处获得相位光栅层13，刻蚀高折射率材料Al2O3，获得了刻蚀深度为0.8μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为2μm～4μm的相位光栅层13，并采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积低折射率材料SiO2形成第三光学波导层，厚度为1μm～1.5μm。
步骤七、为增加器件的散热能力，需要使用减薄机对阵列的DFB脊型波导17表面的SiO2/Al2O3/SiO2材料进行减薄至280nm～330nm，为保证磁控溅射P面电极10溅射质量，使用抛光机对SiO2材料表面进行抛光，抛光后剩余SiO2厚度为200nm～220nm，形成电绝缘层9。
步骤八、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，对外延层表面进行第四次紫外曝光显影，开电极窗口，使用负胶做掩膜，显影后DFB脊型波导17中心电极窗口图形因为无光刻胶，使GaAs高掺杂层8显露出来。
步骤九、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，在外延层表面的最上层采用磁控溅射的方法溅射P面电极10，使用的金属材料以及厚度分别为：Ti金属为25nm～35nm、Pt金属25nm～35nm、Au金属130nm～180nm。
步骤十、为减小器件串联电阻，导电衬底2需要减薄130μm～140μm。为保证磁控溅射N面电极1质量，在溅射N面电极1之前还需要对导电衬底2进行抛光处理，抛光后的导电衬底2厚度为120μm～130μm。
步骤十一、按照步骤三的清洗过程严格清洗外延层，在导电衬底2的下部采用磁控溅射的方法溅射N面电极1，使用的金属材料以及厚度分别为：Au金属250nm～280nm、Ge金属80nm～90nm、Ni金属8nm～10nm。
步骤十二、为降低外延层与金属电极之间的残余应力、减少其变形与裂纹倾向，使外延层的P面电极10与N面电极1能够形成更好的欧姆接触。还需要使用合金退火机对芯片进行合金退火处理，合金温度为400℃～440℃，并在合金退火过程中通入气体流量为20psi～25psi的N2。
步骤十三、利用解理机解理孔径完全装填输出相干阵半导体激光器阵列巴条。
步骤十四、利用电子束蒸镀的方法，在阵列巴条靠近相位光栅层13的端面蒸镀增透膜15，在阵列巴条靠近DFB脊型波导17的端面蒸镀高反膜14。通过电子束蒸镀的方法，在相干阵半导体激光器前后腔面蒸镀交替生长的SiO2/Ta2O5介质膜，使其前腔面反射率达到3％～4％，后腔面反射率达到97％～99％。
步骤十五、采用倒装焊方式，将阵列巴条P面向下封装在具有焊料的铜热沉上，并进行器件性能测试。
结论：
本发明提供的一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器及制备方法具有如下有益效果：
(1)本发明提供的一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，在实现锁相的同时可以支撑多个发光单元，改善了传统锁相阵列半导体激光器发光单元少输出功率低的不足。
(2)本发明提供的一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，通过刻蚀并填充形成无损耗激光传输波导，实现了相干阵半导体激光器内腔与外腔的片上集成，构成了一种复合腔结构，极大程度上减小了激光器系统的复杂性、体积以及成本。
(3)本发明提供的一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，通过引入相位光栅层，改变非同相模的相位，使其与同相模相位一致，实现了孔径完全装填输出的同相模激射。
(4)本发明提供的制备方法简单易实施。
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 (10)

1.一种孔径完全装填输出相干阵半导体激光器，包括导电衬底以及导电衬底上的外延层，其特征在于，在所述外延层表面设置一维阵列种子区和无损耗激光传输波导，在所述一维阵列种子区和无损耗激光传输波导上面依次设置第一光学波导层和第二光学波导层，在所述第二光学波导层上面刻蚀相位光栅层，所述相位光栅层位于远离所述一维阵列种子区的位置，在所述第二光学波导层和所述相位光栅层上面依次设置第三光学波导层和P面电极，在所述导电衬底的下面设置N面电极，在靠近所述相位光栅层的端面蒸镀增透膜，在靠近所述一维阵列种子区的端面蒸镀高反膜。
2.根据权利要求1所述的相干阵半导体激光器，其特征在于，所述导电衬底的材料选自：硅、砷化镓、氮化镓或碳化硅。
3.根据权利要求1所述的相干阵半导体激光器，其特征在于，所述外延层的结构依次为：N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层、P型限制层以及高掺层，且所述N型波导层的厚度比所述P型波导层厚。
4.根据权利要求1所述的相干阵半导体激光器，其特征在于，所述一维阵列种子区为一维阵列波导，所述一维阵列波导的尺寸参数为：长度为500μm～2000μm，宽度为3μm～5μm，间隔为3μm～5μm，深度为0.7μm～1μm；
所述一维阵列波导选自：窄脊波导、表面DBR脊型波导或者表面DFB脊型波导。
5.根据权利要求1所述的相干阵半导体激光器，其特征在于，所述无损耗激光传输波导尺寸由Talbot距离公式ZT＝2nd2/λ根据实际需要进行计算得到；
其中，ZT为Talbot距离、n为光传输所在介质的折射率、d为阵列单元周期、λ为自由空间光波长。
6.根据权利要求1所述的相干阵半导体激光器，其特征在于，所述第一光学波导层的折射率与所述第三光学波导层相同，
所述第一、第三光学波导层的折射率小于所述第二光学波导层的折射率。
7.根据权利要求1所述的相干阵半导体激光器，其特征在于，所述P面电极采用金、铂、钛金属材料；
所述N面电极采用金、锗、镍金属材料。
8.一种如权利要求1-7任一项所述相干阵半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、选取一种导电衬底；
步骤二、在所述导电衬底上，采用金属有机化合物气相沉积法或分子束外延的方法生长外延层，所述的外延层内自下而上分别设置N型AlGaAs限制层、N型AlGaAs波导层、InGaAs/GaAsP单量子阱有源区、P型AlGaAs波导层、P型AlGaAs限制层以及GaAs高掺层；
步骤三、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在外延层表面得到一维阵列种子区图形，再利用电感耦合等离子体的方法刻蚀一维阵列种子区图形，得到一维阵列种子区；
步骤四、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在外延层表面靠近所述一维阵列种子区的位置得到无损耗激光传输波导图形，再利用电感耦合等离子体的方法刻蚀无损耗激光传输波导图形，得到无损耗激光传输波导；
步骤五、清洗外延层，利用等离子体增强化学气相沉积法在外延层的最上面依次沉积第一光学波导层与第二光学波导层；
步骤六、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在第二光学波导层表面远离所述一维阵列种子区的位置得到相位光栅层结构图形，再利用反应离子刻蚀的方法刻蚀相位光栅层图形，得到相位光栅层，并填充光学材料形成第三光学波导层；
步骤七、减薄、抛光所述一维阵列种子区表面的第一、第二和第三光学波导层；
步骤八、清洗外延层，利用光刻胶掩膜与紫外曝光的方法，在所述一维阵列种子区表面得到电极窗口图形，再利用反应离子刻蚀的方法刻蚀电极窗口图形，显露出GaAs高掺层；
步骤九、清洗外延层，采用磁控溅射的方法在外延层的最上面溅射P面电极；
步骤十、减薄、抛光所述导电衬底；
步骤十一、清洗外延层，采用磁控溅射的方法在所述导电衬底的下面溅射N面电极；
步骤十二、利用合金退火机对芯片进行合金退火处理；
步骤十三、利用解理机解理阵列巴条；
步骤十四、利用电子束蒸镀的方法，在靠近所述相位光栅层的端面蒸镀增透膜，在靠近所述一维阵列种子区的端面蒸镀高反膜；
步骤十五、采用倒装焊方式，将阵列巴条P面向下封装在具有焊料的铜热沉上，并进行器件性能测试。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤六中所述相位光栅层的尺寸参数为：刻蚀深度为0.7μm～1μm，宽度为3μm～5μm，长度为1.5μm～4μm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一光学波导层的折射率与所述第三光学波导层相同，
所述第一、第三光学波导层的折射率小于所述第二光学波导层的折射率。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117613666A (zh) * 2023-12-05 2024-02-27 北京工业大学 一种高功率大孔径基模涡旋光波导vcsel相干阵列

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