CN116231450A - 一种实现空间光束片上生成的边发射激光器 - Google Patents

一种实现空间光束片上生成的边发射激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的制备方法，包括：获取隧道级联半导体激光器外延结构，并根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到大光腔边发射激光器；利用FDTD单元参数扫描及空间光场分布函数结合MATLAB计算得到所述集成在大光腔边发射激光器上的超构表面相位分布，并选取不同尺寸的纳米柱生成相应结构版图；根据所述相应结构版图，利用聚焦离子束工艺在所述大光腔边发射激光器出光的有源区端面刻蚀超构表面，构建超构表面边发射激光器。本发明解决了现有技术中激光器存在输出功率较小和发散角过大，光束质量低，功能单一的问题。

Description

一种实现空间光束片上生成的边发射激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，特别是涉及一种实现空间光束片上生成的边发射激光器。
背景技术
激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明。与普通光源相比，激光具有高单色性、高方向性、高亮度、和良好的相干性，因此受到人们的广泛关注。近年来，随着科学技术的飞速发展，结构紧凑的半导体激光器由于其优异特性在人脸识别、激光雷达、光通信领域扮演着非常重要的角色。
根据出光方式划分，常见的半导体激光器有两种，一种是光束沿平行于衬底表面、垂直于解理面出射的边发射激光器；另一种是光束出射方向垂直于衬底的垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器出射的光束虽然具有良好的圆形光斑分布，但是输出功率普遍较小。而边发射激光器虽然功率较大，但是由于器件增益区纵横比较大，出射光束为椭圆光斑分布，不利于光纤耦合。目前，激光雷达等领域对脉冲激光光源提出小体积、高效率、高功率和窄发散角等需求，但是，常规半导体激光器内量子效率低于1，随着注入电流的加大，功率提高受到一定限制，不仅容易引发光学灾变损伤，过量的焦耳热还会被释放出来，导致器件电热烧毁。量子阱结构是常规半导体激光器的有源区经常使用的结构，其横向尺寸很小，导致垂直发散角很大，光束质量不高。
综上，现有激光器存在输出功率较小和发散角过大，光束质量低，功能结构单一的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种实现空间光束片上生成的边发射激光器制备方法，通过常规的半导体加工工艺，在芯片级上实现对目标光束的生成与操控。所开发的方法解决了传统的空间光束生成装置结构复杂、体积庞大、效率低、不易操作等问题。这将有可能促进超紧凑、高效率和可扩展多功能半导体激光器的发展，具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，包括：
获取隧道级联半导体激光器外延结构，并根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到大光腔边发射激光器；
利用FDTD单元参数扫描及空间光场分布函数结合MATLAB计算得到所述大光腔边发射激光器版图各个位置相位信息，并选取不同尺寸的纳米柱生成相应结构版图；
根据所述相应结构版图，利用聚焦离子束工艺在所述大光腔边发射激光器出光的有源区端面刻蚀超表面结构，构建超构表面边发射激光器。
优选地，所述隧道级联半导体激光器的构建方法包括：
利用两个重掺杂隧道结将三个有源区量子阱激光器进行串联，以得到所述隧道级联半导体激光器。
优选地，所述超构表面边发射激光器条宽为200μm，腔长为1mm。
优选地，还包括：
对所述超构表面边发射激光器的谐振腔两端的端面分别镀上一层增透膜和高反膜。
优选地，所述增透膜为非晶硅，高反膜为二氧化硅。
优选地，所述聚焦离子束的束流为12PA。
优选地，根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到超构表面边发射激光器，包括：
确定所述外延结构的解理方向和出光方向，并进行清洗；
利用气相沉积法得到硬掩模；其中，硬掩模为SiO2层；
利用5214反转胶光刻隔离双沟；
去除所述隔离双沟上方掩膜，并利用ICP干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟，刻蚀完成后用BOE溶液腐蚀其余的SiO2掩膜；
利用气相沉积法得到600nm厚的SiO2钝化层；
使用5214正胶光刻工艺光刻P面电极窗口，然后再使用BOE腐蚀液腐蚀电极窗口上的SiO2，并利用丙酮乙醇加热去胶清洗；
使用5214反转胶光刻解理线，并溅射
Figure BDA0004107935330000031
的Ti/Au欧姆接触电极，超声剥离清洗；
利用背面衬底减薄工艺将器件减薄至110-130μm；
溅射
Figure BDA0004107935330000032
的AuGeNi/Au电极，并快速热退火40s；
利用解理机将制备好的边发射芯片沿着解理线解成单个器件，并使用镀膜机在谐振腔两个端面上各镀上增透膜和高反膜；
解理好的单个器件摆放在热沉上，烧结后压焊封装。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，本发明通过以隧道级联半导体激光器为外延结构构建激光器，并在有源区谐振腔出光端面通过离子束流为12PA的聚焦离子束刻蚀加工超表面结构，通过常规的半导体加工工艺，在芯片级上实现对目标空间光束的生成与操控。所开发的方法解决了传统的空间光束生成装置结构复杂、体积庞大、效率低、不易操作等问题。这将有可能促进超紧凑、高效率和可扩展多功能半导体激光器的发展，具有广泛的应用前景。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的实现空间光束片上生成的超构表面边发射激光器的构建方法流程图；
图2为本发明实施例提供的实现空间光束片上生成的超构表面边发射激光器器件结构横向切面图；
图3为本发明实施例提供的采用MOCVD外延生长得到的隧道级联半导体激光器外延片结构示意图；
图4为本发明实施例提供的使用PECVD沉积300nm厚的SiO2掩膜示意图；
图5为本发明实施例提供的使用5214反转胶光刻隔离双沟示意图；
图6为本发明实施例提供的使用BOE溶液通过化学腐蚀去除隔离双沟上方的SiO2掩模示意图；
图7为本发明实施例提供的使用ICP干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟并示意图；
图8为本发明实施例提供的BOE湿法腐蚀残留的二氧化硅掩膜，并使用PECVD重新沉积600nm厚的SiO2钝化层示意图；
图9为本发明实施例提供的使用5214正胶光刻工艺光刻和BOE湿法腐蚀工艺制备P面电极窗口示意图；
图10为本发明实施例提供的光刻溅射P面电极示意图；
图11为本发明实施例提供的器件减薄后溅射N面电极示意图；
图12为本发明实施例提供的器件镀膜、压焊封装示意图；
图13为本发明实施例提供的使用聚焦离子束工艺刻蚀加工的超构表面结构，实现空间光束片上生成示意图。
附图标记说明：
(1)P面金属电极，(2)SiO2钝化保护层，(3)P型重掺杂欧姆接触层，(4)限制层，(5)波导层，(6)量子阱有源区，(7)隧道结，(8)GaAs衬底，(9)N面金属电极，(10)超构表面。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
本发明的目的是提供一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，本发明解决了现有技术中激光器存在输出功率较小和发散角过大，光束质量低，功能结构单一的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，包括：
步骤100：获取隧道级联半导体激光器外延结构，并根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到大光腔边发射激光器；
步骤200：利用FDTD单元参数扫描及空间光场分布函数结合MATLAB计算得到所述集成在大光腔边发射激光器上的超构表面相位分布，并选取不同尺寸的纳米柱生成相应结构版图；所述超构表面可以定向编程设计成实现不同功能的微纳图形阵列。为了简化制备，对同一材料，超表面结构单元一般为固定高度。
步骤300：根据所述相应结构版图，利用聚焦离子束工艺在所述大光腔边发射激光器出光的有源区端面刻蚀超表面结构，构建超构表面边发射激光器。激光器出射光的电场或磁场与超表面亚波长单元结构产生共振效应使其相位或偏振或振幅发生突变，从而对光场进行有效调控。结合空间光束的相位分布，合理设计超表面结构，可以生成发散角小的高斯光束、涡旋光束、具有无衍射传输的贝塞尔光束和艾里光束，以及实现全息图案显示。所述超构单元可以为圆柱形、椭圆形、矩形且不仅限于这些结构，超构单元高度需满足以下条件：
H＞Hmin＝λ/(nmax-nmin)
其中，λ为激光器出射光波长，nmax为纳米柱周围介质的折射率，nmin为纳米柱的折射率，Hmin为满足相位要求的最小纳米柱高度。
进一步的，如图2所示，所述隧道级联半导体激光器的构建方法包括：
利用两个重掺杂隧道结(7)将三个有源区量子阱激光器进行串联，以得到所述隧道级联半导体激光器。即LD1、LD2、LD3，使用MOCVD系统一层一层外延生长在同一个GaAs衬底(8)上。所述隧道级联半导体激光器由：P面金属电极、SiO2钝化保护层、P型重掺杂欧姆接触层、限制层、波导层、量子阱有源区、隧道结、GaAs衬底、N面金属电极和超构表面构成。
进一步的，所述超构表面边发射激光器条宽为200μm，腔长为1mm。以此来有效增加有效光斑尺寸，提高腔面COD阈值功率密度，还能减小器件尺寸、增加斜率效率。
如图12、13所示，进一步的，还包括：
对所述超构表面边发射激光器的谐振腔两端的端面分别镀上一层增透膜和高反膜。
进一步的，所述增透膜为非晶硅，高反膜为二氧化硅。并通过Matlab分别模拟计算非晶硅实现高透射率和二氧化硅实现高反射率所需要的沉积厚度。
进一步的，所述实现空间光束片上生成的超构表面边发射激光器，在制备封装好器件后，为了对边发射激光器出射的椭圆光斑进行光束整形，我们通过合理的仿真计算得到相应的版图结构设计，最后在有源区谐振腔出光端面通过离子束流为12PA的聚焦离子束刻蚀加工超构表面(10)。
进一步的，根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到超构表面边发射激光器，包括：
确定所述外延结构的解理方向和出光方向，并进行清洗；
利用气相沉积法得到硬掩模；其中，硬掩模为SiO2层；
利用5214反转胶光刻隔离双沟；
去除所述隔离双沟上方掩膜，并利用ICP干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟，刻蚀完成后用BOE溶液腐蚀其余的SiO2掩膜；刻蚀9μm左右深度的隔离双沟来抑制侧向电流和载流子扩展效应，使上下几个有源区的电流密度最大限度保持一致，将注入电流尽可能多地转化为光功率输出。避免由于扩展使得电流密度在不同有源区之间产生差异，导致激射波长不同，甚至无法激射。相对于传统的单个脊形台，引入双沟的设计使得整个P面未刻蚀区域的高度与脊形台处高度一致，与热沉接触面积更大，这样在后续封装工艺中更有利于提高器件与热沉粘接的牢固性，还可以增加器件散热面积，抑制电热烧毁，提高器件可靠性。
利用气相沉积法得到600nm厚的SiO2钝化保护层(2)；
使用5214正胶光刻工艺光刻P面金属电极窗口，然后再使用BOE腐蚀液腐蚀电极窗口上的SiO2，并利用丙酮乙醇加热去胶清洗；在制备P面金属电极(1)过程中引入电极窗口结构。这种结构通过边缘SiO2限制，在腔面附近形成一个电流非注入区，以此来减少电流在腔面处的直接注入，使腔面COD阈值功率密度提高，从而提高器件的输出功率。
使用5214反转胶光刻解理线，并溅射
Figure BDA0004107935330000071
的Ti/Au欧姆接触电极，超声剥离清洗；
利用背面衬底减薄工艺将器件减薄至110-130μm；
溅射
Figure BDA0004107935330000072
的AuGeNi/Au电极，形成N面电极(9)，并快速热退火40s；
利用解理机将制备好的边发射芯片沿着解理线解成单个器件，并使用镀膜机在谐振腔两个端面上各镀上增透膜和高反膜；
解理好的单个器件摆放在热沉上，烧结后压焊封装。
所述边发射激光器封装的顶部焊接压焊金丝和镀金陶瓷片，侧面镀铟热沉，内部设置隧道级半导体激光器，并在出光端面上镀上增透膜。
本实施还公布了得到超构表面边发射激光器的详细步骤：
步骤1：外延生长的905nm隧道级联半导体激光器由两个重掺杂隧道结(7)将三个有源区量子阱激光器串联起来所构成，即LD1、LD2、LD3。拿到外延片后确认其解理方向和出光方向，并做好标记，丙酮乙醇加热清洗外延片。
步骤2：使用PECVD沉积300nm厚的SiO2层作为硬掩模。
步骤3：使用5214反转胶光刻隔离双沟。
步骤4：使用BOE溶液通过化学腐蚀去除隔离双沟上方的SiO2掩模，并用丙酮乙醇清洗残留的光刻胶掩膜。
步骤5：使用ICP干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟，刻蚀完成后用BOE溶液腐蚀其余的SiO2掩膜。
步骤6：再使用PECVD沉积600nm厚的SiO2钝化保护层(2)。
步骤7：使用5214正胶光刻工艺光刻P面金属电极窗口，然后再使用BOE腐蚀液腐蚀电极窗口上的SiO2，并丙酮乙醇加热去胶清洗。
步骤8：使用5214反转胶光刻解理线，并溅射
Figure BDA0004107935330000081
的Ti/Au欧姆接触电极，超声剥离清洗，形成P面金属电极(1)。
步骤9：使用背面衬底减薄工艺将器件减薄至110-130μm左右。
步骤10：溅射
Figure BDA0004107935330000082
的AuGeNi/Au电极，形成N面金属电极(9)，最后400℃快速热退火40s。
步骤11：使用解理机将制备好的边发射芯片沿着其解理线解成单个器件，然后使用镀膜机在谐振腔两个端面上各镀上增透膜和高反膜。
步骤12：将清洗好的铜热沉采用电镀方式镀上一层1mm左右的铟，然后将解理好的单个器件摆放在热沉上，烧结后压焊封装。
步骤13:对于制备好的器件进行测试，然后挑选性能较好的器件进行微纳加工，使用离子束流为12PA的聚焦离子束刻蚀加工超构表面(10)。
本发明的有益效果如下：
1、本发明使用隧道级联半导体激光器外延结构，极大地提高了激光器的输出功率。
2、本发明在激光器端面集成的超表面结构紧凑、加工工艺简单、可靠性高。
3、通过合理设计集成的超表面结构，将赋予芯片极大地光场调控能力，实现各种空间光束(高斯光束、涡旋光束、贝塞尔光束、艾里光束)片上生成。
4、本发明所述方法适用于所有边发射芯片，也可用于拓展到其他随机光发射芯片。
5、通过常规的半导体加工工艺，在芯片级上实现对目标光束的生成与操控。所开发的方法解决了传统的空间光束生成装置结构复杂、体积庞大、效率低、不易操作等问题。这将有可能促进超紧凑、高效率和可扩展多功能半导体激光器的发展，具有广泛的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的制备方法，其特征在于，包括：
获取隧道级联半导体激光器外延结构，并根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到大光腔边发射激光器；
利用FDTD单元参数扫描及空间光场分布函数结合MATLAB计算得到所述集成在大光腔边发射激光器上的超构表面相位分布，并选取不同尺寸的纳米柱生成相应结构版图；
根据所述相应结构版图，利用聚焦离子束工艺在所述大光腔边发射激光器出光的有源区端面刻蚀超表面结构，构建超构表面边发射激光器。
2.根据权利要求1所述的一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，其特征在于，所述隧道级联半导体激光器的构建方法包括：
利用两个重掺杂隧道结将三个有源区量子阱激光器进行串联，以得到所述隧道级联半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，其特征在于，所述超构表面边发射激光器条宽为200μm，腔长为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，其特征在于，还包括：
对所述超构表面边发射激光器的谐振腔两端的端面分别镀上一层增透膜和高反膜。
5.根据权利要求4所述的一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，其特征在于，所述增透膜为非晶硅，高反膜为二氧化硅。
6.根据权利要求4所述的一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，其特征在于，所述聚焦离子束的束流为12PA。
7.根据权利要求4所述的一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，其特征在于，根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到超构表面边发射激光器，包括：
确定所述外延结构的解理方向和出光方向，并进行清洗；
利用气相沉积法得到硬掩模；其中，硬掩模为SiO2层；
利用5214反转胶光刻隔离双沟；
去除所述隔离双沟上方掩膜，并利用ICP干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟，刻蚀完成后用BOE溶液腐蚀其余的SiO2掩膜；
利用气相沉积法得到600nm厚的SiO2钝化层；
使用5214正胶光刻工艺光刻P面电极窗口，然后再使用BOE腐蚀液腐蚀电极窗口上的SiO2，并利用丙酮乙醇加热去胶清洗；
使用5214反转胶光刻解理线，并溅射
Figure FDA0004107935310000021
的Ti/Au欧姆接触电极，超声剥离清洗；
利用背面衬底减薄工艺将器件减薄至110-130μm；
溅射
Figure FDA0004107935310000022
的AuGeNi/Au电极，并快速热退火40s；
利用解理机将制备好的边发射芯片沿着解理线解成单个器件，并使用镀膜机在谐振腔两个端面上各镀上增透膜和高反膜；
解理好的单个器件摆放在热沉上，烧结后压焊封装。
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