CN116799610B - 一种垂直腔面发射激光器及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本申请属于光电子器件应用于三维建模或三维人脸识别的技术领域，本申请提供了一种垂直腔面发射激光器及其制备工艺，所述垂直腔面发射激光器包括：多个衍射柱和多个发光单元，各所述发光单元随机布局于衬底上，每个所述发光单元的出光面上随机分布多个所述衍射柱，且所述衍射柱与所述发光单元一体成型。所述制备工艺用于制作垂直腔面发射激光器的方法。本申请通过在衬底上随机分布发光单元，并在反光单元上随机分布多个衍射柱可产生密布的随机光斑，可用于三维图像识别的结构光源，成本较低，需要组装的组件较少，提高模块的稳定性。
Description
技术领域
本申请属于光电子器件应用于三维建模或三维人脸识别的技术领域，特指一种垂直腔面发射激光器及其制备工艺。
背景技术
垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）功耗低、阈值电流小、调制速度快，光束质量高、芯片结构紧凑、制造成本低，实质成为短距离光通信理想光源。
通常垂直腔面发射激光器用于三维图像识别时，需要在外加液晶光栅等衍射元件，通过两者组装形成结构光源，致使易出现垂直腔面发射激光器产生的光束偏振态稳定性不足的情况，若稳定性不足会增加数据传输的噪音，降低数据传输的带宽和质量。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及其制备工艺，以解决现有技术的垂直腔面激光器稳定性不足的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种垂直腔面发射激光器，包括：
多个衍射柱；
多个发光单元，各所述发光单元随机布局于衬底上，每个所述发光单元的出光孔径上随机分布有多个所述衍射柱，且所述衍射柱与所述发光单元集成设置。
本申请提供的垂直腔面发射激光器的有益效果：与现有技术不同的是，将现有技术中的发光圆台与液晶光栅替换成一体成型的发光单元和衍射柱，通过集成化一体成型可降低数据传输的噪音，增大数据传输的带宽和质量，解决有现有技术中稳定性不足的技术问题，同时降低生产成本，在垂直腔面发射激光器中随机阵列个发光单元，并在每个发光单元上随机产生多个衍射柱，通过两次随机阵列，使垂直腔面发射激光器产生的光斑更为密集，双随机出光点对三维测绘的精度更高，产生的效果更佳。
在本申请的一个实施例中，所述衍射柱为柱状结构。
在本申请的一个实施例中，多个所述衍射柱设在同一层内，且各所述衍射柱随机分布于所述发光单元的出光面上。
在本申请的一个实施例中，多个所述衍射柱分别设于多个层内，各层中的所述衍射柱均随机分布；每层所述衍射柱均随机分布于上一层所述衍射柱沿高度方向上方的平面内。
在本申请的一个实施例中，每层中的所述衍射柱的中心轴分别与其他层中的所述衍射柱一一对应。
在本申请的一个实施例中，所述发光单元包括沿垂直腔面发射激光器高度方向由上往下依次设置的接触层、第一布拉格反射层、氧化限制层以及有源层，所述衍射柱阵列于所述接触层上；其中，所述有源层的发射谱中心波长与所述垂直腔面发射激光器的激射波长相匹配。
在本申请的一个实施例中，各层所述衍射柱的材料可以是氧化硅、氮化硅或者氯化硅其中之一，且各层所述衍射柱采用相同的材料。
在本申请的一个实施例中，各层所述衍射柱的材料可以是氧化硅、氮化硅或者氯化硅其中之一，且各层所述衍射柱所采用的材料互不相同。
在本申请的一个实施例中，所述垂直腔面发射激光器还包括：依次设置的第一电极层、绝缘层、第二布拉格反射层、衬底和第二电极层，所述有源层背离与所述氧化限制层相连接的一侧连接所述第二布拉格反射层触，所述绝缘层包络于所述发光单元和所述第二布拉格反射层的外侧，所述第一电极层包络于所述绝缘层的外侧。
本申请还提供了一种垂直腔面发射激光器的制备工艺，用于制作上述任意一一项所述的垂直腔面发射激光器，包括：
在垂直腔面发射材料上光刻阵随机阵列的发光单元，并将所述发光单元外的区域刻蚀至有源层之下；利用高温湿氧氧化所述氧化限制层中的铝组份层形成氧化孔径，对电流和光场进行限制；生长绝缘层，并在所述绝缘层上刻蚀/腐蚀出上电极窗口，用于暴露至少部分接触层；超声剥离光刻胶上的导电材料，形成第一电极；覆盖透明介质层；光刻和刻蚀随机阵列的衍射柱；晶片减薄；蒸发第二电极，退火。以此，来制备垂直腔面发射激光器。
在本申请的一个实施例中，所述光刻发光单元的步骤为：以R1为发光单元的半径,R2为正数，R2远大于R1，在整个阵列区域内进行密堆积排布以半径为R1+R2的大圆，得到所述大圆的圆心坐标｛xi,yi｝及所述大圆的总个数N；随机产生2*N个范围在-0.5至0.5间的数，每2个为一组用于确定每个半径为R1的大圆的坐标｛xi,yi｝方向和偏移值，坐标变化幅度小于0.5倍R2；去除不符合要求的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；将最后获得的坐标为圆心，R1为半径用于发光单元的光刻版制作。
以此，光刻随机阵列的发光单元使得发出的光斑更随机，得到的三位图像的测绘精准度越高。
在本申请的一个实施例中，所述光刻和刻蚀随机阵列的衍射柱的步骤包括：所述光刻和刻蚀随机阵列的所述衍射柱的步骤包括：以r1为衍射柱的半径，r2为正数，在所述大圆的出光孔径区域内以半径为r1+r2的小圆密堆积排布，得到所述小圆的圆心坐标｛xk,yk｝及所述小圆的总个数M；随机产生2*M个范围在-0.5至0.5间的数，每2个为一组用于确定每个半径为r1的小圆坐标｛xk,yk｝方向和偏移确定，坐标变化幅度小于0.5倍的r2；去除不符合要求的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；重复上述步骤，直至完成M*N个所述衍射柱的坐标位置；将最后获得的坐标为圆心，r1为半径用于所述衍射柱的光刻版制作。以此，在随机阵列的发光单元上光刻随机阵列的衍射柱，通过双随机使得发出的光斑密集度越大，得到的三位图像的测绘精准度越高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的整体结构立体图；
图2为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器一个实施例的剖视图；
图3为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器另一个实施例的剖视图；
图4为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器再一个实施例的剖视图；
图5为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的制备工艺的流程图。
其中，图中各附图标记：
100-衍射柱；
200-发光单元；201-接触层；202-第一布拉格反射层；203-氧化限制层；204-有源层；
304-第一电极层；301-绝缘层；302-第二布拉格反射层；303-衬底；305-第二电极层。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
如图1所示，本申请的一个实施例中，提供了一种垂直腔面发射激光器，应用于三位图像识别，其包括：至少多个衍射柱100；多个发光单元200，每个发光单元200的出光孔径上设有多个衍射柱100，且衍射柱100与发光单元200集成设置。
垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL），从垂直于衬底面射出激光的半导体激光器件。根据其有源层的不同，可分为三种结构：镜面型、光栅耦合型和垂直腔型。一般镜面型的激光器采用45°倾斜反射镜结构，其反射特性完全依赖于内部反射镜的倾角和平整度，工艺制作困难，且存在光束畸变问题。光栅耦合型采用高阶耦合光栅结构，可以获得发散角小的窄细光束，但其反射光的大部分进入了衬底，使效率大幅降低，而且激光束的发散角度随波长变化而变化。垂直腔型为有源层直径及腔长为微米量级的微腔结构，容易实现低阈值，具有较高的微分量子效率，所以是垂直腔面发射激光器中最理想的结构。
发光单元200用于形成随机阵列单元，形成随机光斑。需要说明的是，每个发光单元200仅能产生一个光斑，且输出的光斑近似圆形，发散角很小，能够和光纤高效耦合，在垂直腔面发射激光器中随机阵列多个发光单元200，从而可以第一次产生多个随机光斑。
衍射柱100设于发光单元200上，用于传导发光单元200产生的光。一般地，一个发光单元200上设置至少两个衍射柱100，衍射柱100设置的数量不一一罗列，只要其数量大于1均在本实施例的保护范围内。且每个发光单元200上的多个衍射柱100也是随机阵列的，从而垂直腔面发射激光器产生的光经过发光单元200到衍射柱100进行第二次产生多个随机光斑。衍射柱100使用的材料一般是氧化硅、氮化硅或者氯化硅其中之一。
需要说明的是，衍射柱100阵列于发光单元200的出光孔径上，以便于发光单元200发射的光能通过衍射柱100传导出去。
值得注意的是，阵列排布多个发光单元200具有局部限制特性，但不影响工艺加工。
衍射柱100与发光单元200集成设置，降低数据传输的噪音，增大数据传输的带宽和质量，从而增加了垂直腔面发射激光器的稳定性。
本申请提供的垂直腔面发射激光器的有益效果：与现有技术不同的是，将现有技术中的发光圆台与液晶光栅替换成集成化一体成型的发光单元200和衍射柱100，通过集成化一体成型可降低数据传输的噪音，增大数据传输的带宽和质量，解决有现有技术中稳定性不足的技术问题，在垂直腔面发射激光器中随机阵列N个发光单元200，并在每个发光单元200上随机产生多个衍射柱100，通过两次随机阵列，使垂直腔面发射激光器产生的光斑更为密集，双随机出光点对三维测绘的精度更高，产生的效果更佳。
如图1所示，本申请提供的一个实施例中，衍射柱100采用柱状结构，保证光的输出效率不受影响。
每个发光单元200的接触层201上均阵列有多个衍射柱100，衍射柱100为透明材质，因而发射的光能通过衍射柱100后产生光斑。因为每个接触层201上设有多个衍射柱100，因而衍射柱100在垂直腔面发射激光器上呈凹凸结构衍射。
参照图2，本申请提供的一个实施例中，多个衍射柱100设在同一层内，且各衍射柱100随机分布于发光单元的出光面上。
在本实施例中，每个发光单元200的出光面上设有多个衍射柱100，且各衍射柱100均处于同一层面内，例如：各个衍射柱100均有一端与发光单元200相接触，使得各个衍射柱100处于同一层内。通过在发光单元200的同一层内设置多个衍射柱100，且各衍射柱100是随机分布的，衍射柱100的折射率和厚度满足向上出光增透性能。发光单元200发射的激光经过随机分布的衍射柱100，单个光束衍射变成多个位置和能量随机分布的光束，用于形成结构光。
参照图3，本申请提供的一个实施例中，多个衍射柱100分别设于多个层内，各层中的衍射柱100均随机分布；每层衍射柱100的底部均随机分布于上一层衍射柱100沿高度方向上方的平面内。
在本实施例中，每个发光单元200的出光面上设有多层衍射柱100，为了更好的说明其具体的结构，现以衍射柱100设置两层于发光单元200的出光面上，设置的层的数量不仅限于两层，其他数量均在申请的保护范围内。
当衍射柱100设置的是两层时，第一层衍射柱设置于发光单元200的出光面上，再用氧化硅填平后，然后制作第二层衍射柱。
需要说明的是，第一层衍射柱和第二层衍射柱可以采用相同的材料，也可以是不同的材料，但是所采用的材料不同于填充材料氧化硅，避免填充过程中第一层衍射柱和填充材料融合。例如：第一层衍射柱采用氮化硅，第二层衍射柱采用氯化硅，填充材料为氧化硅。又例如：第一层衍射柱和第二层衍射柱均采用氮化硅，填充材料采用的时氧化硅。当多层衍射柱采用不同材料时，各层的折射率不同，就增加了一个自由度，因而多层设置衍射柱100比设置单层出光的效果会更好。
值得一提的是，设置的两层衍射柱100均是随机分布的，设置多层衍射柱100可以提高出光效率并进一步提高光斑随机性，可以使直腔面发射激光器能产生多个随机光斑，对三维测绘的精度更高，产生的效果更佳。
参照图4，本申请提供的一个实施例中，每层中的衍射柱100的中心轴分别与其他层中的衍射柱100一一对应，且各层中的衍射柱100采用的材料互不相同。
在本实施例中，各层中的衍射柱100与相邻的层面中的衍射柱100一一对应。假设设置现需要设置两层衍射柱100，第一层中的衍射柱100与第二层中的衍射柱100分别一一对应，为了提高随机性，第一层的衍射柱100和第二层的衍射柱100所采用的材料不同，从而使得各层的折射率不同，提高产生光斑的随机性。
本申请提供的一个实施例中，200发光单元包括且依次设置的接触层201、第一布拉格反射层202、氧化限制层203和有源层204，衍射柱100阵列于接触层201上。
请参照图1和图2，本申请提供的一个实施例中，垂直腔面发射激光器还包括：依次设置的第一电极层304、绝缘层301、第二布拉格反射层302、衬底303和第二电极层305，有源层204背离与氧化限制层203相连接的一侧，与第二布拉格反射层302相接触，绝缘层301包络于发光单元200和第二布拉格反射层302的外侧，第一电极层304包络于绝缘层301的外侧。
接触层201为金属接触层，也为欧姆接触层，形成于第一布拉格反射层202的外表面和衬底之间，用于在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心，使得金属与半导体接触时可以形成非整流接触，不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流一电压特性。
优选的，在本实施例中，接触层201为p型高掺杂GaAs材料，厚度为5nm至50nm,掺杂浓度为1*10^19/cm^3至5*10^19/cm^3 。
第一布拉格反射层202是指分布式布拉格反射器（distributed Braggreflector，DBR），用于在波导中使用的反射器，当光经过不同介质时在界面的地方会反射，反射率的大小会与介质间折射率大小有关，因此如果我们把不同折射率的薄膜交互周期性的堆叠在一起，当光经过这些不同折射率的薄膜的时候，由于各层反射回来的光因相位角的改变而进行建设性干涉，然后互相结合再一起，得到强烈反射光。如果多膜层数变的非常多，而薄膜折射率 n1、n2、n3等等的差变得非常小时，光就如同在同一个介质里前进，反射系数变得非常小。由于光的多重干涉而造成干涉效果十分明显，因此对于波长的选择变非常敏锐，在使用类似光栅情形时，这样的周期性结构就被称为分布式布拉格反射器。在本实施例中，第一布拉格反射层202包含10至30对Al0.1GaAs/Al0.9GaAs反射层，每层光学厚度为四分之一激光器激射波长。每对第一布拉格反射层202的两个子层具有组份渐变特征，在邻近有源层204的两对第一布拉格反射层202为轻掺杂，P掺杂浓度不大于5*10^17/cm^3。其他对的P掺杂浓度范围为5*10^17/cm^3至5*10^18/cm^3。
氧化限制层203是紧贴在有源层204上方的一层化合物，这一层化合物经过氧化处理形成一圈不导电的氧化物，用于提高注入至量子阱有源层电流的收拢性。比如垂直腔面发射激光器中的高Al组分层在高温湿法氧化中被氧化成Al2O3，这种加工工艺（侧氧工艺）也是垂直腔面发射激光器芯片制程中的难点工艺。通过控制从外向内的氧化深度可以控制未氧化部分的孔径大小，也就是控制出光口径的大小。当向两个电极施加电压时，这个孔径的大小会影响纵向通过有源层204的电流，从而控制垂直腔面发射激光器的功率特性。通常氧化限制层的横向结构为圆形，所以垂直腔面发射激光器的出射光斑也基本是圆形。相比边缘发射激光器出射的椭圆形光斑，垂直腔面发射激光器的圆形光斑光束质量好，发散角小，易于准直处理，和光纤及其他光学元件耦合的效率也更高。
有源层204一般为厚度是0.1-0.3微米的窄带P型半导体，作为工作介质，其两侧分别为具有较宽带隙的P型和N型半导体，也即本实施例中的第一布拉格反射层202和第二布拉格反射层302。
绝缘层301用于将P型电极和半导体材料分隔开的绝缘材料层，防止用户触电受伤。
第二布拉格反射层302用于和第一布拉格反射层202相配合，形成两个反射镜面。通常垂直腔面发射激光器的第二布拉格反射层302反射率接近100%，第一布拉格反射层202反射率相对较低。第二布拉格反射层302层包含30至50对Al0.1GaAs/Al0.9GaAs反射层，每层光学厚度为四分之一激光器激射波长。每对第二布拉格反射层302的两个子层具有组份渐变特征，在邻近有源层204的两对第二布拉格反射层302为轻掺杂，N掺杂浓度不大于5*10^17/cm^3。其他对第二布拉格反射层302掺杂浓度范围为5*10^17/cm^3至5*10^18/cm^3。
衬底303是制造过程的起始点，是一种纯净的半导体材料，例如硅或砷化镓，用于为之后的材料生长提供物理支持，也即外延材料生长的基片。
优选的，衬底303采用的材料为GaAs或者InP等。
第一电极层304包络于绝缘层301的外侧。一般地，通过在加工工艺中，先光刻发光单元200后，再让外延材料延伸生长绝缘层301，在绝缘层301上腐蚀出上电极窗口，超声剥离光刻胶上的导电材料，形成第一电极层304。第一电极层304为P型电极。
第二电极层305具有相对设置的两侧面，一面与衬底303相连接，另一面与外部通电导体相接触。第二电极层305一般为N型电极。
在本实施例中，如图2所示，垂直腔面发射激光器包括且依次设置的接触层201、第一布拉格反射层202、氧化限制层203、有源层204、绝缘层301、第二布拉格反射层302、衬底303、第一电极层304和第二电极层305。一般的，衬底303、第二布拉格反射层302、有源层204、氧化限制层203、第一布拉格反射层202、接触层201均为外延材料。其中发光单元200包括接触层201、第一布拉格反射层202、氧化限制层203和有源层204，有源层204设置于第一布拉格反射层202和第二布拉格反射层302之间，其中有源层204与第一布拉格反射层202之间设置有氧化限制层203，绝缘层301包络于发光单元200和第二布拉格反射层302的外侧，第一电极层304包络于绝缘层301的外侧。通过在第二布拉格反射层302上阵列多个发光单元200，同时在接触层201上阵列多个衍射柱100，使一个垂直腔面发射激光器能产生多个随机光斑。电流从正电极注入，通过氧化限制层203中的氧化孔径注入到有源层204，满足受激辐射的条件后，产生光增益，产生的光子经过第一布拉格反射层202和第二布拉格反射层302反射，并在第一布拉格反射层202和第二布拉格反射层302形成的谐振腔种形成稳定的驻波，使受激辐射不断增强，激射光从反射率较小的第一布拉格反射层202出射，稳定输出光波。
本申请提供的一个实施例中，氧化限制层203材料为AlxGa1Asx；其中，氧化限制层203材料中的Al组份为0.95-0.99,用于在高温湿氧下可形成Al2O3绝缘层，氧化限制层203的折射率为1.75，用以限制电流和光场。
在本实施例中，一般为提高注入至量子阱有源层204电流的收拢性，垂直腔面发射激光器多采用湿氧化工艺将第一布拉格反射层202中的一层或多层高铝含量的AlxGa1Asx（x≥0.95且x≤0.99）层氧化成AlOx，位于有源层正上方的第一布拉格反射层202高铝层未被氧化，形成氧化孔，从而得到环状圆形电流通道，这一收拢的电流通道可以有效地降低垂直腔面发射激光器的阈值电流。由于氧化孔处的第一布拉格反射层202高铝层材料未被氧化，保持GaAs/AlxGa1Asx不变，折射率保持3-3.11，而氧化孔周围被氧化的第一布拉格反射层202高铝层材质由 AlxGa1Asx变成成为AlOx，折射率从3.11降低至1.75，由此产生的第一布拉格反射层202材料的折射率差可以极大地将有源层发出的光限制在垂直方向，激光器的光子寿命得到提高，进一步降低垂直腔面发射激光器的阈值电流。
本申请体提供的一个实施例中，有源层204为InGaAs/GaAs，InGaAs/AlGaAs，InGaAs/GaAsP多量子阱结构，量子阱的发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配；其中，量子阱上下两侧设有匹配层，用以调整垂直腔面发射激光器的波长。
在本实施例中，匹配层一方面起限制载流子的作用，另一方面调节谐振腔的长度，使其谐振波长正好是所需要的激光波长。
本申请体提供的一个实施例中，衍射柱100采用的材料为二氧化硅、氮化硅或氧化铝其中之一，厚度为100至400nm。
在本实施例中，衍射柱100采用透明材料可减少光的折射，提高光透性，其次，采用的衍射柱100的厚度为100-400nm的范围内，其实际厚度通过接触层201的外表面到发光单元200的顶部的距离而定，衍射柱100的高度不能大于凸出于发光单元200的外表面。
本申请提供的一个实施例中，如图5所示，还提供了一种垂直腔面发射激光器的制备工艺，用于制作上述任意一个实施例中的垂直腔面发射激光器，包括：
S1.在垂直腔面发射材料上光刻阵随机阵列的发光单元200，并将所述发光单元200外的区域刻蚀至有源层204之下；
S2.利用高温湿氧氧化该氧化限制层203中的铝组份层形成氧化孔径，对电流和光场进行限制；
S3.生长绝缘层301，并在绝缘层301上腐蚀出上电极窗口；
S4.超声剥离光刻胶上的导电材料，形成第一电极层304；
S5.覆盖透明介质层；
S6.光刻和刻蚀随机阵列的第一层的衍射柱100；
S7.生长材料并光刻第二层的衍射柱100；
S8.衬底303减薄；
S9.蒸发外延材料，得到第二电极层305，退火。
具体的，S1.在垂直腔面发射材料上光刻阵随机阵列的发光单元200，并将发光单元200外的区域刻蚀至有源层204之下。光刻是利用光刻板上的几何图形，通过化学反应，将图案转移到半导体外延材料（在本实施例中，外延材料包括衬底303、第二布拉格反射层302、有源层204、氧化限制层203、第一布拉格反射层202和接触层201）上的一种工艺。光刻时，把光刻胶均匀涂到外延材料上，然后将外延材料放到加热台上进行加热以增强光刻胶对外延材料的吸附力，再显微镜下将光刻板上的图形与外延材料对准，用紫外光进行曝光，光刻胶受到紫外光照射后会溶解在显影液中。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀，具体采用哪种方式本申请不做具体限定，为解释清楚，本实施例中采用干法刻蚀，便于精确控制刻蚀精度。
其中，光刻发光单元200随机阵列的步骤为：
S11．以R1为发光单元的半径,R2为正数，R2远大于R1，在整个阵列区域内进行密堆积排布以半径为R1+R2的大圆，得到所述大圆的圆心坐标｛xi,yi｝及所述大圆的总个数N；
其中，R1是每个发光单元200的直径，R2+R1是左右发光单元200所在的大圆的范围；
S12．随机产生2*N个范围在-0.5至0.5间的数，每2个为一组用于确定每个半径为R1的大圆的坐标｛xi,yi｝方向和偏移值，坐标变化幅度小于0.5倍R2；
其中，2*N是为了产生均匀分布的随机数，2个数为一组，确定一个发光单元的坐标；取值范围设置在（-0.5，0.5）是为了让每个发光点的位移在一定范围内，避免相互重叠造成干扰；
S13.去除不符合要求的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；
S14．将最后获得的坐标为圆心，R1为半径用于发光单元200的光刻版制作。
S2.利用高温湿氧将氧化限制层203中的铝组份层氧化并形成氧化孔径，对电流和光场进行限制。在本实施例中提供的氧化限制层203材料为AlxGa1Asx；其中，氧化限制层203材料中的Al组份为0.95-0.99,在420℃，N2/H20的气氛下，该氧化限制层203可以迅速被氧化成铝的氧化物绝缘层，从而达到对光和电流的限制作用，通过控制从外向内的氧化深度可以控制未氧化部分的孔径大小，也就是控制出光口径的大小，氧化限制层203中心没有被氧化，形成电流注入窗口。
S3.生长绝缘层301，并在绝缘层301上腐蚀出上电极窗口。在本实施例中，绝缘层301自第二布拉格反射层302生长包络于发光单元200的外周侧，也即包络于有源层204、氧化限制层203、第一布拉格反射层202和接触层201的外周侧。生长的绝缘层301用于刻蚀电极窗口，绝缘层的材料可以为SiO2或Si3N4，且厚度可以为200nm-300nm，对于绝缘层301材料和厚度，本申请不做限定。
S4.超声剥离光刻胶上的导电材料，形成第一电极层304。在绝缘层301上腐蚀出电极窗口后，在绝缘层表面生长导电材料，并超声剥离去除光刻胶和导电材料，留下电极窗口处的导电材料，以便在电极窗口处构成第一电极层304，一般第一电极层304为P型电极。
S5.覆盖透明介质层，将透明介质层覆盖连接到接触层201上，为下一步中光刻和刻蚀随机阵列的衍射柱100做准备。
需要注意的是，透明介质层的高度小于接触层201与发光单元200顶部的距离，避免光刻的衍射柱100凸出于发光单元200的外表面。
S6.光刻和刻蚀随机阵列的第一层的衍射柱100。光刻和刻蚀随机阵列的第一层的衍射柱100的步骤包括：
S61．以r1为衍射柱的半径，r2为正数，在所述大圆的出光孔径区域内以半径为r1+r2的小圆密堆积排布，得到所述小圆的圆心坐标｛xk,yk｝及所述小圆的总个数M；
S62．随机产生2*M个范围在-0.5至0.5间的数，每2个为一组用于确定每个半径为r1的小圆坐标｛xk,yk｝方向和偏移确定，坐标变化幅度小于0.5倍的r2；
S63.去除不符合要求的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；
S64.重复S61-S63，直至完成M*N个衍射柱100的坐标位置；
S65.将最后获得的坐标为圆心，r1为半径用于衍射柱100的光刻版制作。
S7.生长材料并光刻第二层的衍射柱100；
S71.用氧化硅填平第一层的衍射柱100之间的空缺处，至少填平，也可以填高；
S72.生长材料并光刻随机阵列的第二层的衍射柱100，光刻和刻蚀随机阵列的第二层的衍射柱100的步骤和制作第一层的衍射柱100的步骤相同或相似，不一一赘述。
S8.衬底303减薄。一般衬底303比较厚，为方便后期的欧姆接触等，需要对衬底303做减薄处理，一般可通过研磨的方式对衬底303进行减薄，减薄后的衬底303的表面需要进行抛光。
S9.蒸发外延材料得到第二电极层305，退火。在本实施例中，第二电极层305为N型电极，一般采用Au/Ge/Ni,当温度达到300℃时，Ge元素会非常迅速的扩散到衬底303的表面，并被Ni所俘获，当温度达到400℃时，Ge元素逐渐向半导体内部扩散，一部分能够达到界面附近，而另一部分则又被Ni/As所俘获；当温度大于400℃时，Ge元素能够渗入到GaAs半导体中，形成第二电极。在第二电极制作完成后，为了防止电极表面被氧化，要将外延材料在400℃的N2环境下进行退火。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：
多个衍射柱；
多个发光单元，各所述发光单元随机布局于衬底上，每个所述发光单元的出光面上随机分布多个所述衍射柱，且所述衍射柱与所述发光单元一体成型；
多个所述衍射柱分别设于多个层内，各层中的所述衍射柱均随机分布；
每层所述衍射柱均随机分布于上一层所述衍射柱沿高度方向上方的平面内。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：各所述衍射柱为柱状结构。
3.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：每层中的所述衍射柱的中心轴分别与其他层中的所述衍射柱一一对应。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述发光单元包括由上往下依次设置的接触层、第一布拉格反射层、氧化限制层以及有源层，所述衍射柱阵列于所述接触层上；
其中，所述有源层的发射谱中心波长与所述垂直腔面发射激光器的激射波长相匹配。
5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述垂直腔面发射激光器还包括第一电极层、绝缘层、第二布拉格反射层、衬底和第二电极层；
所述第二布拉格反射层设置于所述有源层背离与所述氧化限制层相连接的一侧，且所述第二布拉格反射层、所述衬底和所述第二电极层沿所述垂直腔面发射激光器高度方向从上到下依次设置；
所述绝缘层包裹于所述发光单元和所述第二布拉格反射层的外侧，所述第一电极层包裹于所述绝缘层的外侧。
6.一种垂直腔面发射激光器的制备工艺，用于制作权利要求5中所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，至少包括如下步骤：
在垂直腔面发射外延材料上光刻随机阵列的发光单元，并将所述发光单元外的区域刻蚀至有源层之下；
利用高温湿氧氧化所述氧化限制层中的铝组份层形成氧化孔径，对电流和光场进行限制；
生长绝缘层，并在所述绝缘层上刻蚀/腐蚀出上电极窗口，用于暴露至少部分接触层；
超声剥离光刻胶上的导电材料以形成第一电极；
覆盖透明介质层至接触层上；
在所述透明介质层上光刻和刻蚀随机阵列的第一层的衍射柱；
用氧化硅填平所述第一层的衍射柱后，生长材料并光刻随机阵列的第二层的衍射柱；
对衬底的厚度方向进行研磨；
蒸发所述外延材料形成第二电极后退火。
7.根据权利要求6所述垂直腔面发射激光器的制备工艺，其特征在于，所述光刻随机阵列的发光单元的步骤为：
以R1为发光单元的半径,R2为正数，R2远大于R1，在整个阵列区域内进行密堆积排布以半径为R1+R2的大圆，得到所述大圆的圆心坐标｛xi,yi｝及所述大圆的总个数N；
随机产生2*N个范围在-0.5至0.5间的数，每2个为一组用于确定每个半径为R1的大圆的坐标｛xi,yi｝方向和偏移值，坐标变化幅度小于0.5倍R2；
去除不符合要求的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；
将最后获得的坐标为圆心，R1为半径用于发光单元的光刻版制作。
8.根据权利要求7所述垂直腔面发射激光器的制备工艺，其特征在于，所述衍射柱光刻和刻蚀随机阵列的步骤包括：
以r1为衍射柱的半径，r2为正数，在所述大圆的出光孔径区域内以半径为r1+r2的小圆密堆积排布，得到所述小圆的圆心坐标｛xk,yk｝及所述小圆的总个数M；
随机产生2*M个范围在-0.5至0.5间的数，每2个为一组用于确定每个半径为r1的小圆坐标｛xk,yk｝方向和偏移确定，坐标变化幅度小于0.5倍的r2；
去除不符合要求的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；
重复上述步骤，直至完成M*N个所述衍射柱的坐标位置；
将最后获得的坐标为圆心，r1为半径用于所述衍射柱的光刻版制作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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