本發(fā)明屬于半導體激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種工藝簡單、低成本的高光束質(zhì)量大規(guī)模VCSEL同相耦合陣列。

背景技術(shù)：

高光束質(zhì)量大功率垂直腔面發(fā)射激光器陣列在泵浦、激光打印、自由空間光通信、高密度光存儲等領(lǐng)域具有廣泛的應用。同相耦合陣列不僅可以實現(xiàn)單模激射，而且能夠獲得近衍射極限的高光束質(zhì)量，遠場中心光強具有極大值，在光纖耦合等應用具有更大的優(yōu)勢。然而當陣列規(guī)模增大到一定程度時，需要采用網(wǎng)格電極來實現(xiàn)電流的均勻注入。但電極的引入使得陣列往往處于反相激射，遠場中心為暗斑，通常認為這是由于陣列處于倏逝波耦合。反波導中的泄露模耦合更容易實現(xiàn)同相激射并具有更好的穩(wěn)定性。雖然利用腔誘導反波導結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)同相耦合VCSEL陣列，然而腔誘導反波導結(jié)構(gòu)需要二次外延等復雜制備工藝，成本十分昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于質(zhì)子注入法的低成本、工藝簡單、帶網(wǎng)格電極的高光束質(zhì)量大規(guī)模VCSEL同相耦合陣列，即使采用網(wǎng)格電極，仍可以使VCSEL陣列獲得高光束質(zhì)量大功率的同相耦合輸出。這種陣列在載流子濃度、溫度及網(wǎng)格電極的共同作用下，也能形成特殊的反波導結(jié)構(gòu)，使陣列耦合方式為泄露模耦合，更容易實現(xiàn)同相激射。器件的俯視圖及結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。采用多次質(zhì)子注入實現(xiàn)出光單元間的電隔離，由于質(zhì)子注入?yún)^(qū)為絕緣區(qū)，因此載流子濃度近乎為零；而出光孔載流子濃度較高。因此，器件工作時，在不對稱的載流子濃度分布以及器件內(nèi)部溫度分布的影響下，會使得出光孔區(qū)域的有效折射率低于間隔區(qū)域的有效折射率，形成特殊的反波導結(jié)構(gòu)。而間隔區(qū)域的網(wǎng)格電極進一步加大了反波導的折射率臺階，使得同相耦合的難度降低。通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)質(zhì)子注入的深度d和單元間距，使得陣列滿足同相激射的條件，便能夠?qū)崿F(xiàn)同相耦合陣列。大大提高了陣列的光束質(zhì)量，可以應用于自由空間光互聯(lián)、激光雷達、激光打印、光纖通信、光泵浦等領(lǐng)域。

如圖2所示，VCSEL同相耦合陣列包括背面AuGeNi/Au電極(1)、N型GaAs襯底(2)、N型Al_(0.12-0.9)GaAs/Al_0.9GaAs交替生長的下DBR(3)、上下限制層(4)、量子阱有源區(qū)(5)、P型Al_0.12GaAs/Al_(0.9-0.12)GaAs交替生長的上DBR(6)、P型接觸層(7)、質(zhì)子注入?yún)^(qū)(8)、外部邊框大電極(9)、內(nèi)部網(wǎng)格電極(10)、納米薄金層(11)；外部邊框大電極(9)為頂部Ti/Au外電極；如圖2所示，該器件從下到上依次為背面AuGeNi/Au電極(1)、N型GaAs襯底(2)、34對N型Al_(0.12-0.9)GaAs/Al_0.9GaAs交替生長的下DBR(3)、上下限制層(4)、量子阱有源區(qū)(5)、22.5對P型Al_0.12GaAs/Al_(0.9-0.12)GaAs交替生長的上DBR(6)、P型接觸層(7)、質(zhì)子注入?yún)^(qū)(8)、外部邊框大電極(9)、內(nèi)部網(wǎng)格電極(10)、納米薄金層(11)。

所述VCSEL同相耦合陣列的出光單元間距為3μm～9μm，單元出光孔徑為4μm～7μm。

所述VCSEL同相耦合陣列的質(zhì)子注入?yún)^(qū)域上方的SiO₂質(zhì)子注入掩膜厚度為500nm～900nm。

所述VCSEL同相耦合陣列為質(zhì)子注入型陣列，第一次注入能量為315keV，第二次注入能量為250keV，兩次注入H⁺劑量均為1E15cm^-2。

所述VCSEL同相耦合陣列，可以通過改變質(zhì)子注入?yún)^(qū)域上方的SiO₂質(zhì)子注入掩膜厚度來調(diào)節(jié)質(zhì)子濃度峰值的位置。

所述VCSEL同相耦合陣列，注入的質(zhì)子濃度峰值的位置距離表面為2.2μm～2.8μm。

所述VCSEL同相耦合陣列的網(wǎng)格電極，其外部邊框大電極寬度為10μm-30μm，內(nèi)部網(wǎng)格電極寬度為2μm-6μm。

所述VCSEL同相耦合陣列的網(wǎng)格電極，其外部邊框大電極與內(nèi)部網(wǎng)格電極相連。

所述VCSEL同相耦合陣列的網(wǎng)格電極，其外部邊框大電極與陣列單元間距為1μm-3μm，網(wǎng)格電極與單元間距為0.5μm-3μm；

本發(fā)明所帶來的有益效果如下：

采用質(zhì)子注入法實現(xiàn)出光單元間的電隔離，結(jié)合網(wǎng)格電極及納米薄金層提供均勻的電流注入，在載流子濃度、溫度分布以及網(wǎng)格電極的影響下形成獨特的反波導結(jié)構(gòu)，通過適當?shù)恼{(diào)節(jié)質(zhì)子注入的深度，使得陣列滿足同相激射的條件，便能夠得到高光束質(zhì)量的同相耦合陣列。該種方法成本低、工藝簡單，易于推廣和應用。

附圖說明

圖1：本發(fā)明提出的陣列俯視圖；

圖2：本發(fā)明提出的高光束質(zhì)量大規(guī)模VCSEL同相耦合陣列示意圖；

圖3：采用MOCVD外延生長得到的外延片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4：外延片表面生長二氧化硅示意圖；

圖5：濺射并剝離鎳后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6：ICP刻蝕出的掩膜示意圖；

圖7：質(zhì)子注入后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8：濕法腐蝕二氧化硅后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9：濺射并剝離后的頂部金屬外電極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10：光刻并濺射制備的網(wǎng)格電極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11：濺射納米薄金層后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12：襯底減薄并濺射背面電極后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、背面AuGeNi/Au電極，2、N型GaAs襯底，3、34對N型Al_(0.12-0.9)GaAs/Al_0.9GaAs交替生長的下DBR，4、上下限制層，5、量子阱有源區(qū)，6、22.5對P型Al_0.12GaAs/Al_(0.9-0.12)GaAs交替生長的上DBR，7、P型接觸層，8、質(zhì)子注入?yún)^(qū)，9、外部邊框大電極，10、內(nèi)部網(wǎng)格電極，11、納米薄金層，12、二氧化硅層，13、濺射的金屬鎳。

具體實施方式

下面結(jié)合圖4-圖12分別介紹高光束質(zhì)量大規(guī)模VCSEL同相耦合陣列的制備方法的具體實施方式；

步驟1、采用金屬有機物化學氣相淀積(MOCVD)在N-GaAs上依次外延生長三十四對n-Al_(0.12-0.9)GaAs與n-Al_0.9GaAs構(gòu)成DBR反射鏡，Al_(0.12-0.9)GaAs/Al_0.9GaAs下限制層，三對Al_0.3GaAs/GaAs量子阱結(jié)構(gòu)有源區(qū)，Al_0.9GaAs/Al_(0.12-0.9)GaAs上限制層，22.5對p-Al_0.12GaAs與p-Al_(0.9-0.12)GaAs構(gòu)成DBR反射鏡，p-Al_0.12GaAs與p-GaAs重摻雜接觸層；

步驟2、利用等離子體增強化學氣相淀積(PECVD)在上述得到的外延片表面生長一層3.2μm的二氧化硅；

步驟3、利用反轉(zhuǎn)膠做光刻和濺射工藝在出光孔上方二氧化硅濺射一層的金屬鎳，用丙酮結(jié)合超聲剝離掉除出光孔外其他區(qū)域的鎳；

步驟4、利用感應耦合等離子體刻蝕方法(ICP)刻蝕除出光孔外其他區(qū)域的二氧化硅，刻蝕厚度為2.4μm，余下0.8μm防止質(zhì)子注入時產(chǎn)生溝道效應和控制質(zhì)子注入深度，從而完成質(zhì)子注入掩膜的制作；

步驟5、利用質(zhì)子注入法在上述得到的片子中進行H⁺注入，第一次注入能量為315keV，第二次注入能量為250keV，兩次注入劑量均為1E15cm^-2；

步驟6、利用光刻膠保護對版標記，用濕法腐蝕法去除二氧化硅；

步驟7、利用反轉(zhuǎn)膠做光刻和濺射工藝在注入?yún)^(qū)正上方表面濺射的Ti/Au外部邊框大電極，用丙酮結(jié)合超聲剝離掉出光孔區(qū)域的金屬；

步驟8、利用光刻和濺射工藝濺射制備內(nèi)部Ti/Au網(wǎng)格電極，對應厚度為

步驟9、利用濺射工藝濺射6nm的納米薄金層；

步驟9、使用磨片機將襯底磨薄到100μm左右，濺射的AuGeNi/Au背面電極；

步驟10、利用快速熱退火使片子形成良好的歐姆接觸；

步驟11、解理，壓焊，封裝；

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和構(gòu)思的前提下作出的任何修改、替換和改進等，均應認為包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。