阅读说明：本技术 一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器及其制备方法 (High-order mode selection suppression type vertical surface emitting laser and preparation method thereof ) 是由 王岩 罗帅 季海铭 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光子光电子器件设计、制作领域,尤其涉及一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器及其制备方法,其特征在于,高阶模选择抑制型垂直面发射激光器包括由下至上依次设置的N电极层、衬底、下布拉格反射层和发光单元圆台,发光单元圆台随机均匀分布于下布拉格反射层上构成随机单元阵列,相邻两发光单元圆台之间设有间隙；发光单元圆台包括由下至上依次设置的有源区、氧化限制层、上布拉格反射层、接触层、透明介质层,透明介质层具有不同刻蚀图案形成了高阶模选择抑制结构,高阶模选择抑制结构刻蚀图案的刻蚀深度满足四分之一波长相位相消条件。本发明实现高阶模抑制,保证光输出效率不受影响,稳定性强。(The invention relates to the field of design and manufacture of photonic optoelectronic devices, in particular to a high-order mode selection suppression type vertical surface emitting laser and a preparation method thereof, which are characterized in that the high-order mode selection suppression type vertical surface emitting laser comprises an N electrode layer, a substrate, a lower Bragg reflection layer and a light emitting unit circular table which are sequentially arranged from bottom to top, the light emitting unit circular table is uniformly distributed on the lower Bragg reflection layer at random to form a random unit array, and a gap is arranged between two adjacent light emitting unit circular tables; the light-emitting unit round platform comprises an active region, an oxidation limiting layer, an upper Bragg reflecting layer, a contact layer and a transparent medium layer which are sequentially arranged from bottom to top, wherein the transparent medium layer is provided with different etching patterns to form a high-order mode selection inhibiting structure, and the etching depth of the etching patterns of the high-order mode selection inhibiting structure meets the quarter-wavelength phase cancellation condition. The invention realizes high-order mode suppression, ensures that the light output efficiency is not influenced and has strong stability.)

一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光子光电子器件设计、制作领域，尤其涉及一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器及其制备方法。

背景技术

结构光方法是一种主动式光学测量技术，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有计算简单、体积小、价格低、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用。当采用光面结构光时，将二维的结构光图案投射到物体表面上，这样不需要进行扫描就可以实现三维轮廓测量，测量速度很快，随机编码结构光具有高匹配精度和鲁棒性,将其投射到被测物体表面,使物体表面具有丰富的纹理信息,从而使立体匹配不受自身表面纹理的影响,而且具有较强的抗外界噪音的能力,满足现场测量的要求。

目前这种随机分布的结构光一般是通过激光束照射到光栅等随机衍射光学元件上产生，该结构光对每个单元发光模式及光斑形状有很高要求，光斑形状包括高斯型，“兔耳型”，超高斯型等，需要对每个发光单元激射模式进行精确控制，目前发布产品，主要还是通过氧化孔径的方式来控制；本发明提出一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器及其制备方法用于产生三维建模三维人脸或其他物体识别所应用的结构光。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器及其制备方法，实现高阶模抑制，保证光输出效率不受影响，稳定性强。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器，包括N电极层；

衬底，设于N电极层上；

下布拉格反射层，设于衬底上；

发光单元圆台，随机均匀分布于下布拉格反射层上构成随机单元阵列，相邻两发光单元圆台之间设有间隙；其中，发光单元圆台包括：

有源区，设于下布拉格反射层上；

氧化限制层，设于下布拉格反射层上，其中心设有氧化孔径；

上布拉格反射层，设于氧化限制层上；

接触层，设于上布拉格反射层上；

P电极层，设于接触层上；

透明介质层，设于接触层上；透明介质层具有不同刻蚀图案形成了高阶模选择抑制结构，高阶模选择抑制结构刻蚀图案的刻蚀深度满足四分之一波长相位相消条件。

按以上方案，高阶模选择抑制结构的刻蚀图案包括圆环图案、四个月牙图案和环状排列楔形图案；对于LP13、LP12高阶模的抑制采用圆环图案，对于LP11模的抑制采用四个月牙图案，对于基模LP01以外高阶模式的抑制采用环状排列楔形图案；几种图案的组合应用实现模式的选择性抑制。

按以上方案，所述P电极层包裹于发光单元圆台及以外区域，位于发光单元圆台上方中部的P电极层开口形成上电极窗口，所述透明介质层设于上电极窗口处；上电极窗口外缘的P电极层与接触层接触；发光单元圆台及以外区域与P电极层之间设有绝缘层。

按以上方案，所述下布拉格反射层包含30～50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，每对反射层的两个子层具有组份渐变特征；在邻近有源区的两对下DBR为轻掺杂，N掺杂浓度不大于5×10^17/cm³，其他对下DBR掺杂浓度范围为5×10^17/cm³～5×10^18/cm³；所述上布拉格反射层包含10～30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，每对反射层的两个子层具有组份渐变特征；在邻近有源区的两对上DBR为轻掺杂，P掺杂浓度不大于5×10^17/cm³，其他对上DBR掺杂浓度范围为5×10^17/cm³～5×10^18/cm³。

按以上方案，所述有源区为InGaAs/GaAs，InGaAs/AlGaAs，InGaAs/GaAsP多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配；多量子阱上下两侧有匹配层，用以调整腔模波长。

按以上方案，所述氧化限制层为高铝组份层，材料为AlGaAs，在高温湿氧情况下形成Al₂O₃绝缘层，用以限制电流和光场。

按以上方案，所述接触层为p型高掺杂GaAs材料，厚度为5nm～50nm，掺杂浓度为1×10^19/cm³～5×10^19/cm³。

一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器的制备方法，其特征在于：

步骤1)：制备用于光刻出发光单元圆台的光刻版；

步骤2)：利用光刻板在常规垂直腔面发射外延材料上光刻出发光单元圆台，并将圆台外区域刻蚀至外延材料的有源区之下；

步骤3)：利用高温湿氧氧化高铝组份层，形成氧化孔径，对电流和光场进行限制；

步骤4)：生长绝缘层，并腐蚀出上电极窗口；

步骤5)：光刻及金属剥离形成P电极层；

步骤6)：覆盖透明介质层；

步骤7)：光刻、刻蚀各发光单元圆台的高阶模选择抑制结构刻蚀图案；

步骤8)：晶片减薄；

步骤9)：蒸发N电极层，退火。

按以上方案，所述步骤1)具体为：

步骤1.1)：设发光单元圆台的半径为R1，首先按照将半径为R1+R2的圆在阵列区域进行密堆积排布，获得半径为R1+R2的圆的圆心坐标{xi，yi}以及总个数N，其中，R2为正数；步骤1.2)：利用均匀分布随机数产生方法，产生4×N个-0.5～0.5范围的随机数，每4个为一组用于确定每个半径为R1的圆的坐标{xi，yi}方向和偏移，坐标变化幅度小于0.5倍R2；步骤1.3)：筛查并去除不符合要求坐标变化幅度小于0.5倍R2的坐标，重新生成符合要求的坐标；

步骤1.4)：以最后获得的坐标为圆心，R1为半径制作光刻版。

按以上方案，所述常规垂直腔面发射外延材料包括由下至上依次层叠的衬底、下布拉格反射层、有源区、氧化限制层、上布拉格反射层和接触层。

按以上方案，步骤6)中透明介质层的材料为氮化硅或者二氧化硅，厚度为100～400nm。

按以上方案，所述步骤7)具体为：刻蚀高阶模选择抑制结构图案的深度满足四分之一波长相位相消条件；对于LP13、LP12高阶模的抑制采用圆环图案，对于LP11模的抑制采用4个月牙图案，对于基模LP01以外高阶模式的抑制采用环状排列楔形图案。

本发明具有如下有益效果：

一、本发明发光单元圆台随机排布具有局部限制特性，不影响制备工艺；

二、每个发光单元圆台中通过高阶模选择抑制结构来实现发光单元模式选择，控制光斑图案，可用于三维图像识别的结构光源，通过特定位置透明介质层厚度控制光场相干相消实现高阶模抑制，保证光输出效率不受影响；

三、本发明均用成熟半导体工艺，在芯片阶段完成制作，大幅度降低成本，减少组件，提高模块的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例整体结构示意图；

图2为本发明实施例沿发光单元圆台直径的剖视结构示意图；

图3为本实施例中对于LP13、LP12高阶模抑制的高阶模选择抑制结构图案；

图4为本实施例中对于LP11模的抑制的高阶模选择抑制结构图案；

图5为本实施例中对于基模LP01以外高阶模抑制的高阶模选择抑制结构图案。

附图标记：1、N电极层；2、衬底；3、下布拉格反射层；4、有源区；5、氧化限制层；501、氧化孔径；6、上布拉格反射层；7、接触层；8、P电极层；9、透明介质层；901、刻蚀图案；10、绝缘层；100、发光单元圆台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参考图1至图5，本发明为一种高阶模选择抑制型垂直面发射激光器，其包括N电极层1、设于N电极层1上的衬底2、设于衬底2上的下布拉格反射层3(下DBR层)和随机均匀分布于下布拉格反射层3上的发光单元圆台100，发光单元圆台100构成随机单元阵列，相邻两发光单元圆台100之间设有间隙；其中，发光单元圆台100包括：设于下布拉格反射层3上的有源区4、设于下布拉格反射层3上且其中心设有氧化孔径501的氧化限制层5、设于氧化限制层5上的上布拉格反射层6(上DBR层)、设于上布拉格反射层6上的接触层7、设于接触层7上的P电极层8和设于接触层7上的透明介质层9，透明介质层9具有不同刻蚀图案901形成了高阶模选择抑制结构，高阶模选择抑制结构刻蚀图案901的刻蚀深度满足四分之一波长相位相消条件；氧化限制层5中部没有被氧化，氧化孔径501两边为被氧化区；图1为发光单元圆台100形成随机单元阵列的示意图，发光单元圆台100及以外区域外部包裹绝缘层10和P电极层8；P电极层8包裹于发光单元圆台100及以外区域，位于发光单元圆台100上方中部的P电极层8开口形成上电极窗口，透明介质层9设于上电极窗口处；上电极窗口外缘的P电极层8与接触层3接触；发光单元圆台100及以外区域与P电极层8之间设有绝缘层10。

参阅图2至图5，高阶模选择抑制结构的实现在于每个发光单元圆台100内部通过特殊刻蚀图案901刻蚀到指定厚度使高阶模实现相位相消，抑制其激射，具体为：对于LP13、LP12高阶模的抑制采用圆环图案，对于LP11模的抑制采用4个月牙图案，对于基模以外高阶模式的抑制采用环状排列楔形图案；几种图案的组合应用实现模式的选择性抑制。

本发明实施例中，衬底2材料为GaAs或者InP等。

下布拉格反射层3包含30～50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，每对反射层的两个子层具有组份渐变特征；在邻近有源区的两对下DBR为轻掺杂，N掺杂浓度不大于5×10^17/cm³，其他对下DBR掺杂浓度范围为5×10^17/cm³～5×10^18/cm³。

有源区4为InGaAs/GaAs,InGaAs/AlGaAs,InGaAs/GaAsP等多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配。多量子阱上下两侧有匹配层，用以调整腔模波长。

氧化限制层5材料为AlGaAs，Al组份为0.95～0.99，该层在高温湿氧情况下可形成Al₂O₃绝缘层，由高折射率3左右变为低折射率1.75左右，用以限制电流和光场。

上布拉格反射层6包含10～30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，每对反射层的两个子层具有组份渐变特征；在邻近有源区的两对上DBR为轻掺杂，P掺杂浓度不大于5×10^17/cm³，其他对上DBR掺杂浓度范围为5×10^17/cm³～5×10^18/cm³。

接触层7其为P型高掺杂GaAs材料，厚度为5nm～50nm，掺杂浓度为1×10^19/cm³～5×10^19/cm³。

本发明还包括上述高阶模选择抑制型垂直面发射激光器的制备方法，其步骤为：

步骤1)：制备用于光刻出发光单元圆台100的光刻版，对随机单元阵列进行排布；具体为：

步骤1.1)：设发光单元圆台100的半径为R1，首先按照将半径为R1+R2的圆在整个阵列区域进行密堆积排布，获得半径为R1+R2的圆的圆心坐标{xi，yi}以及总个数N，其中，R2为正数；

步骤1.2)：利用均匀分布随机数产生方法，产生4×N个-0.5～0.5范围的随机数，每4个为一组用于每个半径为R1的圆的坐标{xi，yi}方向和偏移确定，坐标变化幅度小于0.5倍R2；

步骤1.3)：根据工艺和随机分布效果进行筛查，去除不符合要求坐标变化幅度小于0.5倍R2的坐标，重新单独生成符合要求的坐标；

步骤1.4)：以最后获得的随机分布坐标为圆心，R1为半径制作光刻版；

步骤2)：利用光刻板在常规垂直腔面发射外延材料上光刻出发光单元圆台100，并将圆台外区域刻蚀至外延材料的有源区4之下；常规垂直腔面发射外延材料包括由下至上依次层叠的衬底2、下布拉格反射层3、有源区4、氧化限制层5、上布拉格反射层6和接触层7；

步骤3)：利用高温湿氧氧化高铝组份层，形成氧化孔径，对电流和光场进行限制；

步骤4)：生长绝缘层10，并腐蚀出上电极窗口；绝缘层材料一般为二氧化硅或者氮化硅；

步骤5)：光刻及金属剥离形成P电极层8；

步骤6)：覆盖透明介质层9；透明介质层9材料为氮化硅或者二氧化硅，厚度为100～400nm；

步骤7)：光刻、刻蚀各发光单元圆台100的高阶模选择抑制结构刻蚀图案901；高阶模选择抑制结构刻蚀图案901的深度满足四分之一波长相位相消条件；对于LP13、LP12高阶模的抑制采用圆环图案，对于LP11模的抑制采用4个月牙图案，对于基模LP01以外高阶模式的抑制采用环状排列楔形图案；

步骤8)：晶片减薄；

步骤9)：蒸发N电极层1，退火。

本发明对垂直腔面发射激光器的随机单元阵列进行了排布，随机单元阵列排布具有局部限制特性，不影响工艺制备加工；对每个发光单元圆台100的高阶模选择抑制，对每个发光单元圆台100中高阶模选择抑制结构的实现方法在于通过特定位置透明介质层厚度即刻蚀图案厚度控制光场相干相消实现高阶模抑制，保证光输出效率不受影响；本发明对垂直腔面发射激光器随机单元阵列进行制备，制备实现方法在于为了满足随机单元阵列随机分布及每个发光单元圆台100图形化薄膜相位控制的特点所采取的制备工艺步骤；本发明具有成本低、结构紧凑、性能可靠的特点。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。