垂直腔面发射激光器阵列及改善其该阵列性能的方法
阅读说明：本技术 垂直腔面发射激光器阵列及改善其该阵列性能的方法 (Vertical cavity surface emitting laser array and method for improving performance of array ) 是由 李�浩 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种垂直腔面发射激光器阵列及改善其该阵列性能的方法,属于垂直腔面发射激光器技术领域。解决了现有技术存在的功率转换效率、输出功率和出光均匀性较差的技术问题。该垂直腔面发射激光器阵列,包括半导体层及形成于一个半导体层上的若干阵列单元,每个阵列单元均存在氧化沟槽、台面、环以及出光面,出光面存在有电极,台面中设有氧化层,氧化层内存在出光孔,阵列单元中至少部分阵列单元的氧化沟槽、台面、环、电极四者中的任意一者或多者的形状为不规则形状以使出光孔的形成不规则形状,至少一部分阵列单元中不同的阵列单元的出光孔的形状彼此不同。本发明用于提高垂直腔面发射激光器阵列的功率转换效率、输出功率和出光均匀性。(The invention discloses a vertical cavity surface emitting laser array and a method for improving the performance of the array, and belongs to the technical field of vertical cavity surface emitting lasers. The technical problems of poor power conversion efficiency, output power and light emitting uniformity in the prior art are solved. The vertical cavity surface emitting laser array comprises a semiconductor layer and a plurality of array units formed on the semiconductor layer, wherein each array unit is provided with an oxidation groove, a table top, a ring and a light-emitting surface, electrodes are arranged on the light-emitting surface, an oxidation layer is arranged in the table top, light-emitting holes are formed in the oxidation layer, the shape of any one or more of the oxidation groove, the table top, the ring and the electrodes of at least part of the array units in the array units is irregular so that the light-emitting holes form irregular shapes, and the shapes of the light-emitting holes of different array units in at least part of the array units are different from one another. The invention is used for improving the power conversion efficiency, the output power and the light-emitting uniformity of the vertical cavity surface emitting laser array.)
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别是涉及一种垂直腔面发射激光器(英语为：vertical—cavitysurface—emittinglaser，简称：VCSEL)阵列及改善该垂直腔面发射激光器阵列性能的方法。
背景技术
垂直腔表面发射激光器是近年来迅速发展起来的一种新型的有源半导体激光器件。
近年来，垂直腔面发射激光器发展迅速并以其低的阈值电流，高的调制频率和低的功率损耗等优点而倍受光通讯领域的青睐。目前，垂直腔表面发射激光器的应用主要集中在小功率场合，如光通讯、光互连、计算机与光信息处理等，但事实上垂直腔表面发射激光器的大功率应用领域更为广阔，例如激光测距、激光雷达、激光引信和激光医疗等。为了提高半导体激光器的输出功率，一般采用多个发光单元集成的方法。与传统的边发射半导体激光器相比，垂直腔面发射激光器列阵的制作更加简单。
现有技术至少存在以下技术问题：
参阅图1、图2和图3所示，现有的垂直腔表面发射激光器包括沿一方向依次设置的p-金属(英语为：top p-metal)1、台面(英语为：mesa)2、台面(英语为：mesa)3、衬底8和n型金属(英语为：n-metal)9，在台面2、台面3中分别设有p型DBR(英语为：p-type top DBR)4、n型DBR(英语为：n-type DBR，DBR全称为：Distributed Bragg Reflector)5，在台面2、台面3中还均设有氧化层(英语为：oxide layer)11、12，氧化层内形成有出光孔(英语为：oxidation aperture，亦称氧化物光圈)10，同时台面(英语为：mesa)3中分布有由量子阱(英语为：QWs)形成的有源区(英语为：Active region)7以及谐振腔(英语为：cavity)6。其中台面是在VCSEL的外延结构上开设氧化沟槽(英语为：trench for oxidation)后形成。由于激光是从VCSEL顶部出来，所以光模式(英语为：light mode)和轮廓(英语为：profile)强烈依赖于p-金属的形状、出光孔的形状，而这又是由台面和氧化沟槽形状所决定的。
目前市场对于垂直腔面发射激光器阵列的有着巨大需求，同时对其器件密度和尺寸小型化也提出了更高的要求。本领域技术人员长久以来普遍认为：保证不同发光点沟道形貌的一致性是保障器件密度的重要因素之一。
如图4-图5所示，垂直腔面发射激光器阵列中所有的阵列单元都是相同的，且均匀分布。本申请人经过创造性劳动后发现：对于垂直腔面发射激光器阵列而言，需要更好地控制光模式下单个垂直腔面发射激光器阵列的发射。在不管理和控制光学模式的情况下，它会在远场产生干扰，在某些发射极模式跳变时会导致功率变化，降低远场均匀性。
如图6所示，现有技术中，垂直腔面发射激光器阵列通过对基于III-V族材料的外延层进行加工后形成。更具体地，在其制备工艺中，可以通过刻蚀到GaAs层而形成台面及氧化沟道，进而利用氧化沟道，可以在氧化反应设备中对外延层中的AlGaAs层进行氧化，从而形成氧化层及出光孔10，其中，台面2、氧化沟道及上电极(例如p电极1)均是圆环形的，而出光孔10是圆形的。
综上所述，现有的垂直腔面发射激光器的每个阵列单元的形状均为对称形状，不同的阵列单元均是相同结构，且均匀分布，此种构造不同的阵列单元在远场会产生干扰，降低远场均匀性，导致功率转换效率(英语为：Power converting efficiency，简写为:PCE)、输出功率和出光均匀性较差。
发明内容
本发明提供了一种垂直腔面发射激光器阵列及改善该垂直腔面发射激光器阵列性能的方法。解决了现有技术存在的功率转换效率、输出功率和出光均匀性较差的技术问题。
本发明实施例至少提供了如下技术方案：
本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器阵列，包括半导体层以及形成于一个半导体层上的
若干阵列单元，每个阵列单元均存在氧化沟槽、台面、环以及出光面，出光面存在有电极，台面中设有氧化层，氧化层内存在出光孔，所述阵列单元中至少部分所述阵列单元的氧化沟槽、台面、环、电极四者中的任意一者或多者的形状为不规则形状以使所述出光孔的形成不规则形状，且不同的所述阵列单元的所述出光孔的形状彼此不同。
优选或可选地，所述不规则形状为非对称的形状。
优选或可选地，所述阵列单元中至少一个阵列单元的氧化沟槽和/或台面的内周轮廓为不规则环形。
优选或可选地，所述氧化沟槽为连续的环形，并且所述氧化沟槽的内周轮廓是不规则环形。
优选或可选地，位于同一个阵列单元上的氧化沟槽的局部区域的形状与其余区域的形状不同。
优选或可选地，所述氧化沟槽整体呈环形并包括间隔设置的多个片段，其中至少两个片段的形状不同。
优选或可选地，所述形状不同包括尺寸不同、长度尺寸与宽度尺寸的比例不同。
优选或可选地，所述氧化沟槽整体呈环形并包括间隔设置的多个片段，其中至少一片段和与之相邻的两个片段之间的距离不同。
优选或可选地，至少两个相邻的所述阵列单元具有相同的结构且各自均具有沿径向方向延伸的中心线，且彼此的沿径向方向延伸的中心线不互相平行。
优选或可选地，至少两个相邻的所述阵列单元的氧化沟槽、台面、环、电极四者中的任意一者或多者形状互不相同。
本发明实施例提供的改善本发明任一技术方案提供的垂直腔面发射激光器阵列性能的方法，包括步骤：至少通过调整所述垂直腔面发射激光器阵列中至少一个阵列单元的氧化沟槽、台面、环、电极中的任意一者或多者的形状和/或尺寸，以调整出光孔的形状和/或尺寸，提升VCSEL器件的功率转换效率、输出功率和/或出光均匀性。
优选或可选地，还包括以下步骤：
依据所述出光孔的形状和/或尺寸，对位于相应阵列单元的出光面上的所述电极形状和/或尺寸进行调整，使两者相匹配。
上述任一技术方案至少可以产生如下的技术效果：
本发明中由于出光孔为不规则形状，且至少一部分阵列单元中不同的阵列单元的出光孔的形状彼此不同，所以不同的阵列单元在远场不易产生干扰，远场均匀性更好，功率转换效率、输出功率更高和出光均匀性也更为均匀，所以解决了现有技术存在的功率转换效率、输出功率和出光均匀性较差的技术问题。
附图说明
图1为现有的一种垂直腔面发射激光器剖切结构的示意图；
图2是现有的一种垂直腔面发射激光器的剖视示意图；
图3是现有的一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图4是现有的一种垂直腔面发射激光器的由扫描电子显微镜(SEM)拍摄的照片；
图5是现有的另一种垂直腔面发射激光器的由扫描电子显微镜(SEM)拍摄的照片；
图6是现有的一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图7是现有的另一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图8是本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图9是本发明实施例提供的另一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图10是本发明实施例提供的再一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图11是本发明实施例提供的又一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图12是本发明实施例提供的又一种垂直腔面发射激光器的俯视图；
图13是本发明实施例提供的又一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图；
图14是本发明实施例提供的又一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图；
图15是本发明实施例提供的又一种垂直腔面发射激光器阵列的俯视图；
图中：1、p-金属；2、台面；3、台面；4、p型DBR；5、n型DBR；6、谐振腔；7、有源区；8、衬底；9、n型金属；10、出光孔；11、氧化层；12、氧化层；13、氧化沟槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合图1-图15对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图6-图15所示，本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器阵列，包括半导体层以及形成于一个半导体层上的若干阵列单元，每个阵列单元均存在氧化沟槽、台面2、环以及出光面，出光面存在有电极(图7中以P-金属1为例)，台面2中设有氧化层，氧化层内存在出光孔10，阵列单元中至少部分阵列单元的氧化沟槽、台面2、环、电极四者中的任意一者或多者的形状为不规则形状(例如：形状可以是介于圆形和四方形之间的一种非对称形状)以使出光孔10的形成不规则形状，且至少一部分阵列单元中不同的阵列单元的出光孔10的形状彼此不同。
本发明中由于出光孔10为不规则形状，且至少一部分阵列单元中不同的阵列单元的出光孔10的形状彼此不同，所以不同的阵列单元在远场不易产生干扰，远场均匀性更好，功率转换效率、输出功率更高和出光均匀性也更为均匀。
作为可选地实施方式，不规则形状可以为非旋转对称形状，优选为(完全的)非对称的形状。通过调整氧化沟槽、台面2、环、电极四者中的任意一者或多者的形状可以控制、调控光学模式，并提供稳定的光学模式。当然，本发明也可根据实际需要来决定需要调整的氧化沟道内周区域的尺寸和位置，最终来调控出光孔10的形状。
作为可选地实施方式，阵列单元中至少一个阵列单元的氧化沟槽和/或台面2的内周轮廓为不规则环形。存在多个阵列单元的情况下，可以部分阵列单元的氧化沟槽和/或台面2的内周轮廓为不规则环形，部分为规则环形。如图7所示，本发明通过对其中氧化沟道及台面2的加工条件等进行小幅调控，使得氧化沟道内周的不同部位具有不同形状，从而使得氧化沟道内周呈现为不规则环形，进而使出光孔10的形状也是不规则的。
作为可选地实施方式，氧化沟槽为连续的环形，并且氧化沟槽的内周轮廓是不规则环形。本发明可以通过对其氧化沟道及台面2的加工条件等进行小幅调控，使得氧化沟道的不同片段的长度及间距不同，从而使得氧化沟道内周呈现为不规则环形，进而使出光孔10的形状也是不规则的，例如可以使外周的局部区域外凸为刺状的圆形。同样的，通过采用这样的设计，可以控制、调控光学模式，并提供稳定的光学模式。不规则环形的具体形状可以为多种规则形状的组合或拼合，例如弧线与多边形的组合，介于椭圆与正方形之间的一种形状或介于圆形与长方形或五边形之间的一种形状。
作为可选地实施方式，位于同一个阵列单元上的氧化沟槽的局部区域的形状与其余区域的形状不同。此种结构同一个阵列单元上形成的氧化沟槽会成为不规则形状。
如图9所示，本发明可以通过刻蚀到GaAs层而形成台面2及氧化沟道，进而利用所述氧化沟道，可以在氧化反应设备中对外延层中地AlGaAs层进行氧化，从而形成氧化层及出光孔10。其中，台面2、氧化沟道整体呈环形但由多个间隔设置的片段组合形成，而上电极(例如p电极)是圆环形的，出光孔10是接近圆形的形状。
作为可选地实施方式，氧化沟槽整体呈环形并包括间隔设置的多个片段，其中至少两个片段的形状不同。如图10所示，组成氧化沟道的至少部分片段也可以是不规则形状的，进而使得出光孔10也是不规则的。本发明中形状不同包括尺寸不同、长度尺寸与宽度尺寸的比例不同。
作为可选地实施方式，氧化沟槽整体呈环形并包括间隔设置的多个片段，其中至少一片段和与之相邻的两个片段之间的距离不同。如图9所示，本发明垂直腔面发射激光器其主体结构也可以利用本领域技术人员熟知的工艺制作，并可以通过对其氧化沟道及台面2的加工条件等进行了小幅调控，使氧化沟道的不同片段的长度及间距不同，氧化沟道内周呈现为不规则环形，进而使出光孔10的形状也是不规则的。
作为可选地实施方式，本发明中形成于一个半导体层上的若干阵列单元可以如图13所示各个阵列单元彼此都是相同的，且均匀分布。也可以不是均匀分布的。
作为可选地实施方式，至少两个相邻的阵列单元具有相同的结构且各自均具有沿径向方向延伸的中心线，且彼此的沿径向方向延伸的中心线不互相平行。此种结构也可以理解为两个阵列单元的沿径向方向延伸的中心线取向不同。
如图14所示，在本发明中可以通过将图13所示垂直腔面发射激光器阵列内的一些阵列单元绕其中心点旋转一定角度，从而消除因均一阵列中各阵列单元在工作时彼此干扰的问题。
作为可选地实施方式，至少两个相邻的阵列单元的氧化沟槽、台面2、环、电极四者中的任意一者或多者形状互不相同。如图15所示，在本发明中可以在对图13所示VCSEL阵列内的一些阵列单元进行旋转的情况下，同时依据以上实施例对其中各个阵列单元的结构、分布位置等进行调整，从而能更为有效的消除因均一阵列中各阵列单元在工作时彼此干扰的问题。
本发明实施例提供的改善本发明任一技术方案提供的垂直腔面发射激光器阵列性能的方法，至少通过调整本发明任一技术方案提供的垂直腔面发射激光器阵列中至少一个阵列单元的氧化沟槽、台面2、环、电极中的任意一者或多者的形状和/或尺寸，以调整出光孔10的形状和/或尺寸，提升垂直腔面发射激光器的功率转换效率、输出功率和/或出光均匀性。
改变氧化沟槽、台面2、环、电极中的任意一者或多者的形状和/或尺寸的目的在于调整出光孔10的形状和/或尺寸，通过调整出光孔10的形状和/或尺寸可以提升VCSEL器件的功率转换效率、输出功率和/或出光均匀性。
作为可选地实施方式，本发明还包括以下步骤：
依据出光孔10的形状和/或尺寸，对位于相应阵列单元的出光面上的电极形状和/或尺寸进行调整，使两者相匹配。
如图11所示，图11中电极(p金属)1的形状也依据出光孔10的形状进行了适应性的调整，至少其内周轮廓是与出光孔10匹配的不规则环形。通过对上电极形状进行这样的调整，将改善电流注入效率，减少光学模式跳跃，降低器件串联电阻。这将有效的增加PCE、输出功率和均匀性。对于图10所示的垂直腔面发射激光器而言，也可以对电极进行调整，调整后的垂直腔面发射激光器可以具有图11所示结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。