一种大孔径高光束质量微型激光器的制作方法

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种大孔径高光束质量微型激光器。

背景技术：

垂直腔面发射激光器（vcsel）自1977年诞生以来，不断的吸引着科研工作者以及市场需求的目光。该半导体激光器的通常结构是：包括p面电极、电流引导层、p面分布布拉格反射镜、高铝层、钝化层、氧化限制层、有源区、n面分布布拉格反射镜、缓冲层、衬底层和n面电极。

其中的小孔径低功率的vcsel器件（激光输出的窗口小于10μm的激光器），因其有着动态调制频率高、光束质量好以及体积微小等优点，已经成熟的应用在通信行业。而且随着小功率vcsel成功的应用在苹果手机iphone8上作为精准的测距器，vcsel更是成为了激光行业的关注重点。

高功率大孔径vcsel一般指的是激光输出窗口大于50μm的激光器，因其输出孔径较小孔径vcsel大得多，因此大孔径的vcsel激活面积也比小孔径vcsel大，从而能输出功率更高的激光束，因此其应用领域比小孔径vcsel更广泛。但现有技术存在着如下的问题：因vcsel是一种薄片式结构，谐振腔的纵向尺寸为一个波长的光学厚度，而横向尺寸比其纵向尺寸高近3个数量级，因此载流子在腔内的分布很难保持均匀，随着激光输出窗口的逐渐变大，载流子在边缘聚集的现象变得更加明显，从而其输出光束逐渐的由单横模变成环形多横摸结构，光束质量变差，激光线宽变宽，从而影响了激光器的光束质量。

利用外腔光注入的方法可以在一定程度上提高大孔径vcsel的光束质量和压缩线宽，该方法的装置的结构为：构成谐振腔的一个反射镜由dbr变成了一个外置的反射镜，通过外置的反射镜可以增加谐振腔的纵向尺寸，而且激光器的泵浦源不再是载流子的注入，而是外来光的注入，因此不存在激射环形光束的现象，从而减小了激光的发散角提高了光束质量。但是外腔镜以及泵浦光源的调整要求是非常精确的，这无形中增加了系统的复杂程度和成本，总之，外腔光注入的方法因其复杂的结构和高昂的成本大大的限制了大孔径vcsel在市场上的应用。

技术实现要素：

本发明要提供一种大孔径高光束质量微型激光器，以克服现有技术存在的激光器的光束质量、结构复杂和成本高昂的问题。

为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是：

一种大孔径高光束质量微型激光器，包括p面电极、电流引导层、p面分布布拉格反射镜、n面分布布拉格反射镜和n面电极，所述p面电极、电流引导层和p面分布布拉格反射镜的上表面刻蚀有环状凹槽，中心位置为圆形凸起，凹槽的厚度为2~6个周期的高低折射率材料，圆形凸起横向尺寸直径为0.5~2μm。

本发明在激光器工作的过程中，种子源率先在腔内实现单横模单纵模激光的震荡，种子源本身作为激光器的一部分，其发射的激光束将迫使周围的光子同步震荡，从而最终实现激光器光束的同步激射。由于本发明提出了一种新的激发思路，与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明激光器的种子源是通过工艺在芯片上直接制作而成的，因此保持了垂直腔面发射激光器体积紧凑的特点，本发明的激光器结构简单、设计合理，投入成本较低，加工制作方便，且体积微小，可以高度集成在激光设备中。

2、本发明的激光器没有采取任何光学器件对激光器进行整形调节，无需装调，则满足短周期、大批量的生产需求。

3、本发明可以显著提高大孔径vcsel单管的光束质量，将vcsel面阵集成后，还可轻松实现vcsel面阵的光束控制。

4、本发明在激光器的中心区域制作一个高增益的种子源，由于种子源的p面分布布拉格反射镜的反射率要高阈值增益低，因此种子源位置处腔内会率先形成激光的震荡，而且种子源孔径小易于形成基横模震荡，种子源在腔内形成激光震荡后会不断激发周围的光子形成同步震荡，从而实现对激光器的相位和模式的锁定，此发明可以显著的改善大孔径面发射激光器的光束质量。本发明的激光器输出圆环形光束，因此非常容易与光纤直接耦合，耦合效率大于90%。

5、本发明没有采取任何额外的光学器件，无需装调，因此，此激光器可以满足短周期、大批量的生产，实用性强。

附图说明：

图1是器件结构原理图；

图2是器件结构三维示意图；

图3芯片材料生长工艺与器件工艺流程图。

图中，1-p面电极，2-电流引导层，3-p面分布布拉格反射镜，4-高铝层，5-钝化层，6-氧化限制层，7-有源区，8-n面分布布拉格反射镜，9-缓冲层，10-衬底层，11-n面电极，12-圆形凸起。

具体实施方式：

以下将结合附图和实施例对本发明进行详细地说明。

参见图1和图2所示的一种大孔径高光束质量微型激光器，包括p面电极1、电流引导层2、p面分布布拉格反射镜3、n面分布布拉格反射镜8和n面电极11，所述p面电极1、电流引导层2和p面分布布拉格反射镜3的上表面刻蚀有环状凹槽，中心位置为圆形凸起12，凹槽的厚度为2~6个周期的高低折射率材料，圆形凸起12横向尺寸直径为0.5~2μm。

本发明对激光器的p面分布布拉格反射镜3除中心区域外进行了一定程度的刻蚀，刻蚀区域的p面分布布拉格反射镜3的高低折射率材料层数变少，所提供的腔内震荡光波的反射率降低，从而保证中心区域的反射率大于刻蚀环形区域的反射率，中心区域的阈值增益将小于边界区域的阈值增益。因此激光激射时，中心位置处会率先激射单横模单纵模的高光束质量激光，将此区域的激光作为整个激光器的种子源，当此区域的横向面积较小时，可以保证种子源激射单横模单纵模的激光，在整个激光器逐渐达到稳定的工作状态的过程中，种子源不断地强迫激光器其他区域的光与其同步震荡，将整个激光器的光波相位进行锁定，保证激光器输出的是一个高峰值功率高光束质量的激光。

所述p面分布式布拉格反射镜层3（p-dbrs）与所述n面分布式布拉格反射镜层8（n-dbrs）均为高低折射率半导体材料交替生长而成，其主要作用是构成激光器谐振腔的一个反射镜。所述n面分布布拉格反射镜8（n-dbrs）的半导体材料为掺杂半导体，掺杂半导体材料可以将n面电极注入的载流子引导至有源区7内，组成所述n面分布布拉格反射镜8（n-dbrs）的两种材料折射率差在满足晶格匹配的前提下要尽可能的大。本实施例中：有源区7为多周期的量子阱材料，其作用是作为激光器激射的增益介质。

参见图3，上述一种大孔径高光束质量微型激光器的制作方法，包括以下步骤：

本发明激光器进行制作的方法包括以下步骤：

步骤一、半导体激光器芯片的生长：

步骤101、选择初始半导体衬底；其中，所述初始半导体衬底的厚度为500μm～800μm，材料优选为gan、gaas、以及inp等；

步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底的结构相同的缓冲层9；其中，所述缓冲层9的厚度为20nm～2μm；

步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层9的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成n型分布式布拉格反射镜层8，且所述n型分布式布拉格反射镜层8与缓冲层9晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；

步骤104、采用所述半导体生长方法在n型分布式布拉格反射镜层8的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区7；其中，所述有源区7的厚度为预先设定的激光器波长的光学厚度，所述量子阱结构的周期为2～8组；

步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区7的上表面生长高铝层4；其中，所述高铝层4的厚度为10nm～50nm；

步骤106、所述半导体生长方法在高铝层4的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成p型分布式布拉格反射镜层3，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；

步骤二、芯片减薄：

步骤201、采用研磨机对所述初始半导体衬底的底部进行研磨减薄，并将研磨减薄后的初始半导体衬底称为一次半导体衬底，且所述一次半导体衬底的厚度为300μm～400μm；

步骤202、对研磨减薄后的半导体激光器芯片进行清洗；

步骤三、台面制造：

采用光刻机对高铝层上部进行一次刻蚀，形成一次刻蚀台面

步骤四、氧化限制层的制作：

将芯片放入温度为420℃的氧化室内；将流量为1l/min～2l/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min～70min，高铝层圆周边缘部分别形成氧化限制层6；

步骤五、钝化层制作：

步骤501、将芯片放入磁控溅射设备中溅射二氧化硅，溅射二氧化硅层厚度为200nm。

步骤502、利用光刻机将台面顶部的二氧化硅层进行刻蚀去除。

步骤六、p面电极制作：采用热蒸发设备在台面上蒸镀ti-pt-au合金层作为p面电极4，合金层厚度为0.3~1μm；

步骤七、刻蚀孔的形成：

采用所述光刻机对台面表面进行环形刻蚀，留下中心区域，刻蚀的深度以刻蚀掉p-dbrs表面两个周期高低折射率半导体材料为宜，所述保留未刻蚀中心区域尺寸为0.5~2μm。

步骤八、n面电极的制作：

步骤801、采用真空镀膜设备在半导体衬底9中的底部蒸镀ge-au-ni合金层；其中，所述ge-au-ni结构的厚度为0.5μm～2μm；

步骤802、采用退化处理设备对所述ge-au-ni结构进行退火处理，形成n面电极11。