一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是指一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器及其制备方法。


背景技术：

2.随着信息社会的飞速发展，3d打印、激光雷达、医疗美容乃至光通信等领域对垂直腔面发射激光器（vcsel）激光输出角度提出新的要求。由于传统的vcsel结构在水平衬底上垂直生长，其出光方向垂直于衬底，出光方向较为单一，并且限制了vcsel的激光功率水平。如何实现激光多角度输出，增加激光覆盖范围并提升激光器集成度成为了国内外研究的热点。
3.为解决vcsel激光器的上述问题，一般在激光器外部使用激光分束器将激光光束分成多个角度的输出，但是激光分束器对激光束的功率和波长有较高的要求，而且激光束的分布不稳定，容易受到外部干扰。还有采用激光反射镜将激光束反射到不同角度，从而实现多角度的输出，但是反射镜的质量和精度要求较高，而且反射镜表面容易受到污染和损伤，需要定期更换。综上所述，现有的方法均存在集成度低，调节难度大，价格昂贵等缺点。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器及其制备方法，集成度高、光束覆盖范围广且能够实现多角度激光同步输出，并且实现功率的增加效果。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，包括：衬底，所述衬底上表面设置有凹槽；n型dbr反射镜层，设置于所述凹槽表面；有源层，设置于所述n型dbr反射镜层表面；氧化层，设置于所述有源层表面；p型dbr反射镜层，设置于所述氧化层表面；p面电极层，设置于p型dbr反射镜层表面，所述p面电极层表面设置有中心出光孔；n面电极层，设置于所述衬底下表面；其中，所述凹槽的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；其中，所述氧化层设置有多个氧化孔，每个所述氧化孔对应所述凹槽上的各个直面或弧面对应设置，以实现多角度激光输出。
6.在本发明的一种实施方式中，所述有源层的材料包括algaas、algainas、gaas之一。
7.在本发明的一种实施方式中，所述氧化层为alas氧化层。
8.在本发明的一种实施方式中，所述中心出光孔尺寸大于每个所述氧化孔尺寸。
9.在本发明的一种实施方式中，所述凹槽的形状包括梯形和菱形。
10.在本发明的一种实施方式中，所述衬底为gaas衬底。
11.本发明还提供一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器的制备方法，包括：提供gaas衬底；在所述gaas衬底表面制作凹槽，其中，所述凹槽的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；通过金属有机化学气相沉积在所述gaas衬底的凹槽表面交替生长组分不同的n掺杂algaas层，形成n型dbr反射镜层；在所述n型dbr反射镜层表面生长一层有源层；在所述有源层表面生长一层alas氧化层；通过金属有机化学气相沉积在所述alas氧化层表面交替生长p掺杂的algaas，形成p型dbr反射镜层，并得到vcsel结构；通过光刻在所述vcsel结构外侧面蚀刻出台面；通过侧氧化在所述氧化层表面制作多个氧化孔，其中，每个所述氧化孔对应所述凹槽上的各个直面或弧面对应设置，以实现多角度激光输出；通过光刻在所述vcsel结构表面制作中心出光孔；通过蒸镀金属在所述中心出光孔周围制作p面电极层；对所述gaas衬底进行减薄、抛光后，在其底面沉积一层n面电极层。
12.在本发明的一种实施方式中，所述在所述gaas衬底表面制作凹槽，包括：将所述gaas衬底进行表面清洗；将光刻胶倒在所述gaas衬底表面上，并使用旋涂机将光刻胶均匀涂覆在所述gaas衬底表面上；制作光刻板图形，将光刻板图形制作在掩模上，将掩模与光刻胶接触，并将其放置在光刻机的曝光区域，通过曝光光源进行紫外曝光；曝光完成后，使用显影液将未暴露的光刻胶去除，保留曝光区域的光刻胶；将光刻板图形转移到衬底上，将光刻胶样品放入干法刻蚀设备中，将光刻胶样品暴露的部分剥离；重复以上步骤，以得到预定深度和精度的凹槽形状。
13.在本发明的一种实施方式中，所述凹槽的形状为梯形。
14.在本发明的一种实施方式中，所述凹槽的形状为菱形。
15.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器及其制备方法，可以实现vcsel激光器激光多角度输出。由于vcsel激光器的出光方向是垂直于衬底方向出射的，因此本发明通过改变衬底凹槽的形状能够实现不同方向激光同步输出，集成度高、光束覆盖范围广并且达到功率的增加效果。
附图说明
16.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合
附图，对本发明作进一步详细的说明。
17.图1是本发明实施一中梯形凹槽结构的垂直腔面激光器示意图。
18.图2是本发明实施一中菱形凹槽结构的垂直腔面激光器示意图。
19.图3是本发明实施二制备得到的垂直腔面激光器示意图。
20.图4是本发明实施二制作凹槽的流程示意图。
21.说明书附图标记说明：1、衬底；2、凹槽；3、n型dbr反射镜层；4、有源层；5、氧化层；6、p型dbr反射镜层；7、p面电极层；8、中心出光孔；9、n面电极层；10、氧化孔；101、gaas衬底；102、凹槽；103、n型dbr反射镜层；104、有源层；105、alas氧化层；106、p型dbr反射镜层；107、台面、氧化孔；108、中心出光孔；109、p面电极层；110、n面电极层。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
23.本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
26.实施例1参照图1和图2所示，本发明的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，包括：衬底1，所述衬底1上表面设置有凹槽2；
n型dbr反射镜层3，设置于所述凹槽2表面；有源层4，设置于所述n型dbr反射镜层3表面；氧化层5，设置于所述有源层4表面；p型dbr反射镜层6，设置于所述氧化层5表面；p面电极层7，设置于p型dbr反射镜层6表面，所述p面电极层7表面设置有中心出光孔8；n面电极层9，设置于所述衬底1下表面；其中，所述凹槽2的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；其中，所述氧化层5设置有多个氧化孔10，每个所述氧化孔10对应所述凹槽2上的各个直面或弧面对应设置，以实现多角度激光输出。
27.通过上述设置，由于vcsel激光器的出光方向是垂直于衬底1方向出射的，因此本发明通过改变衬底1凹槽2的形状能够实现不同方向激光同步输出，集成度高、光束覆盖范围广并且达到功率的增加效果。
28.具体地，所述有源层4的材料包括algaas、algainas、gaas之一。
29.具体地，所述氧化层5为alas氧化层5。
30.具体地，所述中心出光孔8尺寸大于每个所述氧化孔10尺寸。
31.在一些实施例中，所述凹槽2内部空间的形状为棱台（即由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成）和棱锥（即由多个环向设置的侧直面组成），图1中的凹槽2的形状为等腰梯形（即内部空间呈倒置的四边等腰棱台），图2中的凹槽2的形状为菱形（即内部空间呈倒置的四棱锥），具有菱形凹槽2的衬底1可以实现激光器环绕多方位出光；在其他实施例中，凹槽2的形状可以为圆台、圆锥（即弧面，或者是弧面和直面的组合形式）等。
32.具体地，所述衬底1为gaas衬底1。
33.实施例2参照图3所示，本实施例提供一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器的制备方法，包括：s1、提供gaas衬底101；s2、在所述gaas衬底101表面制作凹槽102，其中，所述凹槽102的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；s3、通过金属有机化学气相沉积在所述gaas衬底101的凹槽102表面交替生长组分不同的n掺杂algaas层，形成n型dbr反射镜层103；s4、在所述n型dbr反射镜层103表面生长一层有源层104；s5、在所述有源层104表面生长一层alas氧化层105；s6、通过金属有机化学气相沉积在所述alas氧化层105表面交替生长p掺杂的algaas，形成p型dbr反射镜层106，并得到vcsel结构；s7、通过光刻在所述vcsel结构外侧面蚀刻出台面107；s8、通过侧氧化在所述氧化层表面制作多个氧化孔111，其中，每个所述氧化孔111
对应所述凹槽102上的各个直面或弧面对应设置，以实现多角度激光输出；s9、通过光刻在所述vcsel结构表面制作中心出光孔108；s10、通过蒸镀金属在所述中心出光孔108周围制作p面电极层109；s11、对所述gaas衬底101进行减薄、抛光后，在其底面沉积一层n面电极层110。
34.参照图4所示，具体地，所述在所述gaas衬底101表面制作凹槽102，包括：s21、将所述gaas衬底101进行表面清洗；s22、将光刻胶倒在所述gaas衬底101表面上，并使用旋涂机将光刻胶均匀涂覆在所述gaas衬底101表面上；s23、制作光刻板图形，将光刻板图形制作在掩模上，将掩模与光刻胶接触，并将其放置在光刻机的曝光区域，通过曝光光源进行紫外曝光；s24、曝光完成后，使用显影液将未暴露的光刻胶去除，保留曝光区域的光刻胶；s25、将光刻板图形转移到衬底上，将光刻胶样品放入干法刻蚀设备中，将光刻胶样品暴露的部分剥离；s26、重复以上步骤，以得到预定深度和精度的凹槽102形状。
35.具体地，所述凹槽102的形状为梯形或菱形。
36.通过改变衬底凹槽102的形状能够实现不同方向激光同步输出，集成度高、光束覆盖范围广并且达到功率的增加效果。
37.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，其特征在于，包括：衬底，所述衬底上表面设置有凹槽；n型dbr反射镜层，设置于所述凹槽表面；有源层，设置于所述n型dbr反射镜层表面；氧化层，设置于所述有源层表面；p型dbr反射镜层，设置于所述氧化层表面；p面电极层，设置于p型dbr反射镜层表面，所述p面电极层表面设置有中心出光孔；n面电极层，设置于所述衬底下表面；其中，所述凹槽的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；其中，所述氧化层设置有多个氧化孔，每个所述氧化孔对应所述凹槽上的各个直面或弧面对应设置，以实现多角度激光输出。2.根据权利要求1所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，其特征在于，所述有源层的材料包括algaas、algainas、gaas之一。3.根据权利要求1所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，其特征在于，所述氧化层为alas氧化层。4.根据权利要求1所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，其特征在于，所述中心出光孔尺寸大于每个所述氧化孔尺寸。5.根据权利要求1所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，其特征在于，所述凹槽的形状包括梯形和菱形。6.根据权利要求1所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器，其特征在于，所述衬底为gaas衬底。7.一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器的制备方法，其特征在于，包括：提供gaas衬底；在所述gaas衬底表面制作凹槽，其中，所述凹槽的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；通过金属有机化学气相沉积在所述gaas衬底的凹槽表面交替生长组分不同的n掺杂algaas层，形成n型dbr反射镜层；在所述n型dbr反射镜层表面生长一层有源层；在所述有源层表面生长一层alas氧化层；通过金属有机化学气相沉积在所述alas氧化层表面交替生长p掺杂的algaas，形成p型dbr反射镜层，并得到vcsel结构；通过光刻在所述vcsel结构外侧面蚀刻出台面；通过侧氧化在所述氧化层表面制作多个氧化孔，其中，每个所述氧化孔对应所述凹槽上的各个直面或弧面对应设置，以实现多角度激光输出；通过光刻在所述vcsel结构表面制作中心出光孔；通过蒸镀金属在所述中心出光孔周围制作p面电极层；对所述gaas衬底进行减薄、抛光后，在其底面沉积一层n面电极层。
8.如权利要求7所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器的制备方法，其特征在于，所述在所述gaas衬底表面制作凹槽，包括：将所述gaas衬底进行表面清洗；将光刻胶倒在所述gaas衬底表面上，并使用旋涂机将光刻胶均匀涂覆在所述gaas衬底表面上；制作光刻板图形，将光刻板图形制作在掩模上，将掩模与光刻胶接触，并将其放置在光刻机的曝光区域，通过曝光光源进行紫外曝光；曝光完成后，使用显影液将未暴露的光刻胶去除，保留曝光区域的光刻胶；将光刻板图形转移到衬底上，将光刻胶样品放入干法刻蚀设备中，将光刻胶样品暴露的部分剥离；重复以上步骤，以得到预定深度和精度的凹槽形状。9.如权利要求7所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器的制备方法，其特征在于，所述凹槽的形状为梯形。10.如权利要求7所述的一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器的制备方法，其特征在于，所述凹槽的形状为菱形。

技术总结
本发明涉及一种具有多角度激光输出的垂直腔面激光器及其制备方法。本发明包括衬底，衬底上表面设置有凹槽；N型DBR反射镜层，设置于凹槽表面；有源层，设置于N型DBR反射镜层表面；氧化层，设置于有源层表面；P型DBR反射镜层，设置于氧化层表面；P面电极层，设置于P型DBR反射镜层表面，P面电极层表面设置有中心出光孔；N面电极层，设置于衬底下表面；凹槽的表面包括如下形式：由多个环向设置的侧直面组成，或者由一个位于底部的直面和多个环向设置的直面组成，或者是弧面，或者是弧面和直面的组合形式；氧化层设置有多个氧化孔，每个氧化孔对应凹槽上的各个直面或弧面对应设置。本发明能够实现多角度激光同步输出。明能够实现多角度激光同步输出。明能够实现多角度激光同步输出。


技术研发人员：张星
受保护的技术使用者：江苏长光时空光电技术有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/9/20