一种小间距垂直腔面发射激光器阵列的制备方法与流程

本发明涉及垂直腔面发射激光器阵列（vcsel）的制备技术领域，具体涉及能够缩小阵列上各发光孔间距的制备方法。

背景技术：

目前，在众多智能设备的如3d感应（手机，支付，安全之类）、车用感测、医疗等应用场景中，对垂直腔面发射激光器阵列具有巨大的市场需求,同时对其的器件密度和尺寸小型化也提出了更高的要求。在现有的vcsel阵列制造中，为了增大器件密度，通常采用增加发光点数，减小间距的方式来实现，但由于受现阶段半导体制造工艺水平的限制，相邻两个发光单元之间沟道宽度的进一步降低尚存在一定难度。对于现有的排列形式，单元发射孔平台边缘的间距一般需要3-10um，发光单元的间距在33-40um。若期望将发光单元间距进一步减小,如果直接减小沟道的宽度，由于已趋近光刻工艺和干法刻蚀工艺的极限，所生成的不同发光点沟道形貌的一致性已无法保证。因此，如何对现有的垂直腔面发射激光器阵列的制备工艺进行改进，以适应对其密度与尺寸日渐严苛的需要，是本领域中亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种小间距垂直腔面发射激光器阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）.在衬底上外延生长垂直腔面发射激光器阵列的层状结构；

（2）.在所述层状结构上开设若干氧化沟道（trench），以形成对应于若干阵列单元的台面结构(mesa)；

（3）.利用所述氧化沟道进行横向氧化形成氧化层，以在每个所述台面结构中形成所述阵列单元的发光孔；

其中，在相邻的所述阵列单元的台面结构间具有相连接的部分。

由于受到刻蚀工艺制程的限制，当沟道宽度缩小至2um时已趋近极限，因此制备的沟道形貌一致性已无法保证，这也使得各阵列单元的台面结构以及最终形成的发光孔的一致性较差。由于本发明所提供的方法在实施过程中，刻意回避了过多的沟道刻蚀的步骤，而是允许不同台面之间具有一定的连接部分，在实现了工艺上的简化的同时，能够较好的改进阵列产品中的单元一致性。

进一步地，所述相邻阵列单元的台面结构及其间的相连接部分可以采用以下设置形式：每个所述台面结构具有与相邻的其他台面结构在横向上相互分离的主体部分，所述相连接的部分使所述主体部分在横向形成连接。

通过制备上述的这种台面结构以及连接形式，并通过刻蚀对氧化层进行限制，可进一步制备发光孔单元呈六边形排布的阵列。

进一步地，所述相邻阵列单元的台面结构及其间的相连接部分还可以采用以下设置形式：每个所述台面结构的主体部分上具有与相邻的其他台面结构的主体部分在横向上相互融合的部分。

通过上述的这种台面结构以及连接形式，可进一步制备发光孔单元呈方形或矩形的紧密排列，从而使相邻阵列单元的发光孔间距进一步缩小。

当然，也可以通过本发明所提供的方法，对台面结构及相连接的部分的组合与排布进行设置，从而制造任意形式的伪随机阵列。

本发明所提供的方法制备的阵列可适用于常见的外延层状结构，比如包括但不限于n型分布式布拉格反射器（n-dbr）、量子阱发光层（qw）、氧化层、p型分布式布拉格反射器（p-dbr）、n电极金属层、p电极金属层以及薄膜保护层等的形式，无论是对于正面或背面出光的阵列都能够适用。具体工艺上也可以采用包括金属电极制作，薄膜淀积，氧化平台定义，氧化工艺，金属连接，减薄等的工艺，而不需要增加复杂而特殊的步骤环节。通过本发明提供的上述方法，提高了小间距垂直腔面发射激光器阵列制备过程中对精密刻蚀等环节的宽容度，大大简化了现有工艺并提升了效率，同时器件的良率也能得到极大的改善。

附图说明

图1是现有技术所提供的台面与阵列排布示意图；

图2是本发明所提供的优选实施方式一的示意图；

图3是本发明所提供的优选实施方式二的示意图；

图4是本发明所提供的优选实施方式二的台面结构图；

图5是适合通过优选实施方式一制成的阵列排布示意图；

图6是适合通过优选实施方式二制成的阵列排布示意图；

图7是利用本发明所提供方法制造的背面发光阵列示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。

如图1所示，现有的垂直腔面发射激光器阵列的局部台面排布，图中深色圆形区域为台面结构,周围白色为刻蚀掉的结构。一般结构为周期性或随机排列方式，图中只列出几个台面做示意。阵列单元台面结构的直径一般由2*氧化长度+孔径决定（在设计上已经固定了一个最小值，如图中所示，为30um）。由于受到刻蚀工艺制程的限制，当沟道宽度缩小至2um时已趋近极限，使得各阵列单元的台面结构以及最终形成的发光孔的一致性较差。

为此，本发明提供了一种小间距垂直腔面发射激光器阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）.在衬底上外延生长垂直腔面发射激光器阵列的层状结构；

（2）.在所述层状结构上开设若干氧化沟道（trench），以形成对应于若干阵列单元的台面结构(mesa)；

（3）.利用所述氧化沟道进行横向氧化形成氧化层，以在每个所述台面结构中形成所述阵列单元的发光孔；

其中，在相邻的所述阵列单元的台面结构间具有相连接的部分。

在本发明的优选实施方式一中，如图2所示，所述相邻阵列单元的台面结构及其间的相连接部分可以采用以下设置形式：每个所述台面结构具有与相邻的其他台面结构在横向上相互分离的主体部分，所述相连接的部分使所述主体部分在横向形成连接。

通过制备上述的这种台面结构以及连接形式，并通过刻蚀对氧化层进行限制，可进一步制备发光孔单元呈六边形排布的阵列，如图5所示。

在本发明的优选实施方式二中，如图3所示，所述相邻阵列单元的台面结构及其间的相连接部分还可以采用以下设置形式：每个所述台面结构的主体部分上具有与相邻的其他台面结构的主体部分在横向上相互融合的部分，融合部分的多少取决于氧化孔径和氧化长度的设计。如图3为两种可能的实施方案，融合长度分别为5um和10um。最终形成的发光孔（图中深色部分）虽然略区别于圆形，存在一个尖端，随重叠范围不同而具有变化，但能进一步的减小发光孔的间距，这对需要高密度的光斑的一些应用非常重要。图4则示出了采用这种方式形成的台面侧视图。

通过上述的这种台面结构以及连接形式，可进一步制备发光孔单元呈方形或矩形的紧密排列，如图6所示，从而使相邻阵列单元的发光孔间距进一步缩小。

利用本发明所提供的方法无论是对于正面出光阵列或如图7所示的背面出光的阵列都能够适用。

当然，也可以通过本发明所提供的方法，对台面结构及相连接的部分的组合与排布进行设置，从而制造任意形式的伪随机阵列。

本发明所提供的方法不仅适用于gaas材料系统，也同样适用于其他材料系统，各外延层可选的材料或其组合形式包括但不限于：

p-dbr/n-dbr:algaas/gaas等；

mqw:gaas/ingaas/ingap/algainp/algainasp/ingaalas等；

氧化层:algaas,alas等；

各金属层:ti/pt/au/pt/pd/ge等；

薄膜保护层:sin/sio/sion等。

上述本发明中所定义的“横向”为通行理解的阵列或外延层的平面延伸方向；

对于某些仅在阵列中的部分单元或局部采用了本发明所提供的方法来制造，同样落入本发明权利要求的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。