一种实现空间光束片上生成的边发射激光器

本发明涉及半导体激光器领域，特别是涉及一种实现空间光束片上生成的边发射激光器。

背景技术：

1、激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明。与普通光源相比，激光具有高单色性、高方向性、高亮度、和良好的相干性，因此受到人们的广泛关注。近年来，随着科学技术的飞速发展，结构紧凑的半导体激光器由于其优异特性在人脸识别、激光雷达、光通信领域扮演着非常重要的角色。

2、根据出光方式划分，常见的半导体激光器有两种，一种是光束沿平行于衬底表面、垂直于解理面出射的边发射激光器；另一种是光束出射方向垂直于衬底的垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器出射的光束虽然具有良好的圆形光斑分布，但是输出功率普遍较小。而边发射激光器虽然功率较大，但是由于器件增益区纵横比较大，出射光束为椭圆光斑分布，不利于光纤耦合。目前，激光雷达等领域对脉冲激光光源提出小体积、高效率、高功率和窄发散角等需求，但是，常规半导体激光器内量子效率低于1，随着注入电流的加大，功率提高受到一定限制，不仅容易引发光学灾变损伤，过量的焦耳热还会被释放出来，导致器件电热烧毁。量子阱结构是常规半导体激光器的有源区经常使用的结构，其横向尺寸很小，导致垂直发散角很大，光束质量不高。

3、综上，现有激光器存在输出功率较小和发散角过大，光束质量低，功能结构单一的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种实现空间光束片上生成的边发射激光器制备方法，通过常规的半导体加工工艺，在芯片级上实现对目标光束的生成与操控。所开发的方法解决了传统的空间光束生成装置结构复杂、体积庞大、效率低、不易操作等问题。这将有可能促进超紧凑、高效率和可扩展多功能半导体激光器的发展，具有广泛的应用前景。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，包括：

4、获取隧道级联半导体激光器外延结构，并根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到大光腔边发射激光器；

5、利用fdtd单元参数扫描及空间光场分布函数结合matlab计算得到所述大光腔边发射激光器版图各个位置相位信息，并选取不同尺寸的纳米柱生成相应结构版图；

6、根据所述相应结构版图，利用聚焦离子束工艺在所述大光腔边发射激光器出光的有源区端面刻蚀超表面结构，构建超构表面边发射激光器。

7、优选地，所述隧道级联半导体激光器的构建方法包括：

8、利用两个重掺杂隧道结将三个有源区量子阱激光器进行串联，以得到所述隧道级联半导体激光器。

9、优选地，所述超构表面边发射激光器条宽为200μm，腔长为1mm。

10、优选地，还包括：

11、对所述超构表面边发射激光器的谐振腔两端的端面分别镀上一层增透膜和高反膜。

12、优选地，所述增透膜为非晶硅，高反膜为二氧化硅。

13、优选地，所述聚焦离子束的束流为12pa。

14、优选地，根据所述隧道级联半导体激光器外延结构进行封装，得到超构表面边发射激光器，包括：

15、确定所述外延结构的解理方向和出光方向，并进行清洗；

16、利用气相沉积法得到硬掩模；其中，硬掩模为sio2层；

17、利用5214反转胶光刻隔离双沟；

18、去除所述隔离双沟上方掩膜，并利用icp干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟，刻蚀完成后用boe溶液腐蚀其余的sio2掩膜；

19、利用气相沉积法得到600nm厚的sio2钝化层；

20、使用5214正胶光刻工艺光刻p面电极窗口，然后再使用boe腐蚀液腐蚀电极窗口上的sio2，并利用丙酮乙醇加热去胶清洗；

21、使用5214反转胶光刻解理线，并溅射的ti/au欧姆接触电极，超声剥离清洗；

22、利用背面衬底减薄工艺将器件减薄至110-130μm；

23、溅射的augeni/au电极，并快速热退火40s；

24、利用解理机将制备好的边发射芯片沿着解理线解成单个器件，并使用镀膜机在谐振腔两个端面上各镀上增透膜和高反膜；

25、解理好的单个器件摆放在热沉上，烧结后压焊封装。

26、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

27、本发明提供了一种实现空间光束片上生成的边发射激光器的构建方法，本发明通过以隧道级联半导体激光器为外延结构构建激光器，并在有源区谐振腔出光端面通过离子束流为12pa的聚焦离子束刻蚀加工超表面结构，通过常规的半导体加工工艺，在芯片级上实现对目标空间光束的生成与操控。所开发的方法解决了传统的空间光束生成装置结构复杂、体积庞大、效率低、不易操作等问题。这将有可能促进超紧凑、高效率和可扩展多功能半导体激光器的发展，具有广泛的应用前景。

28、为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

29、图1为本发明实施例提供的实现空间光束片上生成的超构表面边发射激光器的构建方法流程图；

30、图2为本发明实施例提供的实现空间光束片上生成的超构表面边发射激光器器件结构横向切面图；

31、图3为本发明实施例提供的采用mocvd外延生长得到的隧道级联半导体激光器外延片结构示意图；

32、图4为本发明实施例提供的使用pecvd沉积300nm厚的sio2掩膜示意图；

33、图5为本发明实施例提供的使用5214反转胶光刻隔离双沟示意图；

34、图6为本发明实施例提供的使用boe溶液通过化学腐蚀去除隔离双沟上方的sio2掩模示意图；

35、图7为本发明实施例提供的使用icp干法刻蚀工艺刻蚀9μm深度的隔离双沟并示意图；

36、图8为本发明实施例提供的boe湿法腐蚀残留的二氧化硅掩膜，并使用pecvd重新沉积600nm厚的sio2钝化层示意图；

37、图9为本发明实施例提供的使用5214正胶光刻工艺光刻和boe湿法腐蚀工艺制备p面电极窗口示意图；

38、图10为本发明实施例提供的光刻溅射p面电极示意图；

39、图11为本发明实施例提供的器件减薄后溅射n面电极示意图；

40、图12为本发明实施例提供的器件镀膜、压焊封装示意图；

41、图13为本发明实施例提供的使用聚焦离子束工艺刻蚀加工的超构表面结构，实现空间光束片上生成示意图。

42、附图标记说明：

43、(1)p面金属电极，(2)sio2钝化保护层，(3)p型重掺杂欧姆接触层，(4)限制层，(5)波导层，(6)量子阱有源区，(7)隧道结，(8)gaas衬底，(9)n面金属电极，(10)超构表面。