一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列及制作方法

摘要

本发明公开了一种高功率长波长垂直腔面发射激光器列阵以及制作方法，通过采用在外延晶片上设置散热层，在P型DBR反射镜上沉积P面金属散热电极层，提高发光单元以及阵列的散热能力，提高使用可靠性以及最大输出功率，提高了单个发光单元的性能以及阵列性能。

权利要求

1.一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法，其特征在于，包括：S1，在N型InP衬底层上依次沉积生长N型DBR反射镜层、量子阱有源层、隧穿导通层、N型InP散热层，形成外延晶片；

S2，在所述外延晶片正面上沉积质子注入掩膜层，经过曝光显影在所述质子注入掩膜层获得预期的阵列图形结构；

S3，对所述外延晶片进行质子注入并到达所述隧穿导通层的下表面，形成绝缘的质子注入区和导电的非质子注入区；

S4，去除所述质子注入掩膜层后，在所述N型InP散热层表面沉积P型介质膜DBR反射镜；

S5，在所述P型介质膜DBR反射镜上刻蚀出预设形状的电极环；

S6，在所述P型介质膜DBR反射镜上沉积P面金属散热电极层；

S7，对所述N型InP衬底层进行背面减薄抛光之后沉积N面电极层，形成发光单元，并由多个所述发光单元形成激光器阵列；

所述P面金属散热电极层包含从下到上依次设置的100nm‑200nm厚度的钛粘附金属层、

40nm 60nm厚度的铂阻挡金属层及3μm 5μm厚度的金导电导热金属层；

~ ~

所述发光单元的直径范围为30μm 70μm；

~

所述发光单元包括圆心同心的用于限制电流的绝缘环，所述绝缘环的外径与所述发光单元的外径相同，所述发光单元的外径与所述绝缘环的内径的差值为4 6μm；

~

所述P型介质膜DBR反射镜为圆形P型介质膜DBR反射镜，与所述发光单元同心，所述发光单元的直径与所述圆形P型介质膜DBR反射镜的直径差为8 10μm；

~

所述电极环包括与所述发光单元同心的从内到外的第一圆环、第二圆环和第三圆环，所述第一圆环的内环直径为1/4 1/3的所述圆形P型介质膜DBR反射镜直径，所述第一圆环~

的环宽度为1μm 3μm；所述第二圆环的内环直径为1/2 2/3的所述圆形P型介质膜DBR反射镜~ ~

直径，所述第二圆环的环宽度为1μm 3μm；所述第三圆环的内环直径为所述圆形P型介质膜~

DBR反射镜直径减去4‑6μm，所述第三圆环的环宽度为1μm 3μm。

~

2.一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，包括由权利要求1所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法制成的发光单元，多个所述发光单元组成激光器阵列。

3.如权利要求2所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，包括位于中心的圆形中心发光组以及环绕所述圆形中心发光组设置的6‑8个扇形激光器区域，所述扇形激光器区域的发光单元的数量随着与所述圆形中心发光组距离的增加而增加。

4.如权利要求3所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，所述圆形中心发光组包括6 8个发光单元，所述圆形中心发光组的直径为200μm 250μm。

~ ~

5.如权利要求4所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，其特征在于，相邻所述扇形激光器区域的间距为20μm 40μm，所述扇形激光器区域为按照与所述阵列的中心距离划~

分为7 9层且相邻层之间等距的扇形激光器区域。

~

说明书

一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列及制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体激光器领域，特别是涉及一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列及制作方法。

背景技术

[0002] 智能化是信息化发展的高级阶段，将彻底改变人类社会的生活方式，是人类社会的必然发展趋势。智能感知技术作为智能化的核心技术，成为人类全面感知自然的最核心
元件。

[0003] 在诸多智能感知技术应用，如车载、机载激光雷达、原子陀螺、脑磁探测、AR/VR等，要求模块具有低成本、单片式的特点。半导体面发射激光器以“小型化+低成本+低功耗+高
质量”的特点，成为诸多智能感知技术信号发射光源的首选方案。

[0004] 现有方案中采用的面发射激光雷达光源芯片主要使用910‑940nm波段垂直腔面发射激光器，面临的问题主要是人眼安全隐患及大气吸收较大。长波长面发射激光器具有工
作在人眼安全波段，环境吸收小，传输距离远的优点，是未来智能感知技术中极具潜力的备
选方案。

[0005] 传统的长波长垂直腔面发射激光器（VCSEL）制备技术，基于磷化铟（InP）材料体系，面临P型InP层电阻较大、DBR反射镜反射率低、散热性能差等问题。此外，当阵列器件的
发光单元直径超过30um时，面临载流子扩散不均匀问题，导致发光单元中心处载流子浓度
低，使阵列器件输出功率受限。

[0006] 因此，如何实现高功率长波长垂直腔面发射激光器高效的散热结构及均匀的载流子注入结构，就成了面发射激光器领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法，提高了单个器件以及阵列的散热能力，提高了器件性能。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供的一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法，包括：

[0009] S1，在N型InP衬底层上依次沉积生长N型DBR反射镜层、量子阱有源层、隧穿导通层、N型InP散热层，形成外延晶片；

[0010] S2，在所述外延晶片正面上沉积质子注入掩膜层，经过曝光显影在所述质子注入掩膜层获得预期的阵列图形结构；

[0011] S3，对所述外延晶片进行质子注入并到达所述隧穿导通层的下表面，形成绝缘的质子注入区和导电的非质子注入区；

[0012] S4，去除所述质子注入掩膜层后，在所述N型InP散热层表面沉积P型介质膜DBR反射镜；

[0013] S5，在所述P型介质膜DBR反射镜上刻蚀出预设形状的电极环；

[0014] S6，在所述P型介质膜DBR反射镜上沉积P面金属散热电极层。

[0015] S7，对所述N型InP衬底层进行背面减薄抛光之后沉积N面电极层，形成发光单元，并由多个所述发光单元形成激光器阵列；

[0016] 所述P面金属散热电极层包含从下到上依次设置的100nm‑200nm厚度的钛粘附金属层、40nm 60nm厚度的铂阻挡金属层及3μm 5μm厚度的金导电导热金属层；
~ ~

[0017] 所述发光单元的直径范围为30μm 70μm；~

[0018] 所述发光单元包括圆心同心的用于限制电流的绝缘环，所述绝缘环的外径与所述发光单元的外径相同，所述发光单元的外径与所述绝缘环的内径的差值为4 6μm；
~

[0019] 所述P型介质膜DBR反射镜为圆形P型介质膜DBR反射镜，与所述发光单元同心，所述发光单元的直径与所述圆形P型介质膜DBR反射镜的直径差为8 10μm；
~

[0020] 所述电极环包括与所述发光单元同心的从内到外的第一圆环、第二圆环和第三圆环，所述第一圆环的内环直径为1/4 1/3的所述圆形P型介质膜DBR反射镜直径，所述第一圆
~
环的环宽度为1μm 3μm；所述第二圆环的内环直径为1/2 2/3的所述圆形P型介质膜DBR反射
~ ~
镜直径，所述第二圆环的环宽度为1μm 3μm；所述第三圆环的内环直径为所述圆形P型介质
~
膜DBR反射镜直径减去4‑6μm，所述第三圆环的环宽度为1μm 3μm。
~

[0021] 除此之外，本发明实施例还提供了一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，包括上所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法制成的发光单元，多个所述发
光单元组成激光器阵列。

[0022] 其中，包括位于中心的圆形中心发光组以及环绕所述圆形中心发光组设置的6‑8个扇形激光器区域，所述扇形激光器区域的发光单元的数量随着与所述圆形中心发光组距
离的增加而增加。

[0023] 其中，所述圆形中心发光组包括6 8个发光单元，所述圆形中心发光组的直径为~
200μm 250μm。
~

[0024] 其中，相邻所述扇形激光器区域的间距为20μm 40μm，所述扇形激光器区域为按照~
与所述阵列的中心距离划分为7 9层且相邻层之间等距的扇形激光器区域。
~

[0025] 本发明实施例提供的高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法与现有技术相比较，具有以下优点：

[0026] 所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法，通过采用在外延晶片上设置散热层，在P型DBR反射镜上沉积P面金属散热电极层，提高发光单元以及阵列的散热能
力，提高使用可靠性以及最大输出功率，提高了单个发光单元的性能以及阵列性能。

附图说明

[0027] 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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据
提供的附图获得其他的附图。

[0028] 图1为本申请提供的高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法的一个实施例的步骤流程示意图；

[0029] 图2为本申请提供的高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法的发光单元的纵截面结构示意图；

[0030] 图3为本申请提供的高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法的光刻板结构示意图。

具体实施方式

[0031] 下面将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他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 如图1‑3所示，图1为本申请提供的高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法的一个实施例的步骤流程示意图；图2为本申请提供的高功率长波长垂直腔面发射激光
器阵列制作方法的发光单元的纵截面结构示意图；图3为本申请提供的高功率长波长垂直
腔面发射激光器阵列制作方法的光刻板结构示意图。

[0033] 在一种具体实施方式中，本发明提供的高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法，包括：

[0034] S1，在N型InP衬底层10上依次沉积生长N型DBR反射镜层20、量子阱有源层30、隧穿导通层50、N型InP散热层60，形成外延晶片；本发明中对于外延片各层的组分以及厚度不做
限定，采用现有技术结构即可，所述N型InP衬底的厚度范围一般为100微米至150微米，包括
‑3
端点值，掺杂剂为Zn，掺杂浓度为2e18cm 左右，所述N型DBR反射镜与N型衬底外延集成，N型
DBR反射镜反射镜包括30个周期InAlGaAs/InP结构，In组分为0.53，Ga组分为0.47，每层厚
度为四分之一激光器激射波长除以材料折射率，总厚度范围为7μm 10μm，包括端点值；所述
~
量子阱有源层30与N型DBR反射镜外延集成，依次包括N型InP电子限制层、InGaAsP量子阱、
InP势垒层、P型InP电子限制层；所述InGaAsP量子阱为本征型，厚度范围为5nm 15nm，包括
~
端点值，In组分范围为0.65至0.9包含端点值，所述InP势垒为本征型，厚度范围为5nm
~
50nm，包含端点值；所述N型电子限制层厚度范围为100nm 500nm，包含端点值，掺杂剂为Zn，
~
‑3 ‑3
掺杂浓度范围为1e16cm 1e17cm ，所述P型InP电子限制层厚度范围为100nm 500nm，包含
~ ~
‑3 ‑3
端点值，掺杂剂为C，掺杂浓度范围为1e16cm 5e16cm ，通过调节N型InP电子限制层及P型
~
InP电子限制层厚度，使量子阱有源层30总厚度为二分之一激光器激射波长除以量子阱有
源层30有效折射率；所述隧穿导通层50包含重掺杂P型InP层、重掺杂N型InP层。所述重掺杂
‑3 ‑3
P型InP层厚度范围为8nm 15nm，包括端点值，掺杂剂为C，掺杂浓度为5e19cm 1e20cm ，包
~ ~
括端点值；所述重掺杂N型InP层位于重掺杂P型InP之上，厚度范围为15nm 30nm，包括端点
~
‑3 ‑3
值，掺杂剂为Zn，掺杂浓度为1e19cm 3e19cm ，包括端点值；所述N型InP散热层60，厚度为
~
‑3 ‑3
500nm 3μm，包括端点值，掺杂剂为Zn，掺杂浓度为1e16cm 3e18cm ，包括端点值；所述绝
~ ~
缘环40作用为电流限制，通过质子注入方法制备，注入深度为从N型散热层上表面至隧穿导
通层50下表面；

[0035] S2，在所述外延晶片正面上沉积质子注入掩膜层，经过曝光显影在所述质子注入掩膜层获得预期的阵列图形结构；在此过程中通过掩膜层进行遮挡，将剩余的区域进行绝
缘，将整块的晶片进行分区以及在每一个区中确定最后发光单元的范围，确定发光单元之
间的间距等参数。

[0036] S3，对所述外延晶片进行质子注入并到达所述隧穿导通层50的下表面，形成绝缘的质子注入区100和导电的非质子注入区200；本发明对于质子注入的能量以及具体的注入
浓度不做限定。

[0037] S4，去除所述质子注入掩膜层后，在所述N型InP散热层60表面沉积P型介质膜DBR反射镜；P型介质膜DBR反射镜与N型DBR反射镜层20之间形成谐振腔，本发明中所述介质膜P
型DBR反射镜70位于N型InP导电层之上，一般包括4个周期SiO2/TiO2介质膜材料，每层材料
厚度为四分之一激光器激射波长除以材料折射率；

[0038] S5，在所述P型介质膜DBR反射镜70上刻蚀出预设形状的电极环；本发明中电极环的作用在于电流的注入，本发明对于电极环的尺寸以及具体形状不做限定，通过采用电极
环的方式，实现电流在各个方向均匀注入，提高器件的性能；

[0039] S6，在所述P型介质膜DBR反射镜70上沉积P面金属散热电极层；设置P面金属散热电极层用于将激光器阵列的发光单元在工作过程中产生的热快速从器件内部抽出，降低器
件的工作温度，实现器件更大电流的注入，提高器件的功率输出，提升器件的工作可靠性，
本发明对于P面金属散热电极层的材质、厚度以及沉积方式不做限定；

[0040] S7，对所以N型InP衬底进行背面减薄抛光之后沉积N面电极90层，形成发光单元，并由多个所述发光单元形成激光器阵列。

[0041] 通过采用在外延晶片上设置散热层，在P型DBR反射镜70上沉积P面金属散热电极层，提高发光单元以及阵列的散热能力，提高使用可靠性以及最大输出功率，提高了单个发
光单元的性能以及阵列性能。

[0042] 本发明对于P面金属散热电极层80的材质结构不做限定，一个实施方式中，所述P面金属散热电极层80包含从下到上依次设置的100nm‑200nm厚度的钛粘附金属层、40nm
~
60nm厚度的铂阻挡金属层及3μm 5μm厚度的金导电导热金属层，其作用为增加半导体材料、
~
介质膜反射镜材料表面与阻挡金属层及导电导热金属层的粘附性；所述阻挡金属层，其组
分为金属铂，厚度范围为40纳米至60纳米，包含端点值，其作用为阻挡导电导热金属层中的
金属原子向半导体材料中扩散；所述导电导热金属层，其组分为金属金，厚度范围为3微米
至5微米，包含端点值，其作用是作为P型导电电极，同时利用金元素的高导热系数，使其作
为高效的散热结构。

[0043] 本发明中对于发光单元的尺寸不做限定，由于采用了较好的散热效果，采用电极环进行电流注入，使得电流注入更加均匀，使得可以具有更高的功率输出效果，因此一般所
述发光单元的直径范围为30μm 70μm。
~

[0044] 本发明中对于发光单元中的绝缘结构不做限定，一般所述发光单元包括圆心同心的用于限制电流的绝缘环40，所述绝缘环40的外径与所述发光单元的外径相同，所述发光
单元的外径与所述绝缘环40的内径的差值为4 6μm。通过设置绝缘环40，确定发光单元的范
~
围，使得电流只能注入到绝缘环40内，提高注入电流的利用效率，在相同电流注入情况下，
能够提高输出功率，降低热量的生成，提高器件的性能，本发明对于绝缘环40的绝缘能力以
及宽度不做限定。

[0045] 本发明中P型介质膜DBR反射镜用于形成谐振腔，本发明对于谐振腔的形状和尺寸不做限定，一般所述P型介质膜DBR反射镜为圆形P型介质膜DBR反射镜，与所述发光单元同
心，所述发光单元的直径与所述圆形P型介质膜DBR反射镜的直径差为8 10μm。
~

[0046] 由于采用电极环，使得电流在发光单元各个方向注入的均匀性，而为了进一步提高注入效果，提高注入电流在整个发光单元表面的注入均匀性，实现了在发光单元直径超
过30μm后，依然具有均匀的电流注入，在一个实施例中，所述电极环包括与所述发光单元同
心的从内到外的第一圆环、第二圆环和第三圆环，所述第一圆环的内环直径为1/4 1/3的所
~
述圆形P型介质膜DBR反射镜直径，所述第一圆环的环宽度为1μm 3μm；所述第二圆环的内环
~
直径为1/2 2/3的所述圆形P型介质膜DBR反射镜直径，所述第二圆环的环宽度为1μm 3μm；
~ ~
所述第三圆环的内环直径为所述圆形P型介质膜DBR反射镜直径减去4‑6μm，所述第三圆环
的环宽度为1μm 3μm。
~

[0047] 需要指出的是，本发明包括但不局限于上述的电极环结构，本领域技术人员可以根据需要，采用两个圆环甚至更多个圆环，而每个圆环的宽度也可以根据不同的需要进行
适当的调整，本发明对此不作限定。

[0048] 采用多个圆环结构，实现在发光单元的不同区域进行电流注入，减少了电流的横向扩散，使得在电流注入器件之前就已经具有较好的均匀性，在电流注入点的电流密度可
以大幅度降低，避免了发光单元的可承受电流密度快速到达最大值，提高了器件的电流注
入均匀性。

[0049] 上述的均匀的电流注入电极结构，使发光单元直径超过30微米时，仍然具有均匀的电流注入，而传统的阵列电极结构只能从P型DBR反射镜70边缘注入电流，发光单元直径
超过30微米时，发光单元中心电流密度下降，导致阵列器件输出功率下降，使得器件的电流
注入从P型DBR反射镜70边缘注入的单线注入，变为电极环中的各个圆环的面注入，可以采
用发光单元的中部进行电流注入，提高了器件的性能。

[0050] 除此之外，本发明实施例还提供了一种高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，包括上所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法制成的发光单元，多个所述发
光单元组成激光器阵列。

[0051] 由于所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列，包括上所述列功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法制成的发光单元，因而具有相同的有益效果，本发明在此不
做赘述。

[0052] 本发明中对于阵列的具体结构不做限定，而为了降低器件中心的发光单元的温度，改善器件中心热积累的问题，在一个实施方式中，所述列功率长波长垂直腔面发射激光
器阵列包括位于中心的圆形中心发光组以及环绕所述圆形中心发光组设置的6‑8个扇形激
光器区域，所述扇形激光器区域的发光单元的数量随着与所述圆形中心发光组距离的增加
而增加。

[0053] 本发明对于圆形中心发光组与环绕设置的扇形激光器区域之间的间距不做限定，对于相邻扇形激光器区域之间的间距不做限定。

[0054] 需要指出的是，本发明中并不局限于上述的结构，本领域技术人员还可以通过在扇形激光器区域设置小的扇型区，用以降低发光单元的密度，或者采用其它的结构，本发明
对此不作限定。

[0055] 本发明对于中心发光组的发光单元的数量以及排布等不做限定，一般所述圆形中心发光组包括6 8个发光单元，所述圆形中心发光组的直径为200μm 250μm。
~ ~

[0056] 本发明对于扇形激光器区域以及相互之间的间距等不做限定，一般相邻所述扇形激光器区域的间距为20μm 40μm，所述扇形激光器区域为按照与所述阵列的中心距离划分
~
为7 9层且相邻层之间等距的扇形激光器区域。
~

[0057] 在一个实施例中，发光单元的排布方式为环形分布的8个扇形激光器区域，每个扇形结构圆心角为45度，包含9层发光单元，第一层包含一个发光单元、第二层包含两个发光
单元，依次类推，第九层包含九个发光单元。每层中，发光单元层弧形排列，相邻发光单元的
间距范围为30μm；所述阵列中心包含8个发光单元，排列成圆形，圆形直径范围为200微米，
所述阵列中心包含一个发光单元。

[0058] 采用这种结构阵列排布方式，使器件中心发光单元密度降低，并结合发光单元中的大面积的散热层设置，改善了传统阵列排布方式导致的器件中心热积累严重的问题，进
一步增加了阵列器件的散热能力，提高了器件的注入电流上限以及最大输出功率，提高了
器件的性能。

[0059] 综上所述，本发明实施例提供的所述高功率长波长垂直腔面发射激光器阵列制作方法，通过采用在外延晶片上设置散热层，在P型DBR反射镜上沉积P面金属散热电极层，提
高发光单元以及阵列的散热能力，提高使用可靠性以及最大输出功率，提高了单个发光单
元的性能以及阵列性能。

[0060] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0061] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。