CN107579430A - 角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源 - Google Patents

角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源 Download PDF

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张星
黄佑文
宁永强
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本发明公开了一种角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，属于半导体光电子技术领域，解决了VCSEL光束偏转角度小、实现角度单一、不能进行扫描的问题。本发明从下到上依次包括多量子阱有源增益层、氧化电流限制孔层和P面分布式布拉格反射镜层，所述多量子阱有源增益层、氧化电流限制孔层和P面分布式布拉格反射镜层形成第一台面，在所述第一台面上设有中间带有空气层且直径小于第一台面的第二台面，在所述第二台面上设有非周期性高对比度光栅层，在所述第一台面上、所述第二台面的外侧设有P面电极。本发明不但可以实现大角度的宽视场探测和扫描，而且降低了激光雷达光源***的复杂性，满足了激光雷达光源的要求。

Description

角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷 达光源
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，特别涉及一种角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源。
背景技术
激光雷达(LiDAR)与普通的微波雷达相比，具有分辨率高，隐蔽性好、抗干扰能力强，低空探测性能好，体积小、质量轻等巨大优势。激光雷达是自主导航小型无人机、辅助驾驶或全自动驾驶***、自然目标、碰撞规避导航等领域的核心部件。目前市场上的LiDAR产品体积庞大、重量大、而且价格昂贵，且使用的是目前主流的机械旋转和环形激光器分布实现360°环视，这样造成了复杂的LiDAR光源***和昂贵的单价。所以一种自带角度扫描的半导体激光器将会对机械式扫描和环形激光器分布式扫描LiDAR形成绝对的优势，价格成倍降低，体积微型化，使用寿命长等。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有阈值电流小、发散角度小、输出光斑呈现圆形对称性、易二维集成等优点，是固体激光器、气体激光器、外腔激光器所不具备的。所以在成像、传感器、激光雷达等方面，VCSEL具有广泛的应用前景，其中激光器光束控制技术是实现这些应用的基础。目前也有许多的实现激光器光束控制的技术，如机械式的旋转多面镜、集成式的双P型电极法、光子晶体法、慢光布拉格反射波导法等。但是这些集成式光束角度控制法得到的偏转角度有限，不能满足大视场雷达光源的要求。
发明内容
本发明旨在解决集成式的VCSEL光束控制技术光束偏转角度小、实现角度单一、不能进行扫描、不能作为激光器雷达光源的问题，提供了一种角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，可以满足激光雷达对于光源的要求。
本发明提供的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，从下到上依次包括：N面电极、衬底、N面分布式布拉格反射镜层、多量子阱有源增益层、氧化电流限制孔层和P面分布式布拉格反射镜层，所述多量子阱有源增益层、氧化电流限制孔层和P面分布式布拉格反射镜层形成第一台面，所述第一台面为多个，且在N面分布式布拉格反射镜层上呈列阵分布；
在所述第一台面上设有内部带有空气层且直径小于第一台面的第二台面，所述第二台面在第一台面上呈列阵分布；
在所述第二台面上设有非周期性高对比度光栅层(non-periodic HCG)，所述非周期性高对比度光栅层是由可以实现不同偏转角度的、不同光栅周期和占空比的非周期性高度比度光栅条组合而成的非周期性高度比度光栅列阵；
在所述第一台面上、所述第二台面的外侧设有P面电极。
进一步地，所述第二台面为支撑非周期性高对比度光栅层的Si3N4层或SiO2层。
进一步地，所述第二台面的结构为圆柱形结构。
进一步地，所述非周期性高对比度光栅层为非晶硅(a-Si)层。
进一步地，所述非周期性高度比度光栅列阵通过微纳制造技术单片集成在第二台面的表面。
进一步地，所述非周期性高度比度光栅列阵通过外接高速扫描脉冲电源实现出射激光的主动扫描。
上述角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，在宽场扫描和探测激光雷达上的应用。
本发明的角度快速扫描集成非周期性高对比度光栅垂直腔面发射激光雷达光源，通过集成特定周期和占空比非周期性高对比度光栅来实现光束的波前相位控制，进而实现对VCSEL出射光束的多角度控制。非周期性高对比度光栅按照一定规律排列和分布集成在垂直腔面发射激光器出光窗口表面，在外接高速脉冲电流扫描式地快速注入到集成了非周期性高对比度光栅的垂直腔面发射激光器列阵单元，激光出射方向就可以主动发生偏转并能实现主动式扫描。
基于这种多角度控制的高对比度光栅列阵，本发明提出了一种在工作时可以实现空间角度快速扫描的垂直腔面发射激光器列阵雷达光源，这种尺寸极小的宽角发射垂直腔面发射激光器列阵光源***可以可以大大减小激光雷达体积，降低激光雷达光源***的复杂性，减轻激光雷达的重量，减小激光雷达单价。
与现有的激光雷达光源***相比，本发明具有的优势技术效益有：
本发明提供的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，是一种主动式的扫描光源，满足了激光雷达宽场扫描的要求，可以通过调节非周期性光栅(non-periodic HCG)的周期和占空比实现光束波前相位控制，进而实现光束偏转角度控制和聚焦。相比其他集成式的光束偏转技术，非周期性高对比度光栅可以实现较大的偏转角度。
本发明提供的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，不但可以实现大角度的宽视场探测和扫描，还可以大大减小激光雷达体积，降低激光雷达光源***的复杂性，减轻激光雷达的重量，减小激光雷达单价，光源的制造工艺线与现有的微电子工艺生产线兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的角度快速扫描集成非周期性高对比度光栅垂直腔面发射激光雷达光源的前视图；
图2为本发明提供的角度快速扫描集成非周期性高对比度光栅垂直腔面发射激光雷达光源的俯视图。
附图标记说明：
1、N面电极；2、衬底；3、N面分布式布拉格反射镜层；4、多量子阱有源增益层；5、氧化电流限制孔层；6、P面分布式布拉格反射镜层；7、P面电极；8、非周期性高对比度光栅层；9、空气层；10、第二台面；11、第一台面。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1和图2所示；
本发明的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，从下到上依次包括：N面电极1、衬底2、N面分布式布拉格反射镜层3、多量子阱有源增益层4、氧化电流限制孔层5和P面分布式布拉格反射镜层6，所述多量子阱有源增益层4、氧化电流限制孔层5和P面分布式布拉格反射镜层6形成第一台面11，所述第一台面11为多个，且在N面分布式布拉格反射镜层6上呈列阵分布；
在所述第一台面11上设有内部带有空气层9且直径小于第一台面11的第二台面10，所述第二台面10在第一台面11上呈列阵分布；
在所述第二台面10上设有非周期性高对比度光栅层8，所述非周期性高对比度光栅层8是由可以实现不同偏转角度的、不同光栅周期和占空比的非周期性高度比度光栅条组合而成的非周期性高度比度光栅列阵；
在所述第一台面11上、所述第二台面10的外侧设有P面电极7。
所述N面电极1的材料可以为金锗镍合金(Au/Ge/Ni)、金锗镍金合金(AuGeNi/Au)、金锗合金(Au/Ge)或铂金锗合金(Pt/Au/Ge)；
所述衬底2的材料可以为砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或氮化镓(GaN)；P型DBR层和N型DBR层均可以为砷化镓/砷化铝(GaAs/AlAs)；
所述多量子阱有源增益层4的材料可以为铟镓砷/磷砷化镓(InGaAs/GaAsP)、砷化镓/铝砷化镓(GaAs/AlGaAs)、铟镓砷/砷化镓(InGaAs/GaAs)或铟镓砷/铝砷化镓(InGaAs/AlGaAs)；
所述P面电极7的材料可以为钛金合金(Ti/Au)或钛铂金合金(Ti/Pt/Au)。
优选地，所述第二台面10为支撑非周期性高对比度光栅层8的Si3N4层或SiO2层。
优选地，所述第二台面10的结构为圆柱形结构。
优选地，所述非周期性高对比度光栅层8为非晶硅(a-Si)层，非周期性高对比度光栅层8可以通过ICP或是RIE刻蚀后形成非周期性光栅条。
优选地，所述非周期性高度比度光栅列阵通过微纳制造技术单片集成在第二台面10的表面。
优选地，所述非周期性高度比度光栅列阵通过外接高速扫描脉冲电源实现出射激光的主动扫描。
本发明的角度快速扫描集成非周期性高对比度光栅垂直腔面发射激光雷达光源的制备方法，包括以下步骤：
(1)在清洗干净的VCSEL外延片上使用PECVD生长一层厚度为500nm的SiO2层，SiO2层第一个作用是作为支撑non-periodic HCG的基底，第二个作用是把这一层SiO2层刻蚀成环状，中间的SiO2被刻蚀除去，形成低折射率的空气层，所述VCSEL外延片包括衬底2、N面分布式布拉格反射镜层3、多量子阱有源增益层4、氧化电流限制孔层5和P面分布式布拉格反射镜层6；
(2)在长有SiO2层的外延片上使用PECVD再生长一层一定厚度的非晶硅(a-Si)层，非晶硅(a-Si)层的作用是经过ICP刻蚀后形成非周期性光栅条；
(3)使用电子束曝光技术制备非周期性的光刻胶光栅条，然后以光刻胶作为掩膜刻蚀a-Si形成硅介质光栅条，制备过程中光栅条直径比VCSEL出光口大，但是比VCSEL台面直径小；
(4)使用普通的光刻机对已经刻蚀形成光栅的外延片进行光刻，显影后得到覆盖光栅的光刻胶圆台，其半径是单个VCSEL激光器台面半径。在后续的激光器制备工艺过程中，覆盖光栅的光刻胶可以对已经形成的光栅起到保护作用，而且此次光刻形成刻蚀SiO2层的光刻胶掩膜；
(5)然后使用ICP刻蚀机刻蚀没有被光刻胶圆台覆盖的SiO2区域，使VCSEL外延结构暴露出来，得到与光刻胶圆台一样大小的SiO2圆台；
(6)使用旋涂厚度较厚的AZ6130光刻胶再次进行光刻，显影后得到的AZ6130光刻胶圆台面比上一步形成的SiO2圆台面大3μm；
(7)使用ICP刻蚀设备对VCSEL外延片进行刻蚀，刻蚀到VCSEL外延片里面高铝组分层即可；
(8)清洗刻蚀后的VCSEL外延片，然后把清洗吹干的VCSEL外延片放置在400℃的湿热氧化炉进行氧化，氧化时间由所需要的氧化孔径大小决定；
(9)使用电子束蒸发或PECVD生长一层厚度为200nm的SiO2绝缘层；
(10)第一次套刻，套刻的尺寸是电极注入孔径大小，其大小比光栅直径大，但是比VCSEL台面直径小；
(11)使用ICP或RIE刻蚀法把套刻出的孔洞里面的绝缘层SiO2刻蚀除去。
(12)第二次套刻，套刻的孔径大小是VCSEL出光窗口大小，第二次套刻使用负胶方便后续lift-off工艺；
(13)磁控溅射生长P面电极；
(14)做lift-off工艺，使覆盖着金属电极的出光窗口暴露出来；
(15)使用单边减薄抛光设备减薄VCSEL外延片到200μm厚度；
(16)清洗干净后使用磁控溅射设备长N面电极；
(17)再次光刻，此次光刻使用的光刻胶与步骤(3)所述的一样，但此次使用的光刻胶为正胶，显影后得到出光口未被光刻胶覆盖的芯片；
(18)将步骤(17)处理后的芯片放到BOE腐蚀液中腐蚀去除光栅条下SiO2，形成镂空的高对比度光栅；
(19)经过解理、测试、封装，得到角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源。
本发明的角度快速扫描集成非周期性高对比度光栅垂直腔面发射激光雷达光源，其扫描特性是通过外接高速脉冲电源快速分别地注入电流到每一个或每一列集成了相同偏转角度非周期性高对比度光栅的光源列阵单元来实现出光主动扫描。
本发明的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，可以应用在宽场扫描和探测激光雷达上。
显然，上述实施方式仅仅是为了清楚的说明所作的举例，在上述说明的基础上还可以做出其他形式的变动或变化。因此，由此所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，从下到上依次包括：N面电极、衬底、N面分布式布拉格反射镜层、多量子阱有源增益层、氧化电流限制孔层和P面分布式布拉格反射镜层，所述多量子阱有源增益层、氧化电流限制孔层和P面分布式布拉格反射镜层形成第一台面，其特征在于，
所述第一台面为多个，且在N面分布式布拉格反射镜层上呈列阵分布；
在所述第一台面上设有多个内部带有空气层且直径小于第一台面的第二台面，所述第二台面在第一台面上呈列阵分布；
在所述第二台面上设有非周期性高对比度光栅层，所述非周期性高对比度光栅层是由可以实现不同偏转角度的、不同光栅周期和占空比的非周期性高度比度光栅条组合而成的非周期性高度比度光栅列阵；
在所述第一台面上、所述第二台面的外侧设有P面电极。
2.根据权利要求1所述的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，其特征在于，所述第二台面为支撑非周期性高对比度光栅层的Si3N4层或SiO2层。
3.根据权利要求1所述的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，其特征在于，所述第二台面的结构为圆柱形结构。
4.根据权利要求1所述的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，其特征在于，所述非周期性高对比度光栅层为非晶硅层。
5.根据权利要求1所述的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源，其特征在于，所述非周期性高度比度光栅列阵通过微纳制造技术单片集成在第二台面的表面。
6.根据权利要求1所述的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源的制备方法，其特征在于，所述非周期性高度比度光栅列阵通过外接高速扫描脉冲电源实现出射激光的主动扫描。
7.根据权利要求1所述的角度快速扫描集成非周期性高对比光栅垂直腔面发射激光雷达光源在宽场扫描和探测激光雷达上的应用。
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