CN104269739A - 一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，包括振荡部分、过渡部分、放大部分和底面沟槽，所述过渡部分将所述振荡部分和放大部分连接并融合在一起，所述底面沟槽分别位于所述振荡部分、过渡部分和放大部分的两侧，且所述振荡部分、过渡部分和放大部分两侧的底面沟槽深度不同。本发明巧妙地通过过渡部分将所述振荡部分和放大部分连接并融合在一起，依靠所述振荡部分、过渡部分和放大部分两侧深度不同的底面沟槽防止形成非预期的反射破坏基横模输出，为一种基于常规脊波导的芯片结构，因而只需采用普通的脊波导工艺就能实现大功率半导体基横模激光输出芯片的制作，产品制作工艺简单成熟，成品率高，成本低，适用于批量生产制作。

Description

一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构

技术领域

本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构。

背景技术

目前，实现低成本大功率基横模输出要求，一般采用将一个激光器和半导体光放大器集成到一个芯片内实现，其制作工艺复杂、成品率低、成本高，其典型的三种方式如图1和图2所示。具体地，图1方式采用DFB(分布式反馈激光器)或DBR(分布式布拉格反射)半导体激光器芯片作为振荡部分11，其输出激光通过后续的半导体光放大部分12进一步放大输出，振荡部分11保证激光器基横模输出，半导体光放大部分12进行功率放大，实现高功率输出，防反射沟槽13防止半导体光放大部分12的前端面和振荡部分11的前端面(包括光刻引入的反射)形成非预期的F-P腔激射，破坏基横模工作状态，其原理如图3所示，但是图1中的方式需要制作亚微米定值反射光栅14，因而工艺复杂、成本高昂。图2方式采用图1中类似的方法，只是采用刻蚀反射沟槽24代替DFB或DBR中的定值反射光栅14形成反射，以期避免工艺复杂的光栅制作，但是刻蚀反射沟槽24的制作工艺困难，工艺参数一致性不好，成品率低，无法实现批量生产制造。

发明内容

针对现有大功率半导体基横模激光器芯片存在的由于需要制作定值反射光栅导致设备昂贵和工艺复杂，以及制作反射沟槽导致工艺一致性不好，无法实现批量生产制造的技术问题，本发明提供一种新型低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，包括振荡部分、过渡部分、放大部分和底面沟槽，所述过渡部分将所述振荡部分和放大部分连接并融合在一起，所述底面沟槽分别位于所述振荡部分、过渡部分和放大部分的两侧，且所述振荡部分、过渡部分和放大部分两侧的底面沟槽深度不同。

本发明提供的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构中，巧妙地通过过渡部分将所述振荡部分和放大部分连接并融合在一起，依靠芯片的前后自然解理端面实现振荡，通过芯片后部窄的条宽保证基横模输出，依靠振荡部分输出位置两边的放大部分进行放大实现高功率输出，依靠所述振荡部分、过渡部分和放大部分两侧深度不同的底面沟槽防止形成非预期的反射破坏基横模输出，为一种基于常规脊波导的芯片结构，因而只需采用普通的脊波导工艺就能实现大功率半导体基横模激光输出芯片的制作，产品制作工艺简单成熟，成品率高，成本低，适用于批量生产制作。

进一步，所述振荡部分两侧的底面沟槽深度较深，所述放大部分两侧的底面沟槽深度较浅，所述过渡部分两侧的底面沟槽深度介于所述振荡部分和放大部分两侧的底面沟槽深度之间。

进一步，所述振荡部分两侧的底面沟槽深度为1-3微米，所述过渡部分两侧的底面沟槽深度为0.5-3微米，所述放大部分两侧的底面沟槽深度为0.5-2微米。

进一步，所述过渡部分两侧的底面沟槽为在水平和垂直方向均具有倾斜角度的倾斜沟槽。

进一步，所述过渡部分两侧的底面倾斜沟槽，在水平方向的倾斜角度为1微米/100微米～10微米/100微米，在垂直方向的倾斜角度为0.2微米/100微米～5微米/100微米。

进一步，所述振荡部分两侧的底面沟槽宽度为5-10微米，所述过渡部分两侧的底面沟槽宽度为2-40微米，所述放大部分两侧的底面沟槽宽度为20-40微米。

进一步，所述振荡部分的宽度为2-4微米，所述过渡部分的宽度为2-8微米，所述放大部分的宽度为4-8微米。

进一步，所述芯片结构还包括设置于芯片后端面的反射膜，以及设置于芯片前端面的增透膜。

进一步，所述反射膜与增透膜镀设于芯片的后端面与前端面上。

进一步，所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于15％。

采用本发明提供的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，能够减小制作时的工艺复杂程度和工艺难度，有效提高了批量生产能力和降低了生产成本，增加产品的竞争能力。

附图说明

图1是现有技术提供的采用DFB或DBR大功率半导体基横模激光器芯片结构示意图。

图2是现有技术提供的采用刻蚀沟槽大功率半导体基横模激光器芯片结构示意图。

图3是图1和图2中防反射沟槽防止形成非预期的F-P腔激射原理示意图。

图4是本发明提供的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构示意图。

图5是本发明提供的芯片底面小角度倾斜沟槽垂直方向剖面示意图。

图6是本发明提供的芯片底面小角度倾斜沟槽芯片表面俯视示意图。

图7是本发明提供的芯片底面小角度倾斜沟槽水平方向防止形成非预期F-P腔激射原理示意图。

图8是本发明提供的芯片底面小角度倾斜沟槽垂直方向防止形成非预期F-P腔激射原理示意图。

图9是耦合有本发明提供的激光器芯片结构的激光器同常规激光器的I-P曲线测试对比结果示意图。

图10是耦合有本发明提供的激光器芯片结构的激光器同常规激光器的水平发散角测试对比结果示意图。

图中，11、振荡部分；12、放大部分；13、防反射沟槽；14、定值反射光栅；21、振荡部分；22、放大部分；23、防反射沟槽；24、反射沟槽；31、振荡部分；32、过渡部分；33、放大部分；330、增益区；34、底面沟槽；341、振荡部分两侧的底面沟槽；342、过渡部分两侧的底面沟槽；343、放大部分两侧的底面沟槽；35、反射膜；36、增透膜。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“深度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。

请参考图4所示，本发明提供一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，包括振荡部分31、过渡部分32、放大部分33和底面沟槽34，所述过渡部分32将所述振荡部分31和放大部分33连接并融合在一起，所述底面沟槽34分别位于所述振荡部分31、过渡部分32和放大部分33的两侧，且所述振荡部分31、过渡部分32和放大部分33两侧的底面沟槽深度不同。

本发明提供的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构中，巧妙地通过过渡部分将所述振荡部分和放大部分连接并融合在一起，依靠芯片的前后自然解理端面实现振荡，通过芯片后部窄的条宽保证基横模输出，依靠振荡部分输出位置两边的放大部分进行放大实现高功率输出，依靠所述振荡部分、过渡部分和放大部分两侧深度不同的底面沟槽防止形成非预期的反射破坏基横模输出，为一种基于常规脊波导的芯片结构，因而只需采用普通的脊波导工艺就能实现大功率半导体基横模激光输出芯片的制作，产品制作工艺简单成熟，成品率高，成本低，适用于批量生产制作。

作为具体实施例，请参考图4所示，所述底面沟槽34具体包括设于所述振荡部分31两侧的底面沟槽341，设于所述过渡部分32两侧的底面沟槽342，以及设于所述放大部分33两侧的底面沟槽343，所述底面沟槽342连接于所述底面沟槽341和底面沟槽343之间，且所述底面沟槽341、底面沟槽342和底面沟槽343的沟槽深度不同，其形成的原理为不同光刻沟槽宽度在相同腐蚀条件下具有不同的刻蚀深度，由此可通过不同宽度的光刻沟槽一次刻蚀而成。具体地，所述振荡部分31两侧的底面沟槽341深度较深，用于光和电流限制，实现所述振荡部分31控制基横模输出；所述放大部分33两侧的底面沟槽343深度较浅，只用于电流限制，实现增益区部分电流限制；所述过渡部分32两侧的底面沟槽342深度介于所述振荡部分和放大部分两侧的底面沟槽深度之间，用于平滑连接所述底面沟槽341和底面沟槽343，防止形成非预期的反射破坏基横模输出。

作为一种实施方式，所述振荡部分31两侧的底面沟槽341深度为1-3微米(优选为1.6-2微米)，所述过渡部分32两侧的底面沟槽342深度为0.5-3微米(优选为0.8-2微米)，所述放大部分33两侧的底面沟槽343深度为0.5-2微米(优选为0.8-1.2微米)，由此可以实现振荡部分深度足以保证实现单模激光输出，放大部分能提供更高的输出功率，过渡部分保持平滑，以实现尽量小的反射。

作为优选实施例，请参考图4所示，为了既能保证平滑的连接，又能防止同增益区(图3中虚线两侧的区域330)前端面形成F-P腔激射，避免器件工作出现多阶横模工作，影响耦合效率，所述过渡部分32两侧的底面沟槽342为在水平和垂直方向均具有倾斜角度的倾斜沟槽。具体地，请参考图5所示，所述底面沟槽342连接于所述底面沟槽341和底面沟槽343之间，从芯片的后端面往前端面看，底面沟槽的深度逐渐减小，即所述底面沟槽341的深度较深，所述底面沟槽343的深度较浅，所述底面沟槽342的深度介于前述两部分之间，由此实现垂直方向底面小角度倾斜沟槽并平滑连接于所述底面沟槽341和底面沟槽343之间。同理，请参考图6所示，从芯片的后端面往前端面看，所述底面沟通342在芯片左右的水平方向上，其沟槽的宽度逐渐增大并形成倾斜角，由此实现水平方向底面小角度倾斜沟槽，保证本发明提供的激光器芯片结构用于耦合单模光纤激光器或其他要求使用大功率基横模激光器系统时的耦合效率。从图7和图8可以看出，由于所述过渡部分32两侧的底面沟槽342在水平和垂直方向设为具有倾斜角度的倾斜沟槽，因而更好地防止了同增益区前端面形成F-P腔激射，进一步避免器件工作出现多阶横模工作。

作为一种实施方式，所述过渡部分32两侧的底面倾斜沟槽342，在水平方向的倾斜角度为1微米/100微米～10微米/100微米(优选为2微米/100微米)，在垂直方向的倾斜角度为0.2微米/100微米～5微米/100微米(优选为1微米/100微米)，由此可以形成平滑的小角度斜面，不会同前端面形成谐振，产生F-P模式同本发明需要基横模竞争。

作为优选实施例，为了利用腐蚀液的特性，在不同区域得到平滑的不同深度的沟槽，所述振荡部分31两侧的底面沟槽宽度为5-10微米，所述过渡部分32两侧的底面沟槽宽度为2-40微米(优选为5-40微米)，所述放大部分33两侧的底面沟槽宽度为20-40微米。

作为具体实施例，所述振荡部分31的宽度为2-4微米，所述过渡部分32的宽度为2-8微米，所述放大部分33的宽度为4-8微米。具体地，所述振荡部分31通过注入电流后，实现基横模振荡，用于大功率基横模半导体激光器的基横模激光输出保证，为了能有效实现基横模激光输出，所述振荡部分的宽度为2-4微米；所述放大部分33通过注入电流后，实现对基横模振荡激光的放大输出，用于大功率基横模半导体激光器的大功率输出保证，为了保证能实现大功率输出和高效率的耦合效率为标准，所述放大部分33的宽度为4-8微米，以约小于单模光纤的内径为益或相当；所述过渡部分32通过注入电流后，实现对光波导的平滑过渡，用于连接前后不同宽度波导，为了既保证不形成有害的反射，同时也能提供部分增益，提高激光器的输出功率，所述过渡部分32的宽度为2-8微米。

作为具体实施例，请参考图4所示，所述芯片结构还包括设置于芯片后端面的反射膜35，以及设置于芯片前端面的增透膜36；其中，所述反射膜35用于将激光器后端面输出的激光反射到谐振腔内，以降低阈值电流，提高斜率效率，提高有用端输出功率，所述增透膜36用于防止在放大部分形成反馈，影响激光质量，同时也同后端面反射膜35构成谐振抢的两个反射面，以实现基横模震荡。

作为一种实施方式，所述反射膜35与增透膜36镀设于芯片的后端面与前端面上，即在所述芯片的后端面镀上反射层，在所述芯片的前端面镀上增透膜，以此完成芯片的制作，其具体镀设的方式可以采用化学镀、电镀等。当然，所述反射膜35和增透膜36的设置方式并不局限于此，还可以采用其它的方式实现，具体可在芯片的后端面和前端面上粘贴一层反射膜与增透膜。

作为优选实施例，所述反射膜35的反射率为50％-100％，所述增透膜36的反射率小于等于15％。具体地，所述反射膜35的反射率越高越好，有利于提高输出端面的功率；所述增透膜36的反射率越低越好，有利于防止器件工作出现多阶横模工作。

本发明提供的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，整个结构均在一次外延生长好的外延层上制作，主体材料就是半导体激光器所需的外延材料，根据不同的具体参数和使用需求确定，因种类繁多，在此不再赘述。具体制作时，外延材料先通过光刻获得图形，再通过腐蚀形成沟道，自然就形成了振荡部分、过渡部分、放大部分、底面小角度倾斜沟槽等芯片的主体结构，再制作一层用于电隔离的介质膜层，通过腐蚀介质膜层暴露出外延材料的顶层，进行金属化就可以获得电流注入通道，最后在芯片的前后端面镀上增透膜和高反射膜层，完成了芯片的制作。

P面的电极可以采用Ti/Pa/Au、CrAu或ZnAu等常规的欧姆接触制作材料和工艺方式，N面的电极采用AuGeNi/Au等常规的欧姆接触制作材料和工艺方式，实现电极制作，介质隔离膜也可采用常规的制作材料和工艺方式，实现电流限制，在此不再进行说明。

在本发明中，采用低成本脊波导结构能实现大功率半导体基横模激光输出，相同注入电流下还能改善水平发散角，不涉及到垂直方向上激光输出模式和发散角，可以和其他的多种提高输出功率的方式共用，其原理还可用于掩埋方式类似结构的激光器制作。

因而采用本发明的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，相对于采用光栅的传统方案，只需要采用普通的脊波导工艺设备和工艺能力，避免了成本高昂的光栅制作工艺和至少两次外延生长，只需一次外延生长即可，产品的成品率均能达到80％以上，但生产成本只有传统方案的1/3；相对于采用防反射沟槽的传统方案，需要的工艺设备一样，但避免了沟槽刻蚀一致性不好的困难，其生产成本为该传统方案的1/4-1/3。

将耦合有本发明提供的激光器芯片结构的激光器同常规激光器进行I-P曲线测试，对比结果如图9所示。从该图中可以看出，耦合有本发明提供的激光器芯片结构的激光器，其注入电流近600mA，而输出功率达到300mW；而常规激光器的注入电流近300mA，而输出功率只有100mW多，明显低于前者。

将耦合有本发明提供的激光器芯片结构的激光器同常规激光器进行水平发散角测试，对比结果如图10所示。从该图中可以看出，在具有基本相同激光强度的情况下，耦合有本发明提供的激光器芯片结构的激光器水平发散角小于常规激光器水平发散角，激光聚集效果更好。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，包括振荡部分、过渡部分、放大部分和底面沟槽，所述过渡部分将所述振荡部分和放大部分连接并融合在一起，所述底面沟槽分别位于所述振荡部分、过渡部分和放大部分的两侧，且所述振荡部分、过渡部分和放大部分两侧的底面沟槽深度不同。

2.根据权利要求1所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述振荡部分两侧的底面沟槽深度较深，所述放大部分两侧的底面沟槽深度较浅，所述过渡部分两侧的底面沟槽深度介于所述振荡部分和放大部分两侧的底面沟槽深度之间。

3.根据权利要求2所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述振荡部分两侧的底面沟槽深度为1-3微米，所述过渡部分两侧的底面沟槽深度为0.5-3微米，所述放大部分两侧的底面沟槽深度为0.5-2微米。

4.根据权利要求1所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述过渡部分两侧的底面沟槽为在水平和垂直方向均具有倾斜角度的倾斜沟槽。

5.根据权利要求4所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述过渡部分两侧的底面倾斜沟槽，在水平方向的倾斜角度为1微米/100微米～10微米/100微米，在垂直方向的倾斜角度为0.2微米/100微米～5微米/100微米。

6.根据权利要求1所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述振荡部分两侧的底面沟槽宽度为2-10微米，所述过渡部分两侧的底面沟槽宽度为2-40微米，所述放大部分两侧的底面沟槽宽度为20-40微米。

7.根据权利要求1所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述振荡部分的宽度为2-4微米，所述过渡部分的宽度为2-8微米，所述放大部分的宽度为4-8微米。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述芯片结构还包括设置于芯片后端面的反射膜，以及设置于芯片前端面的增透膜。

9.根据权利要求8所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述反射膜与增透膜镀设于芯片的后端面与前端面上。

10.根据权利要求8所述的低成本大功率半导体基横模激光器芯片结构，其特征在于，所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于15％。