CN105529615A - 一种半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及其制作方法，该半导体激光器包括：相对设置的N型电极以及P型电极；设置在所述N型电极与所述P型电极之间的功能层；在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层、绝缘层以及P型欧姆接触层；其中，所述第一方向为由所述N型电极指向所述P型电极的方向；所述P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；在所述第一方向上，所述绝缘层与所述电流注入区相对的位置设置有镂空图案，使得所述P型电极与所述P型欧姆接触层在所述电流注入区处电连接。所述半导体激光器具有低侧向发散角的特性。

Description

一种半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，更具体的说，涉及一种半导体激光器及其制作方法。

背景技术

半导体激光器由于具有体积小、重量轻、转换效率高等诸多优点，被广泛的应用于医疗、显示、通讯、材料加工以及泵浦固体激光器等领域。随着应用领域的不断拓展，人们对半导体激光器的功率和光束质量提出了越来越高的要求。

通过优化外延结构设计和改进材料生长，半导体激光器的快轴发散角得到了极大的改善。而半导体激光器输出功率的提高则可以采用宽条电接触的方法来实现，但是这种结构使得半导体激光器的侧向输出光束质量较差，外在特征表现为侧向发散角大。导致这一问题的主要原因是随着电流的增大，宽条结构极易产生光束成丝、空间烧孔、热透镜等现象。光学准直可以压缩侧向发散角，但是光学对准需要很高的精度，同时光学器件的引入增加了成本和系统的体积。

一种可行的办法就是从器件结构本身引入调控机制来改善半导体激光器的侧向发散角，在过去的几十年里，人们提出了一系列的结构来实现半导体激光器光束质量的改善。例如不稳定谐振腔、a-DFB激光器、锥形激光器、倾斜腔激光器等，通过增加高阶模式的阈值或者过滤高阶模式来实现较好的侧向发散角。

但是上述结构的半导体激光器相对于传统的半导体激光器，具有制作工艺复杂、制作成本高或者功率受限的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体激光器，该半导体激光器在保持功率不受影响的情况下，实现了低侧向发散角。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种半导体激光器，该半导体激光器包括：

相对设置的N型电极以及P型电极；

设置在所述N型电极与所述P型电极之间的功能层；

在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层、绝缘层以及P型欧姆接触层；

其中，所述第一方向为由所述N型电极指向所述P型电极的方向；所述P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；在所述第一方向上，所述绝缘层与所述电流注入区相对的位置设置有镂空图案，使得所述P型电极与所述P型欧姆接触层在所述电流注入区处电连接。

优选的，在上述半导体激光器中，所述电流注入区与所述N型电极之间的距离大于所述非电流注入区与所述N型电极之间的距离。

优选的，在上述半导体激光器中，所述P型电极包括多个阵列排布的子区域；

其中，所述子区域用于设置一所述电流注入区或是一所述非电流注入区；在所述阵列的行方向以及列方向上，所述电流注入区与所述非电流注入区交替排布。

优选的，在上述半导体激光器中，所述子区域为正方形、长方形或菱形。

优选的，在上述半导体激光器中，所述N型电极的材料为AuGeNi-Au合金，所述P型电极材料为TiPtAu合金。

优选的，在上述半导体激光器中，所述有源区包括量子阱、量子点和量子线。

优选的，在上述半导体激光器中，所述衬底的材料为GaAs、InP或GaSb。

本发明还提供了一种半导体激光器的制作方法，用于制备上述半导体激光器，该制作方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底的一侧依次外延生长N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层以及P型欧姆接触层；

图案化所述P型包层以及所述P型欧姆接触层，在所述P型包层表面形成凹槽区域，在所述P型欧姆接触层表面形成与所述凹槽区域对应的镂空区域；

在图案化后的所述P型欧姆接触层表面形成绝缘层；

图案化所述绝缘层，将与所述镂空区域相对的绝缘层去除；

在图案化后的所述绝缘层表面形成P型电极，在所述衬底的另一侧形成N型电极。

优选的，在上述制作方法中，所述图案化所述P型包层以及所述P型欧姆接触层包括：

进行第一次光刻过程，在第一预设区域的P型欧姆接触层上形成开口，并在所述P型包层与所述开口对应的位置形成第一凹槽，所述第一凹槽的刻蚀深度小于所述P型包层的厚度；

进行第二次光刻过程，通过光刻胶保护第二预设区域的P型包层以及P型欧姆接触层，去除第三预设区域的P型包层，在所述第三预设区域的P型欧姆接触层形成第二凹槽，所述第二凹槽的刻蚀深度小于所述P型包层的厚度，且大于所述第一凹槽的刻蚀深度。

优选的，在上述制作方法中，所述在图案化后的所述绝缘层表面形成P型电极，在所述衬底的另一侧形成N型电极包括：

采用磁控溅射的方法在所述绝缘层表面形成所述P型电极，对所述衬底的另一侧进行减薄抛光后，在所述衬底表面形成N型电极。

通过上述描述可知，本发明技术方案图提供的半导体激光器包括：相对设置的N型电极以及P型电极；设置在所述N型电极与所述P型电极之间的功能层；在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层、绝缘层以及P型欧姆接触层；其中，所述第一方向为由所述N型电极指向所述P型电极的方向；所述P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；在所述第一方向上，所述绝缘层与所述电流注入区相对的位置设置有镂空图案，使得所述P型电极与所述P型欧姆接触层在所述电流注入区处电连接。

可见，所述半导体激光器的P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；所述电流注入区能够实现P型电极与N型电极之间的电流注入，而非电流注入区由于绝缘层的作用，避免了P型电极与N型电极之间的电流注入，因此，所述半导体激光器能够改变载流子的分布，抑制高阶模式的产生和非线性效应的发生，进而改善侧向发散角，具有低侧向发散角。

另外，所述半导体激光器只需增加一次光刻和刻蚀工艺，以形成P型电极的电流注入区以及非电流注入区，其他制作流程与传统的半导体激光器制作工艺完全一致，具有工艺成熟、制作成本低、结构简单、重复性好、易于商业化生产的优点。且适用于宽条半导体激光器，可在保持高功率输出的情况下降低侧向发散角，有利于实现高亮度半导体激光器。

附图说明

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。

图1为本申请实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图；

图2为图1所示半导体激光器的俯视图

图3为本申请实施例所述半导体激光器与传统半导体激光器的电流分布示意图；

图4为本申请实施例所述半导体激光器与传统半导体激光器的载流子分布示意图；

图5为本申请实施例所述半导体激光器与传统半导体激光器的实测远场图。

具体实施方式

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。

正如背景技术中所述，为了降低半导体激光器的侧向发散角，不稳定谐振腔、a-DFB激光器、锥形激光器、倾斜腔激光器等结构的半导体激光器相对于传统的半导体激光器，具有制作工艺复杂、制作成本高或者功率受限的问题。

因此，如何在降低半导体激光器侧向发散角的同时，同时使得半导体激光器具有较简单的结构、较低的制作成本以及较高的输出功率，是当前半导体激光器领域亟待解决的问题。

为了解决上述问题，本申请实施例提供的了一种半导体激光器，该半导体激光器包括：

相对设置的N型电极以及P型电极；

设置在所述N型电极与所述P型电极之间的功能层；

在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层、绝缘层以及P型欧姆接触层；

其中，所述第一方向为由所述N型电极指向所述P型电极的方向；所述P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；在所述第一方向上，所述绝缘层与所述电流注入区相对的位置设置有镂空图案，使得所述P型电极与所述P型欧姆接触层在所述电流注入区处电连接。

所述半导体激光器的P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；所述电流注入区能够实现P型电极与N型电极之间的电流注入，而非电流注入区由于绝缘层的作用，避免了P型电极与N型电极之间的电流注入，因此，所述半导体激光器能够改变载流子的分布，抑制高阶模式的产生和非线性效应的发生，进而改善侧向发散角，具有低侧向发散角。

另外，所述半导体激光器只需增加一次光刻和刻蚀工艺，以形成P型电极的电流注入区以及非电流注入区，其他制作流程与传统的半导体激光器制作工艺完全一致，具有工艺成熟、制作成本低、结构简单、重复性好、易于商业化生产的优点。且适用于宽条半导体激光器，可在保持高功率输出的情况下降低侧向发散角，有利于实现高亮度半导体激光器。

为了使本发明实施例提供的技术方案更加清楚，下面结合附图对上述方案进行详细描述。

参考图1和图2，图1为本申请实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，图2为图1所示半导体激光器的俯视图，该半导体激光器包括在第一方向Y上依次设置的N型电极1、衬底2、N型包层3、N型光限制层4、有源区5、P型光限制层6、P型包层7、绝缘层8、P型欧姆接触层9以及P型电极10。所述第一方向Y为由所述N型电极1指向所述P型电极10的方向。

在所述第一方向Y上，所述绝缘层8与所述电流注入区12相对的位置设置有镂空图案，使得所述P型电极10与所述P型欧姆接触层9在所述电流注入区12处电连接。

P型电极10包括非电流注入区11以及电流注入区12。所述电流注入区12与所述N型电极1之间的距离大于所述非电流注入区11与所述N型电极1之间的距离。

为了减小接触电阻实现器件的稳定高效工作，N型电极1的材料为AuGeNi-Au合金，P型电极10的材料为TiPtAu合金。有源区5包括量子阱、量子点和量子线等，衬底2的材料为GaAs、InP或GaSb，覆盖波长为近红外到远红外。

如图2所示，所述P型电极包括多个阵列排布的子区域21。其中，所述子区域21用于设置一所述电流注入区12或是一所述非电流注入区11；在所述阵列的行方向Z以及列方向X上，所述电流注入区12与所述非电流注入区11交替排布。行方向Z以及列方向X均垂直于第一方向Y。具体的，所述子区域21为正方形、长方形或菱形。

通过光刻刻蚀技术，图案化P型包层7以及绝缘层8、P型欧姆接触层9，形成预设形状的P型电极10。P型电极10包括多个均匀分布的凸起台面。所述凸起台面包括中心区域台面以及边缘台面。中心区域台面的P型电极10直接与P型欧姆接触层9电连接，形成电流注入区12，边缘台面的P型电极10与P型欧姆接触层9之间具有绝缘层，放置半导体激光器边缘漏电问题。两相邻凸起台面之间的P型包层7具有凹槽区域。该凹槽区域对应的位置形成非电流注入区11，P型欧姆接触层9被刻蚀出开口，P型电极10与P型包层7之间具有绝缘层8。

下面结合具体的实验数据说明本申请实施例所述半导体激光器相对于传统半导体激光器的区别，以及具有的优势。

参考图3-图5，图3为本申请实施例所述半导体激光器与传统半导体激光器的电流分布示意图，图4为本申请实施例所述半导体激光器与传统半导体激光器的载流子分布示意图，图5为本申请实施例所述半导体激光器与传统半导体激光器的实测远场图。图3-图5中，虚线表示普通结构的传统半导体激光器的数据曲线，实线表示本申请实施例提供的新型结构的半导体激光器的数据曲线。

需要说明书的是，由于半导体激光器的结构上的对称性，只给出半导体激光器一半的器件结构。从图3中可以看出，实线对应到新型结构的半导体激光器的电流不再像普通结构的半导体激光器一样的均匀注入，而是形成间隔注入，这种间隔注入可以使得增益具有周期性的变化。新型结构的半导体激光器的这种增益调制使得非电流注入区的载流子数量下降，尤其是深刻蚀台面边缘的非电流注入区，如图4所示。而边缘载流子数量减少，使得高阶模式的阈值增加，因此如图5所示，随着电流的增加，侧向远场发散角保持稳定。

综上所述，本申请实施例提供的半导体激光器中，P型电极是通过光刻和刻蚀所形成的沿第一方向和第二方向均匀间隔分布的台面，被刻蚀的区域被绝缘层覆盖，无电流注入。这样，所述半导体激光器可以通过电流注入区实现第一方向上的电流注入，还可以通过电流注入区之间的电流流通实现第二方向上的电流注入，从而实现二维的电流注入，减少了边缘载流子的堆积效应。通过改变载流子的分布，抑制了高阶模式的产生和非线性效应的发生，进而改善侧向发散角，因此，所述半导体激光器具有较低的侧向发散角。

传统的半导体激光器中只有第一方向上的电流注入，而本申请实施例所述半导体激光器通过对电流的二维调控实现非均匀增益，特别适于宽条半导体激光器，可在保持高功率输出的情况下降低侧向发散角，有利于实现高亮度半导体激光器。其中，所述第二方向为所述阵列的行方向或是列方向。基于上述半导体激光器实施例，本申请另一实施例还提供了一种制作方法，用于制作上述实施例所示的半导体激光器，该制作方法包括：

步骤S11：提供一衬底。

步骤S12：在所述衬底的一侧依次外延生长N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层以及P型欧姆接触层。

步骤S13：图案化所述P型包层以及所述P型欧姆接触层，在所述P型包层表面形成凹槽区域，在所述P型欧姆接触层表面形成与所述凹槽区域对应的镂空区域。

可选的，该步骤中，所述图案化所述P型包层以及所述P型欧姆接触层包括：进行第一次光刻过程，在第一预设区域的P型欧姆接触层上形成开口，并在所述P型包层与所述开口对应的位置形成第一凹槽，所述第一凹槽的刻蚀深度小于所述P型包层的厚度；进行第二次光刻过程，通过光刻胶保护第二预设区域的P型包层以及P型欧姆接触层，去除第三预设区域的P型包层，在所述第三预设区域的P型欧姆接触层形成第二凹槽，所述第二凹槽的刻蚀深度小于所述P型包层的厚度，且大于所述第一凹槽的刻蚀深度。

步骤S14：在图案化后的所述P型欧姆接触层表面形成绝缘层。

步骤S15：图案化所述绝缘层，将与所述镂空区域相对的绝缘层去除。

步骤S16：在图案化后的所述绝缘层表面形成P型电极，在所述衬底的另一侧形成N型电极。

可选的，该步骤中，所述在图案化后的所述绝缘层表面形成P型电极，在所述衬底的另一侧形成N型电极包括：采用磁控溅射的方法在所述绝缘层表面形成所述P型电极，对所述衬底的另一侧进行减薄抛光后，在所述衬底表面形成N型电极。需要说明的是，本实施例所述制作方法基于上述半导体激光器实施例，相同相似之处可以相互补充说明。

采用上述制作方法准备如图1与图2所示半导体激光器时，可以制备工作波长为970nm的半导体激光器。

具体的，在GaAs衬底2上依次外延600nm的Al0.15Ga0.85AsN型包层3、3μm的Al0.08Ga0.92AsN型光限制层4、32nm的GaAs/InGaAs双量子阱的有源区5、1μm的Al0.08Ga0.92P型光限制层6、1.2μm的Al0.2Ga0.8AsP型包层7及120nm重掺杂GaAs的P型欧姆接触层9。

通过第一次光刻过程中刻蚀去掉第一预设区域的P型欧姆接触层9，并去掉400nm的P型包层7以形成第一凹槽，进而形成沿第二方向和第一方向Y的长宽均为5μm的正方形台面，其中，正方形台面沿第二方向和第一方向Y周期均为10μm，整个第二方向包含5个周期，而第一方向Y包含200个周期。

然后，通过第二次光刻，用光刻胶保护第二预设区域的P型包层以及P型欧姆接触层，通过刻蚀工艺去除第三预设区域的P型包层7，并去掉1μm的P型包层7以形成第二凹槽，这种深刻蚀形成的台面距离P型电极区域边缘的距离为5μm。去除光刻胶，在P面大面积生长绝缘层8，绝缘层的材料包括二氧化硅、氮化硅等材料中的一种或是多种。第三步光刻过冲中将正方形台面上的绝缘层去除，形成电流注入窗口。

最后，采用磁控溅射的方法在P面制作P型电极10，其中电极材料为TiPtAu合金。对衬底2进行减薄抛光后，在衬底上制备N面电极，其中电极材料为AuGeNi-Au合金。可以采用较大面积的衬底一次性制备多个半导体激光器，然后通过切割解理单个管芯完成器件的制备，以提高生产效率。

本申请实施例所述制作方法，可以制备上述实施例所述的低侧向发散角的半导体激光器，只需增加一次光刻和刻蚀工艺，制作工艺简单，制作成本低。

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。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：

相对设置的N型电极以及P型电极；

设置在所述N型电极与所述P型电极之间的功能层；

在第一方向上，所述功能层包括依次设置的衬底、N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层、绝缘层以及P型欧姆接触层；

其中，所述第一方向为由所述N型电极指向所述P型电极的方向；所述P型电极包括：电流注入区以及非电流注入区；在所述第一方向上，所述绝缘层与所述电流注入区相对的位置设置有镂空图案，使得所述P型电极与所述P型欧姆接触层在所述电流注入区处电连接。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述电流注入区与所述N型电极之间的距离大于所述非电流注入区与所述N型电极之间的距离。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述P型电极包括多个阵列排布的子区域；

其中，所述子区域用于设置一所述电流注入区或是一所述非电流注入区；在所述阵列的行方向以及列方向上，所述电流注入区与所述非电流注入区交替排布。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述子区域为正方形、长方形或菱形。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述N型电极的材料为AuGeNi-Au合金，所述P型电极材料为TiPtAu合金。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区包括量子阱、量子点和量子线。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述衬底的材料为GaAs、InP或GaSb。

8.一种半导体激光器的制作方法，用于制备如权利要求1-7任一项所述的半导体激光器，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底的一侧依次外延生长N型包层、N型光限制层、有源区、P型光限制层、P型包层以及P型欧姆接触层；

图案化所述P型包层以及所述P型欧姆接触层，在所述P型包层表面形成凹槽区域，在所述P型欧姆接触层表面形成与所述凹槽区域对应的镂空区域；

在图案化后的所述P型欧姆接触层表面形成绝缘层；

图案化所述绝缘层，将与所述镂空区域相对的绝缘层去除；

在图案化后的所述绝缘层表面形成P型电极，在所述衬底的另一侧形成N型电极。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述图案化所述P型包层以及所述P型欧姆接触层包括：

进行第一次光刻过程，在第一预设区域的P型欧姆接触层上形成开口，并在所述P型包层与所述开口对应的位置形成第一凹槽，所述第一凹槽的刻蚀深度小于所述P型包层的厚度；

进行第二次光刻过程，通过光刻胶保护第二预设区域的P型包层以及P型欧姆接触层，去除第三预设区域的P型包层，在所述第三预设区域的P型欧姆接触层形成第二凹槽，所述第二凹槽的刻蚀深度小于所述P型包层的厚度，且大于所述第一凹槽的刻蚀深度。

10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述在图案化后的所述绝缘层表面形成P型电极，在所述衬底的另一侧形成N型电极包括：

采用磁控溅射的方法在所述绝缘层表面形成所述P型电极，对所述衬底的另一侧进行减薄抛光后，在所述衬底表面形成N型电极。