CN105914580B - 具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器，沿激光器器件的垂直横向，包括上电级层、上接触层、电流阻挡层、上限制层、上波导层、有源层、下波导层、下限制层、衬底和下电级层；沿器件的纵向，包含增益谐振腔和后腔面分布反射镜，所述后腔面分布反射镜具有纵向布喇格反射镜结构DBR；沿器件的侧向，包括宽条电流注入侧向光栅区和电流限制区，所述宽条电流注入侧向光栅区，位于电流注入脊形区上。采用本发明的技术方案，既实现了半导体激光器的大功率输出，又能实现单模形式输出。

Description

具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体光电子领域，尤其涉及一种属于单模大功率半导体激光器，进一步涉及一种具有侧向光栅(LG：Lateral Grating)和纵向分布布喇格反射镜(DBR：Distributed Bragg Reflector)的半导体激光器(LD:Laser Diodes)，简称LG-DBR LD。

背景技术

半导体激光器凭借其体积小、效率高、寿命长及电驱动等优点，广泛地应用于工业加工、通信、医疗、打标和军事等领域，有着巨大的应用市场。当前，在GaAs上制备的大功率半导体激光器的单管输出功率已大于20W，但器件只在横向是单一基模，纵模和侧模都是多模状态，多纵模使光谱宽度增加，多侧模使器件工作不稳定，且不利于光纤耦合，这都限制了器件的进一步应用。

对于普通的大功率半导体激光器芯片，其结构如图1所示。沿器件的垂直方向包括上电级1，上接触层2，上限制层4，上波导层5，有源层6，下波导层7，下限制层8，衬底9和下电级层10。沿器件的水平侧向，包括电流注入脊形区11和电流限制区12，侧向电流的限制由绝缘的电流阻挡层3来实现。为了使器件有高的输出功率，除了增加垂直上波导层5和下波导层7的厚度外，还有另外两个措施，一是增加侧向电流注入脊形区11的条宽，二是增加纵向长腔13的长度。然而，宽的侧向电流注入脊形区11不但会产生多个侧向模式，而且这些模式会随着工作条件的变化而变化，使得激光器的侧模工作不稳定。纵向长腔13则使器件有多个纵向模式，与半导体材料的能带跃迁机制相结合，器件为多纵横工作状态，导致器件的光谱较宽。

目前，为了解决普通激光器的光谱问题，国内外提出了在普通大功率激光器芯片上沿纵向添加DBR的结构，器件结构如图2所示。沿器件的纵向包含增益谐振腔131和后腔面分布反射镜132两部分，在后腔面分布反射镜132部分制备有DBR结构111，其作用是解决多纵模的问题，实现纵向的单模输出。然而，这样的器件只是解决了沿纵向的多模问题，侧模的单模输出并没有解决。多侧模的光输出不但会随器件工作条件的变化而不稳定，还会影响侧模的光束质量，使得大功率激光器的进一步应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于给出一种能输出高功率的单模半导体激光器，可以在输出高功率的同时，沿纵向、横向和侧向三个方向都为单模状态。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种具有侧向光栅和纵向分布布喇格反射镜的半导体激光器，沿激光器器件的垂直横向，包括上电级层、上接触层、电流阻挡层、上限制层、上波导层、有源层、下波导层、下限制层、衬底和下电级层；沿器件的纵向，包含增益谐振腔和后腔面分布反射镜，所述后腔面分布反射镜具有纵向布喇格反射镜结构DBR；沿器件的侧向，包括宽条电流注入侧向光栅区和电流限制区，所述宽条电流注入侧向光栅区，位于电流注入脊形区上；其中，由宽条电流注入侧向光栅区、具有DBR结构的后腔面分布反射镜以及上波导层、有源层、下波导层实现大功率输出；由上限制层、上波导层、有源层、下波导层、下限制层实现横向仅有基横模激射；由侧向光栅实现侧向仅有基侧模激射；由纵向DBR结构实现纵向仅有一个模式被选择激射。

作为优选，所述电流阻挡层的材料为二氧化硅或氮化硅。

作为优选，所述有源区的结构可以为双异质结构、单双量子阱结构、多量子阱结构中的一种。

作为优选，所述上电极层和下电极层采用的材料为金属或者合金。

本发明所述的宽条电流注入侧向光栅区和纵向具有DBR结构的后腔面分布反射镜的半导体激光与普通的半导体激光相比较，有着一些重要的优越性，主要表现在：

1.高功率输出

整个芯片采取的是宽的电流注入脊形区，纵向长腔都是有利于高功率的输出。这种增加输出的光功率的方法能原因是：半导体激光器腔长变长，腔面的损耗就会减小，导致阈值减小，输出光功率就会增加。增加脊型台面的宽度主要是增加接触面积，使得注入电流增加。这样的设计结构大大的提高了光功率输出。

2.实现单模输出

在实现了高功率输出的基础上，通过宽脊型台面上制作出宽条电流注入侧向光栅区和纵向长腔上添加具有DBR结构的后腔面分布反射镜的这种结构设计改善模式的输出，实现光谱的单模形式。利用侧向的光栅的设计是主要实现侧向的单模输出，而纵向的布喇格反射镜结构主要是实现纵向的单模输出，而横向模式基本上是单模的输出，最终形成三个方向都是单模输出，实现光谱的单模输出。提高了半导体激光器光谱的质量。

3.实用性

半导体激光器的制作有着相对成熟的工艺条件和工艺流程，本发明的设计是在在普通的大功率激光器的基础上进行改进，工艺技术上能够得到保证，过程相对来说不是那么复杂。所以该设计的结构能够实现出大功率、单模的成功率相对来说是比较高，适用于生产。

附图说明

图1：常规结构LD的结构示意图；

图2：在常规结构LD基础上添加DBR的器件结构示意图；

图3：本发明中的侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器结构示意图。

图中，1为上电极层、2为上接触层、3为电流阻挡层、4为上限制层、5为上波导层、6为有源区、7为下波导层、8为下限制层、9为衬底、10为下电极层、11为电流注入脊型区、12为电流限制区、13为纵向长腔、131为增益谐振腔、132为后腔面分布反射镜、111为DBR结构、112为宽条电流注入侧向光栅区。

具体实施方式

如图3所示，本发明实施例提供一种具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器，沿器件的垂直横向，包括上电级层1、上接触层2、电流阻挡层3、上限制层4、上波导层5、有源层6、下波导层7、下限制层8、衬底9和下电级层10；沿器件的纵向，包含增益谐振腔131和后腔面分布反射镜132两部分，后腔面分布反射镜132部分具有纵向分布布喇格反射镜DBR(DBR：Distributed Bragg Reflector)结构111；沿器件的侧向，包括宽条电流注入侧向光栅区112和电流限制区12。

由宽条电流注入侧向光栅区112、具有DBR结构111的后腔面分布反射镜132以及上波导层5、有源层6、下波导层7实现大功率输出；由上限制层4、上波导层5、有源层6、下波导层7、下限制层8实现横向仅有基横模激射；由侧向光栅112实现侧向仅有基侧模激射；由纵向DBR111实现纵向仅有一个模式被选择激射。

本发明的半导体激光器的创新点在于：在普通大功率激光器的电流注入脊形区11上设有宽条电流注入侧向光栅区112，在纵向长腔上设有纵向布喇格反射镜结构，既能保存了普通大功率激光器的电流注入脊形区11和纵向腔长实现普通大功率激光器的高功率输出，又通过在电流注入脊形区11上添加宽条电流注入侧向光栅区112和纵向长腔上添加后腔面分布反射镜132实现光谱的单模输出。激光的模式可由波矢来表征，其中，分别是波矢沿侧向、横向和纵向的分量。在LG-DBR LD中，合理设计的外延结构可保证横向波矢仅有一个取值，即单横模。通过侧向光栅的周期及缺陷的合理设计可保证侧向波矢只能取一个值，即单侧模。在纵向刻蚀的布喇格反射镜结构的材料折射率以ABAB的方式交替排列，相当于简单的一组光子晶体组成的周期结构，每层材料的光学厚度是中心反射波长的1/4，对于频率落在能隙范围内的电磁波无法穿透，DBR的发射率高达99％以上，而对其它频率光的反射率很低，由此可实现单一纵模波矢的选择。因此，LG-DBR LD可实现单模光输出。宽条电流注入侧向光栅区112和纵向具有DBR结构111的后腔面分布反射镜132解决了大功率半导体激光器的宽脊宽、长腔长带来的由于侧膜工作不稳定和纵模多模输出造成的光谱较宽的问题，提高了大功率半导体激光器需要光谱模式稳定领域上面的应用。

所述电流阻挡层3的材料为二氧化硅或氮化硅。

所述有源区6的结构可以为双异质结构、单双量子阱结构、多量子阱结构中的一种。

所述上电极层1和下电极层10采用的材料为金属或者合金。

本发明在电流注入脊形区11添加宽条电流注入侧向光栅区112，该种设计既能增加电流的接触面积，又能改善侧向模式因宽脊型台面带来的侧向模式的不稳定性，又能实现侧向的单模输出。

本发明在纵向长腔上添加具有DBR结构111的后腔面分布反射镜132，该种设计既能减少腔面损耗，又能减少纵模的多模形式，实现在纵向的单模输出。

实施例1：

以980nm单量子阱半导体激光器为例。该器件的有源区是InGaAs材料，其制备过程和方法如下：

1.外延片的生长：可以在GaAs衬底上，利用金属有机化学相淀积(MOCVD)的方法依次外延下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层、盖层上接触层。

2.器件制备，具体的工艺过程

步骤1：把生长好的外延片首先进行清洗并且吹干后。在外延片上面进行光刻脊型台面的操作，光刻使用的设备可以是接触式曝光光刻机。把光刻好的外延片再进行腐蚀镓砷，腐蚀的方法可以用湿法腐蚀或者干法腐蚀(如耦合等离子体刻蚀ICP)，最终形成所需要的电流注入脊型区。

步骤2：设定好侧向光栅的相关参数(如周期，比例，材料)，在脊型台面上使用光刻方法光刻出宽条电流注入侧向光栅区，因为在侧向的光栅的周期还是比较长的，可以直接使用光刻技术，可以使用的光刻的设备是接触式曝光光刻机。

步骤3：采用等离子体增强化学气相淀积系统(PECVD)沉积生长电流阻挡层。

步骤4：然后通过光刻技术为后腔面分布反射镜区开一个窗口，把窗口内的电流阻挡层通过相应的腐蚀方法进行腐蚀，然后可以使用双干束全息法制造出DBR结构。

步骤5：采用等离子体增强化学气相淀积系统(PECVD)再次沉积生长电流阻挡层。

步骤6：在激光器的上电极溅射导电的材料，可以使用Ti/Au合金和其他金属材料。

步骤7：使用磨片的设备进行外延片的N面衬底减薄工作，一般减少到120～140微米，再次进行清洗并用氮气吹干。

步骤8：在下电极层溅射背面导电材料，可以使用合金AuGeNi/Au和其他金属材料，再使用快速退火设备进行快速退火工艺，目的是让导电材料和外延片之间形成良好的欧姆接触。

3.解理与压焊：划片、解理成单个的管芯，通过烧结焊接的过程，并在管座上并进行封装，最终完成了LD的制作。通过电流的注入，就可以实现大功率、单模输出的侧向光栅和向布格反射镜结构半导体激光器。

通过以上实施例，完成本发明LD制作。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器，其特征在于，沿激光器器件的垂直横向，包括上电级层(1)、上接触层(2)、电流阻挡层(3)、上限制层(4)、上波导层(5)、有源层(6)、下波导层(7)、下限制层(8)、衬底(9)和下电级层(10)；沿器件的纵向，包含增益谐振腔(131)和后腔面分布反射镜(132)，所述后腔面分布反射镜(132)具有纵向布喇格反射镜结构DBR(111)；沿器件的侧向，包括宽条电流注入侧向光栅区(112)和电流限制区(12)，所述宽条电流注入侧向光栅区(112)位于电流注入脊形区(11)上；其中，由宽条电流注入侧向光栅区(112)、具有DBR结构(111)的后腔面分布反射镜(132)以及上波导层(5)、有源层(6)、下波导层(7)实现大功率输出；由上限制层(4)、上波导层(5)、有源层(6)、下波导层(7)、下限制层(8)实现横向仅有基横模激射；由侧向光栅(112)实现侧向仅有基侧模激射；由纵向DBR结构(111)实现纵向仅有一个模式被选择激射；所述有源层(6)的结构可以为双异质结构、单双量子阱结构、多量子阱结构中的一种；

在电流注入脊形区(11)上设有宽条电流注入侧向光栅区(112)，在纵向长腔上设有纵向布喇格反射镜结构，既能保存了半导体激光器的高功率输出，又通过在电流注入脊形区(11)上添加宽条电流注入侧向光栅区(112)和纵向长腔上添加后腔面分布反射镜(132)实现光谱的单模输出。

2.根据权利要求1所述的具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器，其特征在于，所述电流阻挡层(3)的材料为二氧化硅或氮化硅。

3.根据权利要求1所述的具有侧向光栅和纵向布喇格反射镜结构的半导体激光器，其特征在于，所述上电极层(1)和下电极层(10)采用的材料为金属或者合金。