CN107104362A - 半导体激光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光二极管器件，包括：衬底；至少一个第一披覆层，设置在所述衬底上；活性层，设置在所述第一披覆层上并且布置为发射辐射；至少一个第二披覆层，设置在所述活性层上，所述披覆层适于形成异质结，从而允许电流有效注入所述活性层和光限制；第一端面和第二端面，相对于所述披覆层与所述活性层横向设置，并且通过干法或湿法刻蚀和/或其组合形成在所述层中；周期性结构，设置在所述第二端面附近以及所述第二披覆层内部，并且属于光腔，其中所述第一端面代表输出镜，由所述活性层产生的辐射从其出射，以及所述第二端面由周期性结构集成，代表具有高反射率的第二镜，从而由所述活性层产生的辐射几乎完全通过所述第一镜出射。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源，特别涉及一种半导体激光二极管、及其制造方法。
背景技术
激光二极管是半导体二极管，其活性材料包括p-i-n异质结(heterojunction)，取决于组成它的半导体材料合金的外延结构以及这样的异质结(光介质)插入对光场谐振的腔中，允许获得一定波长范围内的光增益。
通过将电流注入结点(junction)自身来获得激光发射所需要的粒子数反转。激光二极管芯片中的端面(terminal facet)可以用于形成谐振腔(称为激光腔)，外部镜和/或布拉格反射器也可以用于此目的。
激光二极管是极其有效的具有高功率密度和亮度的相干光源，并且被广泛应用于光电器件中。
半导体二极管发射的功率可以从几十或几百毫瓦(信息传输应用)变化到超过十瓦(高功率二极管)的数值。
为了获得更高的额定功率，例如用于直接材料加工应用，通常采用空间复用技术：单个二极管的光束被简单叠加在一个明确限定的空间区域中。但是，以这样的方式，由于光束尺寸的增加，造成这样复用产生的发射光束的质量(由称为光束参数乘积(BPP)的已知参数分析定义)比初始光束的质量会产生退化。
这样的退化妨碍了以这样的配置组合的激光二极管应用于大多数的材料加工应用。
另一方面，只要起始光束在某些特性(例如，偏振或波长)上不同，就可以合计单个光束的功率而不会危害这样获得的最终光束的质量。后一种情况(称为光谱或波长复用)特别有趣，因为可以合计N个器件，它们的波长定义为λ1-λN，以获得与初始光束具有相同质量而功率为N倍的光束。
因此，为了可以直接使用高功率激光二极管用于材料加工应用而无需光纤或气体激光器作为高质量光束源，需要使用具有窄发射光谱以及非常稳定发射的激光器。这些方面对于通过波长复用合计由激光二极管阵列发射的功率，同时保持每一个二极管的光束质量不发生改变是至关紧要的。这一技术最常用于稳定发射波长，其要求使用外部体积稳定器(晶体或薄膜上的布拉格光栅)。
文献US9209605中显示的例子描述了一种激光二极管，其中一个接一个地连续布置分色反射器从而形成一个阵列，以及其中每个反射器具有一个连续阵列指数。阵列的单个反射器重新定向来自具有相同阵列指数的单个激光发射器的子光束，以通过具有更高阵列指数的分色反射器传播它们，从而形成组合光束。
由分色反射器反向反射的部分光功率正是服务于稳定每个激光二极管的发射的目的。
这样一个方法提供优点：允许使用法布里-珀罗激光二极管，其从技术观点上看比较简单，没有任何类型的稳定性集成在芯片自身中。但是，这样的配置要求更复杂和更昂贵的模块布局，因为需要插入合适的反射器以稳定发射(否则其将宽达几个纳米，以及对激光器自身的温度和极化电流极其敏感)。
此外，镜反向反射的稳定性对于获得稳定发射而不引入对于功率模块而言很关键的高损失是必需的，这对模块自身的机械性能以及聚焦系统的光学性能提出了非常严格的要求，导致高生产成本在批量生产中的可扩展性差。
文献“10W-reliable 90μm-wide broad area lasers with internal gratingstabilization”，P.Crump＊，J.Fricke，C.M.Schultz，H.Wenzel，S.Knigge，O.Brox，A.maaβdrof，F.Bugge，G.Erbert，其中描述了具有在温度改变时稳定的窄光谱发射的功率激光二极管的制造方法。在第一示例中，光栅表面通过刻蚀制成以形成作为分布式布拉格光栅(DBR)的背反射器(rear reflector)。通过这样的方式，背面被替换为波长选择镜，因而获得了稳定的窄发射。
在第二示例中，使用刻蚀和生长技术在半导体中插入光栅，以形成分布式DBR激光器，其中背面具有高反射率涂层以及DFB作为低反射率耦合器工作。后一个解决方案在光栅结构方面更简单，但是提供的功率输出和波长稳定性更低。
文献“High-Brilliance Diode Lasers with Monolithically-IntegratedSurface Gratings as Sources for Spectral Beam Combining”，J.Fricke＊，P.Crump，J.Decker，H.Wenzel，A.maaβdrof，G.Erbert，G.其中描述了上述波长稳定技术应用于通过光谱组合获得具有持续良好光束质量的增强功率的一个示例。单个发射器的波长稳定性通过芯片中布拉格光栅的单片集成实现。
除了布拉格镜的集成以外，上述解决方案就其他技术步骤而言仍然是传统的，由于激光腔仍然必须通过分裂(沿着晶轴断裂)加工晶片来产生，并且这样获得的激光二极管仍然需要在它们的面(通常在巴级)上沉积合适的电介质材料，用于双重目的：钝化和保护晶面自身以及修改(根据情况，向上反射或向下反射)半导体-空气界面处的自然反射率。
发明内容
因此本发明的一个目的是提出一种激光二极管器件，其允许获得一种激光二极管，其具有充分窄的光谱发射，允许与不同波长的其他光束交叠，以提供具有低(好)的BPP的组合光束，且不增加尺寸。
本发明的另一个目的是提供一种获得高效率、容易制造、低成本的激光二极管的方法，适于量产。
本发明的一些实施例涉及一种激光二极管器件以及其制造方法，其能够克服现有技术中的缺点。
在一个实施例中，一种激光二极管器件，包括：衬底；至少一个第一披履层，设置在所述衬底上；活性层，设置在所述第一披履层上并且布置为发射辐射；至少一个第二披覆层，设置在所述活性层上，所述披覆层适于形成异质结，从而允许电流有效注入所述活性层和光限制(optical confinement)。所述器件进一步包括第一端面和第二端面，所述第一端面和第二端面相对于所述披覆层与所述活性层横向设置，并且通过干法或湿法刻蚀和/或其组合形成在所述层中。器件还包括周期性结构，周期性结构设置在所述第二端面附近以及所述第二披覆层内部，并且属于光腔，其中所述第一端面代表输出镜，由所述活性层产生的辐射从周期性结构出射，以及所述第二端面由周期性结构集成，代表具有高反射率的第二镜，从而所述活性层产生的辐射几乎完全通过所述第一镜出射。
在另一个实施例中，所述周期性结构包括所述活性区和所述第一披覆层。
在另一个实施例中，所述衬底包括砷化镓或其他衬底。
在另一个实施例中，所述活性层为量子阱结构，布置为在宽波长光谱上产生光增益。
在另一个实施例中，所述披覆层为砷化镓衬底上的半导体材料层，包括砷化镓、铝镓砷或其组合物。
在另一个实施例中，所述周期性结构为布拉格光栅。
在另一个实施例中，所述二极管进一步包括金属层，分别设置在所述第二披覆层上和衬底下，其布置为形成所述二极管的欧姆接触。
在另一个实施例中，所述端面由布置作为抗反射层的钝化层涂覆，从而降低半导体/空气界面的残余反射率。
在另一个实施例中，一种用于获得激光二极管的方法，所述激光二极管包括：
衬底；至少一个第一披覆层，设置在衬底上；活性层，设置在所述第一披覆层上并且布置为发射辐射；至少一个第二披覆层，设置在所述活性层上；所述披履层适于形成异质结，从而允许电流有效注入所述活性层和光限制(optical confinement)；第一端面和第二端面，相对于所述披覆层与所述活性层横向设置，并且通过干法或湿法刻蚀和/或其组合形成在所述层中；周期性结构，设置在所述第二端面附近以及所述第二披覆层内部，并且属于光腔；其中所述第一端面代表输出镜，由所述活性层产生的辐射从其出射，以及所述第二端面由周期性结构集成，代表具有高反射率的第二镜，从而所述活性层产生的辐射几乎完全通过所述第一镜出射；
所述方法包括以下顺序步骤：
在衬底上沉积第一披履层；在所述第一披履层上沉积活性层；在所述活性层上沉积第二披履层；对沉积在衬底上的多个层执行第一刻蚀步骤，以获得横向于所述层布置的两个端面；根据预定图案在所述第二披覆层上接近所述两个端面中的一个执行第二刻蚀步骤，以在所述第二披覆层内获得周期性结构。
在另一个实施例中，一种用于获得激光二极管的方法，所述激光二极管包括：
衬底；至少一个第一披覆层，设置在衬底上；活性层，设置在所述第一披覆层上并且布置为发射辐射；至少一个第二披覆层，设置在所述活性层上；所述披覆层适于形成异质结，从而允许电流有效注入所述活性层和光限制；第一端面和第二端面，相对于所述披覆层与所述活性层横向设置，并且通过干法或湿法刻蚀和/或其组合形成在所述层中；周期性结构，设置在所述第二端面附近以及所述第二披覆层内部，并且属于光腔；其中所述第一端面代表输出镜，由所述活性层产生的辐射从其出射，以及所述第二端面由周期性结构集成，代表具有高反射率的第二镜，从而所述活性层产生的辐射几乎完全通过所述第一镜出射；
所述方法包括以下顺序步骤：
在衬底上沉积第一披履层；在所述第一披履层上沉积活性层；在所述活性层上沉积第二披覆层；根据预定图案在所述第二披覆层上接近所述两个端面中的一个执行第一刻蚀步骤，以在所述第二披覆层内获得周期性结构；对沉积在衬底上的多个层执行第二刻蚀步骤，以获得横向于所述层布置的两个端面。
附图说明
根据参考以下附图以非限制性示例的方式提供的详细描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的激光二极管器件的截面图；以及
图2示出了根据图1的多个激光二极管的交叠光谱图。
简单来说，根据本发明的激光二极管集成布拉格反射镜以稳定二极管自身发出的波长，包括由半导体刻蚀直接获得的激光二极管的腔的面，并且允许获得有效的波长复用，特别用于直接二极管材料加工应用。
具体实施方式
图1示出了根据本发明二极管1的截面图。其包括衬底2，例如GaAs(砷化镓)衬底或类似衬底，其上通过使用本领域技术人员熟知的沉积技术顺序沉积有第一披履层4(或多个披履层)、活性层6以及第二披覆层8(或多个披覆层)。
活性层6优选量子阱结构，布置为在宽波长范围上产生光增益。披覆层4和8为GaAs衬底上的半导体材料层，例如GaAs、AlGaAs或其组合物，其结合量子阱结构并且布置形成异质结(在p或n掺杂之后，这本身对本领域技术人员而言是已知的)，从而允许电流有效注入量子阱结构和光限制。
披覆层4和8以及活性层6以本身已知的方式经受刻蚀处理，优选干法刻蚀处理，例如RIE(反应离子刻蚀)或化学刻蚀，以获得两个端面10a和10b。端面10a和10b因而产生在披覆层4、8以及活性层6内，并且相对于这些层的纵向延伸轴线横向布置。
第一端面10a代表输出镜，由活性层6产生的辐射从其出射。周期性结构12，优选布拉格光栅，通过已知刻蚀技术形成在另一端面10b附近，在第二披覆层8内，从而获得具有高反射率的第二镜。
从而活性层6产生的辐射几乎完全从第一镜10a出射。
输出光束的波长以本身已知的方式与周期性结构12的光栅的栅距相关。
在上披覆层8上以及衬底2下，通过溅射技术或使用蒸镀技术沉积相应的金属层14，其布置为形成二极管1的欧姆接触。
端面10a和10b涂覆有至少一个钝化层16，通过使用蒸镀或CVD技术在衬底2级沉积，而无需任何其他的解理处理。至少一个钝化层16还作为抗反射层，从而降低不利地影响周期性结构的光谱特性的半导体/空气界面处的残余反射率。
因此，一种用于获得根据图1的二极管1的方法包括以下顺序步骤：
a)在衬底2上沉积第一披履层4；
b)在第一披覆层4上沉积活性层6；
c)在活性层6上沉积第二披覆层8；
d)对沉积在衬底2上的层(即第一披履层4和8以及活性层6)执行第一刻蚀步骤，以获得两个端面10a和10b；
e)根据预定图案在第二披覆层8上接近两个端面10a或10b中的一个执行第二刻蚀步骤，以在所述第二披覆层8内获得周期性结构12。
或者，第二刻蚀步骤在形成端面10a和10b的步骤以前执行。
本实施例的特有特征可以概述如下：
1)使用刻蚀技术获得端面10a和10b允许生成镜，而无需使用传统的晶片破裂技术，从而缩短了生产和测试时间并且实现更高效的生产过程。
此外，周期性结构12集成到二极管1中允许在第一端面10a和第二端面10b之间获得光功率的不平衡发射(这样大部分的辐射将仅仅通过第一镜10a出射)，而无需在两个面之间进行不同的沉积。事实上，在衬底2级(晶片级)沉积，虽然在减少处理时间方面非常有效，但是需要在两个面上沉积相同的层，因此不适合获得朝向输出面不平衡的功率。
换句话说，通过使用单一和简单的沉积用于钝化/残余活性降低，布拉格反射器集成到二极管1中除了稳定其发射，也使得朝向刻蚀面结构中的第一面10a(输出面)的功率不平衡。
2)二极管1具有窄的发射光谱(相对于传统的法布里-珀罗激光器的发射)，因为只有具有周期性结构12反射率范围内波长的这些腔模式参与器件1的激光发射。
3)二极管1具有稳定发射功率的波长，因为周期性结构12将波长漂移作为温度的函数降低至少四倍。此外，不需要外部分色反射器或布拉格光栅来稳定发射波长。
4)由于发射光谱非常窄且稳定，器件的输出光束可以与不同波长的其他器件的其他光束组合以在多个发射配置中提高功率输出(见图2，其显示了多个二极管发射的不同波长和相位)，而不影响共同输出光束的BPP。因此在相同的空间区域可以叠加各个器件发射的不同光束，以获得由所述单个光束叠加形成的单个输出光束，其中输出光束保持低的BPP值。
5)根据本发明的激光二极管允许使得输出光谱有效地变窄以及更稳定，而无需使用昂贵和几乎不可行的外部腔镜解决方案。事实上，在使用中技术工艺直接在半导体衬底上进行。这样的解决方案保证了高性能、高产出以及低成本，因而允许这种高功率激光二极管的大批量生产。
当然，在不偏离本发明原理的情况下，各个实施例和实施细节可以由本文非限制性示例描述和示出的那些进行广泛的改变，而不会超出本发明权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光二极管器件，包括：
衬底(2)；
至少一个第一披覆层(4)，设置在所述衬底(2)上；
活性层(6)，设置在所述第一披覆层(4)上并且布置为发射辐射；
至少一个第二披覆层(8)，设置在所述活性层(6)上，所述第一披覆层(4)和第二披覆层(8)适于形成异质结，从而允许电流有效注入所述活性层(6)和光限制；
第一端面(10a)和第二端面(10b)，相对于所述第一披覆层(4)、第二披覆层(8)和所述活性层(6)横向设置，并且通过干法刻蚀或湿法刻蚀和/或其组合形成在所述第一披覆层、第二披覆层和活性层中；
周期性结构(12)，设置成靠近所述第二端面(10b)并在所述第二披覆层(8)内部，并且属于光腔，其中所述第一端面(10a)代表输出镜，由所述活性层(6)产生的辐射从其出射，以及所述第二端面(10b)由周期性结构(12)集成，代表具有高反射率的第二镜，从而所述活性层(6)产生的辐射几乎完全通过所述第一镜(10a)出射。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述周期性结构(12)包括所述活性区(6)和所述第一披覆层(4)。
3.根据权利要求1或2所述的器件，其中所述衬底(2)包括砷化镓或其他衬底。
4.根据上述任意一项权利要求所述的器件，其中所述活性层(6)为量子阱结构，布置为在宽波长光谱上产生光增益。
5.根据上述任意一项权利要求所述的器件，其中所述第一披覆层(4)和第二披覆层(8)为砷化镓衬底上的半导体材料层，包括砷化镓、铝镓砷或其组合物。
6.根据上述任意一项权利要求所述的器件，其中所述周期性结构为布拉格光栅。
7.根据上述任意一项权利要求所述的器件，进一步包括金属层(14)，分别设置在所述第二披覆层(8)上和所述第一披覆层(4)下，其布置为形成所述二极管的欧姆接触。
8.根据上述任意一项权利要求所述的器件，其中所述第一端面(10a)和第二端面(10b)用布置作为抗反射层的钝化层(16)涂覆，从而降低半导体/空气界面处的残余反射率。
9.一种用于获得根据上述任意一项权利要求所述的激光二极管的方法，包括以下顺序步骤：
a)在衬底(2)上沉积第一披覆层(4)；
b)在所述第一披覆层(4)上沉积活性层(6)；
c)在所述活性层(6)上沉积第二披覆层(8)；
d)对沉积在衬底(2)上的多个层执行第一刻蚀步骤，以获得横向于所述第一披覆层、第二披覆层和活性层布置的第一端面(10a)和第二端面(10b)；
e)根据预定图案在所述第二披覆层(8)上接近所述第一端面(10a)和第二端面(10b)中的一个端面执行第二刻蚀步骤，以在所述第二披覆层(8)内获得周期性结构(12)。
10.一种用于获得根据上述任意一项权利要求所述的激光二极管的方法，包括以下顺序步骤：
a)在衬底(2)上沉积第一披覆层(4)；
b)在所述第一披覆层(4)上沉积活性层(6)；
c)在所述活性层(6)上沉积第二披覆层(8)；
d)根据预定图案在所述第二披覆层(8)上接近所述第一端面(10a)和第二端面(10b)中的一个端面执行第一刻蚀步骤，以获得设置在所述第二披覆层(8)内的周期性结构(12)；
e)对沉积在衬底(2)上的多个层执行第二刻蚀步骤，以获得横向于所述第一披覆层、第二披覆层和活性层布置的第一端面(10a)和第二端面(10b)。
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