CN107710530B - 一种抗导区高阶横模抑制的大面积激光器 - Google Patents

Abstract

大区域激光二极管被配置成包括位于器件有源区外的抗导层。抗导层由高折射率材料构成，该折射率材料从半导体激光器输出信号的低阶模式输出光束中分离出不需要的高阶横向模式（归因于热透镜问题）。抗导层使用一个单一的外延生长步骤或在用于生长形成激光二极管本身外延层的步骤之前，从而创造一个结构，提供了抑制不需要的高阶模态，而无需修改制备激光二极管本身的具体工艺步骤。

Description

一种抗导区高阶横模抑制的大面积激光器

技术领域

本发明涉及一种大面积激光二极管，更特别的是，大面积激光二极管包括至少一个抗导层，沉积于激光二极管有源区外，减弱多余的高阶横模和减少在远场横向发散。

背景技术

在宽区激光器中，由于高功率结构中热能的增加，发射辐射的横向发散度随着输出功率的增加而增加。激光器部分随着电流流入激光器而加热，部分由于发出的光被重新吸收而加热。由于在激光器结构中使用的半导体材料存在与温度有关的折射率，当器件的工作温度升高时，就会产生热致波导（高功率操作的一个重要方面）。结果，产生了（不需要的）高阶横模随着功率的增加而产生激射，导致横向发散度的增加。

通过这样的热致波导的折射率差异规模约为10^-4到10^-3的范围。随着折射率的变化而增加的横向发散降低了输出光束聚焦在所需尺寸的能力，限制了它在诸如材料处理等应用中需要高光束质量的应用。

美国专利8233513“有限热接触的大面积边缘发射半导体激光器”于2012年7月31日授予D. Schleuning等人，描述了一个减少热致波导相关问题的现有技术方法。这里，大面积的激光二极管安装在一个大的散热器上，在那里散热器形成一对平行的凹槽，形成一个宽度大约等于发射器区域宽度的脊。所述激光二极管被安装以便与散热片的脊部接触，从而提供将热能量从装置发射区转移的路径。槽的作用是限制热流到山脊，从而减少热致折射率差异。

美国专利8537869题为“高效率和小发散角的大面积二极管激光器”于2013年9月17日授予P. Crump等人，是另一个克服热致波导相关问题的尝试，详细介绍了在激光二极管结构本身建立高折射率抗导区域。同时能够减少不必要的高阶横向模式，设备的有源区内的这些抗导区域包含需要激光二极管制造相关常规工艺步骤的修改，增加了成本和最终结构的复杂性。

发明内容

前作中剩余局限性在本发明中解决，它涉及一种大面积激光二极管，更特别的是，大面积激光二极管包括至少一个抗导波层的器件沉积于器件有源区外，有利的是，通过使用一个单一的外延步骤，没有其他干扰制造半导体激光器本身的工艺过程。抗导层功能是将不需要的高阶横模去耦合并保持高光束质量。

按照本发明，一层材料具有较高的折射率值（以下简称有时作为一个“抗导层”）被设置在一个大面积激光二极管的外表面，从器件有源区删除的位置。这层相对高折射率材料作为一个“抗导”层，影响不需要的高阶横模远离激光器有源区，因此，维持所需的高光束质量。减少这些不需要高阶横模也减少了输出光束中的横向发散，从而提高了光束质量。不同于已有技术安排，本发明所使用的抗导层是使用不干涉制造激光二极管本身的常规工艺步骤的单步外延生长工艺制造的。

本发明的一个示例性实施例中，高折射率层被布置在激光二极管的高掺杂接触层的顶面上（创建所谓的“保护层”）。在这种配置中，保护层经蚀刻处理以创建用于访问底层接触层的窗口（沟槽）。因此，这种特殊的结构产生了一种“倒脊”激光器结构，将不需要的横向模式拉向高折射率保护层，远离激光二极管的有源区，从而使输出光束中存在的横向发散减到最小。

本发明的另一实施例利用设置在激光二极管基板上的高折射率层和器件的有源层。在这种情况下，基底层首先由外延生长在基板的上表面，传统大面积激光二极管结构随后制作在基底层上（采用常规工艺）。在这里，大面积激光二极管制成以呈现脊波导结构，将不需要的高阶模式向下拉入基底层并远离有源区。

本发明的具体实施例可以被定义为一个基板上形成了包括量子阱发射区位于n型波导层和p型波导层之间的激光二极管， n型包层设置在n型波导层上和p型包层设置在p型波导层上。激光二极管还包括设置在p型包层的一部分上的高掺杂接触区域的电接触和施加于（减薄）基板暴露底面的电接触区域。电触点与量子阱发射区的重叠组合定义了激光二极管的“有源区”。按照本发明，发射光束不需要的高阶横模的抑制是由激光二极管有源区外形成一个抗导层提供，抗导层的材料折射率足够去耦合多余的高阶横模，并将不需要的高阶横模从激光二极管的有源区导出到抗导层中。

附图说明

图1是本发明的示例性实施例的截面视图；

图2是作为抗导层厚度函数的本发明激光器结构的折射率差异图；

图3是发明另一个实施例的截面视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明涉及一种大面积激光结构，克服了热透镜效应相关的问题（例如，一个热致波导的存在）提供了一种高功率、更少激光模式的大面积激光器，因此，比现有技术配置更小的横向远场。根据本发明，在激光结构的主波导之外形成具有高于所需模式折射率材料的抗导层。这种高折射率抗导层的存在，如下文所述，光学地将不希望存在的高阶横模从激光器的有源区拉出并到“泄漏”出器件的区域，不再阻碍其性能。

图1示出了本发明的原理，在这种情况下，基于使用倒置脊大面积激光设计。大面积激光10是设置在p型波导层14和n型波导16间的（量子阱）发射区12。p型包层18设置在p型波导层14上和n型包层20设置n型波导层16下。通过设置在p型包层18上的第一电接触区22和设置在基板26的暴露表面上的第二电接触区24提供用于激励激光器10的电接触，所述基板上形成激光器结构。第一电接触区22典型地包括半导体材料的高掺杂层，第二电接触区24通常包括适当金属的多层叠层。第一电接触区22、发射区12和第二电接触区24之间的重叠限定了激光器10的“有源区”（或“有源域”）。

按照本发明的一个示例性实施例中，如图1所描绘的，一个高折射率材料层30设置在第一（高掺杂）接触层22和加工成激光器有源区外（层30有时简称“保护层”）。实际上，在图1所示结构的优选方案中，设置了高折射率材料的共形层以覆盖电接触区22。在此步骤之后，在保护层30中创建一个开口（即蚀刻），露出用于定义激光器10的有源区的电接触区22的一部分。在许多应用中，有源区的宽度w是一个重要的设计参数，在这种情况下，由保护层30中打开的沟槽的宽度来定义。对于大面积激光器，这种宽度w通常是几十到几百微米量级，大宽度是影响热透镜问题的一个重要因素。

与传统技术脊设计结构相比，如图1所示的配置创建倒脊几何结构（即，第一电接触区22位于保护层30的顶面32之下）。如上所述，抗导保护层30形成的材料表现出较高的折射率（包括GaAs、AlGaAs、InGaAs和GaInP–其他材料同样可以使用）。在优选的制造技术中，在单一外延生长步骤中，在第一高掺杂电接触区22上生长抗导保护层30。生长后蚀刻保护层30以暴露与激光结构10期望导模区域相关联的第一电接触区22的限定部分，如所示形成倒脊设计。在一个单一步骤形成一个抗导层外延生长的能力，在不干扰激光制造过程的常规步骤下，对比现有技术，本发明有显著优势。

图1中所示的是与该结构相关联的模式分布。特别是，所需波导模式表现为沿波导结构传播的发射区12和波导层14和16结合形成。按照本发明，高折射率的抗导层30以这样方式扭曲高阶横模，这些横模被“拉”向高折射率区域，并远离波导结构。这些高阶横模被认为泄漏到抗导保护层30。

保护层30的损耗贡献进一步增加，这一层作为一个“吸收”量子阱结构（如InGaAs），比传统的发射区具有更小的带隙，或具有外部区域重掺杂。实际上，可以通过控制反导保护层30的厚度T的选择来提高效果，以便在波导和反导保护层之间形成共振。图2说明了这一点，对于一个特定的GaAs保护的 AlGaAs / InGaAs量子阱激光器结构。

本发明的另一实施例如图3所示。大面积激光二极管40表现为包括量子阱发射区42、设置在p型波导层44和n型波导层46之间。激光二极管40表现为包括一个常规的脊状结构，在这种情况下，通过配置p型包层48具有脊形（如包层48部分48-r）。脊结构用于帮助将传播模式限制在设备的期望活动区域内。n型包层50形成在如图所示的n型波导层46之下。

第一电接触区52设置在p型包层48脊部48-r。与图1的配置一样，第一电接触区通常包括高掺杂半导体材料层。第二电接触区54被设置在覆盖基板58的外露主表面56（通常在抛光/磨削操作之后形成外露表面上的金属涂层，用于减少最终器件结构中的基板厚度）。根据本发明的本实施例，高折射率抗导层60被布置为基板58的顶表面62和n型包层50之间界面。

在本示例性实施例的制造中，首先在基板58的表面62上形成抗导层60，而传统的激光二极管结构随后形成在抗导层60上。优选地，在单步外延生长过程中，在顶表面62上生长抗导层60，外延过程继续进行，直到获得第60层的所需厚度T为止。一旦达到所需的抗导层60的厚度，则使用一系列常规处理步骤在第60层的表面上制造激光二极管40。实际上，在本发明的特定实施例中，与激光二极管40相关联的后续制造步骤可就地执行，继续在抗导层60的表面上直接生长n型包层50。同样，根据本发明，显然本发明的优点是能够在不改变用于形成激光二极管本身步骤的情况下，在大面积激光二极管结构中集成抗导层。

根据本发明的实施例，基底层60（与脊结构48-r组合）配置为“拉”不需要的高阶横模出波导区域，将这些模式导出导波模式区域，从而维持所需的低阶模在器件的有源区内。图3示出了归因于在结构中包含基底层60的模式失真。

类似于图1的配置，高折射率材料和基底层60厚度的选择控制不需要的高阶横模抗波导所达到的程度。

尽管如上所述的优选实施例描述了本发明，但应当理解的是，这些实施例只是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够根据被认为属于所附权利要求范围的披露作出修改和替代方案。

Claims (11)

1.一种形成在基板上的激光二极管，其特征在于包括位于所述激光二极管n型波导层和p型波导层之间的量子阱发射区，设置在所述n型波导层下的n型包层和设置在所述p型波导层上的p型包层，设置在一部分所述p型包层上的第一电接触区和设置在一部分所述基板下的第二电接触区，所述第一电接触区和所述第二电接触区与所述量子阱发射区的重叠部分定义为所述激光二极管的有源区，抗导层在所述激光二极管的有源区以外的位置形成，所述抗导层形成材料折射率足够将多余的高阶横模去耦合，并将不需要的高阶横模从所述激光二极管有源区导入所述抗导层，所述抗导层设置在第一电接触区，并包括一个沟槽开口暴露出第一电接触区域的一部分。

2.根据权利要求1所述的形成在基板上的激光二极管，其特征在于所述沟槽开口的宽度明确定义了所述激光二极管有源区的宽度，所述激光二极管还包括一个倒脊结构。

3.根据权利要求1所述的形成在基板上的激光二极管，其特征在于所述第一电接触区域包括一层高掺杂半导体材料，所述抗导层包括在所述高掺杂半导体材料层暴露表面生长的外延层，所述外延层被图形化和蚀刻以形成沟槽开口。

4.根据权利要求1所述的形成在基板上的激光二极管，其特征在于所述抗导层的折射率大于所述量子阱发射区和包层。

5.根据权利要求4所述的形成在基板上的激光二极管，其特征在于所述抗导层材料选自材料组：GaAs、AlGaAs和InGaAs，GaInP。

6.根据权利要求1所述的形成在基板上的激光二极管，其特征在于所述第一电接触区域包括高掺杂半导体材料层。

7.根据权利要求1所述的形成在基板上的激光二极管，其特征在于所述第二电接触区域包括至少一层金属层以覆盖基板底面的一部分。

8.一种形成在基板上的大面积激光二极管，其特征在于包括位于所述激光二极管n型波导层和p型波导层之间的量子阱发射区，设置在所述n型波导层下的n型包层和设置在所述p型波导层上的p型包层，设置在所述p型包层上且具有与所述激光器二极管的发射区宽度相关的宽度w的第一电接触区域，设置在基板裸露表面下的第二电接触区，所述第一电接触区域和所述第二电接触区域的重叠组合界定了所述大面积激光二极管的有源区，抗导层在所述有源区上方或下方位置形成，所述抗导层形成材料折射率足够将多余高阶横模去耦合，并将不需要的高阶横模从所述激光二极管有源区导出以减少大面积激光二极管发射光束的横向发散。

9.根据权利要求8所述形成在基板上的大面积激光二极管，其特征在于所述抗导层布置在所述第一电接触区上，并且配置为包括露出第一激光接点的发射区域沟道开口，所述激光二极管还包括倒置脊形结构。

10.根据权利要求9所述形成在基板上的大面积激光二极管，其特征在于所述第一电接触区包括一层高掺杂半导体材料，所述抗导层包括在所述高掺杂半导体材料层暴露表面的外延层，所述外延层随后被图案化和蚀刻以形成沟槽开口。

11.根据权利要求8所述形成在基板上的大面积激光二极管，其特征在于还包括激光二极管有源区外的高折射率材料其它区域，提供额外抗不需要的高阶模式，进一步降低发射光束横向发散。