CN108512034B - 一种横向非对称光波导半导体激光器芯片及其制备方法 - Google Patents

一种横向非对称光波导半导体激光器芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种横向非对称光波导半导体激光器芯片及其制备方法。本发明所述横向非对称光波导半导体激光器芯片，控制腐蚀发光区两侧不同深度，使发光区两侧横向光波导区域面积相同，从而改变发光区两侧的有效折射率，解决了光斑中暗纹和拖尾的现象；在生产中应用有效提高大功率激光器光斑合格率95％以上。

Description

一种横向非对称光波导半导体激光器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种横向非对称光波导半导体激光器芯片及其制备方法，属于半导体激光器芯片的技术领域。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。半导体激光器具有高效率、长寿命、光束质量高、稳定性好、结构紧凑等优点，广泛用于激光泵浦晶体、光通讯、激光工业加工、激光红外监控、激光医疗等领域。
在激光器技术领域,光学谐振腔内可能出现的电磁波的本征态被称为腔的模式，也称激光器的模式；激光器有纵模和横模两种模式。纵模是指，沿Z轴方向的各种分布是以不同的振荡频率来表征的，主要描述激光每个波段对应的光功率分配。横模是指，在垂直平面内的各种分布表现在输出光斑横向的强度分布上，主要描述激光器输出光平面的强度分布。光强在激光器端面的分布称为近场分布，传输一定距离在空间中的分布称为远场分布，我们一般将远场分布通俗的称为光斑。
随着半导体激光器技术的日益发展和成熟，激光二极管在功率，转换效率，波长扩展和运行寿命等方面已经有很大的提高，同时对激光器连续工作时光斑的形状提出更高的要求。
现有技术中的半导体激光器芯片多为横向对称结构的光波导，对称结构的光波导，在宽条大功率激光器使用中，因多模形式存在，激光器芯片所发光的远场光斑有暗纹和拖尾现象 (如图2、3所示)。光斑有暗纹和拖尾时，光场分布不均匀，影响了激光器的使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种横向非对称光波导半导体激光器芯片。
本发明还提供一种上述半导体激光器芯片的制备方法。
本发明的技术方案为：
一种横向非对称光波导半导体激光器芯片，包括发光区、外延层和衬底；所述发光区为设置在外延层上的条形凸台；所述条形凸台两侧的高度不同，左侧高度为h1，右侧高度为h2；所述条形凸台上表面平行于外延层表面；所述发光区的两侧设置有光波导区。
根据本发明人优选的，所述发光区左侧光波导区的横向截面积为S1，所述发光区右侧光波导区的横向截面积为S2，S1与S2近似相等，优选的，S1＝S2。由于发光区和光波导区是通过腐蚀得到，因此S1、S2很难达到绝对相等的标准，但是两者面积越接近，其消除暗纹和拖尾的效果会越好。
进一步优选的，所述光波导区横向截面的形状为直角三角形；所述直角三角形的两个直角边分别与条形凸台的侧边和外延层的上表面对齐。
再进一步优选的，所述发光区左侧光波导区对应直角三角形的高度为h1；所述发光区右侧光波导区对应直角三角形的高度为h2。
再进一步优选的，所述发光区左侧光波导区对应直角三角形的斜边与水平面的夹角为α1，所述发光区右侧光波导区对应直角三角形的的斜边与水平面的夹角为α2，其中，α1＝30°～ 60°，α1＜α2。
根据本发明优选的，所述h1＝0.7～0.8μm；h2＝1～1.1μm。
根据本发明优选的，所述外延层为GaAs、AlGaAs或AlGaInP材料的外延层；所述衬底为 GaAs衬底。
一种上述半导体激光器芯片的制备方法：针对腐蚀液对扩散有金属的外延层和普通外延层的腐蚀速率不同，而在半导体激光器芯片的发光区两侧腐蚀出横向不对称结构的光波导区。其中，所述的普通外延是指没有扩散有金属的外延层。
根据本发明优选的，利用腐蚀液对半导体激光器芯片的发光区腐蚀的同时，再结合外部激光器光照在发光区两侧，进而腐蚀出横截面为直角三角形的光波导区。
一种上述半导体激光器芯片的制备方法，包括具体步骤如下：
1)在外延层表面光刻形成条形区域；将条形区域以外的外延层腐蚀处理，得到凸台A；所述凸台A为左右两侧高度相同的凸台结构；
2)在凸台A之外区域的外延层的上表面蒸镀金属层；
3)通过光刻和腐蚀过程去掉凸台A右侧区域的金属层；
4)将经过步骤3)处理后的激光器芯片淬火处理，使凸台A左侧的金属层向外延层形成扩散；
5)将凸台A左侧的金属层腐蚀掉；
6)在激光器芯片上表面生长SiO2层，将凸台A以外区域的SiO2层腐蚀掉；
7)将激光器芯片放到腐蚀液中进行腐蚀处理，用外部激光器透过腐蚀液照射激光器芯片具有凸台A的一面，且激光器芯片与外部激光器的投射光垂直，腐蚀处理30～50秒后对激光器芯片进行清洗，得到覆盖有SiO2层的条形凸台；对称结构的凸台A经过步骤7)的处理过程成为非对称结构的条形凸台，且条形凸台的两侧设置有光波导区。
8)腐蚀掉条形凸台表面的SiO2层，得到横向非对称光波导半导体激光器芯片。
根据本发明优选的，所述步骤1)中，所述条形区域的宽度为10～200μm。
根据本发明优选的，所述腐蚀液的体积配比为，硫酸：双氧水：水＝5:1:1；所述硫酸的质量分数为90～98％，双氧水的质量分数为25～30％。
根据本发明优选的，所述条形区域为条形GaAs区域。
根据本发明优选的，所述凸台A的横向截面为矩形。
根据本发明优选的，腐蚀凸台A表面的SiO2层后还包括按照常规工艺处理激光器芯片P 面、N面欧姆接触的步骤。
根据本发明优选的，所述步骤6)中激光器芯片上表面生长SiO2层的厚度为
Figure BDA0001235163440000031
根据本发明优选的，所述步骤7)中照射激光器芯片所使用的外部激光器为650nm红光激光器。激光器照射起到了催化腐蚀的作用，而经过大量实验对比证明650nm红光激光器所产生的650nm红光激光对芯片的催化腐蚀效果最好。
根据本发明优选的，所述步骤4)中淬火处理的具体步骤为，将经过步骤3)处理后的激光器芯片300～500℃淬火处理10～30min。
根据本发明优选的，所述步骤1)中，对外延层腐蚀处理的深度为外延层深度的1/10～ 1/2。
根据本发明优选的，所述步骤2)中，所述金属层为金属Ti层或金属Ni层。
本发明步骤4)中，所述的扩散是指在较高温度下金属层和半导体激光器外延层表面相互融合的过程，目的是使步骤7)中凸台A左右两侧材料在经过化学腐蚀时，其分别对应腐蚀速率有差别。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述横向非对称光波导半导体激光器芯片，控制腐蚀发光区两侧不同深度，使发光区两侧光波导纵向截面积相同(S1≈S2)，解决了光斑中暗纹和拖尾的现象；在生产中应用有效提高大功率激光器光斑合格率95％以上；
2.本发明所述横向非对称光波导半导体激光器芯片制备方法中使用650nm红光激光器对照射激光器芯片进行照射处理；650nm红光激光的光子能量被外延层分子吸收，被吸收的光能加剧外延层分子本身的振动和转动，同时也加剧这些受激分子和周围分子的碰撞；分子的运动加剧，从而加快了腐蚀过程，且腐蚀后的发光区表面精细程度高，起到催化腐蚀的作用；
3.本发明所述横向非对称光波导半导体激光器芯片，通过设置发光区两侧高度不同、形状不对称，使高阶模易于漏入无源区，同时基膜靠两侧的特殊光波导(S1≈S2)仍被限制在有源区内，有效的抑制暗纹和拖尾现象。
附图说明
图1是合格激光器远场光斑的示意图；
图2是现有技术激光器中暗纹激光器远场光斑的示意图；
图3是现有技术激光器中拖尾激光器远场光斑的示意图；
图4是将条形区域以外区域的外延层腐蚀处理后的激光器芯片示意图；
图5是将条形区域右侧区域的金属层腐蚀掉后的激光器芯片示意图；
图6是将条形区域以外的区域的SiO2层腐蚀掉的激光器芯片示意图；
图7是将激光器芯片放到腐蚀液中进行腐蚀处理的示意图；
图8是本发明所述横向非对称光波导半导体激光器芯片的横向截面图；
图中：1、外延层；2、凸台A；3、金属层；4、SiO2层；5、腐蚀液；6、外部激光器；7、发光区；8、光波导区；h1、条形凸台左侧的高度；h2、条形凸台右侧的高度。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图8所示。
一种横向非对称光波导半导体激光器芯片，包括发光区、外延层1和衬底；所述发光区 7为设置在外延层上的条形凸台；所述条形凸台两侧的高度不同，左侧高度为h1，右侧高度为h2；所述条形凸台上表面平行于外延层1表面；所述发光区7的两侧设置有光波导区8。其中，所述h1＝0.7μm；h2＝1μm。
所述外延层和衬底为分别为GaAs材料外延层和GaAs材料衬底。所述外延层1和衬底共同构成650nm半导体激光器的外延片。
对比例1
常规对称光波导结构的650nm半导体激光器芯片，芯片的发光区为GaAs外延片上制作的对称台面结构。
将包含有实施例1的非对称光波导的650nm半导体激光器芯片与包含对比例1对称结构的650nm半导体激光器芯片封装测试，光斑对比数据如表1。
包含有实施例1的非对称光波导的650nm半导体激光器芯片封装测试得到的光斑图，如图1所示，为正常的光斑。包含对比例1对称结构的650nm半导体激光器芯片封装测试得到的光斑图，如图2、图3所示，有明显的暗纹或者拖尾现象。
实施例2
如实施例1所述的横向非对称光波导半导体激光器芯片，所不同的是，所述发光区7左侧光波导区8的横向截面积为S1，所述发光区7右侧光波导区8的横向截面积为S2，S1＝S2。
实施例3
如实施例2所述的横向非对称光波导半导体激光器芯片，所不同的是，所述光波导区8 横向截面的形状为直角三角形；所述直角三角形的两个直角边分别与条形凸台的侧边和外延层1的上表面对齐。
实施例4
如实施例3所述的横向非对称光波导半导体激光器芯片，所不同的是，所述发光区7左侧光波导区8对应直角三角形的高度为h1；所述发光区7右侧光波导区8对应直角三角形的高度为h2。
实施例5
如实施例4所述的横向非对称光波导半导体激光器芯片，所不同的是，所述发光区7左侧光波导区8对应直角三角形的斜边与水平面的夹角为α1，所述发光区7右侧光波导区8对应直角三角形的的斜边与水平面的夹角为α2，其中，α1＝45°，α2＝63.9°；左侧直角三角形的底边长度为0.7μm，右侧直角三角形的底边长度为0.49μm。
将包含有实施例5的非对称光波导的650nm半导体激光器芯片与对比例1对称光波导结构的650nm半导体激光器芯片封装测试，光斑对比数据如表1。
实施例6
如图4-图8所示。
一种实施例1-5所述半导体激光器芯片的制备方法，包括步骤如下：
针对腐蚀液对扩散有金属的外延层和普通外延层的腐蚀速率不同，而在半导体激光器芯片的发光区两侧腐蚀出横向不对称结构的光波导区。利用腐蚀液对半导体激光器芯片的发光区腐蚀的同时，再结合外部激光器光照在发光区两侧，进而腐蚀出横截面为直角三角形的光波导区。
具体步骤如下：
1)在外延层1表面光刻形成条形区域；将条形区域以外的外延层1腐蚀处理，得到凸台 A2；如图4所示。所述凸台A为左右两侧高度相同的凸台结构；
2)在凸台A2之外区域的外延层1的上表面蒸镀金属层；
3)通过光刻和腐蚀过程去掉凸台A2右侧区域的金属层；如图5所示。
4)将经过步骤3)处理后的激光器芯片淬火处理，使凸台A2左侧的金属层向外延层形成扩散；
5)将凸台A2左侧的金属层腐蚀掉；
6)在激光器芯片上表面生长SiO2层4，将凸台A2以外区域的SiO2层4腐蚀掉；如图6所示。
7)将激光器芯片放到盛放有腐蚀液的透明容器中进行腐蚀处理，用外部激光器透过腐蚀液照射激光器芯片具有凸台A2的一面，且激光器芯片与外部激光器的投射光垂直，腐蚀处理 40秒后对激光器芯片进行清洗，得到覆盖有SiO2层的条形凸台；如图7所示。对称结构的凸台A经过步骤7)的处理过程成为非对称结构的条形凸台，且条形凸台的两侧设置有光波导区8。
8)腐蚀掉条形凸台表面的SiO2层，得到横向非对称光波导半导体激光器芯片。如图8 所示。
实施例7
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述步骤1)中，所述条形区域的宽度为10μm。
实施例8
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述腐蚀液的体积配比为，硫酸：双氧水：水＝5:1:1；所述硫酸的质量分数为98％，双氧水的质量分数为30％。
实施例9
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述凸台A2的横向截面为矩形。
实施例10
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，腐蚀凸台A2表面的SiO2层4后还包括按照常规工艺处理激光器芯片P面、N面欧姆接触的步骤。
实施例11
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述步骤6)中激光器芯片上表面生长SiO2层4的厚度为
Figure BDA0001235163440000061
实施例12
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述步骤7)中照射激光器芯片所使用的外部激光器为650nm红光激光器。激光器照射起到了催化腐蚀的作用，而经过大量实验对比证明650nm红光激光器所产生的650nm红光激光对芯片的催化腐蚀效果最好。
实施例13
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述步骤4)中淬火处理的具体步骤为，将经过步骤3)处理后的激光器芯片300℃淬火处理10min。
实施例14
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述步骤1)中，所述外延层的厚度为5μm；对外延层腐蚀处理的深度为0.6μm。
实施例15
如实施例6所述的半导体激光器芯片的制备方法，所不同的是，所述步骤2)中，所述金属层为金属Ti层。
表1
Figure BDA0001235163440000071
通过上表中的数据对比，采用本发明横向非对称光波导半导体激光器芯片制作的650nm 激光器芯片光斑合格率大幅度提高，克服暗纹、拖尾现象效果明显。

Claims (7)

1.一种半导体激光器芯片的制备方法，所述半导体激光器芯片，包括发光区、外延层和衬底；所述发光区为设置在外延层上的条形凸台；所述条形凸台两侧的高度不同，左侧高度为h1，右侧高度为h2；所述条形凸台上表面平行于外延层表面；所述发光区的两侧设置有光波导区；
其特征在于，包括步骤如下：针对腐蚀液对扩散有金属的外延层和普通外延层的腐蚀速率不同，而在半导体激光器芯片的发光区两侧腐蚀出横向不对称结构的光波导区；利用腐蚀液对半导体激光器芯片的发光区腐蚀的同时，再结合外部激光器光照在发光区两侧，进而腐蚀出横截面为直角三角形的光波导区；包括具体步骤如下：
1)在外延层表面光刻形成条形区域；将条形区域以外的外延层腐蚀处理，得到凸台A；
2)在凸台A之外区域的外延层的上表面蒸镀金属层；
3)通过光刻和腐蚀过程去掉凸台A右侧区域的金属层；
4)将经过步骤3)处理后的激光器芯片淬火处理，使凸台A左侧的金属层向外延层形成扩散；
5)将凸台A左侧的金属层腐蚀掉；
6)在激光器芯片上表面生长SiO2层，将凸台A以外区域的SiO2层腐蚀掉；
7)将激光器芯片放到腐蚀液中进行腐蚀处理，用外部激光器透过腐蚀液照射激光器芯片具有凸台A的一面，且激光器芯片与外部激光器的投射光垂直，腐蚀处理30～50秒后对激光器芯片进行清洗，得到覆盖有SiO2层的条形凸台；
8)腐蚀掉条形凸台表面的SiO2层，得到横向非对称光波导半导体激光器芯片。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述发光区左侧光波导区的横向截面积为S1，所述发光区右侧光波导区的横向截面积为S2，S1与S2近似相等。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，S1＝S2。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述光波导区横向截面的形状为直角三角形；所述直角三角形的两个直角边分别与条形凸台的侧边和外延层的上表面对齐。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述发光区左侧光波导区对应直角三角形的高度为h1；所述发光区右侧光波导区对应直角三角形的高度为h2。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述发光区左侧光波导区对应直角三角形的斜边与水平面的夹角为α1，所述发光区右侧光波导区对应直角三角形的的斜边与水平面的夹角为α2，其中，α1＝30°～60°，α1＜α2。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中淬火处理的具体步骤为，将经过步骤3)处理后的激光器芯片300～500℃淬火处理10～30min；所述步骤6)中激光器芯片上表面生长SiO2层的厚度为
Figure FDA0002346011440000021
所述步骤7)中照射激光器芯片所使用的外部激光器为650nm红光激光器。
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