CN108666867A - 一种输出空心光束的激光器及其制作方法 - Google Patents

一种输出空心光束的激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输出空心光束的激光器及其制作方法，该激光器包括由下至上依次布设的半导体衬底、缓冲层、N型分布式布拉格反射镜层、有源区、第一高铝层、电流引导层、第二高铝层和P型分布式布拉格反射镜层，所述第一高铝层的圆周边缘设置有第一氧化限制层，所述第二高铝层的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层和P面电极；该方法包括以下步骤：一、半导体激光器芯片的生长；二、氧化限制层的制作；三、P面电极制作；四、刻蚀孔的形成；五、N面电极的制作。本发明结构简单、设计合理且体积小，使得电流载流子汇集在有源区的圆周边缘，实现空心光束的输出，不要安装其他的光学器件，实用性强。

Description

一种输出空心光束的激光器及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种输出空心光束的激光器及其制作方法。
背景技术
空心光束是一种具有暗中空的光束强度分布，环形亮光区域，其光强强度沿着半径方向表现为出高斯分布。由于空心光束是环形的，其中心区域为暗中空，因此可以减弱光束的散射能力。如果利用空心光束作为光学镊子，那么实验样品的损伤程度就会小于使用普通光束的光学镊子。另外空心光束因为自身的特殊性质，使得空心光束在激光技术、材料技术、生物科技以及医学成像等诸多领域有着非常广泛的应用。迄今为止，目前存在许多方法来形成空心光束，例如横模选择法、几何光学法、光学全息法、计算全息法、中空光纤法和π相位板法等。然而在其众多的方法中，都需要采取复杂的光学设计以及复杂的光学结构来实现输出空心光束的功能，从而此类激光器一般都有着比较大的体积以及漫长的制作周期。随着科技的进步，越来越多的应用领域对激光器提出了小型化结构简单的要求。因此，一种结构简单、体积小的输出空心光束的激光器成为半导体激光器应用领域的迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种输出空心光束的激光器，其结构简单、设计合理且体积小，通过设置环形P面电极和N面电极，且在第一高铝层的圆周边缘设置第一氧化限制层，第二高铝层圆周边缘设置第二氧化限制层和P面电极，使得P面电极设置在电流引导层上表面的圆周边缘，实现空心光束的输出，不要安装其他的光学器件，实用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种输出空心光束的激光器，其特征在于：包括由下至上依次布设的半导体衬底、缓冲层、N型分布式布拉格反射镜层、有源区、第一高铝层、电流引导层、第二高铝层和P型分布式布拉格反射镜层，所述第一高铝层的圆周边缘设置有第一氧化限制层，所述第二高铝层的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层和P面电极，所述P型分布式布拉格反射镜层的上表面设置有刻蚀孔，所述半导体衬底底面圆周边缘设置有N面电极，所述刻蚀孔的深度小于P型分布式布拉格反射镜层的厚度，所述P面电极和N面电极的横截面均为环形，所述刻蚀孔的孔径小于P型分布式布拉格反射镜层的直径。
上述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述第一氧化限制层外圆半径与内圆半径之差为10μm～40μm，所述第二氧化限制层外圆半径与内圆半径之差为5μm～35μm，所述P面电极外圆半径与内圆半径之差为3μm～7μm，所述N面电极外圆半径与内圆半径之差为10μm～20μm；
所述P面电极的厚度为0.5μm～2μm，所述N面电极的厚度为0.5μm～2μm。
上述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述半导体衬底的厚度为120μm～150μm，所述缓冲层的厚度为20nm～2μm，所述N型分布式布拉格反射镜层的厚度为2.8μm～5μm，所述有源区的厚度为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层的厚度为10nm～50nm，所述电流引导层的厚度为10nm～50nm，所述第二高铝层的厚度为10nm～50nm，所述P型分布式布拉格反射镜层的厚度为2.5μm～3.5μm。
同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便的输出空心光束的激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、半导体激光器芯片的生长：
步骤101、选择初始半导体衬底；其中，所述初始半导体衬底的厚度为500μm～800μm；
步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底材质相同的缓冲层；其中，所述缓冲层的厚度为20nm～2μm；
步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成N型分布式布拉格反射镜层，且所述N型分布式布拉格反射镜层与缓冲层晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；
步骤104、采用所述半导体生长方法在N型分布式布拉格反射镜层的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区；其中，所述量子阱结构的周期为2组～8组；
步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区的上表面生长第一高铝层；其中，所述第一高铝层的厚度为10nm～50nm；
步骤106、采用所述半导体生长方法在第一高铝层的上表面生长厚度为10nm～50nm的电流引导层；
步骤107、采用所述半导体生长方法在电流引导层的上表面生长与第一高铝层厚度和材质均相同的第二高铝层；
步骤108、所述半导体生长方法在第二高铝层的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成P型分布式布拉格反射镜层，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；
步骤二、氧化限制层的制作：
步骤201、采用研磨机对所述初始半导体衬底的底部进行研磨减薄，并将研磨减薄后的初始半导体衬底称为一次半导体衬底，且所述一次半导体衬底的厚度为300μm～400μm；
步骤202、对研磨减薄后的半导体激光器芯片进行清洗；
步骤203、采用光刻机对有源区上部进行一次刻蚀，形成一次刻蚀台面，并放入温度为420℃的氧化室内；
步骤204、将流量为1L/min～2L/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min～70min，在第一高铝层和第二高铝层的圆周边缘部分别形成第一氧化限制层和第二氧化限制层；
步骤三、P面电极制作：采用所述光刻机对电流引导层上部进行二次刻蚀，形成二次刻蚀台面，并采用所述电子束设备在所述二次刻蚀台面上蒸镀Ti-Pt-Au结构，形成P面电极；
步骤四、刻蚀孔的形成：采用所述光刻机对P型分布式布拉格反射镜层表面进行三次刻蚀，形成刻蚀孔；
步骤五、N面电极的制作：
步骤501、采用研磨机对所述一次半导体衬底的底部进行二次研磨，直至二次研磨后的一次半导体衬底的厚度为120μm～150μm，得到二次研磨后半导体衬底；
步骤502、采用抛光机对所述二次研磨后半导体衬底的底部进行抛光，形成半导体衬底；
步骤503、采用真空镀膜设备在半导体衬底中的底部蒸镀Ge-Au-Ni结构；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm～2μm；
步骤504、采用退火处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极。
上述的方法，其特征在于：步骤101中所述初始半导体衬底内掺杂有掺杂浓度为1×107/cm3～1×108/cm3的硅；
步骤103中每周期对所述第一折射材料层均包括由下至上依次生长的第一高折射率折射层和第一低折射率折射层，所述第一高折射率折射层的层厚为48nm～78nm，所述第一高折射率折射层的折射率为2.8～3.5；所述第一低折射率折射层的层厚为50nm～80nm，所述第一低折射率折射层的折射率为2.7～3.4；所述第一高折射率折射层的折射率大于所述第一低折射率折射层的折射率，所述第一低折射率折射层的层厚大于所述第一高折射率折射层的层厚，所述第一高折射率折射层和所述第一低折射率折射层均掺杂有掺杂浓度为1×108/cm3～3×108/cm3的硅；
步骤104中所述量子阱结构包括自下而上依次生长的第一势垒层、势阱层和第二势垒层，所述第一势垒层、所述势阱层和所述第二势垒层为一组；所述第一势垒层和所述第二势垒层的厚度均为8nm～10nm，所述势阱层的厚度为6nm～8nm，步骤104中所述量子阱结构的底部和表面分别生长下空间层和上空间层，且所述下空间层和所述上空间层的材料、掺杂物质和掺杂浓度与所述初始半导体衬底相同，以使所述有源区的厚度为0.2μm～0.4μm；
步骤105中所述第一高铝层和步骤107中所述第二高铝层均为铝化合物，步骤106中所述电流引导层与所述初始半导体衬底的材质相同，且所述电流引导层中掺杂有掺杂浓度为1×109/cm3～3×109/cm3的碳；
步骤108中每周期对所述第二折射材料层均包括由下至上依次生长的第二高折射率折射层和第二低折射率折射层，所述第二高折射率折射层与所述第一高折射率折射层的厚度和折射率均相同，所述第二低折射率折射层与所述第一低折射率折射层的厚度和折射率均相同，且所述第二高折射率折射层和所述第二低折射率折射层均无掺杂；
步骤102中所述缓冲层的生长条件、步骤103中所述第一折射材料层的生长条件、步骤104中所述有源区的生长条件、所述第一势垒层和所述第二势垒层的生长条件、所述势阱层的生长条件、步骤105中所述第一高铝层的生长条件、步骤106所述电流引导层的生长条件、步骤107中第二高铝层的生长条件和步骤108中所述第二折射材料层的生长条件均为压强0.1atm～0.3atm、温度630℃～750℃。
上述的方法，其特征在于：步骤202清洗的具体过程为：
步骤2021、选择三氯乙烯、丙酮和乙醇3种清洗试剂；其中，三氯乙烯、丙酮和乙醇的体积浓度均为99％以上；
步骤2022、分别将步骤2021中选择的3种清洗试剂加热至沸点，并维持3种清洗试剂处于沸点状态；
步骤2023、将研磨减薄后的半导体激光器芯片依次放入加热至沸点后的3种清洗试剂中；其中，研磨减薄后的半导体激光器芯片在每个清洗试剂中的停留时间为5min～15min。
上述的方法，其特征在于：步骤三中所述P面电极的厚度为0.5μm～2μm；
步骤四中所述刻蚀孔的深度为1μm～3μm，所述刻蚀孔的孔径为30μm～400μm。
上述的方法，其特征在于：步骤502中抛光时间为4h～12h；
步骤503中所述真空镀膜设备为DM-450A型真空镀膜设备；
步骤504中所述退火处理设备为RTP-500快速热处理设备，所述退火处理的时间为60秒～120秒，所述退火处理的温度为250℃～450℃。
上述的方法，其特征在于：所述半导体生长方法为MOCVD生长法、PECVD生长法或者MBE生长法。
上述的方法，其特征在于：步骤101中所述初始半导体衬底为GaN半导体、GaAs半导体或者InP半导体；
当所述初始半导体衬底为GaN半导体时，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaN，所述势阱层为InGaN，所述第一高铝层和所述第二高铝层均为AlGaN；
当所述初始半导体衬底为GaAs半导体时，所述第一势垒层和所述第二势垒层均GaAs，所述势阱层为InGaAs，所述第一高铝层和所述第二高铝层均为AlAs；
当所述初始半导体衬底为InP半导体，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GalnAs，所述势阱层为InGaAsP，所述第一高铝层和所述第二高铝层均为AlAs。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的激光器结构简单、设计合理，投入成本较低，加工制作方便，且体积小可以高度集成在激光设备中。
2、本发明的激光器没有采取任何光学器件对激光器进行整形调节，无需装调，则满足短周期、大批量的生产需求。
3、本发明的激光器设置第一高铝层和第二高铝层，是为了分别在第一高铝层和第二高铝层的圆周边缘形成第一氧化限制层和第二氧化限制层，第一氧化限制层是为了减少激光的发射程度，进而减少激光的损耗；第二氧化限制层是为了减少激光的发射程度和对载流子进行约束，使得载流子只能从第二氧化限制层的边缘注入到有源区。
4、本发明的激光器中P面电极设置在第二高铝层的圆周边缘且位于电流引导层上，这样载流子不经过P型分布式布拉格反射镜层而进入有源区，扩散时间短，减少载流子横向扩散深度。
5、本发明的激光器中设置环形的P面电极和N面电极，配合第一氧化限制层和第二氧化限制层，减少载流子扩散到有源区的中心区域，使得载流子汇集在有源区的圆周边缘，实现空心光束的输出，不要安装其他的光学器件，实用性强。
6、本发明的激光器中设置刻蚀孔，减小刻蚀区域的P型分布式布拉格反射镜层的周期对数，从而减小此刻蚀区域的反射率，提高此刻蚀区域的激光发射的阈值增益，进一步的保证P型分布式布拉格反射镜层的中心区域不发激光。
7、本发明的激光器输出圆环形光束，因此非常容易与光纤直接耦合，耦合效率大于90％。
8、本发明的激光器制作方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，首先在选择好的初始半导体衬底上由下至上依次生长缓冲层、N型分布式布拉格反射镜层、有源区、第一高铝层、电流引导层、第二高铝层和P型分布式布拉格反射镜层，完成半导体激光器芯片的生长；然后对半导体激光器芯片进行研磨减薄和湿法氧化，完成第一氧化限制层和第二氧化限制层的制作；之后在第二氧化限制层的圆周边缘设置P面电极，且P面电极位于电流引导层上表面；最后，在半导体衬底制作N面电极，且P面电极和N面电极均为环形，实现空心激光光束的输出，制作周期短。
综上所述，本发明设计合理且体积小，过设置环形P面电极和N面电极，且在第一高铝层的圆周边缘设置第一氧化限制层，第二高铝层圆周边缘设置第二氧化限制层和P面电极，使得P面电极设置在电流引导层上表面的圆周边缘，利用激光器本身的载流子的扩散规律就可以实现输出空心光束的需求，不要安装其他的光学器件，实用性强。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种输出空心光束的激光器的结构示意图。
图2为本发明一种输出空心光束的激光器制作方法的流程框图。
附图标记说明:
1—P型分布式布拉格反射镜层； 2-1—第一高铝层；
2-2—第二高铝层； 3—第二氧化限制层；
4—P面电极； 5—电流引导层；
6—第一氧化限制层； 7—有源区；
8—N型分布式布拉格反射镜层； 9—半导体衬底；
10—N面电极 11—缓冲层；
12—刻蚀孔。
具体实施方式
如图1所示的一种输出空心光束的激光器，包括由下至上依次布设的半导体衬底9、缓冲层11、N型分布式布拉格反射镜层8、有源区7、第一高铝层2-1、电流引导层5、第二高铝层2-2和P型分布式布拉格反射镜层1，所述第一高铝层2-1的圆周边缘设置有第一氧化限制层6，所述第二高铝层2-2的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层3和P面电极4，所述P型分布式布拉格反射镜层1的上表面设置有刻蚀孔12，所述半导体衬底9底面圆周边缘设置有N面电极10，所述刻蚀孔12的深度小于P型分布式布拉格反射镜层1的厚度，所述P面电极4和N面电极10的横截面均为环形，所述刻蚀孔12的孔径小于P型分布式布拉格反射镜层1的直径。
本实施例中，所述第一氧化限制层6外圆半径与内圆半径之差为10μm～40μm，所述第二氧化限制层3外圆半径与内圆半径之差为5μm～35μm，所述P面电极4外圆半径与内圆半径之差为3μm～7μm，所述N面电极10外圆半径与内圆半径之差为10μm～20μm；
所述P面电极4的厚度为0.5μm～2μm，所述N面电极10的厚度为0.5μm～2μm。
本实施例中，所述半导体衬底9的厚度为120μm～150μm，所述缓冲层11的厚度为20nm～2μm，所述N型分布式布拉格反射镜层8的厚度为2.8μm～5μm，所述有源区7的厚度为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层2-1的厚度为10nm～50nm，所述电流引导层5的厚度为10nm～50nm，所述第二高铝层2-2的厚度为10nm～50nm，所述P型分布式布拉格反射镜层1的厚度为2.5μm～3.5μm。
本实施例中，第一高铝层2-1的圆周边缘氧化后生成第一氧化限制层6，第一氧化限制层6中氧化物折射率变小，这样氧化孔径可以等效为起聚光作用的透镜，从而实现对激光的光场限制，减少激光的发射程度，进而减少激光的损耗。
本实施例中，第二高铝层2-2的圆周边缘氧化后生成第二氧化限制层3，一方面第二氧化限制层3是绝缘，加载在P面电极4与N面电极10之间的电流载流子只能从第二氧化限制层3的边缘注入到有源区7，从而对电流载流子进行约束，载流子只能从第二氧化限制层3的边缘注入到有源区7，这样电流载流子就会被限定在环形的第二氧化限制层3外，从而使得有源区7的圆周边缘内电流载流子的密度增加，降低激光发射的阈值，从而使得制作的激光器更容易激射；另一方面第二氧化限制层3中氧化物折射率变小，实现对激光的光场限制，为了减少激光的发射程度，进而减少激光的损耗。
本实施例中，设置电流引导层5的掺杂浓度达到1×109/cm3以上，则电流引导层5与P面电极4形成欧姆接触，这样只有形成了欧姆接触，P面电极4才能顺利的将载流子注入到电流引导层5；否则，没有电流引导层5，P面电极4是无法将载流子注入到有源区7。
本实施例中，设置P面电极4在电流引导层5的上表面，则P面电极4与N型分布式布拉格反射镜层8与P型分布式布拉格反射镜层1之间形成腔接触，这样与普通的激光器结构相比，此结构加载的电流载流子不需要从P型分布式布拉格反射镜层1表面注入电流载流子，减少了从P型分布式布拉格反射镜层1表面到第一氧化限制层6的扩散时间，从而减小了载流子纵向扩散时间，减少载流子横向扩散深度，在电流加载同样的时间内，保证电流载流子大多聚集在有源区7的圆周边缘，还来得及向有源区7的中心区域扩散。
本实施例中，实际制作过程中，所述刻蚀孔12的孔径大于50μm，是为了提高激光器的发射功率。
本实施例中，刻蚀孔12的设置，是为了减小刻蚀区域的P型分布式布拉格反射镜层1的周期对数，从而减小此刻蚀区域的反射率，提高此刻蚀区域的激光发射的阈值增益，进一步的保证P型分布式布拉格反射镜层1中心区域的反射率小于边界区域的反射率，从而中心区域的阈值增益将大于边界区域的反射率。因此激光激射时，边界位置处会率先激射激光，而中心位置处由于很难满足激光震荡条件不会激射激光，保证激光激射空心光束。
本实施例中，实际制作过程中，通过增加N型分布式布拉格反射镜层8中所述第一高折射率折射层的折射率与所述第一低折射率折射层的折射率之差，则减少N型分布式布拉格反射镜层8的周期数，进而为了减小载流子在有源区7上的纵向扩散深度。
本实施例中，为了匹配载流子的环形分布的结构，P面电极4与N面电极10的横截面都为环形，这样的目的是减少载流子扩散到有源区7的中心区域。
本实施例中，P型分布式布拉格反射镜层1为无掺杂的本征半导体材料，以减少P型分布式布拉格反射镜层1对光的损耗。
本实施例中，P面电极4蒸镀在电流引导层5上，因为电流引导层5的掺杂浓度较高，且P面电极4非常靠近有源区7，因此纵向载流子扩散速度远大于横向扩散速度。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为多周期的折射材料层，根据半导体材料的特性，多层周期的折射材料层的横向电导率与纵向电导率是不同的，而且一般的横向电导率大于纵向电导率，为了实现空心光束的输出，要求载流子在横向的扩散的相对深度小于纵向的扩散深度，且器件中心的载流子浓度要尽可能的少，从而可保证激光器中心区域产生的光子数尽可能的少。
本发明的激光器具体使用时，在P面电极4与N面电极10之间加载电流为1A～6A的恒流源，加载电流由P面电极4与N面电极10注入有源区7，由于此结构的特点，加载电流的载流子聚集在有源区7的边缘圆周边缘，由于有源区7的圆周边缘的载流子浓度高，因此有源区7的圆周边缘位置会率先达到粒子束的反转条件即激光激射的条件，有源区7的圆周边缘位置率先发激光，在发激光的过程中，光子会沿着各个方向传播，只有传播方向垂直P面电极4与N面电极10的光子会不断地在N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1形成的腔内反射，从而不断的激发产生相同的光子，光子数目得以放大，最终通过P型分布式布拉格反射镜层1发射出去，从而形成空心光束的激光。
如图2所示的一种输出空心光束的激光器的制作方法，通过实施例2～实施例10进行详细描述：
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、半导体激光器芯片的生长：
步骤101、选择厚度为500μm的GaN半导体为初始半导体衬底；
步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底材质相同的缓冲层11；其中，所述缓冲层11的厚度为20nm；
步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层11的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成N型分布式布拉格反射镜层8，且所述N型分布式布拉格反射镜层8与缓冲层11晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；
步骤104、采用所述半导体生长方法在N型分布式布拉格反射镜层8的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区7；其中，所述量子阱结构的周期为2组；
步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区7的上表面生长第一高铝层2-1；其中，所述第一高铝层2-1的厚度为10nm；
步骤106、采用所述半导体生长方法在第一高铝层2-1的上表面生长厚度为10nm的电流引导层5；
步骤107、采用所述半导体生长方法在电流引导层5的上表面生长与第一高铝层2-1厚度和材质均相同的的第二高铝层2-2；
步骤108、所述半导体生长方法在第二高铝层2-2的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成P型分布式布拉格反射镜层1，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为18，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；
步骤二、氧化限制层的制作：
步骤201、采用研磨机对所述初始半导体衬底的底部进行研磨减薄，并将研磨减薄后的初始半导体衬底称为一次半导体衬底，且所述一次半导体衬底的厚度为300μm；
步骤202、对研磨减薄后的半导体激光器芯片进行清洗；
步骤203、采用光刻机对有源区7上部进行一次刻蚀，形成一次刻蚀台面，并放入温度为420℃的氧化室内；
步骤204、将流量为1L/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min，在第一高铝层2-1和第二高铝层2-2的圆周边缘部分别形成第一氧化限制层6和第二氧化限制层3；
步骤三、P面电极制作：采用所述光刻机对电流引导层5上部进行二次刻蚀，形成二次刻蚀台面，并采用所述电子束设备在所述二次刻蚀台面上蒸镀Ti-Pt-Au结构，形成P面电极4；
步骤四、刻蚀孔的形成：采用所述光刻机对P型分布式布拉格反射镜层1表面进行三次刻蚀，形成刻蚀孔12；
步骤五、N面电极的制作：
步骤501、采用研磨机对所述一次半导体衬底的底部进行二次研磨，直至二次研磨后的一次半导体衬底的厚度为120μm，得到二次研磨后半导体衬底；
步骤502、采用抛光机对所述二次研磨后半导体衬底的底部进行抛光，形成半导体衬底9；
步骤503、采用真空镀膜设备在半导体衬底9中的底部蒸镀Ge-Au-Ni结构；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm；
步骤504、采用退火处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极10。
本实施例中，步骤101中所述初始半导体衬底内掺杂有浓度为1×107/cm3的硅；
步骤103中每周期对所述第一折射材料层均包括由下至上依次生长的第一高折射率折射层和第一低折射率折射层，所述第一高折射率折射层的层厚为78nm，所述第一高折射率折射层的折射率为2.8；所述第一低折射率折射层的层厚为80nm，所述第一低折射率折射层的折射率为2.7；所述第一高折射率折射层的折射率大于所述第一低折射率折射层的折射率，所述第一低折射率折射层的层厚大于所述第一高折射率折射层的层厚，所述第一高折射率折射层和所述第一低折射率折射层均掺杂有掺杂浓度为1×108/cm3的硅；
步骤104中所述量子阱结构包括自下而上依次生长的第一势垒层、势阱层和第二势垒层，所述第一势垒层、所述势阱层和所述第二势垒层为一组；所述第一势垒层和所述第二势垒层的厚度均为8nm，所述势阱层的厚度为6nm，步骤104中所述量子阱结构的底部和表面分别生长下空间层和上空间层，且所述下空间层和所述上空间层的材料、掺杂物质和掺杂浓度与所述初始半导体衬底相同，以使所述有源区的厚度为0.2μm；步骤105中所述第一高铝层2-1和步骤107中所述第二高铝层2-2均为铝化合物；步骤106中所述电流引导层5与所述初始半导体衬底的材质相同，且所述电流引导层5中掺杂有掺杂浓度为1×109/cm3的碳；
步骤108中每周期对所述第二折射材料层均包括由下至上依次生长的第二高折射率折射层和第二低折射率折射层，所述第二高折射率折射层与所述第一高折射率折射层的厚度和折射率均相同，所述第二低折射率折射层与所述第一低折射率折射层的厚度和折射率均相同，且所述第二高折射率折射层和所述第二低折射率折射层均无掺杂；
步骤102中所述缓冲层11的生长条件、步骤103中所述第一折射材料层的生长条件、步骤104中所述有源区7的生长条件、所述第一势垒层和所述第二势垒层的生长条件、所述势阱层的生长条件、步骤105中所述第一高铝层2-1的生长条件、步骤106所述电流引导层5的生长条件、步骤107中第二高铝层2-2的生长条件和步骤108中所述第二折射材料层的生长条件均为压强0.1atm、温度630℃。
本实施例中，步骤202清洗的具体过程为：
步骤2021、选择三氯乙烯、丙酮和乙醇3种清洗试剂；其中，三氯乙烯、丙酮和乙醇的体积浓度均为99％以上；
步骤2022、分别将步骤2021中选择的3种清洗试剂加热至沸点，并维持3种清洗试剂处于沸点状态；
步骤2023、将研磨抛光后的半导体激光器芯片依次放入加热至沸点后的3种清洗试剂中；其中，研磨抛光后的半导体激光器芯片在每个清洗试剂中的停留时间为5min。
本实施例中，步骤三中所述P面电极4的厚度为0.5μm；步骤四中所述刻蚀孔12的深度为1μm，所述刻蚀孔12的孔径为30μm。
本实施例中，步骤502中所述抛光时间为4h；
步骤503中所述真空镀膜设备为DM-450A型真空镀膜设备；
步骤504中所述退火处理设备为RTP-500快速热处理设备，所述退火处理的时间为60秒，所述退火处理的温度为250℃。
本实施例中，所述半导体生长方法为MOCVD生长法、PECVD生长法或者MBE生长法。
本实施例中，进一步地优选，所述半导体生长方法为MOCVD生长法。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaN，所述势阱层为InGaN；所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlGaN。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为AlGaN。
实施例3
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例2的不同之处仅在于：步骤101中所述初始半导体衬底的厚度为650μm，所述初始半导体衬底内掺杂有掺杂浓度为5.5×107/cm3的硅；
步骤102中所述缓冲层11的厚度为1.01μm，步骤103中所述第一折射材料层的周期对数为25，所述第一高折射率折射层的层厚为63nm，所述第一高折射率折射层的折射率为3.2；所述第一低折射率折射层的层厚为65nm，所述第一低折射率折射层的折射率为3.1；所述第一高折射率折射层和所述第一低折射率折射层均掺杂有掺杂浓度为2×108/cm3的硅；
步骤104中所述量子阱结构的周期为5组，所述第一势垒层和所述第二势垒层的厚度均为9nm，所述势阱层的厚度为7nm；所述有源区7的厚度为0.3μm；
步骤105中第一高铝层2-1的厚度为30nm，步骤106中电流引导层5的厚度为30nm，所述电流引导层5中掺杂有掺杂浓度为2×109/cm3的碳；
步骤107中第二高铝层2-2的厚度为30nm，步骤108中所述第二折射材料层的周期对数为25；
步骤102中所述缓冲层11的生长条件、步骤103中所述第一折射材料层的生长条件、步骤104中所述有源区7的生长条件、所述第一势垒层和所述第二势垒层的生长条件、所述势阱层的生长条件、步骤105中所述第一高铝层2-1的生长条件、步骤106所述电流引导层5的生长条件、步骤107中第二高铝层2-2的生长条件和步骤108中所述第二折射材料层的生长条件均为压强0.2atm、温度690℃。
步骤201中所述一次半导体衬底的厚度为350μm，
步骤2023中研磨抛光后的半导体激光器芯片在每个清洗试剂中的停留时间为10min。
步骤204中氮气的流量为1.5L/min，湿法氧化的时间为40min；
步骤三中所述P面电极4的厚度为1.3μm，步骤四中所述刻蚀孔12的深度为2μm，所述刻蚀孔12的孔径为215μm；
步骤501中二次研磨后半导体衬底的厚度为185μm；
步骤502中所述抛光时间为8h，步骤503中所述Ge-Au-Ni结构的厚度为1.3μm，步骤504中所述退火处理的时间为90秒，所述退火处理的温度为350℃。
本实施例中的其它制过程与实施例2相同。
实施例4
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例2的不同之处仅在于：步骤101中所述初始半导体衬底的厚度为800μm，所述初始半导体衬底内掺杂有掺杂浓度为1×108/cm3的硅；
步骤102中所述缓冲层11的厚度为2μm，步骤103中所述第一折射材料层的周期对数为32，所述第一高折射率折射层的层厚为48nm，所述第一高折射率折射层的折射率为3.5；所述第一低折射率折射层的层厚为50nm，所述第一低折射率折射层的折射率为3.4；所述第一高折射率折射层和所述第一低折射率折射层均掺杂有掺杂浓度为3×108/cm3的硅；
步骤104中所述量子阱结构的周期为8组，所述第一势垒层和所述第二势垒层的厚度均为10nm，所述势阱层的厚度为8nm；所述有源区7的厚度为0.4μm；
步骤105中第一高铝层2-1的厚度为50nm，步骤106中电流引导层5的厚度为50nm，所述电流引导层5中掺杂有掺杂浓度为3×109/cm3的碳；
步骤107中第二高铝层2-2的厚度为50nm，步骤108中所述第二折射材料层的周期对数为32；
步骤102中所述缓冲层11的生长条件、步骤103中所述第一折射材料层的生长条件、步骤104中所述有源区7的生长条件、所述第一势垒层和所述第二势垒层的生长条件、所述势阱层的生长条件、步骤105中所述第一高铝层2-1的生长条件、步骤106所述电流引导层5的生长条件、步骤107中第二高铝层2-2的生长条件和步骤108中所述第二折射材料层的生长条件均为压强0.3atm、温度750℃。
步骤201中所述一次半导体衬底的厚度为400μm，
步骤2023中研磨抛光后的半导体激光器芯片在每个清洗试剂中的停留时间为15min。
步骤204中氮气的流量为2L/min，湿法氧化的时间为70min；
步骤三中所述P面电极4的厚度为2μm，步骤四中所述刻蚀孔12的深度为3μm，所述刻蚀孔12的孔径为400μm；
步骤501中二次研磨后半导体衬底的厚度为150μm
步骤502中所述抛光时间为12h，步骤503中所述Ge-Au-Ni结构的厚度为2μm；
步骤504中所述退火处理的时间为120秒，所述退火处理的温度为450℃。
本实施例中的其它制过程与实施例2相同。
实施例5
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例2的不同之处仅在于：
本实施例中，步骤101中初始半导体衬底为GaAs半导体。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaAs，所述势阱层为InGaAs；所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlAs。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为AlGaAs。
本实施例中的其它制过程与实施例2相同。
实施例6
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例3的不同之处仅在于：
本实施例中，步骤101中初始半导体衬底为GaAs半导体。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaAs，所述势阱层为InGaAs；所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlAs。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为AlGaAs。
本实施例中的其它制过程与实施例3相同。
实施例7
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例4的不同之处仅在于：
本实施例中，步骤101中初始半导体衬底为GaAs半导体。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaAs，所述势阱层为InGaAs；所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlAs。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为AlGaAs。
本实施例中的其它制过程与实施例4相同。
实施例8
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例2的不同之处仅在于：
本实施例中，步骤101中初始半导体衬底为InP半导体。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GalnAs，所述势阱层为InGaAsP，所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlAs。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为InGaAsP。
本实施例中的其它制过程与实施例2相同。
实施例9
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例3的不同之处仅在于：
本实施例中，步骤101中初始半导体衬底为InP半导体。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GalnAs，所述势阱层为InGaAsP，所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlAs。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为InGaAsP。
本实施例中的其它制过程与实施例3相同。
实施例10
本实施例输出空心光束的激光器的制作方法与实施例4的不同之处仅在于：
本实施例中，步骤101中初始半导体衬底为InP半导体。
本实施例中，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GalnAs，所述势阱层为InGaAsP，所述第一高铝层2-1和所述第二高铝层2-2均为AlAs。
本实施例中，N型分布式布拉格反射镜层8和P型分布式布拉格反射镜层1均为InGaAsP。
本实施例中的其它制过程与实施例4相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种输出空心光束的激光器，其特征在于：包括由下至上依次布设的半导体衬底(9)、缓冲层(11)、N型分布式布拉格反射镜层(8)、有源区(7)、第一高铝层(2-1)、电流引导层(5)、第二高铝层(2-2)和P型分布式布拉格反射镜层(1)，所述第一高铝层(2-1)的圆周边缘设置有第一氧化限制层(6)，所述第二高铝层(2-2)的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层(3)和P面电极(4)，所述P型分布式布拉格反射镜层(1)的上表面设置有刻蚀孔(12)，所述半导体衬底(9)底面圆周边缘设置有N面电极(10)，所述刻蚀孔(12)的深度小于P型分布式布拉格反射镜层(1)的厚度，所述P面电极(4)和N面电极(10)的横截面均为环形，所述刻蚀孔(12)的孔径小于P型分布式布拉格反射镜层(1)的直径。
2.按照权利要求1所述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述第一氧化限制层(6)外圆半径与内圆半径之差为10μm～40μm，所述第二氧化限制层(3)外圆半径与内圆半径之差为5μm～35μm，所述P面电极(4)外圆半径与内圆半径之差为3μm～7μm，所述N面电极(10)外圆半径与内圆半径之差为10μm～20μm；
所述P面电极(4)的厚度为0.5μm～2μm，所述N面电极(10)的厚度为0.5μm～2μm。
3.按照权利要求1所述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述半导体衬底(9)的厚度为120μm～150μm，所述缓冲层(11)的厚度为20nm～2μm，所述N型分布式布拉格反射镜层(8)的厚度为2.8μm～5μm，所述有源区(7)的厚度为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层(2-1)的厚度为10nm～50nm，所述电流引导层(5)的厚度为10nm～50nm，所述第二高铝层(2-2)的厚度为10nm～50nm，所述P型分布式布拉格反射镜层(1)的厚度为2.5μm～3.5μm。
4.一种对如权利要求1所述的输出空心光束的激光器进行制作的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、半导体激光器芯片的生长：
步骤101、选择初始半导体衬底；其中，所述初始半导体衬底的厚度为500μm～800μm；
步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底材质相同的缓冲层(11)；其中，所述缓冲层(11)的厚度为20nm～2μm；
步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层(11)的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成N型分布式布拉格反射镜层(8)，且所述N型分布式布拉格反射镜层(8)与缓冲层(11)晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；
步骤104、采用所述半导体生长方法在N型分布式布拉格反射镜层(8)的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区(7)；其中，所述量子阱结构的周期为2组～8组；
步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区(7)的上表面生长第一高铝层(2-1)；其中，所述第一高铝层(2-1)的厚度为10nm～50nm；
步骤106、采用所述半导体生长方法在第一高铝层(2-1)的上表面生长厚度为10nm～50nm的电流引导层(5)；
步骤107、采用所述半导体生长方法在电流引导层(5)的上表面生长与第一高铝层(2-1)厚度和材质均相同的第二高铝层(2-2)；
步骤108、所述半导体生长方法在第二高铝层(2-2)的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成P型分布式布拉格反射镜层(1)，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；
步骤二、氧化限制层的制作：
步骤201、采用研磨机对所述初始半导体衬底的底部进行研磨减薄，并将研磨减薄后的初始半导体衬底称为一次半导体衬底，且所述一次半导体衬底的厚度为300μm～400μm；
步骤202、对研磨减薄后的半导体激光器芯片进行清洗；
步骤203、采用光刻机对有源区(7)上部进行一次刻蚀，形成一次刻蚀台面，并放入温度为420℃的氧化室内；
步骤204、将流量为1L/min～2L/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min～70min，在第一高铝层(2-1)和第二高铝层(2-2)的圆周边缘部分别形成第一氧化限制层(6)和第二氧化限制层(3)；
步骤三、P面电极制作：采用所述光刻机对电流引导层(5)上部进行二次刻蚀，形成二次刻蚀台面，并采用所述电子束设备在所述二次刻蚀台面上蒸镀Ti-Pt-Au结构，形成P面电极(4)；
步骤四、刻蚀孔的形成：采用所述光刻机对P型分布式布拉格反射镜层(1)表面进行三次刻蚀，形成刻蚀孔(12)；
步骤五、N面电极的制作：
步骤501、采用研磨机对所述一次半导体衬底的底部进行二次研磨，直至二次研磨后的一次半导体衬底的厚度为120μm～150μm，得到二次研磨后半导体衬底；
步骤502、采用抛光机对所述二次研磨后半导体衬底的底部进行抛光，形成半导体衬底(9)；
步骤503、采用真空镀膜设备在半导体衬底(9)中的底部蒸镀Ge-Au-Ni结构；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm～2μm；
步骤504、采用退火处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极(10)。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤101中所述初始半导体衬底内掺杂有掺杂浓度为1×107/cm3～1×108/cm3的硅；
步骤103中每周期对所述第一折射材料层均包括由下至上依次生长的第一高折射率折射层和第一低折射率折射层，所述第一高折射率折射层的层厚为48nm～78nm，所述第一高折射率折射层的折射率为2.8～3.5；所述第一低折射率折射层的层厚为50nm～80nm，所述第一低折射率折射层的折射率为2.7～3.4；所述第一高折射率折射层的折射率大于所述第一低折射率折射层的折射率，所述第一低折射率折射层的层厚大于所述第一高折射率折射层的层厚，所述第一高折射率折射层和所述第一低折射率折射层均掺杂有掺杂浓度为1×108/cm3～3×108/cm3的硅；
步骤104中所述量子阱结构包括自下而上依次生长的第一势垒层、势阱层和第二势垒层，所述第一势垒层、所述势阱层和所述第二势垒层为一组；所述第一势垒层和所述第二势垒层的厚度均为8nm～10nm，所述势阱层的厚度为6nm～8nm，步骤104中所述量子阱结构的底部和表面分别生长下空间层和上空间层，且所述下空间层和所述上空间层的材料、掺杂物质和掺杂浓度与所述初始半导体衬底相同，以使所述有源区(7)的厚度为0.2μm～0.4μm；
步骤105中所述第一高铝层(2-1)和步骤107中所述第二高铝层(2-2)均为铝化合物，步骤106中所述电流引导层(5)与所述初始半导体衬底的材质相同，且所述电流引导层(5)中掺杂有掺杂浓度为1×109/cm3～3×109/cm3的碳；
步骤108中每周期对所述第二折射材料层均包括由下至上依次生长的第二高折射率折射层和第二低折射率折射层，所述第二高折射率折射层与所述第一高折射率折射层的厚度和折射率均相同，所述第二低折射率折射层与所述第一低折射率折射层的厚度和折射率均相同，且所述第二高折射率折射层和所述第二低折射率折射层均无掺杂；
步骤102中所述缓冲层(11)的生长条件、步骤103中所述第一折射材料层的生长条件、步骤104中所述有源区(7)的生长条件、所述第一势垒层和所述第二势垒层的生长条件、所述势阱层的生长条件、步骤105中所述第一高铝层(2-1)的生长条件、步骤106所述电流引导层(5)的生长条件、步骤107中第二高铝层(2-2)的生长条件和步骤108中所述第二折射材料层的生长条件均为压强0.1atm～0.3atm、温度630℃～750℃。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤202清洗的具体过程为：
步骤2021、选择三氯乙烯、丙酮和乙醇3种清洗试剂；其中，三氯乙烯、丙酮和乙醇的体积浓度均为99％以上；
步骤2022、分别将步骤2021中选择的3种清洗试剂加热至沸点，并维持3种清洗试剂处于沸点状态；
步骤2023、将研磨减薄后的半导体激光器芯片依次放入加热至沸点后的3种清洗试剂中；其中，研磨减薄后的半导体激光器芯片在每个清洗试剂中的停留时间为5min～15min。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤三中所述P面电极(4)的厚度为0.5μm～2μm；
步骤四中所述刻蚀孔(12)的深度为1μm～3μm，所述刻蚀孔(12)的孔径为30μm～400μm。
8.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤502中抛光时间为4h～12h；
步骤503中所述真空镀膜设备为DM-450A型真空镀膜设备；
步骤504中所述退火处理设备为RTP-500快速热处理设备，所述退火处理的时间为60秒～120秒，所述退火处理的温度为250℃～450℃。
9.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：所述半导体生长方法为MOCVD生长法、PECVD生长法或者MBE生长法。
10.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤101中所述初始半导体衬底为GaN半导体、GaAs半导体或者InP半导体；
当所述初始半导体衬底为GaN半导体时，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GaN，所述势阱层为InGaN，所述第一高铝层(2-1)和所述第二高铝层(2-2)均为AlGaN；
当所述初始半导体衬底为GaAs半导体时，所述第一势垒层和所述第二势垒层均GaAs，所述势阱层为InGaAs，所述第一高铝层(2-1)和所述第二高铝层(2-2)均为AlAs；
当所述初始半导体衬底为InP半导体，所述第一势垒层和所述第二势垒层均为GalnAs，所述势阱层为InGaAsP，所述第一高铝层(2-1)和所述第二高铝层(2-2)均为AlAs。
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