CN110021877B - 一种脊形波导半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脊形波导半导体激光器及其制备方法，在所述脊形波导半导体激光器中，通过对脊形部两侧和所述脊形部上的覆盖层的两侧进行离子注入，形成离子注入区，载流子几乎仅能在所述离子注入区以外的中央区域通过，利用了基模与高阶模增益的差别，抑制了高阶模的激射，使得所述脊形波导半导体激光器能在较大的脊形条宽时下仍能以基模稳定地工作，由于只通过激光光子密度高的中央区域注入载流子，可大幅度提高脊形波导半导体激光器的光电转换效率和斜率效率，实现大功率基模激光激射。

Description

一种脊形波导半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是一种脊形波导半导体激光器及其制备方法。
背景技术
在半导体激光器领域内，由于在平行于结的方向的光限制和电流限制的作用，脊形波导结构被广泛地应用于各种半导体激光器。例如为了获得以基模稳定工作的氮化镓基激光器，通常采用刻蚀深度小而且条宽窄的脊形波导结构。而目前常用的普通脊形波导半导体激光器中，条宽一般为1.5～3μm，留置上限制层的厚度为0.1μm左右，这种脊形波导结构不但会使电流在平行于结的方向发生一定程度的扩展，造成以基模工作的激光器的斜率效率低于以多模工作的激光器的斜率效率，而且由于其条宽较小，将造成激光器的输出功率明显偏低，使得应用这种脊形波导结构的氮化镓基激光器等难以被广泛应用于各种对激光器的输出功率或斜率效率要求较高的领域。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种脊形波导半导体激光器及其制备方法，来解决上述问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明提供了一种脊形波导半导体激光器，包括衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层、覆盖层、绝缘层、背电极和上电极；所述衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层和上限制层依次叠层设置在所述背电极上；所述上限制层包括本体层和由所述本体层凸出形成的脊形部，所述覆盖层覆盖于所述脊形部的上表面上，所述绝缘层覆盖于所述脊形部的侧表面和所述本体层上，所述脊形部和所述覆盖层的两侧分别被注入离子，以形成离子注入区。
优选地，所述离子为能量单一的阳离子。
优选地，所述离子的注入剂量为2.0×1013～6.0×1013cm-2。
优选地，所述离子注入区在沿垂直于所述脊形部的侧面的方向上的长度为所述脊形部的长度的0.15～0.2倍。
优选地，所述离子注入区内的距离所述覆盖层的上表面0.2μm处的离子浓度最大，所述离子注入区内的距离所述覆盖层的上表面0.5μm处的离子浓度最小。
优选地，所述衬底为氮化镓衬底。
优选地，所述上限制层为P型AlGaN材料层，所述覆盖层为P型GaN材料层。
本发明还提供了一种如上所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，包括：步骤一：在衬底的第一表面上依序制作叠层的下限制层、下波导层、有源层、上波导层和电子阻挡层；步骤二：在所述电子阻挡层上制作形成包括本体层及由所述本体层凸出形成的脊形部的上限制层、覆盖在所述脊形部的上表面上的覆盖层以及分别位于所述脊形部和所述覆盖层的两侧的离子注入区；步骤三：在所述本体层上和所述脊形部的侧面上制作形成绝缘层；步骤四：在所述衬底的与所述第一表面相对的第二表面上制作背电极，并在所述覆盖层和所述绝缘层上制作上电极。
优选地，实现步骤二的方法包括：在电子阻挡层上依序形成叠层的覆盖膜层和上限制膜层；对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的将要形成所述离子注入区的部分进行离子注入，以形成所述离子注入区；对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的位于所述离子注入区之外的部分进行刻蚀，以将位于所述离子注入区之外的覆盖膜层全部去除，且将位于所述离子注入区之外的上限制膜层的部分去除。
优选地，实现步骤二的方法包括：在电子阻挡层上依序形成叠层的覆盖膜层和上限制膜层；对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的位于将要形成的所述离子注入区之外的部分进行刻蚀，以将位于将要形成的所述离子注入区之外的覆盖膜层全部去除，且将位于将要形成的所述离子注入区之外的上限制膜层的部分去除，从而形成包括本体层及由所述本体层凸出形成的脊形部的上限制层以及覆盖在所述脊形部的上表面上的覆盖层；从所述覆盖层和所述上限制层的两侧分别进行离子注入，以形成离子注入区。
本发明提供的一种脊形波导半导体激光器及其制备方法，在所述脊形波导半导体激光器中，通过在脊形部两侧和所述脊形部上的覆盖层的两侧进行离子注入，形成离子注入区，载流子几乎仅能在所述离子注入区以外的中央区域通过，利用了基模与高阶模增益的差别，抑制了高阶模的激射，使得所述脊形波导半导体激光器能在较大的脊形条宽时下仍能以基模稳定地工作，由于只通过激光光子密度高的中央区域注入载流子，可大幅度提高脊形波导半导体激光器的光电转换效率和斜率效率，实现大功率基模激光激射。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种脊形波导半导体激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的脊形波导半导体激光器的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。
参阅图1，本实施例提供了一种脊形波导半导体激光器，包括衬底1、下限制层2、下波导层3、有源层4、上波导层5、电子阻挡层6、上限制层7、覆盖层8、绝缘层9、背电极10和上电极11。所述衬底1、下限制层2、下波导层3、有源层4、上波导层5、电子阻挡层6和上限制层7依次叠层设置在所述背电极10上。所述上限制层7包括本体层71和由所述本体层凸出形成的脊形部72，所述覆盖层8覆盖于所述脊形部72的上表面上，所述绝缘层9覆盖于所述脊形部72的侧表面和所述本体层71上。其中，所述脊形部72和所述覆盖层8的两侧分别被注入离子，以形成离子注入区100。
所述脊形波导半导体激光器通过在所述脊形部71两侧和所述脊形部71上的覆盖层8的两侧进行离子注入，使该区域的晶格受到破坏，致使该区域的电导率大幅下降，形成可认定为不导电的离子注入区100，当所述脊形波导半导体激光器工作时，载流子在所述离子注入区100内的密度仅能达到离子数反转的水平，载流子仅能在所述脊形部71与覆盖其上的覆盖层8中除所述离子注入区100外的中央区域内均匀地通过，所述离子注入区100中的载流子密度相对所述中央区域中的载流子密度极小，从而使基模的增益变化较小，而一阶模及其他高阶模的增益则明显减小，从而使所述脊形波导半导体激光器在较大的电流密度下仍能以基模稳定地工作，而且在脊形条宽较大时仍能以基模工作，通过增大了所述脊形波导半导体激光器以基模工作时所允许的脊形结构的宽度，以使基模的光场仍分布于与普通脊形波导半导体激光器等宽的脊形结构下，能提高斜率效率和输出光功率，使得所述脊形波导半导体激光器能泛用于各种领域。
另外，由于离子注入区100中离子浓度高的深处相对远离所述覆盖层8，所述上电极11的面积比普通的脊形波导半导体激光器中的上电极的面积大，本发明提供的脊形波导半导体激光器比普通的脊形波导半导体激光器的工作电压低。
具体地，所述离子为能量单一的阳离子。即以相同能量数值的阳离子进行离子注入。因此，能量单一指的是所有的阳离子具有相同的能量。
具体地，所述离子的注入剂量为2.0×1013～6.0×1013cm-2。在本实施例中，部分注入到所述脊形部72的离子渗透至所述脊形部以下的本体层71内。
具体地，所述离子注入区100在沿垂直于所述脊形部72的侧面的方向上的长度为所述脊形部72的长度的0.15～0.2倍，也即是，沿垂直于所述脊形部72的侧面的方向上，两个所述离子注入区100的长度相等，均为所述脊形部72的长度的0.15～0.2倍。
具体地，所述离子注入区100内的距离所述覆盖层8的上表面0.2μm处的离子浓度最大，所述离子注入区100内的距离所述覆盖层8的上表面0.5μm处的离子浓度最小。即注入离子的峰值在分布在距离所述覆盖层8的上表面0.2μm和0.5μm的深度处。
示例性地，所述衬底1为氮化镓衬底，即所述脊形波导半导体激光器是以氮化镓作为所述衬底1的氮化镓基脊形波导半导体激光器。
示例性地，所述上限制层7为P型AlGaN材料层，所述覆盖层8为P型GaN材料层，所述下限制层2为N型AlGaN材料层，所述下波导层3为N型GaN材料层，所述有源层4为InGaN/GaN材料层，所述上波导层5为GaN材料层，所述电子阻挡层6为P型AlGaN材料层，所述背电极10为N型欧姆电极，所述上电极11为P型欧姆电极，所述绝缘层9为二氧化硅材料层。
如图2所示，本发明还提供了一种如上所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，包括步骤：
步骤一S1：在衬底1的第一表面上依序制作叠层的下限制层2、下波导层3、有源层4、上波导层5和电子阻挡层6；
所述步骤一中，采用MOCVD或MBE等用于生长GaN材料层的设备制备氮化镓衬底。
步骤二S2：在所述电子阻挡层6上制作形成包括本体层71及由所述本体层71凸出形成的脊形部72的上限制层7、覆盖在所述脊形部72的上表面上的覆盖层8以及分别位于所述脊形部72和所述覆盖层8的两侧的离子注入区100；
所述步骤二中，实现步骤二的方法包括：在电子阻挡层6上依序形成叠层的覆盖膜层和上限制膜层；对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的将要形成所述离子注入区100的部分进行离子注入，以形成所述离子注入区100；对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的位于所述离子注入区100之外的部分进行刻蚀，以将位于所述离子注入区100之外的覆盖膜层全部去除，且将位于所述离子注入区100之外的上限制膜层的部分去除。
所述步骤二中，实现步骤二的方法包括：在电子阻挡层6上依序形成叠层的覆盖膜层和上限制膜层；对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的位于将要形成的所述离子注入区100之外的部分进行刻蚀，以将位于将要形成的所述离子注入区100之外的覆盖膜层全部去除，且将位于将要形成的所述离子注入区100之外的上限制膜层的部分去除，从而形成包括本体层71及由所述本体层71凸出形成的脊形部72的上限制层7以及覆盖在所述脊形部72的上表面上的覆盖层8；从所述覆盖层8和所述上限制层7的两侧分别进行离子注入，以形成离子注入区100。
所述步骤二中，是从所述覆盖层8的两侧向所述上限制层7进行离子注入。
所述步骤二中，采用干法刻蚀对所述上限制层7和覆盖层8进行刻蚀。
步骤三S3：在所述本体层71上和所述脊形部72的侧面上制作形成绝缘层9；
所述步骤三中，通过蒸镀工艺在所述上限制层7上蒸镀绝缘层9。
步骤四S4：在所述衬底1的与所述第一表面相对的第二表面上制作背电极10，并在所述覆盖层8和所述绝缘层9上制作上电极11。
所述步骤四中，先通过蒸镀工艺在所述覆盖层8和绝缘层9上蒸镀欧姆接触电极，并对其进行热退火处理，然后将所述衬底1减薄至80μm左右，然后在所述衬底1的底面上蒸镀欧姆电极金属，然后将外延片沿所述衬底10朝向所述上电极11的方向解理为设定腔长的激光器管芯，在激光器管芯的两个腔面上蒸镀介质反射膜，最后将各部分结构通过压焊和封装，制成所述脊形波导半导体激光器。
结合表1，为了进一步说明上述脊形波导半导体激光器的技术效果，本实施例以制备出工作波长为450nm的氮化镓基脊形波导半导体激光器作为一种实施方式，具体地，采用MOCVD的设备，以氮化镓材料层为衬底1，在所述衬底1上依次生长N型Al0.1Ga0.9N下限制层2(所述下限制层2的厚度为1.2m且掺杂浓度为3×1017cm-3)、N型GaN下波导层3(所述下波导层3的厚度为0.08m且掺杂浓度为5×1015cm-3)、非掺杂的In0.18Ga0.82N/GaN有源层4(所述有源层4的多量子阱为2个周期，其中，InGaN的阱宽为3.5nm，GaN垒宽为8nm)、非掺杂的GaN上波导层5(所述上波导层5的厚度为0.08m)、Al0.2Ga0.8N电子阻挡层6(所述电子阻挡层6的厚度为20nm，掺杂浓度为5×1018cm-3)、P型Al0.08Ga0.92N上限制层7(所述上限制层7的厚度为0.6m，掺杂浓度为8×1018cm-3)和P型GaN覆盖层8(所述覆盖层8的厚度为0.05m，掺杂浓度为2.4×1020cm-3)，然后用光刻胶作为掩膜遮挡所述覆盖层8和上限制层7中预定不进行离子注入的中央区域，在本实施例中，沿垂直于所述上限制层7的侧面的方向上，所述中央区域的长度为3μm。再以能量为100KeV且注入剂量为5.0×1013cm-2的氦离子对所述覆盖层8和上限制层7进行离子注入，采用反应离子刻蚀法将所述覆盖层8和上限制层7刻蚀成脊形台阶结构，形成刻蚀区域71和脊形部72，并在所述脊形部72和所述覆盖层8的两侧还保留部分注入有离子的区域，形成离子注入区100。沿垂直于所述脊形部72的侧面的方向上，所述脊形台阶结构的长度为5.5μm，高度为0.5μm。然后在所述刻蚀区域71上蒸镀二氧化硅绝缘层，并在所述脊形部72上蒸镀欧姆接触电极金属并对其进行热退火处理。再将所述衬底1减薄至80μm左右，并在所述衬底1的底面上蒸镀欧姆电极金属，然后将外延片沿所述衬底1朝向所述上电极11的方向划片分割为长条，将长条解理为设定腔长的激光器管芯，在激光器管芯的前腔面蒸镀半对TiO2/SiO2介质反射膜，在后腔面蒸镀5对TiO2/SiO2介质反射膜，最后将各部分结构通过压焊和封装，制成氮化镓基脊形波导半导体激光器。
通过等效折射率方法对上述氮化镓基脊形波导半导体激光器与普通的氮化镓基脊形波导半导体激光器进行模拟计算，做出对比。对于普通的氮化镓基脊形波导半导体激光器，当脊形台阶结构的长度为5.5μm，刻蚀深度为0.55μm(留置上限制层厚度为0.1μm)时，其允许存在的导波模式包括基模和一阶模，当向除脊形台阶结构3μm范围内的中央区域以外的区域注入离子后，基模的增益下降为原来的0.9倍，而一阶模的增益则下降为原来的0.4倍。而对于本实施例制成的上述氮化镓基脊形波导半导体激光器，其在电流密度达到8kA/cm2时，仍以基模工作，其斜率效率可达到1.6W/A，较以窄脊宽基模工作的普通的激光器提高了14％，该氮化镓基脊形波导半导体激光器的阈值电压可降低到3.8V，比普通的激光器低0.3V。
表1：
Figure BDA0001544364590000071
上述表1示出了本实施例制备的上述工作波长为450nm的氮化镓基脊形波导半导体激光器中，各结构层可选用的材料及其厚度。
综上所述，本发明提供的一种脊形波导半导体激光器及其制备方法，在所述脊形波导半导体激光器中，通过在所述脊形部71两侧和所述脊形部71上的覆盖层8的两侧进行离子注入，形成离子注入区100，载流子几乎仅能在所述离子注入区以外的中央区域通过，利用了基模与高阶模增益的差别，抑制了高阶模的激射，使得所述脊形波导半导体激光器能在较大的脊形条宽时下仍能以基模稳定地工作，由于只通过激光光子密度高的中央区域注入载流子，可大幅度提高脊形波导半导体激光器的光电转换效率和斜率效率，实现大功率基模激光激射。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述脊形波导半导体激光器包括：衬底(1)、下限制层(2)、下波导层(3)、有源层(4)、上波导层(5)、电子阻挡层(6)、上限制层(7)、覆盖层(8)、绝缘层(9)、背电极(10)和上电极(11)；所述衬底(1)、下限制层(2)、下波导层(3)、有源层(4)、上波导层(5)、电子阻挡层(6)和上限制层(7)依次叠层设置在所述背电极(10)上；所述上限制层(7)包括本体层(71)和由所述本体层凸出形成的脊形部(72)，所述覆盖层(8)覆盖于所述脊形部(72)的上表面上，所述绝缘层(9)覆盖于所述脊形部(72)的侧表面和所述本体层(71)上，所述脊形部(72)和所述覆盖层(8)的两侧分别被注入离子，以形成离子注入区(100)；其中，所述制备方法包括：
步骤一：在衬底(1)的第一表面上依序制作叠层的下限制层(2)、下波导层(3)、有源层(4)、上波导层(5)和电子阻挡层(6)；
步骤二：在所述电子阻挡层(6)上制作形成包括本体层(71)及由所述本体层(71)凸出形成的脊形部(72)的上限制层(7)、覆盖在所述脊形部(72)的上表面上的覆盖层(8)以及分别位于所述脊形部(72)和所述覆盖层(8)的两侧的离子注入区(100)；
步骤三：在所述本体层(71)上和所述脊形部(72)的侧面上制作形成绝缘层(9)；
步骤四：在所述衬底(1)的与所述第一表面相对的第二表面上制作背电极(10)，并在所述覆盖层(8)和所述绝缘层(9)上制作上电极(11)。
2.根据权利要求1所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述离子为能量单一的阳离子。
3.根据权利要求1所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述离子的注入剂量为2.0×1013～6.0×1013cm-2。
4.根据权利要求1所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述离子注入区(100)在沿垂直于所述脊形部(72)的侧面的方向上的长度为所述脊形部(72)的长度的0.15～0.2倍。
5.根据权利要求1所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述离子注入区(100)内的距离所述覆盖层(8)的上表面0.2μm处的离子浓度最大，所述离子注入区(100)内的距离所述覆盖层(8)的上表面0.5μm处的离子浓度最小。
6.根据权利要求1所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述衬底(1)为氮化镓衬底。
7.根据权利要求6所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述上限制层(7)为P型AlGaN材料层，所述覆盖层(8)为P型GaN材料层。
8.根据权利要求1至7任一项所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，实现步骤二的方法包括：
在电子阻挡层(6)上依序形成叠层的覆盖膜层和上限制膜层；
对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的将要形成所述离子注入区(100)的部分进行离子注入，以形成所述离子注入区(100)；
对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的位于所述离子注入区(100)之外的部分进行刻蚀，以将位于所述离子注入区(100)之外的覆盖膜层全部去除，且将位于所述离子注入区(100)之外的上限制膜层的部分去除。
9.根据权利要求1至7任一项所述的脊形波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，实现步骤二的方法包括：
在电子阻挡层(6)上依序形成叠层的覆盖膜层和上限制膜层；
对所述覆盖膜层和所述上限制膜层的位于将要形成的所述离子注入区(100)之外的部分进行刻蚀，以将位于将要形成的所述离子注入区(100)之外的覆盖膜层全部去除，且将位于将要形成的所述离子注入区(100)之外的上限制膜层的部分去除，从而形成包括本体层(71)及由所述本体层(71)凸出形成的脊形部(72)的上限制层(7)以及覆盖在所述脊形部(72)的上表面上的覆盖层(8)；
从所述覆盖层(8)和所述上限制层(7)的两侧分别进行离子注入，以形成离子注入区(100)。
10.一种由权利要求1至9任一项所述的脊形波导半导体激光器的制备方法制备得到的脊形波导半导体激光器。
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