CN111817138A - 边发射大功率激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种边发射大功率激光器及其制造方法，该边发射大功率激光器包括：N型衬底；N型缓冲层，设于所述N型衬底上；N型覆盖层，设于所述N型缓冲层上；下波导层，设于所述N型覆盖层上，所述下波导层无掺杂；有源区，设于所述下波导层上，所述有源区无掺杂；上波导层，设于所述有源区上，所述上波导层无掺杂；P型覆盖层，设于所述上波导层上，所述P型覆盖层的两端面分别设置有一绝缘层，所述绝缘层用于限制载流子在波导的端面的注入；P型欧姆接触层，设于所述P型覆盖层上，所述P型覆盖层和所述P型欧姆接触层通过蚀刻形成脊形的脊波导。本发明中的边发射大功率激光器可避免激光器腔面受热烧毁，提高了激光器的功率和可靠性。

Description

边发射大功率激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，特别是涉及一种边发射大功率激光器及其制造方法。
背景技术
半导体大功率激光器在工业制造，激光雷达，传感，通讯，航空航天等领域有着广泛的应用。由于边发射激光器腔长容易延伸的优势，比较适合大功率激光器的制造，目前半导体大功率激光器一般都采用边发射结构，即出光面为波导的端面。
边发射激光器的腔面一般为半导体晶体的解理面，由于晶体的解理面像镜面非常平整光滑，是很好的反光面，所以芯片的两个解理端面自然形成边发射激光器的谐振腔腔面。在实际运行过程中，两个解理面还会进行镀膜处理，一方面是为了保护端面，另外也为了优化谐振腔和提高发光效率。然而，随着激光器功率的进一步提高，尽管有了端面镀膜层的保护，激光器腔面烧毁（Catastrophic Optical Mirror Damage, COMD)仍然是个难题，制约了半导体大功率激光器的可靠性，也限制了激光器功率进一步提高。腔面烧毁（COMD）的主要原因有两点：
一方面腔面是个界面，界面有深能级，深能级会吸收激光器受激辐射的光而产生热量；
另外腔面附近也因为有载流子注入而发光，也产生热量。这两种热源使腔面附近的温度急剧提升，当激光器的功率增加到一定值时，腔面会因为过热而被烧毁。
决定腔面烧毁的因素主要是功率密度，功率密度愈大，端面发热就愈严重，COMD愈容易发生。因此，到目前为止，无论是单模激光器还是多模激光器，COMD仍然是困扰所有大功率激光器芯片制造厂商的难题。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种边发射大功率激光器及其制造方法，以解决边发射大功率激光器的激光器腔面易烧毁的问题。
一种边发射大功率激光器，包括：
N型衬底；
N型缓冲层，设于所述N型衬底上；
N型覆盖层，设于所述N型缓冲层上；
下波导层，设于所述N型覆盖层上，所述下波导层无掺杂；
有源区，设于所述下波导层上，所述有源区无掺杂；
上波导层，设于所述有源区上，所述上波导层无掺杂；
P型覆盖层，设于所述上波导层上，所述P型覆盖层的两端面分别设置有一绝缘层，所述绝缘层用于限制载流子在波导的端面的注入，所述P型覆盖层中含有高铝组分层，通过氧化所述高铝组分层以在所述P型覆盖层的两端形成所述绝缘层；
P型欧姆接触层，设于所述P型覆盖层上，
所述P型覆盖层和所述P型欧姆接触层通过蚀刻形成脊形的脊波导。
进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述脊波导蚀刻至所述P型覆盖层的下部。
进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述高铝组分层采用AlGaAs，或InGaAlAs材料。
进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述上波导层和所述下波导层的禁带宽度高于所述有源区。
进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述上波导层和所述下波导层的材料的折射率低于所述有源区。
进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述绝缘层的厚度为50~200nm。
进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，绝缘层在所述P型覆盖层内的延伸长度为20~200um。
本发明实施例还提供了一种如上述任意一项所述的边发射大功率激光器的制造方法，包括：
在边发射大功率激光器主体上光刻定位脊波导，并进行脊波导刻蚀，所述边发射大功率激光器主体包括所述N型衬底、所述N型缓冲层、所述N型覆盖层、所述下波导层、所述有源区、所述上波导层、所述P型覆盖层和所述P型欧姆接触层；
进行介质层镀膜；
采用光刻工艺和介质膜腐蚀所述脊波导端面部分，使脊波导端面裸露，同时保护所述脊波导其他部分；
对所述脊波导端面进行氧化，以形成绝缘层；
在所述脊波导上开设金属接触窗口；
负胶光刻工艺；
正面镀金；
负胶Lift-off 工艺；
研磨抛光；
背面镀金；
在解理面的端面镀膜。
本发明中的边发射大功率激光器，其在脊波导端面进行氧化，以形成绝缘层，通过该绝缘层可限制载流子在端面附近的注入，从而降低端面发热，避免激光器腔面受热烧毁，提高了激光器的功率和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中的边发射大功率激光器的主视图；
图2为本发明实施例中边发射大功率激光器的立体结构示意图；
图3为本发明实施例中的边发射大功率激光器制造方法的流程图。
主要元件符号说明。
N型衬底 11 上波导层 16
N型缓冲层 12 P型覆盖层 17
N型覆盖层 13 P型欧姆接触层 18
下波导层 14 绝缘层 19
有源区 15 　
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供该实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1和图2，为本发明实施例中的边发射大功率激光器，包括N型衬底11、N型缓冲层12、N型覆盖层13、下波导层14、有源区15、上波导层16、P型覆盖层17和P型欧姆接触层18。其中，该N型缓冲层12设于N型衬底11上，N型覆盖层13设于N型缓冲层12上，下波导层14和有源区15均设于N型覆盖层13上，具体实施时该有源区15形成于该下波导层14的上面，该上波导层16设于有源区15上，P型覆盖层17设于上波导层16上，P型欧姆接触层18设于P型覆盖层17上。
该N型衬底11为N导电型，其材料可采用GaAs或InP等。
该N型缓冲层12生长在衬底的上表面，其材料可采用GaAs或InP等。
该上波导层16和中间的有源区15都采用无掺杂半导体材料，该下波导层14的材料可采用低N型或无掺杂半导体材料。
优选的，该上波导层16和下波导层14材料的禁带宽度一般高于有源区15，因此有源区15发出的光不被上波导层16和下波导层14吸收。同时，该上波导层16和下波导层14材料的折射率一般低于有源区15，因此在生长方向通过对波导层和有源区15的设计优化可以构成所需要的激光器件。
在材料生长方向，光场区主要是分布在无掺杂的波导区和有源区15，这些区域的总厚度和折射率分布决定了这个方向的光模场分布，单模激光器里这些区域的总厚度一般在500nm以内，多模激光器可以更厚些。有源区15的中心是发光区，发光区包括发光的量子阱及其势垒层，它的量子阱数量是根据器件要求而定，一般来说腔长小的激光器需要的量子阱数量较多，这样单位长度的光增益强，激光器的阈值电流密度小；但大功率激光器由于散热的需要腔长都选择比较长，这种情况下单量子阱结构更合适，可以使阈值电流密度降低。
该上波导层16位于有源区15的上方，该上波导层16采用AlGaAs，AlGaN，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs等无掺杂材料。
该P型欧姆接触层18采用高掺杂的GaAs，InGaAs或InP材料。
该P型覆盖层17采用AlGaAs，AlGaN，GaAsP，InGaAsP, AlGaInP或AlGaInAs等高掺杂材料。
该P型覆盖层17和P型欧姆接触层18层叠设置，且通过蚀刻工艺形成脊形的脊波导。脊波导蚀刻的具体位置需要根据材料结构来优化模拟得到，该边发射大功率激光器的脊波导深度蚀刻到P型覆盖层17的下部。
平行于外延材料方向的模场分布一般是通过脊波导来限制的。同样，在这个方向的单模与多模的差别也很大，一般单模激光器的脊波导宽度在3~5微米左右，而多模大都在100微米以上。
该P型覆盖层17具有一定的厚度，而且覆盖层内又可以细分多层外延结构，其中包括一层高铝组分层，通过氧化高铝组分层以在P型覆盖层17的两端形成绝缘层。该高铝组分层例如可采用AlGaAs或InGaAlAs材料，高铝组分层氧化后形成Al2O3绝缘层。该Al2O3绝缘层，对电流和光场都有限制作用，尤其是对电流有强限制作用。
在该P型覆盖层17两端的绝缘层19可限制波导端面附近电流注入，从而降低在同等输出功率下的腔面发热程度，降低腔面烧毁的风险，提高激光器腔面的稳定性和可靠性，继而提升了腔面能承受的最大功率密度。
该绝缘层19的目的只是用来限制端面的电流注入，对光场影响很有限，因此不需要很厚，一般50-200nm之间都可以。绝缘层19延伸的长度可以根据设计而优化，尤其是根据工作状态下的热量和温度的分布来优化。由于实际工作中两个端面的热量分布是不一样的，一般输出端面更容易发热，更容易被烧毁，氧化层延伸的长度可以长一些，因此两个端面氧化层延伸的长度是不同的。实现起来也很容易，只要氧化前的端面裸露部分长度不同就可以。具体实施时，该绝缘层19的总长度与腔长的比应该在5%左右或更小，对于腔长为3mm的大功率激光器，绝缘层的总延伸长度在150um左右，其中输出端为100um，高反端为50um。
在P型覆盖层17的两端形成氧化层来控制载流子注入在工艺上可实现，尤其是GaAs基的外延材料。通过氧化高铝（Al）组分的AlGaAs外延层，可以有效地防止端面附近的载流子注入。而且这种氧化方法不受脊波导宽度的影响，因此既适合宽脊波导的多模也适合窄脊波导的单模激光器。市场上最重要的GaAs基单模大功率激光器是980nm的光纤泵浦激光器，这是光通信里面的核心器件之一，目前国内基本依赖进口。本器件结构和制备方法适合980nm单模激光器，有望提高它的功率和可靠性。
当然，新结构和工艺并不只限于应用在单模激光器，多模大功率激光器也可以采用，目前市场上广泛使用的976nm，940nm，915nm，以及800多纳米等波段的多模大功率激光器都可以采用。甚至InP基的材料也是可行的，波段范围可以扩展到1200 ~1700 nm的范围。由于大功率激光器在空间传输，光纤耦合等方面的优势，一种好的结构和制备方法可以给该领域带来更广泛的机会和市场。
本发明另一方面还提出一种边发射大功率激光器制造方法，请参阅图3，所示为本发明第二实施例当中的边发射大功率激光器制造方法，可用于制造上述任一实施例当中的单模激光器芯片，该边发射大功率激光器制造方法包括步骤S201~步骤S211。
步骤S201，在边发射大功率激光器主体上光刻定位脊波导，并进行脊波导刻蚀。
该边发射大功率激光器主体包括依序层叠设置的N型衬底11、N型缓冲层12、N型覆盖层13、下波导层14、有源区15、上波导层16、P型覆盖层17和P型欧姆接触层18。在具体实施时，可以采用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法按照预先设计的结构在相应的N型衬底11材料如GaAs上外延生长而成型边发射大功率激光器材料主体。
步骤S202，进行介质层镀膜。具体实施时在材料表面镀一层SiO2或SiN介质膜。
步骤S203，采用光刻工艺和介质膜腐蚀所述脊波导端面部分，使脊波导端面裸露，同时保护所述脊波导其他部分。
步骤S204，对所述脊波导端面进行氧化，以形成绝缘层19；
步骤S205，在所述脊波导上开设金属接触窗口。
步骤S206，负胶光刻工艺。即负胶工艺的侧面形成倒梯形，以便于后续Lift-off。
步骤S207，正面镀金。即在材料的表面镀金。
步骤S208，负胶Lift-off 工艺。其中，Lift-off 是去掉负胶及其负胶上面的金。
步骤S209，研磨抛光。把N型衬底11进行研磨抛光，这样材料的厚度从先前的500um左右减到100um左右，有利于后面的解理和有源区15的散热。
步骤S210，背面镀金。
步骤S211，在解理面的端面镀膜。该步骤中，在解理端面镀光学膜，一边高反膜，另一边低反膜，这样有利于输出光的最大化。
本实施例中的边发射大功率激光器制造方法，在脊波导端面进行氧化，以形成绝缘层，通过该绝缘层可限制载流子在端面附近的注入，从而降低端面发热，提高激光器的功率和可靠性。该边发射大功率激光器制造方法不受脊波导宽度的影响，因此既适合多模激光器也适合单模激光器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种边发射大功率激光器，其特征在于，包括：
N型衬底；
N型缓冲层，设于所述N型衬底上；
N型覆盖层，设于所述N型缓冲层上；
下波导层，设于所述N型覆盖层上，所述下波导层无掺杂；
有源区，设于所述下波导层上，所述有源区无掺杂；
上波导层，设于所述有源区上，所述上波导层无掺杂；
P型覆盖层，设于所述上波导层上，所述P型覆盖层的两端面分别设置有一绝缘层，所述绝缘层用于限制载流子在波导的端面的注入，所述P型覆盖层中含有高铝组分层，通过氧化所述高铝组分层以在所述P型覆盖层的两端形成所述绝缘层；
P型欧姆接触层，设于所述P型覆盖层上；
所述P型覆盖层和所述P型欧姆接触层通过蚀刻形成脊形的脊波导。
2.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述脊波导蚀刻至所述P型覆盖层的下部。
3.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述高铝组分层采用AlGaAs，或InGaAlAs材料。
4.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述上波导层和所述下波导层的禁带宽度高于所述有源区。
5.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述上波导层和所述下波导层的材料的折射率低于所述有源区。
6.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为50~200nm。
7.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，绝缘层在所述P型覆盖层内的延伸长度为20~200um。
8.如权利要求1至7任意一项所述的边发射大功率激光器的制造方法，其特征在于，包括：
在边发射大功率激光器主体上光刻定位脊波导，并进行脊波导刻蚀，所述边发射大功率激光器主体包括所述N型衬底、所述N型缓冲层、所述N型覆盖层、所述下波导层、所述有源区、所述上波导层、所述P型覆盖层和所述P型欧姆接触层；
进行介质层镀膜；
采用光刻工艺和介质膜腐蚀所述脊波导端面部分，使脊波导端面裸露，同时保护所述脊波导其他部分；
对所述脊波导端面进行氧化，以形成绝缘层；
在所述脊波导上开设金属接触窗口；
负胶光刻工艺；
正面镀金；
负胶Lift-off 工艺；
研磨抛光；
背面镀金；
在解理面的端面镀膜。
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Inventor after: Ke Maolong

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Address after: 330000 South of Fushan Avenue and West of Jinhu Lake, Xiaolan Economic and Technological Development Zone, Nanchang City, Jiangxi Province

Patentee after: JIANGXI DERAY PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 330000, 2nd floor, Derui photoelectric building, south of Fushan Avenue and west of Jinhu, Nanchang County, Nanchang City, Jiangxi Province

Patentee before: Jiangxi Mingde Semiconductor Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Edge emitting high-power laser and its manufacturing method

Effective date of registration: 20230412

Granted publication date: 20210226

Pledgee: Nanchang County Sub branch of Bank of Beijing Co.,Ltd.

Pledgor: JIANGXI DERAY PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2023980037902

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