CN112290384A - 边发射大功率激光器及其制造方法 - Google Patents

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：依次层叠设置的N型衬底、N型缓冲层、N型覆盖层、下波导层、有源层、上波导层、P型覆盖层和P型欧姆接触层，所述下波导层和所述有源层为无掺杂；所述有源层整体呈现张应力，且所述张应力的值在阈值范围内；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采用张应力的有源层，从而端面会自然形成一个无吸收的窗口，可以较好地降低端面吸收而造成的发热，从而提高激光器端面损坏的阈值，提高激光器的输出功率和可靠性。

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易延申的优势，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，平行于外延层方向。

边发射激光器的腔面一般为半导体晶体的解理面，由于晶体的解理面非常平整光滑，是很好的反光面，所以芯片的两个平行解理端面自然形成边发射激光器的谐振腔腔面。不过在实际运行过程中，两个平行解理面还会进行等离子体清洗和光学镀膜处理，一方面是为了保护端面不被污染，另外也为了通过改变腔面的反射率来优化谐振腔性能和提高激光器发射功率。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。所以绝大部分大功率激光器的研发都集中在如何提高腔面烧毁（COMD）的阈值上。

影响腔面烧毁（COMD）阈值的主要愿因有二：一是腔面因吸收光而产生热量；二是腔面附近因有载流子注入而发光，发热。这两种热源使腔面附近的温度急剧升高，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。而且，实验发现，决定COMD阈值的不是输出功率本身，而是功率密度（单位面积上的光功率），即功率密度愈大，端面发热就愈严重，COMD愈容易发生。单模激光器由于其波导窄，光场分布在很小的横向面积内，因此其功率密度随输出功率增加非常快。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，所述下波导层为无掺杂；

无掺杂的有源层，设于所述下波导层上，所述有源层包括交替设置的势阱层和势垒层，且所述有源层的两端均为势垒层，所述有源层整体呈现张应力，所述张应力的值在阈值范围内；

上波导层，设于所述有源层上，所述上波导层无掺杂；

P型覆盖层，设于所述上波导层上；

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N型衬底采用GaAs或InP材料，所述势阱层采用InGaAs，所述势垒层采用张应力材料，且所述势垒层的张应力的值大于所述势阱层的压应力的值，以使所述有源层整体呈现张应力。

进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述阈值范围为0.6~ 3GPa。

进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述脊波导上P型欧姆接触层的长度小于所述P型覆盖层的长度，且所述P型欧姆接触层的两个端面分别与所述P型覆盖层对应的两端面之间具有间距，以使所述P型覆盖层的两端上方形成空缺。

进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述间距为20~100um。

进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，通过化学腐蚀或干法腐蚀方法在所述P型欧姆接触层腐蚀出两个沟槽，以将所述P型欧姆接触层分割为三个不连续的部分。

进一步的，上述边发射大功率激光器，其中，所述P型欧姆接触层的三个不连续的部分中，两端部分的长度为20~100um。

本发明还公开了一种边发射大功率激光器的制造方法，包括：

确定N型衬底的材料和有源层的势阱层的材料，并以所述有源层的势垒层的晶格常数作为设计变量，构建所述有源层的应力表达式；

根据预设的限定条件对所述应力表达式进行求解，以确定所述势垒层的材料，所述限定条件包括：

所述有源层的应力表现为张应力，且所述张应力的值在阈值范围内；

利用有限元法计算解理后因应力松弛导致的表面重构，再计算表面重构后有源层各处的禁带宽度；

当所述有源层的禁带宽度满足要求时，再根据器件整体的材料结构来计算激光器的发光性能，通过调整各外延层的厚度，折射率和掺杂浓度来优化器件的性能；

根据优化的结果在所述N型衬底上依次生长N型缓冲层、N型覆盖层、下波导层、有源层、上波导层、P型覆盖层和所述P型欧姆接触层，以得到边发射大功率激光器主体；

在所述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、镀介质膜、脊波导上开金属接触窗口、负胶光刻工艺、正面镀金、负胶Lift-off 工艺、研磨抛光、背面镀金、快速退火、以及解理-排巴-端面镀膜蒸镀。

进一步的，上述边发射大功率激光器的制造方法，其中，所述N型衬底的材料为GaAs或InP，所述有源层的势阱层的材料为InGaAs。

进一步的，上述边发射大功率激光器的制造方法，其中，脊波导上开金属接触窗口步骤之前还通过化学腐蚀，或干法刻蚀方法腐蚀掉P型欧姆接触层的两端部，或者在所述P型欧姆接触层腐蚀出两个沟槽，以将所述P型欧姆接触层分割为三个不连续的部分。

本发明中的边发射大功率激光器，其有源层包括有压缩应力的量子阱势阱层，和扩张应变的量子阱势垒层，该势阱层的总压缩应变量小于所述势垒层的总扩张应变量，从而整个有源层总的应变是呈现扩张应变。该有源层的材料被解理之后，由于原子排列周期性被破坏，有源层端面的原子排列会发生重构，最后结果是材料的端面重构区禁带宽度会增加，从而端面会自然形成一个无吸收的窗口，降低端面发热，提高端面损坏的阈值功率和器件的可靠性，提升腔面能承受的最大功率密度。而压缩应变材料正好相反，端面重构之后会降低端面的禁带宽度，从而增加端面吸收，降低激光器的可靠性。本发明中的边发射大功率激光器，可以较好地降低端面吸收而造成的发热，从而提高激光器端面损坏的阈值，提高激光器的输出功率和可靠性。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的边发射大功率激光器的结构示意图；

图2为有源层的结构示意图；

图3为压应力材料的晶格排列；

图4为张应力材料的晶格排列；

图5为不同应力下有源层的禁带宽度随着端面距离变化的曲线图；

图6为本发明第二实施例中的边发射大功率激光器的结构示意图；

图7为本发明第三实施例中的边发射大功率激光器的结构示意图；

图8为本发明第三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		势阱层	151
有源层	15		势垒层	152
								沟槽	19

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，为本发明第一实施例中的边发射大功率激光器，包括从下至上依次层叠设置的N型衬底11、N型缓冲层12、N型覆盖层13、下波导层14、有源层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生长在该N型衬底11的上表面，其材料可采用GaAs或InP等。

该N型覆盖层13生长在该N型缓冲层12上面，其材料可选择AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs，一般为高掺杂向低掺杂逐步递减，靠近N型缓冲层12的为高掺杂。

该下波导层14生长在该N型覆盖层13上，材料可采用低N型或无掺杂半导体材料。

该上波导层16位于有源层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。

P型覆盖层17生长在该上波导层16上，其材料可选择AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs，一般为低掺杂向高掺杂逐步增加，靠近上波导层16的为低掺杂。

该P型欧姆接触层18生长在该P型覆盖层17上，其可选择高掺杂的GaAs或InGaAs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层15中的量子阱，因此从有源层15量子阱中发出的光不被上波导层16和下波导层14吸收，也不被有源区势垒层所吸收。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层15，这样有利于垂直于外延材料的光场分布，并减少损耗。因此在生长方向通过对波导层和有源层15的设计优化可以构成所需要的激光器件。

该P型覆盖层17和P型欧姆接触层18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。

如图2所示，有源层15包括交替设置的势阱层151和势垒层152，且有源层的两侧均为势垒层152，势阱层151可以是单个也可以是多个，势垒层152比势阱层151要多一个。由于激光器件工作波长的要求，势阱和势垒所用的材料一般都需要选择三元或者四元化合物（他们的禁带宽度可以通过改变组分而调整），而且这些材料的晶格常数一般都与衬底材料（通常是GaAs或InP）不相同（即晶格失配），因此有源层是有应力的。晶格失配f =Δa/a, a是衬底的晶格常数，Δa 是外延层与衬底晶格常数差值。相应的应力σ= E/（1-ν）·f，其中E是杨氏模量，ν是泊松系数比。对于GaAs（100）材料，杨氏模量在E≈85GPa，泊松比ν=0.31，当晶格失配f=1%, 应力σ≈1GPa。 当外延层厚度不断增加后，应力导致外延层内积蓄能量增加，当外延层厚度增加到一个临界值后，外延层内能量太大而产生失配位错（misfitdislocation)，产生位错后的材料性能会急剧变差，因此在外延材料的设计上要尽量避免发生。如果外延材料的晶格常数大于衬底的晶格常数，说明此外延材料是受压缩应力（简称压应力），反之则是扩张应力（简称张应力），图3和图4显示压应力和张应力的晶格排列。

通常量子阱材料受工作波长的限制比较大，选择余地小，通常采用的是InGaAs材料，它的晶格常数大于GaAs衬底，所以一般是有压应力的。而势垒材料的选择余地比较大，本实施例中势垒层的材料选择张应力的材料（InGaAsP)，通过选择有张应力的势垒去补偿压应力的量子阱区域，同时有意过度补偿从而使得整个有源层存在张应力。

通过仔细的研究和计算发现它们对端面吸收有较大的影响。器件材料经过解理后形成的表面晶体原子周期性的排列被打破，原有的应力在表面的条件下无法继续维持，表面原子在应力的作用下产生重构。重构后表面区域的禁带宽度与体材料有所不同。经过计算发现压应力材料重构后会导致端面的禁带宽度变窄，而张应力会导致端面的禁带宽度变宽。

激光器的波长是由有源层量子阱的能带宽度决定的，如果材料的禁带宽度大于激光器的输出能量，则不被吸收。所以当有源层是张应力的情况下解理后端面宽禁带区变宽，从而形成通光窗口，降低端面吸收。而压应力则相反，增加吸收。图5为解理后端面附件的禁带宽度随深度的变化(实例中N型衬底采用GaAs材料，晶格失配f = 1%, 杨氏模量E=85GPa，泊松比ν=0.31，量子阱的工作波长是980nm)，在端面附件的禁带宽度与体材料有明显不同，大约距端面60nm以后，禁带宽度才逐步恢复到体材料的禁带宽度。

所以在材料的设计上，通过选择有张应力的势垒去补偿压应力的量子阱区域，同时有意过度补偿从而使得整个有源层存在张应力，这样在解理后，距离激光器件端面60nm范围内形成一个无吸收的通光窗口，降低了端面的发热，增加了激光器COMD的阈值和器件的可靠性。

本实施例中的边发射大功率激光器，其有源层包括有压缩应力的量子阱势阱层，和扩张应变的量子阱势垒层，该势阱层的总压缩应变量小于所述势垒层的总扩张应变量，从而整个有源层总的应变是呈现扩张应变。该有源层的材料被解理之后，由于周期性被破坏，有源层端面的原子排列会发生重构，最后结果是材料的禁带宽度会增加，从而端面会自然形成一个无吸收的窗口，降低端面发热，提高端面损坏的阈值和器件的可靠性，提升腔面能承受的最大功率密度。而压缩应变材料正好相反，端面重构之后会降低端面的禁带宽度，从而增加端面吸收，降低激光器的可靠性。

本实施例中的边发射大功率激光器，可以较好地降低端面吸收而造成的发热，从而提高激光器端面损坏的阈值，提高激光器的输出功率和可靠性。

请参阅图6，为本发明第二实施例中的边发射大功率激光器，其结构与第一实施例中的边发射大功率激光器的结构基本相同，不同之处在于，该P型欧姆接触层18的长度小于P型覆盖层17的长度，且P型欧姆接触层18的两个端面分别与P型覆盖层17对应的两端面之间具有间距，以使该P型覆盖层17的两端上方形成空缺。具体实施时，脊波导两端各留20~100um不镀金，并且通过湿法或干法腐蚀掉脊波导端面这20~100um的p-型欧姆接触层（图6），这样激光器端面有20~100um基本没有电注入，进一步减少了端面的发热。

请参阅图7，为本发明第三实施例中的边发射大功率激光器，其结构与第一实施例中的边发射大功率激光器的结构基本相同，不同之处在于，该P型欧姆接触层18的两端通过化学腐蚀方法分别腐蚀出一沟槽19，以将P型欧姆接触层18分割为三个不连续的部分。相对于第二实施例，本实施例可以保留两端波导上大部分的p-型欧姆接触层，而只腐蚀两个很窄的沟槽，这样也可以阻断金属接触与端面波导的联系，基本消除端面的电注入，降低端面的发热。

由于带有应力的外延材料生长相对比较困难，有源层的应力大小也有严格要求，太大了会产生位错或缺陷，太小则端面的禁带宽度与体材料差别较小不足以在端面形成无吸收的通光窗口。一般晶格失配F选择在0.5% ~ 2.5%以内，对应的应力σ≈0.6GPa ~ 3GPa范围内。

请参阅图8，为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，该方法包括步骤S201~S205。

步骤S201，确定N型衬底的材料和有源层的势阱层的材料，并以所述势垒层的晶格常数作为设计变量，构建所述有源层的应力表达式。

其中，该N型衬底的材料为GaAs或InP，该有源层的势阱层的材料为InGaAs。根据该N型衬底以及势阱层的材料即可确定对应的晶格常数，该有源层的应力为各个势阱层和各势垒层的应力之和，其应力表达式为：

,

其中，E是杨氏模量，ν是泊松系数比，f_i为有源层中第i层势阱层或势垒层的晶格失配，n为势阱层和势垒层的总数。

步骤S202，根据预设的限定条件对所述应力表达式进行求解，以确定所述势垒层的材料。其中所述限定条件包括：

所述有源层的应力表现为张应力，且所述张应力的值在阈值范围内。

该表达式可得到的设计变量的解有多种，且可作为势垒层的材料有限，具体实施时，可根据该表达式确定出符合要求的势垒层的晶格常数的范围，再根据该晶格常数范围以及现有势垒层的可用材料确定其中一种。

步骤S203，利用有限元法计算解理后因应力松弛导致的表面重构，再计算表面重构后有源层各处的禁带宽度。

步骤S204，当所述有源层的禁带宽度满足要求时，再根据器件整体的材料结构来计算激光器的发光性能，通过调整各外延层的厚度，折射率和掺杂浓度来优化器件的性能。

即根据有限元模型理论计算后的有源层各处的禁带宽度，并以距离有源层端面的长度为横纵标，以禁带宽度为纵坐标制作有源层的禁带宽度随着端面的距离而变化的关系曲线。根据该曲线判断端面附近的禁带宽度是否大于体材料的禁带宽度，若是，则确定该有源层的禁带宽度满足要求。当该有源层的禁带宽度满足要求时，再把有源层放进整体的材料结构来计算激光器的发光性能，通过调整各外延层的厚度，折射率和掺杂浓度来优化器件的性能。

步骤S205，根据优化的结果在N型衬底上依次生长N型缓冲层、N型覆盖层、下波导层、有源层、上波导层、P型覆盖层和所述P型欧姆接触层，以得到边发射大功率激光器主体。

步骤S206，在所述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、镀介质膜、脊波导上开金属接触窗口、负胶光刻工艺、正面镀金、负胶Lift-off 工艺、研磨抛光、背面镀金、快速退火、以及解理-排巴-端面镀膜。

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 (10)

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，所述下波导层为无掺杂；

无掺杂的有源层，设于所述下波导层上，所述有源层包括交替设置的势阱层和势垒层，且所述有源层的两端均为势垒层，所述有源层整体呈现张应力，所述张应力的值在阈值范围内；

上波导层，设于所述有源层上，所述上波导层无掺杂；

P型覆盖层，设于所述上波导层上；

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型欧姆接触层通过刻蚀形成脊形的脊波导。

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N型衬底采用GaAs或InP材料，所述势阱层采用InGaAs或InGaAsP，所述势垒层采用张应力材料，且所述势垒层的张应力的值大于所述势阱层的压应力的值，以使所述有源层整体呈现张应力。

3.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述阈值范围为0.6 ~3GPa。

4.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述脊波导上P型欧姆接触层的长度小于所述P型覆盖层的长度，且所述P型欧姆接触层的两个端面分别与所述P型覆盖层对应的两端面之间具有间距，以使所述P型覆盖层的两端上方形成空缺。

5.如权利要求4所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述间距为20~100um。

6.如权利要求1所述的边发射大功率激光器，其特征在于，通过化学腐蚀方法在所述P型欧姆接触层腐蚀出两个沟槽，以将所述P型欧姆接触层分割为三个不连续的部分。

7.如权利要求6所述的边发射大功率激光器，其特征在于，所述P型欧姆接触层的三个不连续的部分中，两端部分的长度为20~100um。

8.一种如权利要求1至3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：

确定N型衬底的材料和有源层的势阱层的材料，并以所述有源层的势垒层的晶格常数作为设计变量，构建所述有源层的应力表达式；

根据预设的限定条件对所述应力表达式进行求解，以确定所述势垒层的材料，所述限定条件包括：

所述有源层的应力表现为张应力，且所述张应力的值在阈值范围内；

利用有限元法计算解理后因应力松弛导致的表面重构，再计算表面重构后有源层各处的禁带宽度；

当所述有源层的禁带宽度满足要求时，再根据器件整体的材料结构来计算激光器的发光性能，通过调整各外延层的厚度，折射率和掺杂浓度来优化器件的性能；

根据优化的结果在所述N型衬底上依次生长N型缓冲层、N型覆盖层、下波导层、有源层、上波导层、P型覆盖层和所述P型欧姆接触层，以得到边发射大功率激光器主体；

在所述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、镀介质膜、脊波导上开金属接触窗口、负胶光刻工艺、正面镀金、负胶Lift-off 工艺、研磨抛光、背面镀金、快速退火、以及解理-排巴-端面镀膜蒸镀。

9.如权利要求8所述的边发射大功率激光器的制造方法，其特征在于，所述N型衬底的材料为GaAs或InP，所述有源层的势阱层的材料为InGaAs。

10.如权利要求8所述的边发射大功率激光器的制造方法，其特征在于，脊波导上开金属接触窗口步骤之前还通过化学腐蚀方法腐蚀掉P型欧姆接触层的两端部，或者在所述P型欧姆接触层腐蚀出两个沟槽以将所述P型欧姆接触层分割为三个不连续的部分。

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