CN113381294B - 单片集成边发射激光器及制备方法 - Google Patents

单片集成边发射激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种单片集成边发射激光器及制备方法，其单片集成边发射激光器包括：衬底；多层结构，为由多对半导体材料层生长于所述衬底上的周期或准周期结构，每对所述半导体材料层沿垂直于所述衬底的方向依次包括低折射率材料层和第一高折射率材料层，每层所述半导体材料层的厚度不小于λ/5n，其中，λ为所述单片集成边发射激光器的工作波长，n为每层所述半导体材料层的折射率；第二高折射率材料层，形成于所述多层结构中最后生长的低折射率材料层上，所述第二高折射率材料层的折射率高于第一高折射率材料层和低折射率材料层；有源层，位于所述第二高折射率材料层中，所述有源层的厚度小于第二高折射率材料层的厚度。

Description

单片集成边发射激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及单片集成边发射激光器及制备方法。
背景技术
半导体激光器广泛应用于激光雷达、光通信、光互连、激光雷达、激光照明、智能制造、消费电子等诸多领域，是现代信息社会必不可少的光源。在激光雷达中，视场角是一个重要参数，而激光雷达的视场角主要由半导体激光器的光束性能决定。激光雷达在远距离探测应用中，需要的水平视场角比较大，如100度，需要的垂直视场角较小，如15度。
半导体激光器包括面发射激光器和边发射激光器。和面发射激光器相比，边发射激光器具有输出功率更大和效率更高等优点，在具有远距离探测的激光雷达应用中占有一席之地。但是边发射激光器的输出光斑为椭圆形，快轴方向(垂直方向)的发散角约为40度，慢轴方向(水平方向)的发散角约为15度，快轴和慢轴方向的远场形貌通常为高斯状。此外，由于边发射激光器的有源区的厚度小，近场面积小，在大功率输出条件下，边发射激光器因端面容易发生光灾变损伤而失效。
在激光雷达远距离探测应用中，人们希望边发射激光器可以大功率输出，同时发射激光器的水平视场角达到100度，垂直视场角为15度。目前在激光雷达中，人们采用外加光学整形元件对普通边发射激光器的光束整形，从而调制激光雷达的视场角。因此，整个激光雷达系统的体积相对庞大，系统的稳定相对较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供单片集成边发射激光器及制备方法以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种单片集成边发射激光器，包括衬底；多层结构，为由多对半导体材料层生长于所述衬底上的周期或准周期结构，每对所述半导体材料层沿垂直于所述衬底的方向依次包括低折射率材料层和第一高折射率材料层，每层所述半导体材料层的厚度不小于λ/5n，其中，λ为所述单片集成边发射激光器的工作波长，n为每层所述半导体材料层的折射率；第二高折射率材料层，形成于所述多层结构中最后生长的低折射率材料层上，所述第二高折射率材料层的厚度与第一高折射率材料层不相等，所述第二高折射率材料层的折射率高于低折射率材料层；有源层，位于所述第二高折射率材料层中，所述有源层的厚度小于第二高折射率材料层的厚度。
作为本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的单片集成边发射激光器的制作方法，包括以下步骤：在衬底的一表面形成周期或准周期的多层结构；在所述多层结构上形成第二高折射率材料层；在所述第二高折射率材料层中形成有源层。
从上述技术方案可以看出，本发明的单片集成边发射激光器及制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明提出的一种单片集成边发射激光器，将有源层(量子阱或者量子点等)设置在第二高折射率材料层中，由于有限层数的多层结构和第二高折射率材料层存在布洛赫表面模，布洛赫表面模在第二高折射率材料层具有最大光场强度，可以实现大于5％的光限制因子，有利于边发射激光器激射。同时，相对于普通边发射激光器(工作模式为类似三层平板波导的基模)，本发明提出的一种单片集成边发射激光器中布洛赫表面模展宽了光场，降低激光器出光端面的功率密度，提高了激光器腔面光灾变损伤的阈值功率，从而提高了激光器的可靠性，可以实现更高的输出功率。
(2)本发明提出的一种单片集成边发射激光器的工作模式为布洛赫表面模，其水平发散角约15度，垂直发散角近100度，约为普通边发射激光器的垂直发散角(约40度)的2.5倍。
(3)本发明提出的一种单片集成边发射激光器由于存在布洛赫表面膜，无需外加光学元件进行光束整形，在封装时将边发射激光器芯片翻转90度，可以实现水平视场角近100度，垂直视场角约15度，用于激光雷达远距离探测。
(4)本发明提出的单片集成边发射激光器体积小，稳定性好，解决了普通激光器需采用外加光学整形元件进行光束整形来调制激光雷达的视场角导致的整个激光雷达系统的体积相对庞大，系统的稳定相对较低的问题。
(5)本发明提出的一种单片集成边发射激光器的工作模式为布洛赫表面模，其远场形貌的垂直方向为近平顶型，可以匀化光斑，可以提高视场内亮度的均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例1中单片集成边发射激光器三维图；
图2为本发明实施例1中单片集成边发射激光器的色散图；
图3为本发明实施例1中单片集成边发射激光器的垂直方向近场图和折射率分布图；
图4为本发明实施例1中单片集成边发射激光器的垂直方向远场图；
图5为本发明实施例2和实施例3中单片集成边发射激光器三维图；
图6为本发明实施例3中单片集成边发射激光器的脊型波导表面光栅的示意图；
图7为本发明实施例4中单片集成边发射激光器三维图；
图8为本发明实施例5中单片集成边发射激光器三维图；
图9为本发明实施例5中单片集成边发射激光器的色散图。
附图标记说明
1 第一电极
2 衬底
3 低折射率材料层
4 第一高折射率材料层
5 多层结构
6 第二高折射率材料层
7 有源层
8 第二电极
9 脊型波导
10 低折射率材料层
具体实施方式
在实现本发明的过程中，发现当边发射激光器中存在布洛赫表面膜时，通过将激光器在在封装时将边发射激光器芯片翻转90度，可以实现边发射激光器水平视场角近100度，垂直视场角约15度，从而可将边发射激光器用于激光雷达远距离探测，避免了普通激光器需采用外加光学整形元件进行光束整形来调制激光雷达的视场角导致的整个激光雷达系统的体积相对庞大，系统的稳定相对较低的问题。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的实施例，提供了一种单片集成边发射激光器，包括：衬底；多层结构，为由多对半导体材料层生长于衬底上的周期或准周期结构，每对半导体材料层沿垂直于衬底的方向依次包括低折射率材料层和第一高折射率材料层，每层半导体材料层的厚度不小于λ/5n，其中，λ为单片集成边发射激光器的工作波长，n为每层半导体材料层的折射率；第二高折射率材料层，形成于多层结构中最后生长的低折射率材料层上，第二高折射率材料层的厚度与第一高折射率材料层不相等，第二高折射率材料层的折射率高于低折射率材料层；有源层，位于第二高折射率材料层中，有源层的厚度小于第二高折射率材料层的厚度。
需要说明的是，低折射率材料层、第一高折射率材料层和第二高折射率材料层名称中的“高”、“低”仅为一个相对概念，即第一高折射率材料层的折射率相对于低折射率材料层的折射率高。第二高折射率材料层的折射率大于低折射率材料层的折射率。
本发明中的周期结构为：多对半导体材料中多个低折射率材料层及多个第一高折射率材料层的厚度分别相等；准周期结构为多对半导体材料中至少有一层半导体材料层的厚度与其他同折射率材料层的厚度不等。
根据本发明的实施例，将有源层(量子阱或者量子点等)设置在第二高折射率材料层中，由于有限层数的多层结构和第二高折射率材料层存在布洛赫表面模，布洛赫表面模在第二高折射率材料层具有最大光场强度，可以实现大于5％的光限制因子，有利于边发射激光器激射。同时，相对于普通边发射激光器(工作模式为类似三层平板波导的基模)，本发明提出的一种单片集成边发射激光器中布洛赫表面模展宽了光场，降低激光器出光端面的功率密度，提高了激光器腔面光灾变损伤的阈值功率，从而提高了激光器的可靠性，可以实现更高的输出功率。
根据本发明的实施例，本发明的集成边发射激光器的工作模式为布洛赫表面模，其水平发散角约15度，垂直发散角近100度，约为普通边发射激光器的垂直发散角(约40度)的2.5倍。无需外加光学元件进行光束整形，在封装时将边发射激光器芯片翻转90度，可以实现水平视场角近100度，垂直视场角约15度，用于激光雷达远距离探测。本发明提出的单片集成边发射激光器体积小，稳定性好，解决了普通激光器需采用外加光学整形元件进行光束整形来调制激光雷达的视场角导致的整个激光雷达系统的体积相对庞大，系统的稳定相对较低的问题。
根据本发明的实施例，单片集成边发射激光器还包括：脊型波导，形成于第二高折射率材料层上；微纳结构，形成于脊型波导表面或者掩埋于脊型波导中；第一电极，形成于衬底远离多层结构的另一表面或有源层远离脊型波导的一侧面；以及第二电极，形成于脊型波导上，或者形成于位于脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上。
根据本发明的实施例，单片集成边发射激光器还包括：介质材料层，形成于第二高折射率材料层上；脊型波导，通过刻蚀介质材料层形成；第一电极，形成于衬底远离多层结构的另一表面或有源层远离脊型波导的一侧；以及第二电极，形成于脊型波导上，或者形成于位于脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上。
通过在第二高折射率材料层上刻蚀脊型波导可实现光场约束，在脊型波导区域引入表面或者掩埋微纳结构(如一维或者二维光栅)可实现模式选择和单模输出。
将第一电极置于有源层远离脊型波导的一侧面可用于减小损耗和提高电流注入效率。
第二电极可以置于脊型波导上，或者脊型波导的两侧，用于减小损耗。
根据本发明的实施例，单片集成边发射激光器还包括：氧化层，形成与多层结构上，实现载流子的限制。
根据本发明的实施例，介质材料层为氮化硅或二氧化硅。
根据本发明的实施例，衬底为GaN、或者GaAs、或者InP、或者GaSb材料。
根据本发明的实施例，有源层为量子阱、量子点或者量子线。
根据本发明的实施例，第一电极材料为AuGeNiAu，第二电极材料为TiPtAu或者TiAu。
根据本发明的实施例，有源层为1到5个InGaAs量子阱。
根据本发明的实施例，第一高折射率材料层为n型Al0.12Ga0.88As层，低折射率材料层为n型Al0.9Ga0.1As层。
根据本发明的实施例，第二高折射率材料层为GaAs层。
根据本发明的实施例，还提供了一种单片集成边发射激光器的制作方法，包括以下步骤：在衬底的一表面形成周期或准周期的多层结构；在多层结构上形成第二高折射率材料层；在第二高折射率材料层中形成有源层。
根据本发明的实施例，制作方法还包括：在第二高折射率材料层上制作脊型波导和微纳结构，在脊型波导上或者位于脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上生长第二电极，在衬底远离多层结构的另一表面生长第一电极；或者在第二高折射率材料层上制作介质材料层，在介质材料层上制作脊型波导，在脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上生长第二电极，在衬底远离多层结构的另一表面生成第一电极。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
实施例1
在本实施例中，单片集成边发射激光器工作波长为940nm，基于砷化镓(GaAs)材料。
单片集成边发射激光器的结构如图1所示：第一电极1为负极，材料为AuGeNiAu；第二电极8为正极，材料为TiPtAu；衬底2材料为n型GaAs；低折射率材料层3为n型Al0.9Ga0.1As层，厚度为334nm，第一高折射率材料层4为n型Al0.12Ga0.88As层，厚度为157nm。低折射率材料层3和第一高折射率材料层4在材料外延时周期性交替生长5.5组，组成类似布拉格反射镜结构的多层结构5，多层结构5形成于衬底上，多层结构5为周期结构。为了实现载流子限制，可以在第二高折射率材料层6的下层(即多层结构5的最上面低折射率材料层)引入约30nm的Al0.98Ga0.02As层用于氧化层。第二高折射率材料层6为GaAs层，形成于多层结构中的低折射率材料层3上，有源层7为1个InGaAs量子阱，位于第二高折射率材料层6中。将第二高折射率材料层6通过刻蚀形成脊型波导。
单片集成边发射激光器结构的色散图如图2所示，在波长940nm应用的频率为2×1015rad/s的情况下，单片集成边发射激光器具有布洛赫表面模，且布洛赫表面模处在光线之下，禁带之中。
单片集成边发射激光器结构的近场图如图3所示，由图3可以看出，本实施例的单片集成边发射激光器的布洛赫表面模的最大场强处在最上层中，也就是第二高折射率材料层6中，最大场强的两侧光场衰减，且在类似布拉格反射镜结构一侧衰减的同时呈振荡型。因此，本实施例的单片集成边发射激光器可以实现大于5％的光限制因子，有利于边发射激光器激射。
单片集成边发射激光器结构的远场图如图4所示，由图4可以看出，单片集成边发射激光器的远场的半高全宽近100度，相对与普通边发射激光器展宽了光场，降低激光器出光端面的功率密度，提高了激光器腔面光灾变损伤的阈值功率，从而提高了激光器的可靠性，可以实现更高的输出功率。其远场形貌的垂直方向为近平顶型，可以匀化光斑，可以提高视场内亮度的均匀性。通过调整结构参数，可以实现近平顶型的远场分布。
实施例2
在本实施例中，单片集成边发射激光器工作波长为940nm，基于砷化镓(GaAs)材料。
单片集成边发射激光器的结构如图5所示：第一电极1为负极，材料为AuGeNiAu；第二电极8为正极，材料为TiAu；衬底2材料为n型GaAs；低折射率材料层3为n型Al0.9Ga0.1As层，厚度为334nm，第一高折射率材料层4为n型Al0.12Ga0.88As层，厚度为157nm。低折射率材料层3和第一高折射率材料层4在材料外延时周期性交替生长5.5组，组成类似布拉格反射镜结构的多层结构5，多层结构5形成于衬底上，多层结构5为周期结构。为了实现载流子限制，可以在第二高折射率材料层6的下层(即多层结构5的最上面低折射率材料层)引入约30nm的Al0.98Ga0.02As层用于氧化层。第二高折射率材料层6为GaAs层，形成于多层结构中的低折射率材料层3上，有源层7为2个InGaAs量子阱，位于第二高折射率材料层6中。在第二高折射率材料层6上沉积二氧化硅，然后再刻蚀形成脊型波导9。第二电极8为正极，材料为TiPtAu或者TiAu，位于脊型波导9的两侧，并处于第二高折射率材料层6表面上。
实施例3
在本实施例中，单片集成边发射激光器工作波长为940nm，基于砷化镓(GaAs)材料。其结构与实施例2类似，区别在于在脊型波导9中引入一维周期性表面微纳结构，即一维表面光栅，采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺制作，实现纵模选择。图6所示为一维表面光栅的俯视示意图。
实施例4
在本实施例中，单片集成边发射激光器工作波长为940nm，基于砷化镓(GaAs)材料。
单片集成边发射激光器的结构图7所示：衬底2材料为GaAs；低折射率材料层3为n型Al0.9Ga0.1As层，厚度为334nm，第一高折射率材料层4为n型Al0.12Ga0.88As层，厚度为157nm。低折射率材料层3和第一高折射率材料层4在材料外延时周期性交替生长5.5组，组成类似布拉格反射镜结构的多层结构5，多层结构5形成于衬底上，多层结构5为周期结构。第二高折射率材料层6为GaAs层，形成于多层结构中的低折射率材料层3上，有源层7为1个InGaAs量子阱，位于第二高折射率材料层6中。将第二高折射率材料层6通过刻蚀形成脊型波导。第一电极1为负极，材料为AuGeNiAu，位于脊型波导的两侧被刻蚀区，处于多层结构5的最上一层低折射率材料层3的表面。第二电极8为正极，材料为TiPtAu或者TiAu，位于脊型波导表面。
实施例5
在本实施例中，单片集成边发射激光器工作波长为940nm，基于砷化镓(GaAs)材料。
单片集成边发射激光器的结构如图8所示：第一电极1为负极，材料为AuGeNiAu；第二电极8为正极，材料为TiPtAu；低折射率材料层3为n型Al0.9Ga0.1As层，厚度为334nm，第一高折射率材料层4为n型Al0.12Ga0.88As层，厚度为157nm。低折射率材料层3和第一高折射率材料层4在材料外延时周期性交替生长5.5组，组成类似布拉格反射镜结构的多层结构5。其结构与实施例1类似，区别在于多层结构5为准周期结构，多层结构5中靠近第二高折射率材料层6的低折射率材料层10的厚度与低折射率材料层3不同，为300nm。多层结构5形成于衬底上，为准周期结构。为了实现载流子限制，可以在第二高折射率材料层6的下层(即多层结构5的最上面低折射率材料层)引入约30nm的Al0.98Ga0.02As层用于氧化层。第二高折射率材料层6为GaAs层，形成于多层结构中的低折射率材料层4上，有源层7为1个InGaAs量子阱，位于第二高折射率材料层6中。将第二高折射率材料层6通过刻蚀形成脊型波导。
单片集成边发射激光器结构的色散图如图9所示，在波长940nm应用的频率为2×1015rad/s的情况下，单片集成边发射激光器具有布洛赫表面模，且布洛赫表面模处在光线之下，禁带之中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种单片集成边发射激光器，包括：
衬底；
多层结构，为由多对半导体材料层生长于所述衬底上的周期或准周期结构，每对所述半导体材料层沿垂直于所述衬底的方向依次包括低折射率材料层和第一高折射率材料层，每层所述半导体材料层的厚度不小于λ/5n，其中，λ为所述单片集成边发射激光器的工作波长，n为每层所述半导体材料层的折射率；
第二高折射率材料层，形成于所述多层结构中最后生长的低折射率材料层上，所述第二高折射率材料层的厚度与第一高折射率材料层不相等，所述第二高折射率材料层的折射率高于低折射率材料层；
有源层，位于所述第二高折射率材料层中，所述有源层的厚度小于第二高折射率材料层的厚度。
2.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，所述单片集成边发射激光器还包括：
脊型波导，形成于所述第二高折射率材料层上；
微纳结构，形成于所述脊型波导表面或者掩埋于所述脊型波导中；
第一电极，形成于所述衬底远离所述多层结构的另一表面或有源层远离所述脊型波导的一侧；以及
第二电极，形成于所述脊型波导上，或者形成于位于所述脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上。
3.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，所述单片集成边发射激光器还包括：
介质材料层，形成于所述第二高折射率材料层上；
脊型波导，通过刻蚀所述介质材料层形成；
第一电极，形成于所述衬底远离所述多层结构的另一表面或有源层远离所述脊型波导的一侧；以及
第二电极，形成于所述脊型波导上，或者形成于位于所述脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上。
4.如权利要求2或3所述的单片集成边发射激光器，其中，所述单片集成边发射激光器还包括：
氧化层，形成于所述多层结构上。
5.如权利要求3所述的单片集成边发射激光器，其中，所述介质材料层为氮化硅或二氧化硅。
6.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，衬底为GaN、或者GaAs、或者InP或者GaSb材料。
7.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，所述有源层为量子阱、量子点或者量子线。
8.如权利要求2所述的单片集成边发射激光器，所述第一电极材料为AuGeNiAu，所述第二电极材料为TiPtAu或者TiAu。
9.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，所述有源层为1到5个InGaAs量子阱。
10.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，所述第一高折射率材料层为n型Al0.12Ga0.88As层，所述低折射率材料层为n型Al0.9Ga0.1As层。
11.如权利要求1所述的单片集成边发射激光器，其中，所述第二高折射率材料层为GaAs层。
12.一种如权利要求2所述的单片集成边发射激光器的制作方法，包括以下步骤：
在衬底的一表面形成周期或准周期的多层结构；
在所述多层结构上形成第二高折射率材料层；
在所述第二高折射率材料层中形成有源层。
13.根据权利要求12所述的制作方法，其中，所述制作方法还包括：
在所述第二高折射率材料层上制作脊型波导和微纳结构，在所述脊型波导上或者位于所述脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上生长第二电极，在所述衬底远离所述多层结构的另一表面生成第一电极；或者
在所述第二高折射率材料层上制作介质材料层，在所述介质材料层上制作脊型波导，在所述脊型波导的两侧的第二高折射率材料层上生长第二电极，在所述衬底远离所述多层结构的另一表面生成第一电极。
14.根据权利要求12所述的制作方法，其中，所述制作方法还包括：在所述多层结构上制作氧化层。
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