CN113507040A - 半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光器及其制备方法，其中的半导体激光器包括从下至上依次层叠的N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层、P型盖层、绝缘层和P面电极，从P面电极向下刻蚀至P型包层形成两个光电调控沟道，两个光电调控沟道之间的区域形成中心波导区，两个光电调控沟道的外侧区域形成非注入区。本发明提供的半导体激光器通过光电调控沟道有效抑制高阶侧向模式，改变器件腔内的模式分布，同时光电调控沟道可以起到控制载流子注入的作用，削弱载流子侧向累积效应，改善远场稳定性，通过对载流子分布的调控及抑制FFB效应，改善光束质量。与传统脊型半导体激光器相比，具有光束质量好、远场受电流影响小、亮度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种高亮度的半导体激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器的亮度正比于功率与光束质量的比值，反映为单位立体角下的激光功率。在实际应用中往往希望半导体激光器具有高的输出功率和优异的光束质量，即高的亮度。现存在的问题是，半导体激光器的侧向模式会降低激光器整体的亮度与光束质量，同时随着注入电流的增加，侧向光束质量迅速恶化，主要体现在侧向远场变大，称之为far-field blooming(FFB)效应。现有的改善方法大多是通过减小半导体激光器的波导宽度，以降低侧向模式的数量，或者通过外腔技术、调控载流子注入等手段达到提高光束质量的目的。但由于减小波导宽度也就减小了增益区域的面积，因此输出功率也大幅度地下降，且技术复杂、增加了系统的体积和成本，这对于工业化制备高功率半导体激光器而言是非常不利的。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种半导体激光器及其制备方法，可以有效抑制波导的高阶侧向模式，改变器件腔内的模式分布，也可以起到控制载流子注入的作用，削弱侧向载流子累积效应，从而提升半导体激光器的光电性能，提高半导体激光器的亮度，稳定远场。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的半导体激光器，包括从下至上依次层叠的N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层、P型盖层、绝缘层和P面电极，从P面电极的表面向下刻蚀至P型包层形成两个光电调控沟道，两个光电调控沟道之间的区域形成中心波导区，两个光电调控沟道的外侧区域形成非注入区，两个光电调控沟道、中心波导区与非注入区构成表面波导。
优选地，两个光电调控沟道的深度未刻蚀至P型包层的下表面或刻蚀至P型包层的下表面；以及，当两个光电调控沟道的深度未刻蚀至P型包层的下表面时，两个光电调控沟道的底部与P型包层的下表面之间的距离小于激光器波导层的倏逝波长度。
优选地，激光器波导层的折射率大于N型包层和P型包层的折射率；以及，激光器波导层包括制备在N型包层的N型波导、制备在N型波导上的有源区和在制备在有源区上的P型波导。
优选地，每个光电调控沟道的两个侧面均为平面或自由曲面。
优选地，当两个光电调控沟道的两个侧面为自由曲面时，两个光电调控沟道向中心波导区弯曲，且两个光电调控沟道之间的间距呈周期性变化。
优选地，每个光电调控沟道的两个侧面的自由曲面均由沟槽阵列形成，且两个光电调控沟道之间的最大间距等于中心波导区的宽度。
优选地，在非注入区的内部刻蚀形成损耗微结构，用于增大非注入区的光学损耗。
本发明提供的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次生长缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层和P型盖层；
S2、从P型盖层向下刻蚀至P型包层形成两个光电调控沟道；其中，两个光电调控沟道之间的区域形成中心波导区，两个光电调控沟道的外侧区域形成非注入区，从而两个光电调控沟道、中心波导区与非注入区构成表面波导；
S3、在P型盖层上生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀欧姆接触区，在接触区沉积一层P型欧姆接触金属，形成P面电极；
S4、对衬底的底部进行减薄、抛光及清洗，在衬底的底部生长N面电极。
优选地，在步骤S2中，刻蚀形成两个侧面为自由曲面的光电调控沟道。
优选地，通过刻蚀出沟槽阵列形成两个光电调控沟道的自由曲面，且两个光电调控沟道之间的最大间距等于所述中心波导区的宽度。
本发明能够取得如下技术效果：
1、光电调控沟道可以有效地对表面波导的高阶侧向模式进行抑制，改变器件腔内的模式分布，光电调控沟道也可以起到控制载流子注入的作用，削弱侧向载流子累积效应，从而提升半导体激光器的光电性能，提高半导体激光器的亮度，稳定远场。
2、在非注入区增加损耗微结构，可以增加对表面波导的高阶侧向模式的损耗，在保持一定波导宽度的前提下增大了注入增益面积，在保证光束质量的前提下以增大功率的方式提高了半导体激光器的亮度。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的半导体激光器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的一种表面波导的俯视结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的另一种表面波导的俯视结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的损耗微结构的形状示意图；
图5是根据本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：衬底1、缓冲层2、N型包层3、N型波导4、有源区5、P型波导6、P型包层7、P型盖层8、绝缘层9、P面电极10、N面电极11、激光器波导层12、光电调控沟道13、中心波导区14、非注入区15、表面波导16、损耗微结构17。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的半导体激光器的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的半导体激光器，包括：从下至上依次层叠的N面电极11、衬底1、缓冲层2、N型包层3、激光器波导层12、P型包层7、P型盖层8、绝缘层9和P面电极10；其中，衬底1为Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如GaAs、InP、GaSb和GaN等，衬底1包括但不限于以上几种材料，通常为N型掺杂。缓冲层2与衬底1的材料相同，用于掩埋衬底1自身的缺陷。N型波导4、有源区5、P型波导6组成激光器波导层12，N型波导4位于N型包层3之上，P型波导6位于P型包层7之下，有源区5位于N型波导4和P型波导6之间，有源区5的增益介质可以是单层或多层的量子阱、量子点、量子带、量子级联结构或任意两种以上的组合，有源区5作为半导体激光器的增益区。激光器波导层12的折射率大于N型包层3和P型包层7，从而形成全反射波导，激光器谐振腔内传输的光模被限制在激光器波导层12内，但由于倏逝波效应仍会有部分光在N型包层3和P型包层7中传输，因此通过控制N型包层3和P型包层7的一些特性可影响激光器波导层12中传输的光场特性。P型盖层8生长在P型包层7之上，重掺杂以利于欧姆接触。绝缘层9生长在P型盖层8之上，绝缘层9可以为氮化硅材料或二氧化硅材料。P面电极10沉积在绝缘层9的顶面，N面电极11沉积在衬底1的底部，P面电极10与N面电极11二者作为半导体激光器的电极，用于电流注入。
从P面电极10的表面向下刻蚀至P型包层7形成两个光电调控沟道13，两个光电调控沟道13之间的区域形成中心波导区14，两个光电调控沟道13的外侧区域形成非注入区15，两个光电调控沟道13、中心波导区14与非注入区15构成表面波导16。
光电调控沟道13的底部可到达位于P型包层7的下表面或P型包层7的下表面之上的位置，也就是说，两个光电调控沟道13的深度可以刻蚀至P型包层7的下表面，即光电调控沟道13的底部可到达位于P型包层7的下表面。两个光电调控沟道13的深度也可以未刻蚀至P型包层7的下表面，即光电调控沟道13的底部可到达位于P型包层7的下表面之上的位置。
光电调控沟道13可以有效地对表面波导16的高阶侧向模式进行抑制，改变半导体激光器腔内的模式分布，也可以起到控制载流子注入的作用，削弱侧向载流子累积效应，从而提升半导体激光器的光电性能，提高半导体激光器的亮度，稳定远场。
在两个光电调控沟道13的深度也可以未刻蚀至P型包层7的下表面时，两个光电调控沟道13的底部与P型包层7的下表面之间的距离小于激光器波导层的倏逝波长度，以减小激光器波导层的损耗。
图2示出了根据本发明实施例提供的一种表面波导的俯视结构。
如图2所示，具有光电控制效果的两个光电调控沟道13将表面波导分割成中心波导区14(即注入区)和中心波导区14两侧的非注入区15。光电调控沟道13的侧面为平面，即中心波导区14各部分的宽度相同。图3中，中心波导区C为中心波导区14的宽度，T为光电调控沟道13的区域范围，通常两个光电调控沟道13分布范围在中心波导区14两侧5-50μm范围之内。
光电调控沟道13可以有效地对半导体激光器的侧向载流子分布进行调控，通过改变光电调控沟道13的形状，控制注入载流子的分布情况，对注入区电极形状进行优化，从而抑制载流子侧向累积效应，从而改善远场稳定性，通过对半导体激光器载流子分布的调控及抑制FFB效应，达到改善光束质量的目的。
当光电调控沟道13的形状发生改变时，中心波导区14的形状也会随之发生变化，即为下述想要说明的另一种表面波导的结构。
图3示出了根据本发明实施例提供的另一种表面波导的俯视结构。
如图4所示，该表面波导与图3所示的表面波导的区别在于光电调控沟道13的两个侧面为自由曲面，而非平面，最终形成的是宽窄不同的光电调控沟道13。由于每个光电调控沟道13各部分的宽度不同，则两个光电调控沟道13之间的间距也会时宽时窄。
光电调控沟道13的侧面形成自由曲面的方式是光电调控沟道13向中心波导区14弯曲，光电调控沟道13的侧面既可以形成周期性结构，又可以非周期性结构。
当光电调控沟道13的侧面形成周期性结构时，通过刻蚀出沟槽阵列而成，沟槽阵列中的每个沟槽的尺寸和形状都相同。两个光电调控沟道13之间的间距也会周期性变化，两个光电调控沟道13之间的最大间距等于中心波导区14的宽度，两个光电调控沟道13其余部分之间的间距小于中心波导区14的宽度，两个光电调控沟道13之间的间距小于中心波导区14的宽度的这一部分会对表面波导内部的高阶侧向模式造成额外的损耗，通过增加表面波导内部高阶侧向模式的激射阈值改善半导体激光器的光束质量。此外，光电调控沟道13可以有效地对半导体激光器的侧向载流子分布进行调控，通过改变光电调控沟道13的形状对注入区电极形状优化，从而抑制侧向载流子累积效应，达到改善光束质量的目的。
本发明也可以通过刻蚀使两个光电调控沟道13的形状不同，分为如下几种情况：
①一个光电调控沟道13靠近非注入区15的侧面为平面，而靠近中心波导区14的侧面为自由曲面，另一个光电调控沟道13靠近非注入区15的侧面为自由曲面，而靠近中心波导区14的侧面为平面。
②两个光电调控沟道13靠近非注入区15的侧面均为平面，而两个光电调控沟道13靠近中心波导区14的侧面均为自由曲面。
对于情况②，可以是形状相同、大小不一的自由曲面，也可以是形状和大小均相同的自由曲面。
当自由曲面的形状相同、大小不一时，中心波导区14为沿中心线的非对称式结构。
从图3中还可以看出，在非注入区15内刻蚀有损耗微结构17，损耗微结构17可以增加非注入区15的模式损耗，从而将半导体激光器模式分布在中心波导区14内，更加集中的模式分布会使得半导体激光器的光束质量有所提升。通过与光电调控沟道13相辅相成，达到改善半导体激光器侧向光束质量的目的。
损耗微结构17的形状可以为任意形状，图4示出了根据本发明实施例提供的损耗微结构的几种形状。
如图4所示，损耗微结构可以是三角形、四边形(平行四边形和梯形)、五边形等多边形形状，还可以是圆形、椭圆形、圆环形等形状，又可以是十字形或叉形等结构。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的半导体激光器结构，与该半导体激光器结构相对应，本发明实施例还提供一种半导体激光器的制备方法。
图5示出了根据本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法的流程。
如图5所示，本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次生长缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层和P型盖层。
采用分子束外延(MBE)技术或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术在衬底上依次缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层和P型盖层。
S2、从P型盖层向下刻蚀至P型包层形成两个光电调控沟道；其中，两个光电调控沟道之间的区域形成中心波导区，两个光电调控沟道的外侧区域形成非注入区，从而两个光电调控沟道、中心波导区与非注入区构成表面波导。
利用光刻技术从P型盖层向下刻蚀至P型包层形成两个光电调控沟道。
刻蚀出的光电调控沟道的两个侧面为平面或自由曲面，优选为自由曲面，自由曲面由刻蚀出的沟槽阵列形成，使两个光电调控沟道之间的间距呈周期性变化，两个光电调控沟道之间的最大间距等于所述中心波导区的宽度，两个光电调控沟道其余部分之间的间距小于中心波导区的宽度。
两个光电调控沟道之间的间距小于中心波导区的宽度的这一部分会对表面波导内部的高阶侧向模式造成额外的损耗，通过增加表面波导内部高阶侧向模式的激射阈值改善半导体激光器的光束质量。此外，光电调控沟道可以有效地对半导体激光器的侧向载流子分布进行调控，通过改变光电调控沟道的形状对注入区电极形状优化，从而抑制侧向载流子累积效应，达到改善光束质量的目的。
S3、在P型盖层上生长绝缘层，在绝缘层上刻蚀欧姆接触区，在接触区沉积一层P型欧姆接触金属，形成P面电极。
利用光刻技术在绝缘层上刻蚀出欧姆接触区，从而沉积出P型欧姆接触金属，形成P面电极。
绝缘层未覆盖的区域为表面波导的中心波导区(注入区)，绝缘层所覆盖的区域为表面波导的非注入区。
S4、对衬底的底部进行减薄、抛光及清洗，在衬底的底部生长N面电极。
对衬底的底部减薄后进行抛光形成抛光面，再对抛光面进行清洗，最后在干净的抛光面上生长N面电极，形成半导体激光器。
在步骤S4之后还可以包括如下步骤：
S5、对半导体激光器进行解理、镀膜和封装。
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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种半导体激光器，包括从下至上依次层叠的N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层、P型盖层、绝缘层和P面电极，其特征在于，从所述P面电极的表面向下刻蚀至P型包层形成两个光电调控沟道，两个光电调控沟道之间的区域形成中心波导区，两个光电调控沟道的外侧区域形成非注入区，两个光电调控沟道、所述中心波导区与所述非注入区构成表面波导。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，两个光电调控沟道的深度未刻蚀至所述P型包层的下表面或刻蚀至所述P型包层的下表面；以及，
当两个光电调控沟道的深度未刻蚀至所述P型包层的下表面时，两个光电调控沟道的底部与所述P型包层的下表面之间的距离小于所述激光器波导层的倏逝波长度。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述激光器波导层的折射率大于所述N型包层和所述P型包层的折射率；以及，
所述激光器波导层包括制备在所述N型包层的N型波导、制备在所述N型波导上的有源区和在制备在所述有源区上的P型波导。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，每个光电调控沟道的两个侧面均为平面或自由曲面。
5.如权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，当两个光电调控沟道的两个侧面为自由曲面时，两个光电调控沟道向所述中心波导区弯曲，且两个光电调控沟道之间的间距呈周期性变化。
6.如权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，每个光电调控沟道的两个侧面的自由曲面均由沟槽阵列形成，且两个光电调控沟道之间的最大间距等于所述中心波导区的宽度。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，在所述非注入区的内部刻蚀形成损耗微结构，用于增大所述非注入区的光学损耗。
8.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次生长缓冲层、N型包层、激光器波导层、P型包层和P型盖层；
S2、从所述P型盖层向下刻蚀至所述P型包层形成两个光电调控沟道；其中，两个光电调控沟道之间的区域形成中心波导区，两个光电调控沟道的外侧区域形成非注入区，从而两个光电调控沟道、所述中心波导区与所述非注入区构成表面波导；
S3、在所述P型盖层上生长绝缘层，在所述绝缘层上刻蚀欧姆接触区，在所述欧姆接触区沉积一层P型欧姆接触金属，形成P面电极；
S4、对所述衬底的底部进行减薄、抛光及清洗，在所述衬底的底部生长N面电极。
9.如权利要求8所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，刻蚀形成两个侧面为自由曲面的光电调控沟道。
10.如权利要求9所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，通过刻蚀出沟槽阵列形成两个光电调控沟道的自由曲面，且两个光电调控沟道之间的最大间距等于所述中心波导区的宽度。
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