CN113937616A - 半导体激光器阵列、半导体激光器单管及其制备方法 - Google Patents

半导体激光器阵列、半导体激光器单管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体激光器阵列、半导体激光器单管及其制备方法，其中的半导体激光器单管包括外延结构，在外延结构上刻蚀有脊波导，在脊波导上靠近激光器后腔面的位置刻蚀有光栅，光栅包括与激光器后腔面平行的模式选择区和与激光器后腔面形成预设角度的模式过滤区，模式选择区用于将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大；模式过滤区用于将未被选定的横模反射出激光器谐振腔。本发明提供的半导体激光器单管通过对光栅尺寸及形貌的设计选择出特定的横模，本发明提供的半导体激光器阵列由多个半导体激光器单管构成，可以同时发射多个特定的横模，多个特定的横模可以相同或不同。

Description

半导体激光器阵列、半导体激光器单管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种具有横模选择的半导体激光器单管及其制备方法，以及由多个半导体激光器单管构成的半导体激光器阵列。
背景技术
半导体激光器在在通信、雷达、激光加工、医疗等领域具有不可替代的重要地位。目前成熟的边发射半导体激光器主要通过脊波导结构实现横模的限制，窄脊波导结构的脊宽一般不超过5微米，以实现单横模激射。当脊宽大于5微米时，器件以多横模的形式工作。典型的高功率半导体激光器单管芯片均为宽脊波导结构，脊宽包括100微米及200微米，9XX纳米波段的这类激光器单管输出功率可超过10W，光电转换效率超过60％，广泛用于激光加工、激光泵浦等领域。
宽脊波导的边发射激光器为多横模工作，在器件工作时，多个横模共同激射，芯片腔面位置的光斑为多个模式叠加的光斑，多表现为能量分布不均为的线型光斑。然而，对于单个横模，其光斑分布均呈高斯分布，根据波导理论分析结果可知，基模光场为单一的光斑，一阶横模光场为对称的两个光斑，二阶横模为三个光斑，依次类推。以特定的单横模工作的边发射半导体激光器，其所发射的光斑是规则的单个或多个高斯光斑，这种独特的光斑特性在研究器件的光场分布、光束整形及新兴应用具有重要的价值。然而现有器件结构无法实现特定的横模选择。
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阵列、半导体激光器单管及其制备方法，通过在脊波导上刻蚀出具有横模选择的光栅，使半导体激光器单管及其构成的阵列具有特定的横模的选择功能。
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单管，包括外延结构，在外延结构上刻蚀有脊波导，在脊波导上靠近激光器后腔面的位置刻蚀有光栅，光栅包括与激光器后腔面平行的模式选择区和与激光器后腔面形成预设角度的模式过滤区，模式选择区用于将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大；模式过滤区用于将未被选定的横模反射出激光器谐振腔。
优选地，模式过滤区朝激光器后腔面的方向倾斜或朝激光器前腔面的方向。
优选地，外延结构包括衬底和从下至上依次制备在衬底上的N型波导层、有源层、P型波导层、P型盖层，从P型盖层的两侧向下刻蚀至P型波导层，使P型盖层未被刻蚀的部分形成脊波导。
优选地，在脊波导的表面与P型波导层被刻蚀部分的表面制备有绝缘层，在衬底的底部制备有N型电极层。
优选地，光栅从P型盖层向下刻蚀至P型波导层。
优选地，光栅为均匀光栅，均匀光栅的周期为0.5μm～20μm，均匀光栅的占空比为10％～90％，均匀光栅的光栅阶数为1阶～100阶。
优选地，半导体激光器单管的腔长为500μm～5000μm，宽度为200μm～800μm，厚度为100μm～300μm。
优选地，脊波导的脊宽范围为1μm～200μm，脊波导的脊长度与激光器腔长相同，脊波导的刻蚀深度0.1μm～5μm；衬底为GaAs材料或InP材料；N型波导层为AlGaAs材料，Al的重量份为0.05～0.7，N型波导层的厚度为0.1μm～10μm，掺杂剂为Si，Si的掺杂浓度为1E16～8E18/cm3；有源层为势垒/量子阱/势垒结构，有源层的材料为AlGaAsP/InAlGaAs/AlGaAsP，In的重量份为0～0.5，Al的重量份为0～0.5，P的重量份为0～0.2，势垒的厚度为1nm～200nm，量子阱的厚度为1nm～20nm；P型波导层为AlGaAs材料，Al的重量份为0.05～0.7，P型波导层的厚度为0.1μm～10μm，掺杂剂为C，C的掺杂浓度为1E16～8E18/cm3；P型盖层为GaAs材料，P型盖层的厚度为0.1μm～3μm，掺杂剂为C，C的掺杂浓度为1E18～1E20/cm3；P型电极层和N型电极层的厚度分别为200nm～500nm，P型电极层和N型电极层的材料分别为钛、铂、金、镍、锗中两种及以上形成的合金；绝缘层的材料为SiO2或Si3N4，绝缘层的厚度为50nm～1000nm。
本发明提供的半导体激光器阵列，包括阵列布置的如权利要求1～8中任一项的半导体激光器单管。
本发明提供的半导体激光器单管的制备方法，包括如下步骤：
S1、制备外延结构；
S2、在外延结构上进行刻蚀形成脊波导；
S3、在脊波导上进行刻蚀形成光栅；其中，光栅包括与激光器后腔面平行的模式选择区和与激光器后腔面形成预设角度的模式过滤区，模式选择区用于将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大；模式过滤区用于将未被选定的横模反射出激光器谐振腔。
与现有的边发射半导体激光器相比，本发明能够取得如下技术效果：
1、现有的边发射半导体激光器只能通过脊波导的宽度和刻蚀深度选择单基模工作或多横模工作两种工作模式，无法选择出特定的单高阶横模，本发明提供的半导体激光器单管可以通过对光栅尺寸及形貌的设计选择出特定的横模。
2、现有的边发射半导体激光器阵列只能通过多个基模单管器件形成基模列阵或多横模列阵，列阵中每个单管无法发射特定的横模，本发明提供的半导体激光器阵列由多个半导体激光器单管构成，可以同时发射多个特定的横模，多个特定的横模可以相同或不同。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的半导体激光器单管的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的光栅选择基模的原理示意图；
图3是根据本发明实施例提供的模式选择区的不同倾斜方向示意图；
图4是根据本发明实施例提供的半导体激光器阵列的结构示意图；
图5是根据本发明实施例提供的半导体激光器阵列的俯视结构示意图。
其中的附图标记包括：101～N型电极层、102～衬底、103～N型波导层、104～有源层、105～P型波导层、106～绝缘层、107～P型盖层、108～P型电极层、109～光栅、201～台面区、202～脊波导、203～模式过滤区、204～模式选择区、301～第一半导体激光器单管、302～第二半导体激光器单管、303～第三半导体激光器单管、304～第四半导体激光器单管、305～第五半导体激光器单管、306～第六半导体激光器单管、307～第七半导体激光器单管、308～第八半导体激光器单管。
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单管的结构
如图1所示，本发明实施例提供的半导体激光器单管，包括：从上之上依次层叠的N型电极层101、衬底102、N型波导层103、有源层104、P型波导层105、绝缘层106、P型盖层107和P型电极层108；其中，N型波导层103、有源层104、P型波导层105、绝缘层106、P型盖层107从下至上依次制备在衬底102上，N型电极层101制备在衬底102的底部。
在P型盖层107的两侧向下刻蚀至P型波导层105，使P型盖层107未被刻蚀的部分形成脊波导202，P型电极层108制备在脊波导202上。
在脊波导202上刻蚀有光栅109，光栅109从P型盖层107向下刻蚀至P型波导层105而成，通过控制光栅109的周期、占空比、刻蚀深度参数形成光反射。
光栅109包含模式选择区和模式过滤区，模式选择区的作用是将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大，模式过滤区的作用是将其他未被选定的横模反射出激光器谐振腔，使其无法振荡。
本发明实施例提供的半导体激光器单管为边发射激光器，其横模包括基模、一阶横模、二阶横模等高阶模式，通过控制光栅109的刻蚀深度、光栅周期、占空比、光栅对数等参数，使光栅109具有光反射特性，如想要选择某个横膜，根据计算得到的该横模光斑沿激光器后腔面方向的分布，确定模式选择区的横向长度，使模式选择区对该横模光斑产生反射效果，而其他横模光斑则更多的分布于模式过滤区内，由于模式过滤区与横向具有一定的夹角，会将其他横模光斑反射出激光器的增益区域，导致光损耗增加，无法进行激射，以此实现某个横模的选择功能。
从上段内容可知，选择特定的横模是指半导体激光器单管可以选择某一个单独的横模工作，例如：半导体激光器单管以第十阶横模的模式工作，而不包括其他阶数的横模。
下面以一个具体示例来对光栅选择特定的横模的原理进行说明。
图2示出了根据本发明实施例提供的光栅选择基模的原理。
如图2所示，脊波导202采用宽条结构，传统的宽条形波导结构可以支持多个横模共同工作。本发明在脊波导202上靠近激光器后腔面的位置刻蚀出具有周期性的特定形状的光栅109，光栅109在平行于激光器腔面的方向(以下简称为横向)包括两个区域，分别为位于中心区域的与横向平行的模式选择区204，位于模式选择区204两侧的与横向成一定角度的模式过滤区203。
通过控制光栅109的刻蚀深度、光栅周期、占空比、光栅对数等参数，使光栅109具有光反射特性，根据计算得到的基模光斑在横向的分布，确定模式选择区204的横向长度，使模式选择区204对基模光斑产生反射效果，而一阶横模、二阶横模等高阶横膜光斑则更多的分布于模式过滤区203内，由于模式过滤区203与横向具有一定的夹角，会将高阶横膜光斑反射出激光器的增益区域，导致高阶横膜光斑损耗增加，无法进行激射，以此实现基模的选择。
图3示出了根据本发明实施例提供的模式选择区的不同倾斜方向。
如图3所示，光栅制备在脊波导202上靠近激光器后腔面的位置，代替激光器后腔面起到光反射作用，脊波导202两侧的区域构成激光器的台面区301，光栅的模式选择区204与激光器后腔面的方向平行，光栅的模式过滤区203可以朝着激光器前腔面的方向倾斜(即朝着背离激光器后腔面的方向倾斜)，光栅的模式过滤区203还可以朝着激光器后腔面的方向倾斜。
当然，在本发明的一个示例中，光栅的模式选择区204不止一个，可以是多个，每个模式选择区204的两侧均为模式过滤区203，通过增加模式选择区204和模式过滤区203的数量，实现光栅的多横模选择，半导体激光器单管能够同时发射多个横模。
在本发明的一些示例中，半导体激光器单管的参数如下：
光栅109为均匀光栅，均匀光栅的周期为0.5μm～20μm，均匀光栅的占空比为10％～90％，均匀光栅的光栅阶数为1阶～100阶；
半导体激光器单管的腔长为500μm～5000μm，宽度为200μm～800μm，厚度为100μm～300μm；
脊波导202的脊宽范围为1μm～200μm，根据特定的横向模式确定具体的脊波导202宽度。脊波导202的脊长度与激光器腔长相同，脊波导202的刻蚀深度0.1μm～5μm；
衬底102为GaAs材料或InP材料，根据发光波段的不同，近红外600-1200nm波段使用GaAs材料体系；1300-1700nm波段使用InP材料体系。
N型波导层103为AlGaAs材料，Al的重量份为0.05～0.7，N型波导层的厚度为0.1μm～10μm，掺杂剂为Si，Si的掺杂浓度为1E16～8E18/cm3；
有源层104为势垒/量子阱/势垒结构，有源层104的材料为AlGaAsP/InAlGaAs/AlGaAsP，In的重量份为0～0.5，Al的重量份为0～0.5，P的重量份为0～0.2，势垒的厚度为1nm～200nm，量子阱的厚度为1nm～20nm；
P型波导层105为AlGaAs材料，Al的重量份为0.05～0.7，P型波导层105的厚度为0.1μm～10μm，掺杂剂为C，C的掺杂浓度为1E16～8E18/cm3；
P型盖层107为GaAs材料，P型盖层107的厚度为0.1μm～3μm，掺杂剂为C，C的掺杂浓度为1E18～1E20/cm3；
P型电极层108和N型电极层101的厚度分别为200nm～500nm，P型电极层108和N型电极层101的材料分别为钛、铂、金、镍、锗中两种及以上形成的合金；
绝缘层106的材料为SiO2或Si3N4，绝缘层106的厚度为50nm～1000nm。
上述内容详细说明了本发明实施例提供的半导体激光器单管的结构及其工作原理。本发明实施例还提供一种由多个半导体激光器单管构成的半导体激光器阵列。
图4示出了根据本发明实施例提供的半导体激光器阵列的结构。
如图4所示，本发明实施例提供的半导体激光器阵列，包括至少两个半导体激光器单管，多个半导体激光器单管以阵列的形式布置。
图4中示例性的示出了八个半导体激光器单管，分别为第一半导体激光器单管301、第二半导体激光器单管302、第三半导体激光器单管303、第四半导体激光器单管304、第五半导体激光器单管305、第六半导体激光器单管306、第七半导体激光器单管307、第八半导体激光器单管308，每个半导体激光器单管的两侧形成台面区201。
图5示出了根据本发明实施例提供的半导体激光器阵列的俯视结构。
如图5所示，第一半导体激光器单管301、第二半导体激光器单管302、第三半导体激光器单管303、第四半导体激光器单管304、第五半导体激光器单管305、第六半导体激光器单管306、第七半导体激光器单管307、第八半导体激光器单管308的光栅结构均不同，第一半导体激光器单管301具有一个模式选择区204，只能发射一个横膜，第二半导体激光器单管302具有两个模式选择区204，能够发射两个横膜，第三半导体激光器单管303、第四半导体激光器单管304、第五半导体激光器单管305、第六半导体激光器单管306、第七半导体激光器单管307、第八半导体激光器单管308同理可知，在此不再赘述。
本发明实施例还提供一种半导体激光器单管的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S1、制备外延结构。
在衬底上通过外延生长依次制备N型波导层、有源层、P型波导层、P型盖层，得到含外延结构的晶元。
S2、在外延结构上进行刻蚀形成脊波导。
在生长的晶元表面采用脊波导光刻版图进行光刻，利用干法刻蚀工艺自P型盖层向下刻蚀至P型波导层制备脊波导，然后进行BOE去掩膜层工艺和清洗工艺，得到含有脊波导的晶元。
S3、在脊波导上进行刻蚀形成光栅；其中，光栅包括与激光器后腔面平行的模式选择区和与激光器后腔面形成预设角度的模式过滤区，模式选择区用于将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大；模式过滤区用于将未被选定的横模反射出激光器谐振腔。
在含有脊波导的晶元表面采用光栅光刻版图进行光刻，利用干法刻蚀工艺在晶元表面(即脊波导表面)自P型盖层向下刻蚀至P型波导层制备光栅，再进行BOE去掩膜层工艺和清洗工艺，得到含有脊波导和光栅的晶元。
在本发明的一个具体示例中，在步骤S3之后，还包括如下步骤：
S4：在含有脊波导和光栅的晶元表面采用PECVD设备生长绝缘层。
在脊波导的表面与P型波导层被刻蚀部分的表面制备有绝缘层。
S5：采用电极光刻板图在脊波导的表面进行光刻，利用干法刻蚀工艺制备电极注入结构。
S6：将晶元放入金属膜蒸镀设备中，在脊波导的表面生长P型电极层。
S7：对衬底进行减薄、抛光、清洗，在衬底之上溅射N型电极层，对晶元进行退火工艺，形成欧模接触。
S8：将晶元解理成bar条，在背光面镀增反膜，将bar条解理成芯片。
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单管，包括外延结构，其特征在于，在所述外延结构上刻蚀有脊波导，在所述脊波导上靠近激光器后腔面的位置刻蚀有光栅，所述光栅包括与所述激光器后腔面平行的模式选择区和与所述激光器后腔面形成预设角度的模式过滤区，所述模式选择区用于将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大；所述模式过滤区用于将未被选定的横模反射出所述激光器谐振腔。
2.如权利要求1所述的半导体激光器单管，其特征在于，所述模式过滤区朝所述激光器后腔面的方向倾斜或朝激光器前腔面的方向。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光器单管，其特征在于，所述外延结构包括衬底和从下至上依次制备在所述衬底上的N型波导层、有源层、P型波导层、P型盖层，从所述P型盖层的两侧向下刻蚀至所述P型波导层，使所述P型盖层未被刻蚀的部分形成所述脊波导。
4.如权利要求3所述的半导体激光器单管，其特征在于，在所述脊波导的表面与所述P型波导层被刻蚀部分的表面制备有绝缘层，在所述衬底的底部制备有N型电极层。
5.如权利要求3所述的半导体激光器单管，其特征在于，所述光栅从所述P型盖层向下刻蚀至所述P型波导层。
6.如权利要求5所述的半导体激光器单管，其特征在于，所述光栅为均匀光栅，所述均匀光栅的周期为0.5μm～20μm，所述均匀光栅的占空比为10％～90％，所述均匀光栅的光栅阶数为1阶～100阶。
7.如权利要求3～6中任一项所述的半导体激光器单管，其特征在于，所述半导体激光器单管的腔长为500μm～5000μm，宽度为200μm～800μm，厚度为100μm～300μm。
8.如权利要求7所述的半导体激光器单管，其特征在于，
所述脊波导的脊宽范围为1μm～200μm，所述脊波导的脊长度与激光器腔长相同，所述脊波导的刻蚀深度0.1μm～5μm；
述衬底为GaAs材料或InP材料；
所述N型波导层为AlGaAs材料，Al的重量份为0.05～0.7，所述N型波导层的厚度为0.1μm～10μm，掺杂剂为Si，Si的掺杂浓度为1E16～8E18/cm3；
所述有源层为势垒/量子阱/势垒结构，所述有源层的材料为AlGaAsP/InAlGaAs/AlGaAsP，In的重量份为0～0.5，Al的重量份为0～0.5，P的重量份为0～0.2，所述势垒的厚度为1nm～200nm，所述量子阱的厚度为1nm～20nm；
所述P型波导层为AlGaAs材料，Al的重量份为0.05～0.7，所述P型波导层的厚度为0.1μm～10μm，掺杂剂为C，C的掺杂浓度为1E16～8E18/cm3；
所述P型盖层为GaAs材料，所述P型盖层的厚度为0.1μm～3μm，掺杂剂为C，C的掺杂浓度为1E18～1E20/cm3；
所述P型电极层和所述N型电极层的厚度分别为200nm～500nm，所述P型电极层和所述N型电极层的材料分别为钛、铂、金、镍、锗中两种及以上形成的合金；
所述绝缘层的材料为SiO2或Si3N4，所述绝缘层的厚度为50nm～1000nm。
9.一种半导体激光器阵列，其特征在于，包括阵列布置的如权利要求1～8中任一项所述的半导体激光器单管。
10.一种半导体激光器单管的制备方法，用于制备如权利要求1～8中任一项所述的半导体激光器单管，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制备外延结构；
S2、在所述外延结构上进行刻蚀形成脊波导；
S3、在所述脊波导上进行刻蚀形成光栅；其中，所述光栅包括与所述激光器后腔面平行的模式选择区和与所述激光器后腔面形成预设角度的模式过滤区，所述模式选择区用于将被选定的横模反射回激光器谐振腔内进行振荡放大；所述模式过滤区用于将未被选定的横模反射出所述激光器谐振腔。
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