CN114512897A - 一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器及其制备方法，包括衬底、N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层、绝缘层、N面电极和P面电极，宽条形大功率半导体激光器的脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区。吸收区对侧向传播的光进行吸收损耗，进而使得光无法在侧向解理面处反射，最终使得光振荡无法形成，有效抑制侧向上光的激射。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器芯片制备技术领域，具体涉及到宽条形大功率半导体激光器制备方法，尤其涉及到一种新型的通过侧向吸收区来抑制侧向激射的大功率半导体激光器及其制备方法。
背景技术
宽条形大功率半导体激光器具有输出功率高、制备工艺简单、封装工艺简单以及易于集成和批量生产而得到不断发展，尤其在激光切割、医疗美容以及工业泵浦等领域得到了广泛的应用。通常宽条形大功率半导体激光器采用只腐蚀脊条工艺，即在晶片横向方向上腐蚀出一个深度不超过P型限制层的脊型台。由于目前所采用的晶片一般为GaAs材料，而GaAs材料的自然解理面的反射率为33％左右，因而，在大电流注入下，侧向的光增益很容易导致侧向光振荡并激射，侧向上形成的光模式的振荡与纵向上的光振荡发生模式竞争，使得纵向出光面的输出功率降低，进而降低器件的光电转换效率。并且在大电流注入条件下，电流发生的侧向扩展不可忽略，会进一步加剧侧向激射，同时电流的侧向扩展引起的量子损耗较大，会进一步降低器件的输出功率。
现有公开文献“940nm大功率LD后工艺优化”在芯片的侧向上引入了隔离双沟结构，其与常规的宽条形大功率半导体激光器不同的是在沿芯片的侧向、脊型条的两侧制作了深腐蚀双沟结构，沟深超过外延层，沟内填充介质材料，实现了对注入电流侧向扩展的有效抑制，从而降低了器件的阈值电流、提高了内量子效率、光电转换效率和输出功率。但该方法只是抑制了电流的侧向扩展，而对于侧向上形成的光振荡没有实现有效的抑制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器及其制备方法，该方法通过在脊条两侧增加吸收区，吸收区会对侧向传播的光进行吸收损耗，进而使得光无法在侧向解理面处反射，最终使得光振荡无法形成，有效抑制侧向上光的激射，同时本发明使用深沟结构，进一步抑制光振荡的同时有效抑制电流的侧向扩展。
本发明的技术方案为：
一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，包括衬底、N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层、绝缘层、N面电极和P面电极，所述衬底、N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层、绝缘层、P面电极依次叠层设置在所述N面电极上，所述P型限制层包括本体层和由腐蚀出的本体层突出形成的脊型台，所述欧姆接触层位于所述脊型台的上表面上，所述绝缘层位于脊型台的侧表面以及所述本体层上；所述宽条形大功率半导体激光器的脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区。
吸收区对侧向传播的光进行吸收损耗，进而使得光无法在侧向解理面处反射，最终使得光振荡无法形成，有效抑制侧向上光的激射。
根据本发明优选的，在吸收区内制备有深沟结构。
深沟结构用于抑制电流的侧向扩展，进而达到抑制侧向激射的目的。
根据本发明优选的，所述吸收区包括若干无序的柱状小孔。
吸收区由密集的无序柱状小孔组成，利用的光的散射原理，通过密集的柱状小孔将传播到此处的光散射消耗掉。
根据本发明优选的，所述柱状小孔的深度向下延伸至所述衬底内。
深度延伸至衬底内的作用是更好的降光散射掉，这是由于在半导体激光器中，量子阱有源区产生的光大部分在波导层内传播，有一小部分会进入限制层，本发明将小孔的深度延伸至衬底内的目的是确保小孔完全穿过波导层和限制层，不完全穿过的话会导致散射效果降低，达不到抑制激射的目的。
根据本发明优选的，所述柱状小孔的横截面积小于50μm2。
如果面积太大，会导致孔的数量太少，无法达到将光有效散射消耗掉的目的。
上述宽条形大功率半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在所述衬底上依次生长所述N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层；
(2)在所述欧姆接触层上制备脊型台；
(3)在脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区；
(4)在吸收区内制备有深沟结构；
(5)按照标准半导体激光器制作工艺完成器件的制备。
根据本发明优选的，步骤(2)中，在所述欧姆接触层上制备脊型台，包括步骤如下：
A、在所述欧姆接触层上均匀覆盖一层光刻胶，通过光刻工艺在所述欧姆接触层上表面留下与脊型台宽度一致的光刻胶条形图；
B、利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将所述欧姆接触层上除光刻胶条形图以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度至深入所述P型限制层500～600nm，形成脊型台。
根据本发明优选的，步骤(3)中，在脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区，包括步骤如下：
C、去除光刻胶后重新涂覆一层光刻胶，利用光刻工艺将吸收区区域上的光刻胶去掉；
D、利用电化学腐蚀工艺，在吸收区区域内制备若干无序的柱状小孔，形成所述吸收区。
根据本发明优选的，步骤(4)中，在吸收区内制备有深沟结构，是指：
E、去除光刻胶后重新均匀涂覆一层光刻胶，通过光刻工艺将吸收区内宽度为5～10μm的区域的光刻胶去掉；
G、利用湿法腐蚀工艺制备深沟结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器及其制备方法，可有效解决大电流条件下宽条形大功率半导体激光器的光在侧向上形成震荡进而在侧向上激射的问题。
2、本发明提供的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器及其制备方法在有效抑制侧向激射的同时可有效抑制电流的侧向扩展，进而有效提高宽条形大功率半导体激光器的光电转换效率、输出功率以及内量子效率等。
附图说明
图1是本发明提供的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器的整体结构示意图；
图2是本发明提供的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器的腔面正视示意图；
图3是本发明提供的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器的腔面俯视示意图；
图4是现有普通的与本发明带有吸收区的宽条形大功率半导体激光器的测试结果示意图；
1、P面电极；2、欧姆接触层；3、绝缘层；4、P型限制层；5、P型波导层；6、有源层；7、N型波导层；8、N型限制层；9、衬底；10、N面电极；11、深沟结构；12、吸收区。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，如图1、图2及图3所示，包括衬底9、N型限制层8、N型波导层7、有源层6、P型波导层5、P型限制层4、欧姆接触层2、绝缘层3、N面电极10和P面电极1，衬底9、N型限制层8、N型波导层7、有源层6、P型波导层5、P型限制层4、欧姆接触层2、绝缘层3、P面电极1依次叠层设置在N面电极10上，P型限制层4包括本体层和由腐蚀出的本体层突出形成的脊型台，欧姆接触层2位于脊型台的上表面上，绝缘层3位于脊型台的侧表面以及本体层上；宽条形大功率半导体激光器的脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区12。
吸收区12对侧向传播的光进行吸收损耗，进而使得光无法在侧向解理面处反射，最终使得光振荡无法形成，有效抑制侧向上光的激射。
实施例2
根据实施例1所述的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，在吸收区12内制备有深沟结构11。
深沟结构11用于抑制电流的侧向扩展，进而达到抑制侧向激射的目的。
实施例3
根据实施例1或2所述的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，
吸收区12包括若干无序的柱状小孔。吸收区12由密集的无序柱状小孔组成，利用的光的散射原理，通过密集的柱状小孔将传播到此处的光散射消耗掉。
柱状小孔的深度向下延伸至衬底9内。深度延伸至衬底9内的作用是更好的降光散射掉，这是由于在半导体激光器中，量子阱有源区产生的光大部分在波导层内传播，有一小部分会进入限制层，本发明将小孔的深度延伸至衬底9内的目的是确保小孔完全穿过波导层和限制层，不完全穿过的话会导致散射效果降低，达不到抑制激射的目的。
柱状小孔的横截面积小于50μm2。如果面积太大，会导致孔的数量太少，无法达到将光有效散射消耗掉的目的。
实施例4
实施例1-3任一所述宽条形大功率半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底9上依次生长N型限制层8、N型波导层7、有源层6、P型波导层5、P型限制层4、欧姆接触层2；
(2)在欧姆接触层2上制备脊型台；
(3)在脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区12；
(4)在吸收区12内制备有深沟结构11；
(5)按照标准半导体激光器制作工艺完成器件的制备。
步骤(2)中，在欧姆接触层2上制备脊型台，包括步骤如下：
A、在欧姆接触层2上均匀覆盖一层光刻胶，通过光刻工艺在欧姆接触层2上表面留下与脊型台宽度一致的光刻胶条形图；
B、利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将欧姆接触层2上除光刻胶条形图以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度至深入P型限制层4 500～600nm，形成脊型台。
步骤(3)中，在脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区12，包括步骤如下：
C、去除光刻胶后重新涂覆一层光刻胶，利用光刻工艺将吸收区12区域上的光刻胶去掉；
D、利用电化学腐蚀工艺，在吸收区12区域内制备若干无序的柱状小孔，形成吸收区12。
步骤(4)中，在吸收区12内制备有深沟结构11，是指：
E、去除光刻胶后重新均匀涂覆一层光刻胶，通过光刻工艺将吸收区12内宽度为5～10μm的区域的光刻胶去掉；
G、利用湿法腐蚀工艺制备深沟结构11。
将同一外延片分为两半后进行工艺制备，图4是现有普通的与本发明带有吸收区的宽条形大功率半导体激光器的测试结果示意图，采用本发明所提供的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器的斜率效率、输出功率以及光电转换效率明显高于传统的宽条形大功率半导体激光器，同时相同注入电流条件下，本发明所制备的器件的电压明显小于普通的激光器，这说明其内量子效率较高。
Claims (9)
1.一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，其特征在于，包括衬底、N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层、绝缘层、N面电极和P面电极，所述衬底、N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层、绝缘层、P面电极依次叠层设置在所述N面电极上，所述P型限制层包括本体层和由腐蚀出的本体层突出形成的脊型台，所述欧姆接触层位于所述脊型台的上表面上，所述绝缘层位于脊型台的侧表面以及所述本体层上；所述宽条形大功率半导体激光器的脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区。
2.根据权利要求1所述的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，其特征在于，在吸收区内制备有深沟结构。
3.根据权利要求1所述的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，其特征在于，所述吸收区包括若干无序的柱状小孔。
4.根据权利要求1所述的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状小孔的深度向下延伸至所述衬底内。
5.根据权利要求1所述的一种通过侧向吸收区来抑制侧向激射的宽条形大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状小孔的横截面积小于50μm2。
6.权利要求1-5任一所述宽条形大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)在所述衬底上依次生长所述N型限制层、N型波导层、有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层；
(2)在所述欧姆接触层上制备脊型台；
(3)在脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区；
(4)在吸收区内制备有深沟结构；
(5)按照标准半导体激光器制作工艺完成器件的制备。
7.根据权利要求6所述的宽条形大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在所述欧姆接触层上制备脊型台，包括步骤如下：
A、在所述欧姆接触层上均匀覆盖一层光刻胶，通过光刻工艺在所述欧姆接触层上表面留下与脊型台宽度一致的光刻胶条形图；
B、利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将所述欧姆接触层上除光刻胶条形图以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度至深入所述P型限制层500～600nm，形成脊型台。
8.根据权利要求6所述的宽条形大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在脊条两侧各制备有用于对光进行吸收损耗的吸收区，包括步骤如下：
C、去除光刻胶后重新涂覆一层光刻胶，利用光刻工艺将吸收区区域上的光刻胶去掉；
D、利用电化学腐蚀工艺，在吸收区区域内制备若干无序的柱状小孔，形成所述吸收区。
9.根据权利要求6-8任一所述的宽条形大功率半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，在吸收区内制备有深沟结构，是指：
E、去除光刻胶后重新均匀涂覆一层光刻胶，通过光刻工艺将吸收区内宽度为5～10μm的区域的光刻胶去掉；
G、利用湿法腐蚀工艺制备深沟结构。
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