CN114825045B - 抗反射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，提供了一种抗反射激光器及其制备方法，该抗反射激光器包括：衬底、设置在衬底上的半导体层和导电功能层；通过在靠近出光腔面且对应于非波导区的区域设置抗反射凹槽，且抗反射凹槽的两个抗反射槽壁组成的开口朝向反射腔面，这样可以将经出光腔面射入的背反射光线反射回去，增强波导激光器的抗反射，防止激光器与光纤耦合时产生的背反射光线对激光器内部的光场模式传输造成干扰，从而提高了激光激射模式的稳定性，同时由于抗反射凹槽设置在相邻的两个脊波导结构之间，阻断了相邻的两个脊波导结构之间的载流子扩展，起到了电隔离的作用，从而降低了腔面的局部电流密度。

Description

抗反射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及抗反射激光器技术领域，尤其是涉及一种抗反射激光器及其制备方法。

背景技术

抗反射激光器在工业制造，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伸的优势，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，平行于半导体层方向。

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，所以激光器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（即出光腔面和反射腔面）。现有的激光器与光纤耦合时，光纤耦合时产生的背反射光线会反射进入半导体激光腔，形成非线性效应，干扰激光器的正常工作，对激光器的性能和可靠性可能产生严重影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗反射激光器及其制备方法，以解决现激光器与光纤耦合时产生的背反射光线会影响激光器性能的问题。

第一个方面，本发明实施例提供了一种抗反射激光器，包括：衬底、半导体层和导电功能层；所述半导体层形成于所述衬底上；所述半导体层包括沿第一方向延伸且间断设置的多个脊波导结构、以及连接相邻所述脊波导结构的过渡波导结构，所述过渡波导结构沿第二方向的尺寸大于所述脊波导结构沿第二方向的尺寸；其中，所述第一方向为所述抗反射激光器的腔长方向，所述第二方向为所述抗反射激光器的腔宽方向；

所述过渡波导结构包括抗反射凹槽，所述抗反射凹槽靠近所述抗反射激光器的出光腔面设置；所述抗反射凹槽包括两个抗反射槽壁，两个所述抗反射槽壁呈预设夹角且开口朝向所述抗反射激光器的反射腔面，用于反射从所述出光腔面射入的背反射光线；

所述导电功能层位于所述半导体层远离所述衬底的一侧，并覆盖所述抗反射凹槽。

可选地，所述抗反射凹槽沿第二方向的尺寸大于所述脊波导结构沿第二方向的尺寸。

可选地，所述抗反射凹槽包括两个相互连通的子凹槽，两个所述子凹槽关于所述脊波导结构对称设置；所述子凹槽靠近所述出光腔面一侧的槽壁为所述抗反射槽壁。

可选地，所述子凹槽在所述衬底上的正投影轮廓为平行四边形、三角形或者梯形。

可选地，两个所述抗反射槽壁之间的预设夹角为大于80度且小于160度。

可选地，所述半导体层包括多个过渡波导结构，相邻的所述过渡波导结构之间被所述脊波导结构隔开，每个所述过渡波导结构均包括一个所述抗反射凹槽。

可选地，各所述过渡波导结构内的所述抗反射凹槽在所述衬底上的正投影面积，由靠近所述出光腔面的方向向远离所述出光腔面的方向依次增加。

可选地，所述子凹槽的深度沿所述第二方向由靠近所述脊波导结构中心线的位置向远离所述脊波导结构中心线的位置逐渐增加。

可选地，所述半导体层还包括靠近所述反射腔面设置的隔离槽；所述隔离槽的槽底延伸至所述半导体层内部，所述隔离槽被所述导电功能层覆盖。

第二个方面，本发明实施例提供了一种抗反射激光器的制备方法，用于制备第一个方面所述的抗反射激光器，包括：

提供一衬底；

在所述衬底的一侧制备半导体层；

图形化所述半导体层，以形成位于波导区的脊波导结构和位于非波导区的过渡波导结构；

在所述过渡波导结构所在的区域形成抗反射凹槽；

在所述半导体层上形成覆盖所述抗反射凹槽的导电功能层。

本发明实施例至少具有以下技术效果：

本发明实施例提供的抗反射激光器及其制备方法，通过在靠近出光腔面且对应于非波导区的区域设置抗反射凹槽，且抗反射凹槽的两个抗反射槽壁组成的开口朝向反射腔面，这样可以将从出光腔面射入的背反射光线反射回去，增强波导激光器的抗反射，防止激光器与光纤耦合时产生的背反射光线对激光器内部的光场模式传输造成干扰，从而提高了激光激射模式的稳定性，同时由于抗反射凹槽设置在相邻的两个脊波导结构之间，阻断了相邻的两个脊波导结构之间的载流子扩展，起到了电隔离的作用，从而降低了腔面的局部电流密度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种抗反射激光器沿着第二方向的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种抗反射激光器的半导体层在衬底上的投影示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种抗反射激光器的半导体层在衬底上的投影示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种抗反射激光器的半导体层在衬底上的投影示意图；

图5为本发明实施例提供的图2中抗反射凹槽沿A-A的截面示意图；

图6为本发明实施例提供的再一种抗反射激光器的半导体层在衬底上的投影示意图；

图7为本发明实施例提供的一种抗反射激光器的制备方法的流程示意图；

图8为本发明实施例提供的一种抗反射激光器的制备方法中步骤S200对应结构示意图。

图标：100-衬底；101-反射腔面；102-出光腔面；

200-半导体层；201-非波导区；202-波导区；200a-脊波导结构；200b-脊波导沟槽；200c-过渡波导结构；200d-抗反射凹槽；200e-隔离槽；210-第一半导体包层；220-第一半导体波导层；230-量子阱层；240-第二半导体波导层；250-第二半导体包层；260-欧姆接触层；2001-子凹槽；2011-抗反射槽壁；

300-导电功能层；310-介质层；320-金属层。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语），具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式 “一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种抗反射激光器，包括：衬底100以及依次层叠设置在衬底100上的半导体层200和导电功能层300。

具体地，半导体层200包括至少一个非波导区201和多个波导区202。每个非波导区201都布置在相邻的两个波导区202之间（非波导区201靠近出光腔面102设置），并且多个波导区202均沿着第一方向呈间断式分布。其中，第一方向为抗反射激光器的腔长方向，即平行于抗反射激光器的出光腔面102（AR腔面）指向反射腔面101（HR腔面）的方向。

进一步地，半导体层200形成于衬底100上，并且覆盖整个衬底100的表面，主要用于光场模式的传输。半导体层200包括沿第一方向延伸且间断设置的多个脊波导结构200a，脊波导结构200a位于波导区202，脊波导结构200a的两侧为脊波导沟槽200b。相邻的脊波导结构200a之间设有过渡波导结构200c，过渡波导结构200c位于非波导区201。过渡波导结构200c沿第二方向的尺寸大于脊波导结构200a沿第二方向的尺寸，第二方向为抗反射激光器的腔宽方向，即平行于出光腔面102或者反射腔面101的方向。

本实施例中，过渡波导结构200c包括抗反射凹槽200d，抗反射凹槽200d包括两个抗反射槽壁2011，这两个抗反射槽壁2011呈预设夹角α，且两个抗反射槽壁2011形成的开口朝向反射腔面101（或者背向出光腔面102），这样可以将从出光腔面102射入的背反射光线反射回去，避免对激光器内部的光场模式传输造成干扰。

可选地，半导体层200包括依次层叠设置在衬底100上的第一半导体包层210、第一半导体波导层220、量子阱层230、第二半导体波导层240、第二半导体包层250以及欧姆接触层260。其中，脊波导结构200a和过渡波导结构200c均由第二半导体包层250图形化工艺得到，属于第二半导体包层250的一部分。抗反射凹槽200d隔断欧姆接触层，并且向下延伸至第二半导体包层250的内部，可以进一步延伸到第二半导体波导层240。

进一步地，对于整个激光器而言，导电功能层300位于半导体层200（第二半导体包层250）远离衬底100的一侧，并且覆盖抗反射凹槽200d。导电功能层300将欧姆接触层260与外部施加电压的装置进行电连接。

可选地，导电功能层300包括在欧姆接触层260上依次设置的介质层310和金属层320，介质层310填充在抗反射凹槽200d内，即抗反射槽壁2011分界面两侧的传输介质分别为半导体层200和介质层310。

可选地，本实施例中的脊波导沟槽200b沿第二方向延伸至抗反射激光器的边沿（如图2所示）。

可选地，过渡波导结构200c可以沿第二方向延伸至抗反射激光器的边沿，或者不延伸至抗反射激光器的边沿，只要保证能够大于脊波导结构200a沿第二方向的尺寸即可（如图2所示）。

本实施例提供的抗反射激光器，通过在靠近出光腔面102且对应于非波导区201的区域设置抗反射凹槽200d，且抗反射凹槽200d的两个抗反射槽壁2011组成的开口朝向反射腔面101，这样可以将从出光腔面102射入的背反射光线反射回去，增强波导激光器的抗反射，防止激光器与光纤耦合时产生的背反射光线对激光器内部的光场模式传输造成干扰，从而提高了激光器激射模式的稳定性，同时由于抗反射凹槽200d设置在相邻的两个脊波导结构200a之间，阻断了相邻的两个脊波导结构200a之间的载流子扩展，起到了电隔离的作用，从而降低了腔面的局部电流密度。

可选地，继续参阅图2，为了保证抗反射效果，抗反射凹槽200d沿第二方向的尺寸大于脊波导结构200a沿第二方向的尺寸，即抗反射凹槽200d沿第二方向延伸的尺寸越大，其可供反射背反射光线的面积也就越大，这样就能够反射更多的背反射光线，进一步提高激光器的可靠性。

在一些实施例中，继续参阅图2，为了便于描述，本实施例将抗反射凹槽200d看作是两个相互连通的子凹槽2001，这两个子凹槽2001关于脊波导结构200a对称设置，便于提升出光均匀性。每个子凹槽2001包括两个相对设置的槽壁，这两个子凹槽2001靠近出光腔面102一侧的槽壁均为抗反射槽壁2011。

可以理解的是，两个子凹槽2001关于脊波导结构200a沿第一方向的中心线对称设置，两个子凹槽2001之间相互连通，不存在明显的边界。

可选地，两个子凹槽2001关于脊波导结构200a沿第一方向的中心线也可以不完全对称，允许两个子凹槽2001在衬底上的正投影略微存在一定的差别，只要保证不影响抗反射效果即可。

可选地，子凹槽2001在衬底100上的正投影轮廓为平行四边形、三角形或者梯形。例如：当子凹槽2001在衬底100上的正投影轮廓为平行四边形时，整个抗反射凹槽200d在衬底100上的正投影类似于机翼的形状；当子凹槽2001在衬底100上的正投影轮廓为三角形时，整个抗反射凹槽200d在衬底100上的正投影类似于菱形。

可选地，本实施例中的子凹槽2001均采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺，这样能够形成平整光滑且垂直的表面，对背反射光线的反射效果更明显。

本实施例提供的抗反射激光器，将抗反射凹槽200d看作是两个相互连通的子凹槽2001，方便对单独的凹槽进行加工，并且子凹槽2001可以采用不同的轮廓结构，只要保证靠近出光腔面102的槽壁能够反射背反射光线即可，适应范围更广。

可选地，继续参阅图2，为了保证较佳的反射效果，需要对抗反射槽壁2011的夹角进行限定。假设两个抗反射槽壁2011完全对称，且二者之间的预设夹角为α，则其中一个抗反射槽壁2011与脊波导结构200a中心线的夹角为α/2，背反射光线射向抗反射槽壁2011的入射角为90°-α/2。

假设抗反射槽壁2011分界面的全反射临界角为c，全反射角c满足sin(c)=n’/n，其中，反射光所在脊波导结构200a的折射率为n，抗反射凹槽内的介质（介质层310）的折射率为n’，且n’<n，则需要满足（90°-α/2）大于c，这样才能保证实现全反射。

可以理解的是，预设夹角过小会影响抗反射槽壁2011实际可用于反射背反射光线的面积，预设夹角过大会导致背反射光线直接透射，从而起不到反射的效果。

在一个可选的实施例中，两个抗反射槽壁之间的预设夹角α为大于80度且小于160度，例如：α为120度。

在一些实施例中，如图3所示，为了进一步提升抗反射的效果，本实施例中的半导体层200包括多个过渡波导结构200c，每个过渡波导结构200c都设有一个抗反射凹槽200d。

具体地，由于相邻的过渡波导结构200c之间被脊波导结构200a隔开，相当于多个抗反射凹槽200d沿着第一方向间隔设置，并且多个抗反射凹槽200d均设置在靠近出光腔面102的一端。

可以理解的是，当需要设置多个抗反射凹槽200d时，需要预留多个相应的非波导区201，多个非波导区201之间分隔出多个波导区202，并且仅在对应于波导区202的半导体层200形成脊波导结构200a。

可选地，如图4所示，多个抗反射凹槽200d在衬底100上的正投影面积由靠近出光腔面102的方向向远离出光腔面102的方向依次增加，这种结构设计能够保证抗反射效果的同时节约工艺成本。

在一些实施例中，如图5所示，子凹槽2001的深度沿第二方向由靠近脊波导结构200a中心线的位置向远离脊波导结构200a中心线的位置逐渐增加，即子凹槽2001靠近脊波导结构200a中心线区域的槽深较浅，子凹槽2001远离脊波导结构200a中心线区域的槽深较深，这样设计形成的抗反射槽的面积更大，可以反射更多的反射光，更好地实现抗反射和电隔离的作用。

需要说明的是，本实施例可以认为所有脊波导结构200a的中心线都重合，可以看作是沿着第一方向延伸的同一条直线。

在一些实施例中，如图6所示，本实施例中的抗反射激光器的半导体层200除了设置抗反射凹槽200d之外，还包括隔离槽200e。

具体地，隔离槽200e靠近反射腔面101（HR腔面）设置，隔离槽200e位于非波导区201。由于隔离槽200e的槽底具体延伸至半导体层200的第二半导体包层250，隔离槽200e同样被导电功能层300覆盖。隔离槽200e相当于在相邻波导区202之间起到了电隔离的作用，阻隔载流子的传输，有利于降低COMD，从而提高激光器的功率。

需要说明的是，隔离槽200e除了隔断导电功能层300之外，隔离槽200e的槽底所在的平面还可以低于脊波导结构200a的上表面（第二半导体包层250的上表面）所在的平面，这样可以进一步提升隔离效果。

本实施例提供的抗反射激光器，在靠近出光腔面102的一端设置抗反射凹槽200d，同时在靠近反射腔面101的一端且对应于非波导区201的位置设置隔离槽200e，能够进一步提升抗反射和电隔离的效果，从而提升激光器的性能。

可选地，继续参阅图6，本实施例中的隔离槽200e沿第二方向的尺寸大于脊波导结构200a沿第二方向的尺寸（即脊波导结构200a的宽度）。

本实施例中，由于隔离槽200e形成于非波导区201，不受波导区202的脊波导结构200a自身宽度的限制，这样可以将隔离槽200e的宽度制备成大于脊波导结构200a，降低刻蚀工艺的难度，同时也能够进一步降低激光器端部区域内的局部电流密度，从而提升激光器的性能。

基于同一发明构思，如图7所示，本发明实施例还提供了一种抗反射激光器的制备方法，用于制备前述实施例中的抗反射激光器，包括以下步骤：

S100，提供一衬底。

S200，在衬底的一侧制备半导体层。

具体地，如图8所示，在半导体层定义出波导区和非波导区，用于后续形成脊波导结构和过渡波导结构。

S300，图形化半导体层，以形成位于波导区的脊波导结构和位于非波导区的过渡波导结构。

具体地，可以在靠近出光腔面一端的非波导区制备出过渡波导结构，过渡波导结构位于相邻的脊波导结构之间。

S400，在过渡波导结构所在的区域形成抗反射凹槽。

具体地，抗反射凹槽向下延伸至第二半导体包层的内部。

S500，在半导体层上形成覆盖抗反射凹槽的导电功能层。

本实施例提供的抗反射激光器的制备方法，通过在靠近出光腔面102且对应于非波导区201的区域设置抗反射凹槽200d，且抗反射凹槽200d的两个抗反射槽壁2011组成的开口朝向反射腔面101，这样可以将从出光腔面102射入的背反射光线反射回去，增强波导激光器的抗反射，防止激光器与光纤耦合时产生的背反射光线对激光器内部的光场模式传输造成干扰，从而提高了激光激射模式的稳定性，同时由于抗反射凹槽200d设置在相邻的两个脊波导结构200a之间，阻断了相邻的两个脊波导结构200a之间的载流子扩展，起到了电隔离的作用，从而降低了腔面的局部电流密度。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，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。

应该理解的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，附图的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种抗反射激光器，其特征在于，包括：

衬底；

半导体层，所述半导体层形成于所述衬底上；所述半导体层包括沿第一方向延伸且间断设置的多个脊波导结构、以及连接相邻所述脊波导结构的过渡波导结构，所述过渡波导结构沿第二方向的尺寸大于所述脊波导结构沿第二方向的尺寸；其中，所述第一方向为所述抗反射激光器的腔长方向，所述第二方向为所述抗反射激光器的腔宽方向；

所述过渡波导结构包括抗反射凹槽，所述抗反射凹槽靠近所述抗反射激光器的出光腔面设置；所述抗反射凹槽包括两个抗反射槽壁，两个所述抗反射槽壁呈预设夹角，且两个所述抗反射槽壁所形成的开口朝向所述抗反射激光器的反射腔面，用于反射从所述出光腔面射入的背反射光线；

导电功能层，所述导电功能层位于所述半导体层远离所述衬底的一侧，并覆盖所述抗反射凹槽。

2.根据权利要求1所述的抗反射激光器，其特征在于，所述抗反射凹槽沿第二方向的尺寸大于所述脊波导结构沿第二方向的尺寸。

3.根据权利要求2所述的抗反射激光器，其特征在于，所述抗反射凹槽包括两个相互连通的子凹槽，两个所述子凹槽关于所述脊波导结构对称设置；

所述子凹槽靠近所述出光腔面一侧的槽壁为所述抗反射槽壁。

4.根据权利要求3所述的抗反射激光器，其特征在于，所述子凹槽在所述衬底上的正投影轮廓为平行四边形、三角形或者梯形。

5.根据权利要求3所述的抗反射激光器，其特征在于，两个所述抗反射槽壁之间的预设夹角为大于80度且小于160度。

6.根据权利要求1所述的抗反射激光器，其特征在于，所述半导体层包括多个过渡波导结构，相邻的所述过渡波导结构之间被所述脊波导结构隔开，每个所述过渡波导结构均包括一个所述抗反射凹槽。

7.根据权利要求6所述的抗反射激光器，其特征在于，各所述过渡波导结构内的所述抗反射凹槽在所述衬底上的正投影面积，由靠近所述出光腔面的方向向远离所述出光腔面的方向依次增加。

8.根据权利要求3所述的抗反射激光器，其特征在于，所述子凹槽的深度沿所述第二方向由靠近所述脊波导结构中心线的位置向远离所述脊波导结构中心线的位置逐渐增加。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的抗反射激光器，其特征在于，所述半导体层还包括靠近所述反射腔面设置的隔离槽；所述隔离槽的槽底延伸至所述半导体层内部，所述隔离槽被所述导电功能层覆盖。

10.一种抗反射激光器的制备方法，用于制备如权利要求1至9中任一项所述的抗反射激光器，其特征在于，包括：

提供一衬底；

在所述衬底的一侧制备半导体层；

图形化所述半导体层，以形成位于波导区的脊波导结构和位于非波导区的过渡波导结构；

在所述过渡波导结构所在的区域形成抗反射凹槽；

在所述半导体层上形成覆盖所述抗反射凹槽的导电功能层。

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