CN115117734A - 一种具有窗口结构的半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

一种具有窗口结构的半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有窗口结构的半导体激光器及其制备方法。所述激光器包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、N‑限制层、N‑波导层、量子阱有源区、P‑波导层、P‑限制层、接触层、绝缘层以及P面电极；所述P‑限制层上设置有脊形结构，所述脊形结构包括P‑限制层和接触层形成的脊形发光结构，以及绝缘层与脊形发光结构之间的空白区域形成的窗口结构，所述窗口结构位于脊形发光结构的一端，轴对称分布于脊形发光结构两侧。本发明提供的具备窗口结构的半导体激光器，兼具脊形激光器两种常见结构的优势。既可以有效改善光斑，又能够提高光电参数合格率。

Description

一种具有窗口结构的半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体为一种具有窗口结构的半导体激光器及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，半导体激光器的研发与制造也取得了较快的发展，半导体激光器的波长覆盖可以从红外光到蓝绿光，加之其制作相对简单，成本较低且体积较小的优点，现被广泛应用于各个行业，如激光通信、激光医疗、激光加工及光计量等，同时随着应用范围越来越广，对激光器性能及寿命也提出了越来越高的要求。
激光器性能主要通过光斑合格率、阈值电流、斜率效率、峰值功率、工作电压及波长等光电参数来表征，而光电参数影响因素众多，如脊条宽度、激光器腔长、芯片外延结构、工艺设计等等。常见不合格光斑主要有光斑的侧模和多模现象的出现，其主要影响因素是在发光过程中杂光及高阶模的产生，因此减少杂光、抑制高阶模激射是提高光斑合格率的有效手段。
常见的脊形激光器有两种，一是脊条发光区并且脊条两侧无绝缘层；二是除脊条发光区域外都有绝缘层，在实际生产中发现这两种激光器都存在优劣势。脊条发光区并且脊条两侧无绝缘层的激光器，由于脊条两侧不存在介质膜，脊条工作时发出的部分杂光可直接被金属吸收，在一定程度上抑制了高阶模的激射，减少了侧模现象的产生，光斑合格率相对较高，且金属的导热性好，散热更快，从而对管芯寿命也有所提高，但与此同时，由于部分光被金属直接吸收，使得该类激光器会造成较大的光消耗，光电转换效率较低。除脊条发光区域外都有绝缘层的激光器，脊条两侧布满紧致的介质膜时，脊条与金属接触相对较小，金属对光的吸收减少，光损耗减小，因而提高了光电转换效率。但此类激光器也有缺点，即存在“横向波导”效应，介质膜的导热性能远远不及金属，因此其散热性能不好，会使管芯寿命降低。
因此寻求一种可使光斑合格率高且电参数性能好的激光器具有重要意义。
发明内容
为了改善现有技术的不足，本发明提出了一种具有窗口结构的半导体激光器及其制备方法。
一种具备窗口结构的半导体激光器，所述激光器包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、N-限制层、N-波导层、量子阱有源区、P-波导层、P-限制层、接触层、绝缘层以及P面电极；所述P-限制层上设置有脊形结构，所述脊形结构包括P-限制层和接触层形成的脊形发光结构，以及绝缘层与脊形发光结构之间的空白区域形成的窗口结构，所述窗口结构位于脊形发光结构的一端，轴对称分布于脊形发光结构两侧。
根据本发明优选的，所述绝缘层的厚度为50～200nm。
根据本发明优选的，所述脊形发光结构贯穿激光器的整个腔长，上底的宽度为3～10μm，下底的宽度为5～15μm。
根据本发明优选的，所述窗口结构的宽度为15～25μm，长度为80～120μm。
上述具备窗口结构的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、N-限制层、N-波导层、量子阱有源区、P-波导层、P-限制层和接触层，然后腐蚀接触层，得到条形区域；
(2)在条形区域中心，通过喷涂光刻胶、曝光、显影及对P-限制层进行腐蚀得到脊形发光结构，所述脊形发光结构上表面保留光刻胶；
(3)在脊形发光结构及其两侧的表面生长绝缘层，接着将脊形发光结构上表面的绝缘层剥离，然后在脊形发光结构的一侧，以脊形发光结构为对称中心，通过喷涂光刻胶、曝光、显影及对脊形发光结构两侧的绝缘层进行腐蚀，得到含有窗口结构的激光器样品；
(4)将制备好的激光器样品经过沉积电极、减薄、合金化和封装后制备得到具备窗口结构的半导体激光器。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述条形区域贯穿激光器的整个腔长，宽度为35～40μm。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述绝缘层为SiO2介质层，SiO2介质层通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)进行生长。
本发明中，所述窗口结构即是步骤(3)中对脊形发光结构两侧的绝缘层进行腐蚀后形成的区域，在步骤(4)的沉积电极过程中腐蚀后形成的窗口结构区域被生长P面电极的金属所填充。
本发明中，所述喷涂光刻胶、曝光、显影、腐蚀、剥离、沉积电极、减薄、合金化和封装均按照现有技术进行。
本发明的有益效果为:
1.本发明提供的具备窗口结构的半导体激光器，兼具脊形激光器两种常见结构的优势。既可以有效改善光斑，又能够提高散热能力，从而延长激光器使用寿命。窗口区域以脊形发光结构为中心，去除了脊形发光结构两侧的SiO2层，在后续的工艺中，P面电极直接和脊形发光结构两侧接触，在工作状态下脊形发光结构发光，部分光直接被P面电极吸收，使产品在具有较高光电转换效率的同时抑制了高阶模的激射，使得光斑合格率相提高，且金属的导热性好，散热更快，对激光器寿命也有所提高，产品合格率提高，生产成本降低。
2、本发明提供的具备窗口结构的半导体激光器，窗口结构去除了SiO2层，在后续蒸发工艺中可与金属直接接触，金属的导热性较好，因而在工作状态下，激光器具有更好的散热性能，同等条件下，其寿命相对较长。非窗口结构的区域经剥离工艺后，脊形发光结构两侧布满紧致的SiO2介质层，脊形发光结构侧面与金属没有直接接触，金属对光的吸收减少，从而使光损耗减小，光电转换效率高。
3、本发明提供的制备方法可以根据实际生产要求改变窗口区域大小，随着窗口区域大小的变化，被去除的SiO2介质层随之变化，去除的介质层区域增大时，被金属吸收的光增加，损耗增大，光电转换效率降低，其电参数随之发生变化，功率降低，阈值电流相对增大，去除介质层区域减小时，反之。因此可通过实际生产要求筛选出最适合工艺参数的窗口大小，适用于多种不同光电参数要求的激光器制造，提高光电参数合格率。
附图说明
图1是实施例1中所述具有窗口结构的半导体激光器窗口结构截面示意图；
图2是实施例1中所述具有窗口结构的半导体激光器非窗口结构部分截面示意图；
图3是实施例1中所述具有窗口结构的半导体激光器平面示意图；
图4是实施例1中所述激光器和对比例2中所述激光器的光斑对比图。
1、衬底；2、缓冲层；3、N-限制层4、N-波导层；5、量子阱有源区；6、P-波导层7、P-限制层；8、绝缘层；9、P面电极；10、接触层；11、窗口结构；12、脊形结构。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1～3所示，一种具备窗口结构的半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底1、缓冲层2、N-限制层3、N-波导层4、量子阱有源区5、P-波导层6、P-限制层7、接触层、绝缘层8以及P面电极9；所述P-限制层7上设置有脊形结构12，所述脊形结构12包括P-限制层7和接触层10形成的脊形发光结构，以及绝缘层8与脊形发光结构之间的空白区域形成的窗口结构11，所述窗口结构11位于脊形发光结构10的一端，轴对称分布于脊形发光结构10两侧。所述绝缘层为SiO2介质层，厚度为100nm。所述脊形发光结构贯穿激光器的整个腔长，上底的宽度为5μm，下底的宽度为10μm。所述窗口结构的宽度为10μm，长度为100μm。
上述具备窗口结构的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、N-限制层、N-波导层、量子阱有源区、P-波导层、P-限制层和接触层，然后腐蚀接触层，保留接触层覆盖的位于P-限制层中心的条形区域，其余部分露出P-限制层，所述条形区域贯穿激光器的整个腔长，宽度为35μm；
(2)在条形区域中心，通过喷涂光刻胶、曝光、显影及对P-限制层进行腐蚀得到脊形发光结构，所述脊形发光结构上表面保留光刻胶；
(3)在脊形发光结构表面及脊形发光结构两侧的P-限制层表面生长SiO2介质层，接着将脊形发光结构上表面的SiO2介质层剥离，然后在脊形发光结构的一侧，以脊形发光结构为对称中心，通过曝光、显影及对脊形发光结构两侧的绝缘层进行腐蚀，制备出窗口结构，得到含有窗口结构的激光器样品；
(4)将制备好的激光器样品经过沉积电极、减薄、合金化和封装后制备得到具备窗口结构的半导体激光器。
实施例2：
一种具备窗口结构的半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，所述绝缘层的厚度为50nm。
实施例3：
一种具备窗口结构的半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，所述绝缘层的厚度为200nm。
实施例4：
一种具备窗口结构的半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，所述脊形发光结构10贯穿激光器的整个腔长，宽度为3μm
实施例5：
一种具备窗口结构的半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，所述脊形发光结构10贯穿激光器的整个腔长，宽度为10μm。
实施例6：
一种具备窗口结构的半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，所述窗口结构的宽度为15μm，长度为120μm。
实施例7：
一种具备窗口结构的半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，所述窗口结构的宽度为25μm，长度为80μm。
对比例1：
一种半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，脊形发光结构两侧均无绝缘层。
对比例2：
一种半导体激光器，结构同实施例1所述，不同之处在于，脊形发光结构两侧均有绝缘层。
试验例
将实施例1和对比例1所述的激光器进行光斑测试。
光斑测试方法具体如下：
在激光器前方15cm处放置接收纸屏，实施例1和对比例1所述的激光器通入30mA电流后，接收纸上得到测试光斑，结果如图4所示。
由图4可知，使用对比例1激光器得到的光斑如图a，可以看出光斑明显发胖发虚、主光斑发散，边缘多道杂光；使用实施例1激光器得到的光斑如图b，，可以看到光斑为规则的椭圆形，光型均匀上下对称，边缘轮廓分明。
实施例1和对比例1～2所述激光器的各项参数如表1所示。
表1实施例1和对比例1所述激光器参数
斜率效率 阈值电流(mA) 峰值功率(mW) 光斑合格率(％)
实施例1 0.86 10.5 25.3 92
对比例1 0.78 11.2 24.4 91
对比例2 0.92 10.9 24.9 88
通过表1可知，可以看出实施例1所述激光器在光斑合格率方面达到了92％，与对比例1所述激光器91％光斑合格率基本持平，但是相较于对比例2所述激光器88％光斑合格率有明显提高，同时其实施例1所述激光器的阈值电流为10.5mA，峰值功率25.3mW，与对比例2所述激光器10.5mA的阈值电流和24.9mW的峰值功率基本持平，但是相较于对比例1所述激光器的11.2mA的阈值电流和24.4mW的峰值功率有明显优势。说明具备窗口结构的半导体激光器，兼具脊形激光器两种常见结构的优势。既可以有效改善光斑，又能够提高散热能力。

Claims (7)

1.一种具备窗口结构的半导体激光器，所述激光器包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、N-限制层、N-波导层、量子阱有源区、P-波导层、P-限制层、接触层、绝缘层以及P面电极；其特征在于，所述P-限制层上设置有脊形结构，所述脊形结构包括P-限制层和接触层形成的脊形发光结构，以及绝缘层与脊形发光结构之间的空白区域形成的窗口结构，所述窗口结构位于脊形发光结构的一端，轴对称分布于脊形发光结构两侧。
2.根据权利要求1所述的具备窗口结构的半导体激光器，其特征在于，所述所述绝缘层的厚度为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的具备窗口结构的半导体激光器，其特征在于，所述脊形发光结构贯穿激光器的整个腔长，上底的宽度为3～10μm，下底的宽度为5～15μm。
4.根据权利要求1所述的具备窗口结构的半导体激光器，其特征在于，所述窗口结构的宽度为15～25μm，长度为80～120μm。
5.权利要求1所述具备窗口结构的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底上依次生长缓冲层、N-限制层、N-波导层、量子阱有源区、P-波导层、P-限制层和接触层，然后腐蚀接触层，得到位于中心的条形区域；
(2)在条形区域中心，通过喷涂光刻胶、曝光、显影及对P-限制层进行腐蚀得到脊形发光结构，所述脊形发光结构上表面保留光刻胶；
(3)在脊形发光结构及其两侧的表面生长绝缘层，接着将脊形发光结构上表面的绝缘层剥离，然后在脊形发光结构的一侧，以脊形发光结构为对称中心，通过曝光、显影及对脊形发光结构两侧的绝缘层进行腐蚀，得到含有窗口结构的激光器样品；
(4)将制备好的激光器样品经过沉积电极、减薄、合金化和封装后制备得到具备窗口结构的半导体激光器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述条形区域贯穿激光器的整个腔长，宽度为35～40μm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述绝缘层为SiO2介质层，SiO2介质层通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)进行生长。
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