CN115207763A - 一种边发射半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种边发射半导体激光器及其制备方法，边发射半导体激光器包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的有源层；位于所述有源层上的第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区；位于所述脊形区中的若干第一刻蚀槽，所述若干第一刻蚀槽沿着出光方向间隔排布；位于脊形区中的若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽一一对应，任意一个所述氧化层组包括至少一个氧化层，所述氧化层位于第一刻蚀槽的周围，所述氧化层在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区的折射率。所述边发射半导体激光器能放大基模、抑制高阶模式。

Description

一种边发射半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种边发射半导体激光器及其制备方法。
背景技术
边发射激光芯片(Edge Emitting Laser Chip)是一种半导体激光器，通过向边发射激光芯片施加正向电压从而持续注入电流(外部激励)，使得电子空穴在有源区复合产生受激辐射光子，受激辐射光子在前腔面和后腔面之间的共振腔内反复振荡，同时激发出更多的受激辐射光子，从而实现光放大，当光子的增益高过阈值时，就可以从前腔面射出形成激光。由于受激辐射的作用，光子的光学性质高度一致，所以激光相比普通光源(阳光/白炽灯/LED等)有更好的单色性和方向性，也有更高的亮度。边发射激光芯片由于其良好的光学特性，小尺寸，低成本和简易的封装形式，已经被大量用于工业加工、通信、传感、医疗等领域。
在通信领域，长距离的核心网传输和跨洋传输需要以激光为信息载体。随着传输距离的增加，激光信号会逐步衰减，需要光放大器(EDFA)在泵浦光源作用下，对光信号进行放大，其中的泵浦光源需要提供单模激光(单横模)，单模光功率一般在百mW级。该泵浦光源一般为边发射激光芯片，为了实现单模输出，激光芯片的条宽(即：脊波导宽度)需要收窄到3微米～4微米，但这极大的限制了单模功率的提升。为了提升光功率，则需要扩大激光芯片的条宽，但这会导致多模的产生，无法满足需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种边发射半导体激光器及其制备方法，以解决现有技术中无法兼顾边发射半导体激光器在放大基模的同时抑制高阶模式的问题。
本发明提供一种边发射半导体激光器，包括：半导体衬底层；位于所述半导体衬底层上的有源层；位于所述有源层上的第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区；位于所述脊形区中的若干第一刻蚀槽，所述若干第一刻蚀槽沿着出光方向间隔排布；位于脊形区中的若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽一一对应，任意一个所述氧化层组包括至少一个氧化层，所述氧化层位于第一刻蚀槽的周围，所述氧化层在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区的折射率。
可选的，每个所述氧化层组包括在垂直于所述半导体衬底层的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层。
可选的，所述第一刻蚀槽在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层表面的投影图形包括椭圆形或橄榄型。
可选的，所述第一半导体包层包括：上限制层和上波导层，所述上波导层位于所述上限制层和所述有源层之间；第一刻蚀槽位于所述上限制层中且未延伸至所述上波导层中，所述氧化层位于所述上限制层中；或者，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，所述氧化层仅位于所述上限制层中；或者，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，所述氧化层仅位于上波导层中；或者，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，部分氧化层位于所述上限制层，部分氧化层位于上波导层中。
可选的，所述第一刻蚀槽在出光方向上的最大宽度为3微米～30微米。
可选的，还包括：位于第一刻蚀槽中的填充层，所述填充层材料包括Si、Si3N4、SiO2、Al2O3、ZnSe或光敏苯并环丁烯。
可选的，各所述氧化层的厚度为0.01微米～0.05微米。
可选的，所述氧化层的在出光方向排布的侧壁在半导体衬底层的表面的投影呈圆弧状。
可选的，在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区沿着出光方向上的最大尺寸为0.1mm～0.5mm。
可选的，所述脊形区的宽度与所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸之差大于或等于10微米。
可选的，所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸大于或等于5微米。
可选的，所述氧化层的在出光方向排布的侧壁的曲率半径为0.1mm～10mm。
可选的，相邻的氧化层之间的脊形区的折射率与所述氧化层的折射率之差为0.003～0.01。
可选的，所述氧化层的材料包括氧化铝。
可选的，所述脊形区的宽度为90um～300um。
本发明还提供一种边发射半导体激光器的制备方法，包括：提供半导体衬底层；在所述半导体衬底层上形成有源层；在所述有源层背离所述半导体衬底层的一侧形成第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区；在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；在所述脊形区中形成若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽一一对应，形成任意一个所述氧化层组的步骤包括形成至少一个氧化层，所述氧化层位于第一刻蚀槽的周围，所述氧化层在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区的折射率。
可选的，形成所述氧化层组的步骤包括：形成在垂直于所述半导体衬底层的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层。
可选的，所述第一半导体包层包括：上限制层和上波导层，所述上波导层位于所述上限制层和所述有源层之间；在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成氧化层；或者，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成氧化层；或者，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上波导层中形成氧化层；或者，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成部分氧化层，在所述上波导层中形成部分氧化层。
本发明提供的技术方案，具有如下效果：
本发明技术方案提供的边发射半导体激光器，在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区作为第一透镜区。多个第一透镜区构成沿脊形区的延伸方向上的级联，且相邻的前腔面和氧化层之间、以及相邻的后腔面和氧化层之间均形成第二透镜区，多个第一透镜区和第二透镜区的存在使得前腔面和后腔面的谐振腔对光的模式具有选择性。多个第一透镜区和第二透镜区对谐振腔中的光具有放大发散的作用。高阶模光在谐振腔中与光轴的方向的夹角相对于基模光与光轴的方向的夹角较大。在多个第一透镜区和第二透镜区的作用下，将高阶模光与光轴的方向的夹角进一步放大，使得高阶模光有散射逃逸的倾向，增大了高阶模光的损耗。当有源层的增益足够大时，可使得沿光轴的方向的基模在谐振腔产生激射，而其他高阶模式由于损耗过大无法激射，进而实现了放大基模同时抑制高阶模式的效果。
其次，结合氧化层和第一刻蚀槽使得对工艺技术要求较低，工艺稳定性波动较小，进而使得良率和可靠性提高。
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是本发明一实施例的边发射半导体激光器的结构示意图；
图2为沿着图1中切割线M－N的剖面图；
图3为对应图2的俯视图；
图4至图9为本发明一实施例中边发射半导体激光器制备过程中的结构示意图；
图10至图12为本发明一实施例中边发射半导体激光器中的光路示意图。
具体实施方式
下面将结合附图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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种边发射半导体激光器，结合参考图1、图2和图3，包括：
半导体衬底层100；
位于所述半导体衬底层100上的有源层130；
位于所述有源层130上的第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区A；
位于所述脊形区A中的若干第一刻蚀槽201(参考图7)，所述若干第一刻蚀槽沿着出光方向间隔排布；
位于脊形区A中的若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽一一对应，任意一个所述氧化层组包括至少一个氧化层210，所述氧化层210位于第一刻蚀槽的周围，氧化层210在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层210的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层210之间的脊形区A的折射率。
需要说明的是，出光方向指的是：脊形区A的长度延伸方向，出光方向垂直于边发射半导体激光器的慢轴方向且垂直于边发射半导体激光器的快轴方向。
所述边发射半导体激光器具有相对设置的前腔面和后腔面，后腔面的反射率大于前腔面的反射率。光从前腔面出射。
本实施例的边发射半导体激光器，在出光方向上相邻的氧化层210之间的脊形区A作为第一透镜区。多个第一透镜区构成沿脊形区的延伸方向上的级联，且相邻的前腔面和氧化层之间、以及相邻的后腔面和氧化层之间均形成第二透镜区，多个第一透镜区和第二透镜区的存在使得前腔面和后腔面的谐振腔对光的模式具有选择性。多个第一透镜区和第二透镜区对谐振腔中的光具有放大发散的作用。高阶模光在谐振腔中与光轴的方向的夹角相对于基模光与光轴的方向的夹角较大。在多个第一透镜区和第二透镜区的作用下，将高阶模光与光轴的方向的夹角进一步放大，使得高阶模光有散射逃逸的倾向，增大了高阶模光的损耗。当有源层的增益足够大时，可使得沿光轴的方向的基模在谐振腔产生激射，而其他高阶模式由于损耗过大无法激射，进而实现了放大基模同时抑制高阶模式的效果。
其次，结合氧化层和第一刻蚀槽使得对工艺技术要求较低，工艺稳定性波动较小，进而使得良率和可靠性提高。
所述边发射半导体激光器还包括：位于所述第一刻蚀槽中的填充层200，所述填充层材料包括Si、Si3N4、SiO2、Al2O3、ZnSe或光敏苯并环丁烯。所述填充层200结构稳定，不导电，具有一定的散热性。
所述第一半导体包层包括：上限制层150和上波导层140，上波导层140位于上限制层150和有源层130之间。
所述边发射半导体激光器还包括：位于半导体衬底层100上的下限制层110和下波导层120，下波导层120位于下限制层110和有源层130之间。
参考图3，所述第一刻蚀槽在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层100表面的投影图形为椭圆形，相应的，填充层200在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层100表面的投影图形为椭圆形。
在其他实施例中，第一刻蚀槽在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层100表面的投影图形为橄榄型，填充层200在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层100表面的投影图形为橄榄型。
在一个实施例中，各第一刻蚀槽沿着出光方向周期排布，也就是，各第一刻蚀槽之间的间距相等。在其他实施例中，各第一刻蚀槽也沿着可以非周期排布。
各第一刻蚀槽的深度均小于或等于所述第一半导体包层的厚度。
需要说明的是，在一个实施例中，每个第一刻蚀槽的尺寸和形状均对应一致。各氧化层的尺寸和形状均对应一致。
在一个实施例中，所述第一刻蚀槽在出光方向上的最大宽度为3微米～30微米，例如3微米、5微米、10微米、15微米、20微米、25微米或30微米。
本实施例中，每个所述氧化层组包括在垂直于所述半导体衬底层100的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层210。也就是说，任一个氧化层组包括个在纵向方向间隔排布的若干氧化层210。这样的好处在于：垂直于所述半导体衬底层100的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层210所在的区域的总等效折射率变小，使得纵向上的多个氧化层210所在的区域的总等效折射率与第一透镜区的折射率之差变小，这样对于高阶模的损耗有帮助。
具体的，参考图2，任一个氧化层组包括个在纵向方向间隔排布的两个氧化层210。还可以是：任一个氧化层组包括个在纵向方向间隔排布的三个以上的氧化层。
在其他实例中，任一个氧化层组包括个在纵向方向间隔排布的一个氧化层。
本实施例中，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，部分氧化层位于所述上限制层，部分氧化层位于上波导层中。
在另一个实施例中，第一刻蚀槽位于所述上限制层中且未延伸至所述上波导层中，所述氧化层位于所述上限制层中。
在另一个实施例中，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，所述氧化层仅位于所述上限制层中。
在另一个实施例中，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，所述氧化层仅位于上波导层中。
在一个实施例中，所述氧化层210的厚度为0.01微米～0.05微米，例如0.01微米、0.02微米、0.03微米、0.04微米或0.05微米。这样设置的好处在于：氧化层的厚度较厚，氧化层210所在的区域的总等效折射率变小，使得氧化层210所在的区域的总等效折射率与第一透镜区的折射率之差变小，这样对于高阶模的损耗有帮助。
在一个实施例中，所述氧化层210的在出光方向排布的侧壁在半导体衬底层的表面的投影呈圆弧状。
在一个实施例中，在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区沿着出光方向上的最大尺寸L为0.1mm～0.5mm。这样设置的好处在于：L不至于过大，使得在出光方向上尽量多设置第一透镜区，这样对高阶模的光的损耗较大；L不至于过小，第一透镜区的凹面的凹进程度具有较大的空间，对第一透镜区的放大系数的提高有帮助。
在一个实施例中，所述脊形区的宽度与所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸之差为大于或等于10微米，例如10微米、11微米、12微米或13微米。这样设置的好处在于：第一刻蚀槽在脊形区的宽度方向上两侧的侧壁不至于过薄，这样使得后续形成填充层的工艺和一些清洗工艺中，避免降低第一刻蚀槽的结构稳定性。
在一个实施例中，所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸大于或等于5微米，例如6微米，7微米或者8微米。第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸大于或等于5微米，使得第一刻蚀槽的深度控制容易，且深度的均匀性较好。
本实施例中，所述氧化层210沿着慢轴方向上的长度尺寸大于所述脊形区A的宽度。在其他实施例中，氧化层沿着慢轴方向上的长度尺寸小于或等于脊形区A的宽度。
在一个实例中，对于围绕第一刻蚀槽的氧化层210，第一刻蚀槽在出光方向上的单侧的氧化层210的尺寸为5微米～20微米，例如5微米、8微米、10微米、12微米、15微米、18微米或20微米。若第一刻蚀槽在出光方向上的单侧的氧化层210的尺寸过大，则对脊形区的应力较大，且器件的电阻较大；若第一刻蚀槽在出光方向上的单侧的氧化层210的尺寸过小，则氧化层210所在区域的等效折射率的减小程度较小。
在一个实施例中，所述氧化层210的在出光方向排布的侧壁的曲率半径为0.1mm～10mm。若氧化层210的在出光方向排布的侧壁的曲率半径过大，则对第一透镜区的放大系数的提高帮助较小；若氧化层210的在出光方向排布的侧壁的曲率半径过小，则工艺难度较大。
在一个实施例中，相邻的氧化层210之间的脊形区A的折射率与所述氧化层210的折射率之差为0.003～0.01。
所述氧化层210的材料包括氧化铝。
在一个实施例中，所述脊形区A的宽度为90um～300um，例如，90um、100um、110um、120um、150um、200um、250um或300um。由于脊形区A的宽度较大，这样使得脊形区A发出的光的功率提高。脊形区A的宽度指的是在慢轴方向上的尺寸。
本发明另一实施例中还提供一种边发射半导体激光器的制备方法，下面结合图4至图9进行详细的说明书。
参考图4和图5，图5为沿图4中切割线M－N的剖面图，提供半导体衬底层100；在所述半导体衬底层100上形成有源层130；在所述有源层130背离所述半导体衬底层100的一侧形成第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区A。
形成所述第一半导体包层的方法包括：在所述有源层130上形成上波导层140；在所述上波导层140上形成上限制层150。
所述边发射半导体激光器的制备方法还包括：在形成有源层130之前，在所述半导体衬底层100上形成下限制层110；在下限制层110上形成下波导层120；所述有源层130形成在下波导层120上。
在一个实施例中，所述脊形区A的宽度为90um～300um，例如，90um、100um、110um、120um、150um、200um、250um或300um。
继续参考图4和图5，在所述第一半导体包层中形成第二刻蚀槽160，第二刻蚀槽160用于定义出脊形区A的位置。
第二刻蚀槽可以仅位于上限制层150中，第二刻蚀槽也可以位于上限制层150和上波导层140中。图4中以第二刻蚀槽位于上限制层150和上波导层140中为示例。
参考图6，图6为在图5基础上的示意图，在所述脊形区A中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽201。
本实施例中，在所述脊形区A中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层150中和所述上波导层140中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽201。
在其他实施例中，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽。
所述第一刻蚀槽201在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层100表面的投影图形为椭圆形或橄榄型。
在一个实施例中，所述第一刻蚀槽201在出光方向上的最大宽度为3微米～30微米。
参考图7，在所述脊形区A中形成若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽201一一对应，形成任意一个所述氧化层组的步骤包括形成至少一个氧化层210，所述氧化层210位于第一刻蚀槽的周围，所述氧化层210在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层210的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层210之间的脊形区A的折射率。
形成所述氧化层210的工艺为氧化工艺。
本实施例中，采用氧化工艺形成氧化层210，通过一次外延(避免外延再生长工艺)即可实现级联透镜不稳定谐振腔，从而提升边发射半导体激光器的良率和可靠性。
本实施例中，每个所述氧化层组包括在垂直于所述半导体衬底层100的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层210。也就是说，任一个氧化层组包括个在纵向方向间隔排布的若干氧化层210。在其他实例中，任一个氧化层组包括个在纵向方向间隔排布的一个氧化层。
本实施例中，形成至少一个氧化层210的步骤包括：在所述上限制层中形成部分氧化层210，在所述上波导层中形成部分氧化层210。
需要说明的是，本实施例中，上限制层的部分厚度的位置为高铝膜，上波导层的部分厚度的位置为高铝膜，第一刻蚀槽的侧壁暴露出的高铝膜被氧化，从而形成氧化层210。高铝膜的材料为AlxGa1－xAs，x为0.94～1，高铝膜中的P型掺杂离子的掺杂浓度为1E16atom/cm3～2E20atom/cm3。在氧化之前，上限制层中的高铝膜的厚度为10纳米至50纳米，上波导层中的高铝膜的厚度为10纳米至50纳米。
在其他实施例中，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成氧化层。相应的，上限制层的部分厚度的位置为高铝膜，第一刻蚀槽的侧壁暴露出的高铝膜被氧化，从而形成氧化层。高铝膜其他描述参照前述内容，不再详述。
在其他实施例中，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成氧化层。相应的，上限制层的部分厚度的位置为高铝膜，第一刻蚀槽的侧壁暴露出的高铝膜被氧化，从而形成氧化层。高铝膜其他描述参照前述内容，不再详述。
在其他实施例中，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上波导层中形成氧化层。相应的，上波导层的部分厚度的位置为高铝膜，第一刻蚀槽的侧壁暴露出的高铝膜被氧化，从而形成氧化层。高铝膜其他描述参照前述内容，不再详述。
在一个实施例中，所述氧化工艺为湿法氧化，在水蒸气中的氢原子的催化作用下，水中的氧原子O与AlxGa1－xAs中的铝原子在高温下反应生成固态的氧化铝Al2O3，副反应物为液态的氧化砷As2O3和氢气H2(其中氧化砷As2O3还会继续与氢H反应生成As和H2O，所以H原子可被看成催化剂)。其化学反应式为
2AlAs+6H2O＝Al2O3+As2O3+6H2；
As2O3+3H2＝2As+3H2O或As2O3+6H＝2As+3H2O。
其中AlAs来自于AlxGa1－xAs，Al组分x大小与氧化速率有关，Al组分越高，反应速度越快。
在一个实施例中，各所述氧化层210的厚度为10纳米～50纳米。
在一个实施例中，所述氧化层210的在出光方向排布的侧壁在半导体衬底层的表面的投影呈圆弧状。
在一个实施例中，在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区沿着出光方向上的最大尺寸为0.1mm～0.5mm。
在一个实施例中，所述脊形区的宽度与所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸之差大于或等于10微米。
在一个实施例中，所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸大于或等于5微米。
在一个实施例中，所述氧化层210的在出光方向排布的侧壁的曲率半径为0.1mm～10mm。
在一个实施例中，相邻的氧化层210之间的脊形区A的折射率与所述氧化层210的折射率之差为0.003～0.01。
所述氧化层210的材料包括氧化铝。
所述边发射半导体激光器还包括：位于所述第一刻蚀槽中的填充层200，所述填充层材料包括Si、Si3N4、SiO2、Al2O3、ZnSe或光敏苯并环丁烯。
在一个实施例中，所述脊形区A的宽度为90um～300um，例如，90um、100um、110um、120um、150um、200um、250um或300um。
本实施例中，在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区作为第一透镜区。多个第一透镜区构成沿脊形区的延伸方向上的级联，且相邻的前腔面和氧化层之间、以及相邻的后腔面和氧化层之间均形成第二透镜区，多个第一透镜区和第二透镜区的存在使得前腔面和后腔面的谐振腔对光的模式具有选择性。多个第一透镜区和第二透镜区对谐振腔中的光具有放大发散的作用。高阶模光在谐振腔中与光轴的方向的夹角相对于基模光与光轴的方向的夹角较大。在多个第一透镜区和第二透镜区的作用下，将高阶模光与光轴的方向的夹角进一步放大，使得高阶模光有散射逃逸的倾向，增大了高阶模光的损耗。当有源层的增益足够大时，可使得沿光轴的方向的基模在谐振腔产生激射，而其他高阶模式由于损耗过大无法激射，进而实现了放大基模同时抑制高阶模式的效果。
若采用一次外延和二次外延中的工艺总会增加外延材料的缺陷和脏污程度，所以外延再生长的工艺需要很高的技术门槛，且工艺稳定性波动较大，进而会影响良率和可靠性。
而本申请中，下波导层、下限制层、有源层、上波导层和上限制层依次在一道外延工艺制程中连续形成，不需要进行两次间隔的外延工艺。这样使得工艺稳定性波动小，良率和可靠性高。
在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区为第一透镜区。氧化层和填充层构成的区域的等效折射率no小于第一透镜区的等效折射率na，na的数值取决于整个外延材料，no的数值取决于外延材料和氧化层。
相邻的前腔面和氧化层之间、以及相邻的后腔面和氧化层之间均形成第二透镜区。
参考图10～12，图11为图10中虚线框Q1对应的光路图，图12为图10中虚线框Q2对应的光路图，图11为对第一透镜区的工作原理进行说明，图12对第二透镜区的工作原理进行说明，根据成像原理，图11和图12中前后虚光源(VP+和VP－)的位置V、第一透光区或第二透光区在出光方向上的最大长度L、氧化层的在出光方向排布的侧壁的曲率半径R的关系为：
Figure BDA0003756395210000131
Figure BDA0003756395210000132
其中，R1为第一透镜区的等效曲率半径，R2为第二透镜区的凹面的等效曲率半径。
Figure BDA0003756395210000141
Figure BDA0003756395210000142
其中，M1为第一透镜区的放大系数，M2为第二透镜区的放大系数。
放大系数可理解为对单模光斑尺寸的扩大程度，数值越大，代表可在更宽的脊形区保持单模输出，从而提升单模功率。
若干第一透镜区和第二透镜区级联的总放大系数为若干第一透镜区的放大系数以及两个第二透镜区的放大系数的乘积。
在一个实例中，第一透镜区沿着出光方向上的最大长度L为0.1mm～0.5mm，第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸大于或等于5微米，脊形区的宽度与所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸之差大于或等于10微米，所述氧化层的在出光方向排布的侧壁的曲率半径为0.1mm～10mm，相邻的氧化层之间的脊形区的折射率与所述氧化层的折射率之差为0.003～0.01，计算所得单个第一透镜区的光斑放大系数为1.01～1.6，当级联10个第一透镜区之后，总放大倍率可达1.1～100。
参考图8，在所述第一刻蚀槽201中形成填充层200。
参考图9，在部分所述第一半导体包层上形成钝化层170，钝化层170暴露出脊形区A；在脊形区A上形成正面电极层180；在半导体衬底层100背离所述有源层130的一侧表面形成背面电极层190。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (18)

1.一种边发射半导体激光器，其特征在于，包括：
半导体衬底层；
位于所述半导体衬底层上的有源层；
位于所述有源层上的第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区；
位于所述脊形区中的若干第一刻蚀槽，所述若干第一刻蚀槽沿着出光方向间隔排布；
位于脊形区中的若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽一一对应，任意一个所述氧化层组包括至少一个氧化层，所述氧化层位于第一刻蚀槽的周围，所述氧化层在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区的折射率。
2.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，每个所述氧化层组包括在垂直于所述半导体衬底层的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层。
3.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述第一刻蚀槽在出光方向排布的侧壁在所述半导体衬底层表面的投影图形包括椭圆形或橄榄型。
4.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述第一半导体包层包括：上限制层和上波导层，所述上波导层位于所述上限制层和所述有源层之间；
第一刻蚀槽位于所述上限制层中且未延伸至所述上波导层中，所述氧化层位于所述上限制层中；
或者，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，所述氧化层仅位于所述上限制层中；
或者，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，所述氧化层仅位于上波导层中；
或者，第一刻蚀槽位于所述上限制层和所述上波导层中，部分氧化层位于所述上限制层，部分氧化层位于上波导层中。
5.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述第一刻蚀槽在出光方向上的最大宽度为3微米～30微米。
6.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，还包括：位于第一刻蚀槽中的填充层，所述填充层材料包括Si、Si3N4、SiO2、Al2O3、ZnSe或光敏苯并环丁烯。
7.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，各所述氧化层的厚度为0.01微米～0.05微米。
8.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述氧化层的在出光方向排布的侧壁在半导体衬底层的表面的投影呈圆弧状。
9.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区沿着出光方向上的最大尺寸为0.1mm～0.5mm。
10.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述脊形区的宽度与所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸之差大于或等于10微米。
11.根据权利要求10所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述第一刻蚀槽沿慢轴方向上的尺寸大于或等于5微米。
12.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述氧化层的在出光方向排布的侧壁的曲率半径为0.1mm～10mm。
13.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，相邻的氧化层之间的脊形区的折射率与所述氧化层的折射率之差为0.003～0.01。
14.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述氧化层的材料包括氧化铝。
15.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器，其特征在于，所述脊形区的宽度为90um～300um。
16.一种边发射半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底层；
在所述半导体衬底层上形成有源层；
在所述有源层背离所述半导体衬底层的一侧形成第一半导体包层，所述第一半导体包层包括脊形区；
在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；
在所述脊形区中形成若干氧化层组，各氧化层组间隔设置，氧化层组与第一刻蚀槽一一对应，形成任意一个所述氧化层组的步骤包括形成至少一个氧化层，所述氧化层位于第一刻蚀槽的周围，所述氧化层在出光方向排布的侧壁向外凸出，所述氧化层的折射率小于在出光方向上相邻的氧化层之间的脊形区的折射率。
17.根据权利要求16所述的边发射半导体激光器的制备方法，其特征在于，形成所述氧化层组的步骤包括：形成在垂直于所述半导体衬底层的表面的方向上若干个间隔排布的氧化层。
18.根据权利要求16所述的边发射半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述第一半导体包层包括：上限制层和上波导层，所述上波导层位于所述上限制层和所述有源层之间；
在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成氧化层；
或者，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成氧化层；
或者，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上波导层中形成氧化层；
或者，在所述脊形区中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽的步骤包括：在所述上限制层中和所述上波导层中形成沿着出光方向间隔排布的若干第一刻蚀槽；形成至少一个氧化层的步骤包括：在所述上限制层中形成部分氧化层，在所述上波导层中形成部分氧化层。
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