CN115207775B - 一种基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器领域。所述半导体激光器的波导掩埋在N型衬底内部，不需要在外延生长有源区之后再在P侧制备脊条，从而可以有效降低激光器串联电阻。再结合P侧贴片技术，又可以有效降低热阻，从而可以保证激光器的高温特性不致劣化。其制备工艺相对简单，也不需要蚀刻有源区，因而器件制备的成品率高，可靠性高。

Description

一种基于沟道波导衬底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，具体涉及一种基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，被广泛应用于光通信、光泵浦、光测量、光传感等领域。边发射半导体激光器的波导结构在纵向上对光起到导引作用，在横向上对光起限制作用。结合对注入载流子的限制，目前的边发射半导体激光器主要有脊波导和掩埋异质结两种结构。

脊波导半导体激光器是最为常见的结构，其脊形波导的存在一方面可以对光在横向上起到限制作用，另一方面可以使载流子只在脊形波导上注入，避免了载流子的横向扩散。这种结构制备相对比较简单，不需要破环有源区，具有成本低、成品率高等优势。为了保证激光器单横模工作，脊波导激光器对其波导脊宽有严格限制，从而对接触电极面积产生了相应限制，这使得脊波导激光器的串联电阻较大；另外由于对脊条的高度也存在限制，使其不方便把脊条侧贴在热沉上，因为如此采用共晶焊的话应力作用会损伤管芯有源区，而采用钎焊时焊料的金属晶须爬升会污染出光端面。串联电阻高导致激光器工作时随注入电流的增加产生更多的焦耳热，而脊条侧几乎绝热的条件使得激光器的散热特性很差，这样使得激光器在高温环境下的特性急剧劣化。

掩埋异质结结构在横向上有较大的材料折射率差，能对光场和载流子有较好的限制作用，P侧（即外延生长的有源区一侧）可以制作平面电极，所以其串联电阻相对较低。但由于P侧的包层一般不能太厚，否则串联电阻将显著增加，所以若采用P侧贴在热沉上仍然会有可靠性问题。所以这种结构对激光器的热特性改善仍然是有限的。况且掩埋异质结结构激光器需要进行多次外延生长，制作工艺复杂，成本高。另外，掩埋异质结激光器要蚀刻有源区，当有源区含铝时，铝的氧化必须依靠掩埋外延时的原位化学气体清洗或生长前的回溶处理，这类技术一方面不易被掌握，另一方面也较难做到精准重复，如果有氧化物或清洗过程中的中间生成物残留，或因回溶导致了条形形状变化等因素都会影响器件的成品率以及可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法，可以有效降低激光器串联电阻，有效降低热阻，从而可以保证激光器的高温特性不致劣化。其制备工艺相对简单，也不需要蚀刻有源区，因而器件制备的成品率高，可靠性高。

为了达到上述目的，本发明提供了一种沟道波导衬底，沟道波导衬底用于制备边发射半导体激光器，沟道波导衬底包括N型衬底层和与N型衬底层的上表面接触连接的沟道波导层；沟道波导层包括沟道波导区域和位于沟道波导区域两侧的注入电子限制区域，沟道波导区域的折射率大于N型衬底层的折射率，用于对半导体激光器的光在横向上提供限制，以及用于在纵向上对光提供导引，注入电子限制区域用于对导带注入电子在横向上进行限制。

优选地，N型衬底层还包括缓冲层，沟道波导层与缓冲层的上表面接触连接。

优选地，沟道波导区域为条形沟道波导，条形沟道波导的截面形状为矩形、三角形或者梯形。

优选地，注入电子限制区域为与N型衬底层材料相同的P型掺杂外延层；或者注入电子限制区域为利用离子扩散的方式在N型衬底层上得到的P型掺杂层；或者注入电子限制区域为与N型衬底层材料相同的采用深能级杂质掺杂的外延层。

优选地，沟道波导衬底还包括位于沟道波导层上方的N型隔离层，N型隔离层用于控制沟道波导层与半导体激光器的有源区的垂直距离，N型隔离层的折射率不低于沟道波导区域的折射率。

优选地，沟道波导衬底还包括位于N型隔离层上方的N型光栅层和N型浸润层。

本发明还提供了一种上述的沟道波导衬底的制备方法，制备方法包括：

S11，提供N型衬底层；

S12，制备注入电子限制层；

S13，去除沟道波导区域处的注入电子限制层；

S14，在沟道波导区域外延生长沟道波导，形成沟道波导层。

优选地，步骤S14还包括在沟道波导层上生长N型隔离层，并通过N型隔离层的厚度调节半导体激光器的光场模斑的形状及有源区的光场限制因子， N型隔离层的折射率不低于沟道波导区域的折射率。

优选地，步骤S14还包括在N型隔离层上方生长N型光栅层和N型浸润层。

本发明还提供了一种上述沟道波导衬底的半导体激光器，半导体激光器由下至上包括N侧电极、沟道波导衬底、有源区、P型包层、P侧欧姆接触层和P型电极。

优选地，有源区包括N侧分别限制层、多层应变量子阱-垒叠层和P侧分别限制层。

优选地，半导体激光器采用P侧贴片工艺。

本发明还提供了一种上述半导体激光器的制备方法，制备方法包括：

S21，在沟道波导衬底上外延生长有源区、P型包层和P侧欧姆接触层；

S22，制备P型电极，N型衬底层减薄及制备N型电极；

S23，解理、镀膜、管芯分离以及贴片。

本发明的有益效果在于：

（1）起横向限制作用的沟道波导位于有源区与N侧衬底层之间，而在有源区之上的P侧完全由均匀平面层组成，而无需再制作任何横向限制结构，也无需制作条形电极而可以制作整个器件的平面电极。

（2）P侧移除了横向的条形限制后其等效横截面积将大大增加，从而可以同时降低表面接触电阻和体电阻，导致器件的整体串联电阻下降。

（3）由于P侧包层的厚度不再对载流子与光场的限制起作用，所以其厚度可以根据P侧贴片的要求被加以任意调整。这样以P侧密接热沉或过渡热沉的方式贴片可使器件的热阻大大下降，从而有利于半导体激光器在大功率输出（即高电流注入）以及高温环境下工作。

（4）沟道波导半导体激光器的制备不需要破坏有源区，能够有较高的可靠性。沟道波导的形状及在衬底内的位置都可以调整，由此可以调节光场模斑的形状及有源区的光场限制因子等。

（5）此外，由于沟道波导的制作掩埋等均可以在衬底侧预制，所以自有源区外延生长后的半导体激光器工艺流程无需再进行任何条形制作，这样的制备工艺将更为方便，也更有利于工艺流程的控制和成品率的提高。

附图说明

图1是本发明的沟道波导衬底的示意图；

图2是本发明的沟道波导衬底的另一种实施方式的示意图；

图3是本发明的沟道波导衬底的另一种实施方式的示意图；

图4是本发明的沟道波导衬底的制备方法流程图；

图5是基于沟道波导衬底的半导体激光器的示意图；

图6是沟道波导层与N型光栅层几乎紧邻的半导体激光器的TE模光场分布图；

图7是沟道波导层与N型光栅层距离较远的半导体激光器的TE模光场分布图；

图8是沟道波导截面为三角形的半导体激光器的TE模光场分布图。

图中：101-N型衬底层；102-沟道波导层；1021-沟道波导区域；1022-注入电子限制区域；103-N型隔离层；104-N型光栅层；105-N型浸润层；106-有源区；1061-N侧分别限制层；1062-多层应变量子阱-垒叠层；1063-P侧分别限制层；107-P型包层；108-P侧欧姆接触层；109-N侧电极；110-P侧电极。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提出了一种用于半导体激光器的沟道波导衬底，可以作为标准化预制衬底为激光器制备所用，激光器制备者只需要选购合适的带有沟道波导的标准预制衬底，在其上根据设计需要直接生长有源区及P侧平面结构，无需再做氧化掩蔽及光刻制备条形，直接做表面金属化即可完成全部P面工艺，这样的制备工艺将更为方便，也更有利于工艺流程的控制和成品率的提高。

如图1所示，沟道波导衬底包括N型衬底层101和沟道波导层102，其中，沟道波导层102包括沟道波导区域1021和其两侧的注入电子限制区域1022。N型衬底层101用于为激光器提供支撑；沟道波导区域1021用于对光在横向上提供限制，使光场能够被限制在沟道波导区域1021对应的有源区之中，并且能够在纵向上对光提供导引；注入电子限制区域1022用于对导带注入电子在横向上进行限制，使其只能在沟道波导区域1021通过。

沟道波导区域1021是N型掺杂的外延层，其折射率大于N型衬底层101的折射率。沟道波导区域1021为条形沟道波导，其截面形状可以为公知的任何形状，例如矩形、三角型或者梯形等。

可选地，注入电子限制区域1022为P型掺杂的外延层，其材料与N型衬底层101相同，从而具有低折射率。可选地，注入电子限制区域1022为利用离子扩散的方式在N型衬底层101上得到的P型掺杂层。从而形成反偏PN结，因而在有P型层的地方导带电子不能通过，对电子注入产生限制。

可选地，注入电子限制区域1022为具有高阻的外延层，例如是采用深能级杂质Fe或Cr掺杂的外延层，在N型衬底层101上形成半绝缘层，从而对注入电子产生限制。

在一些实施方式中，如图2所示，沟道波导衬底还包括位于沟道波导层102上方的N型隔离层103，以此控制沟道波导区域1021与有源区的垂直距离。N型隔离层103的折射率不低于沟道波导区域1021的折射率。这种沟道波导衬底可以作为制备FP激光器的标准化预制衬底。

在一些实施方式中，如图3所示，沟道波导衬底还包括位于沟道波导层102上方的N型隔离层103、N型光栅层104和N型浸润层105，N型光栅层104的作用是对光进行纵向模式选择。这种沟道波导衬底可以作为制备DFB激光器的标准化预制衬底。

在一些实施方式中，N型衬底层101还包括缓冲层。

本发明还提出了上述沟道波导的制备方法，如图4所示，所述方法包括以下步骤：

S11，提供N型衬底层。可选地，衬底材料可以为InP或者GaAs等。当采用GaAs衬底时，需要在GaAs衬底上生长低折射率缓冲层以隔离具有高折射率的GaAs。为方便描述，以下步骤中以N型InP衬底为例。然而，可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的衬底材料。

S12，制备注入电子限制层：在N型InP衬底上直接生长P型InP层，或者利用Zn扩散的方式在N型衬底上得到P型InP层，或者利用离子注入或直接外延生长Fe或Cr等深能级杂质掺杂的InP层。

S13，形成注入电子限制区域：利用标准光刻和刻蚀工艺去除沟道波导区域处的注入电子限制层。在一些实施方式中，为了精确控制沟道波导刻蚀深度，可以在前一步生长注入电子限制层之前生长一层厚度为10nm左右，带隙为1050nm左右的InGaAsP停止刻蚀层，这样在采用湿法刻蚀沟道时，采用适当的选择性化学腐蚀剂可以使得刻蚀深度自动停止在预制的停止刻蚀层之上。

S14，制备沟道波导：在前步被刻蚀出的沟道波导区域中外延生长高折射率材料N-InGaAsP，其组分保证在晶格与InP匹配的条件下带隙可自由调整，从而使其材料折射率可以根据设计要求改变。生长应使沟道表面尽量平齐，由此获得被掩埋的沟道波导。

在一些实施方式中，步骤S14还包括步骤S141，在沟道波导层上生长N-InP隔离层，以此控制沟道波导与有源区的垂直距离。

在一些实施方式中，步骤S14还包括步骤S142，在沟道波导层上生长N-InP隔离层，N-InGaAsP光栅层，及N-InP浸润层。这样在控制沟道波导与有源区垂直距离的同时可以紧接着制备光栅，在光栅制备完成后，只需要一次外延即可完成主要工艺，从而简化激光器制备的工艺步骤。

本发明还提出了一种基于上述沟道波导衬底的半导体激光器，这种半导体激光器的波导掩埋在衬底内，不需要在外延生长有源区之后再在P侧制备脊条，从而可以有效降低激光器串联电阻。再结合P侧贴片技术，可以有效降低热阻，从而可以保证激光器的高温特性不致劣化。且其制备工艺相对简单，也不需要蚀刻有源区，因而器件制备的成品率高，可靠性高。

图5是基于上述沟道波导衬底的DFB半导体激光器为层状结构，由下至上依次包括N侧电极109、N型衬底层101、沟道波导层102、N型隔离层103、N型光栅层104和N型浸润层105、有源区106、P型包层107、P侧欧姆接触层108和P侧电极110。其中，有源区106可以包括N侧分别限制层1061、多层应变量子阱-垒叠层1062和P侧分别限制层1063。

N侧电极109及P侧电极110用于连接外部电源给激光器提供偏置；有源区106的作用是为激光器提供增益；低折射率宽带隙的P侧包层107既对光场在垂直方向上起限制作用，又对有源区提供价带空穴的注入；P侧欧姆接触层108是为了保证在金属与P型半导体间消除肖特基势垒而形成欧姆接触。

值得一提的是，图5仅示出了DFB半导体激光器的结构，在其他实施方式中，所述半导体激光器为FP激光器，此时半导体激光器结构中不包括N型光栅层104和N型浸润层105。此外，沟道波导层102的位置既可以紧靠N侧分别限制层1061或N型光栅层104，也可以离开N侧分别限制层1061或N型光栅层104一定的距离。沟道波导的截面可以为矩形、三角形、梯形等。

实施例一，沟道波导层与N型光栅层几乎紧邻。

图6为上述DFB半导体激光器结构下的TE模光场分布，其中沟道波导层与N型光栅层几乎紧邻，间隔仅为10nm。这里的TE模式是激光器的基模，上述结构对TE模式而言能而且只能有基模存在，所以能够保证激光器的空间单模工作。此时，该模式的有源区光场限制因子约为9%，与普通脊波导激光器的限制因子基本一致。由此可见利用沟道波导替代传统脊波导对激光器的光场进行限制和导引不会使其其它特性，例如输出光功率-注入电流等造成任何劣化。

实施例二，沟道波导层与N型光栅层距离较远。

沟道波导层与有源区在垂直方向上的间隔可以改变，通过这样的方式可以控制光场模斑的形状及有源区内的光场限制因子。图7为矩形沟道波导距离N型光栅层的间隔为200nm时激光器的TE模光场分布，相比较于实施例一的结构，除沟道波导被向下移动了200nm外，其它结构参数与实施例一相同。尽管该结构所限制的模式模斑形状由于波导的移动而有所变化，但依然能够正常导引并只能导引TE基模。此时该模式对于有源区的光场限制因子约为7%。

实施例三，沟道波导的截面为其它形状。

沟道波导的截面除了矩形之外，为方便生长还可以由其它形状构成，例如三角形、梯形等。图8为三角形沟道波导半导体激光器横截面光场分布，其中沟道波导截面为等腰三角形，其它参数与实施例一相同。该结构依然能正常导引并只能导引TE基模。模斑的形状相对于矩形波导沿横向有一定展宽，此时该模式对于有源区的光场限制因子约为9%。

接下来介绍上述半导体激光器的制备方法，为方便描述，以下步骤中仍以InP基半导体激光器为例。然而，可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需要选择合适的材料。半导体激光器的制备方法包括如下步骤：

S21，在沟道波导衬底上外延生长有源区、P-InP包层及P侧欧姆接触层等结构。对于FP激光器，步骤S21也可以与制备沟道波导衬底的步骤S14结合，从而使整个器件的制作过程总共只需一步外延。

S22，电极制作：在激光器的各层外延生长完成后进行顶部P侧的大面积金属化，再进行N型衬底层减薄及金属化。

S23，解理、镀膜、管芯分离以及贴片。由于P侧是平面结构并已被大面积金属化，P-InP包层的厚度也可适当增加以防止焊料晶须爬升遮挡出光端面，这样完全可以采用P面密接热沉或过渡热沉的贴片工艺以降低热阻，利于散热。

上述半导体激光器起横向限制作用的沟道波导位于有源区106与N侧衬底层101之间，沿腔条形沟道波导的折射率大于周围衬底的折射率，从而为光场提供了横向的限制作用，光场沿垂直方向的限制仍然由高折射率的有源区与低折射率的上下包层提供。而在有源区之上的P侧完全由均匀平面层组成，而无需再制作任何横向限制结构，无需多次外延，也无需制作条形电极而可以制作整个器件的平面电极。

由于半导体激光器的串联电阻主要来自于P侧表面的半导体-金属欧姆接触电阻以及具有较低掺杂浓度的P型材料体电阻，P侧移除了横向的条形限制后其等效横截面积将大大增加，从而可以同时降低表面接触电阻和体电阻，导致器件的整体串联电阻下降。

由于P侧包层的厚度不再对载流子与光场的限制起作用，所以其厚度可以根据P侧贴片的要求被加以任意调整，例如可根据可靠性要求或共晶焊或钎焊等不同的贴片方式要求增厚。这样以P侧密接热沉或过渡热沉的方式贴片可使器件的热阻大大下降，从而有利于半导体激光器在大功率输出（即高电流注入）以及高温环境下工作。

此外，上述半导体激光器的制备不需要破坏有源区，能够有较高的可靠性。沟道波导的形状及在衬底内的位置都可以调整，由此可以调节光场模斑的形状及有源区的光场限制因子等。

此外，由于沟道波导的制作掩埋等均可以在衬底侧预制，所以自有源区外延生长后的半导体激光器工艺流程无需再进行任何条形制作，特别是具有沟道波导的衬底结构可以依据一定的标准参数预制，则能够使激光器制备更加简单方便，也更有利于工艺流程的控制和成品率的提高。

以上结合具体实施例描述了本发明，这些描述只是为了解释本发明，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于沟道波导衬底的半导体激光器，所述半导体激光器为边发射半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器由下至上包括N侧电极、所述沟道波导衬底、有源区、P型包层、P侧欧姆接触层和P型电极，所述P型包层、P侧欧姆接触层和P型电极均为平面结构；所述沟道波导衬底包括N型衬底层和与所述N型衬底层的上表面接触连接的沟道波导层；所述沟道波导层包括沟道波导区域和位于所述沟道波导区域两侧的注入电子限制区域，所述沟道波导区域的折射率大于所述N型衬底层的折射率，用于对所述半导体激光器的光在横向上提供限制，以及用于在纵向上对光提供导引，所述注入电子限制区域用于对导带注入电子在横向上进行限制；所述沟道波导衬底还包括位于所述沟道波导层上方的N型隔离层，所述N型隔离层用于控制所述沟道波导层与所述有源区的垂直距离，所述N型隔离层的折射率不低于所述沟道波导区域的折射率。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述N型衬底层还包括缓冲层，所述沟道波导层与所述缓冲层的上表面接触连接。

3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述沟道波导区域为条形沟道波导，所述条形沟道波导的截面形状为矩形、三角形或者梯形。

4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述注入电子限制区域为与所述N型衬底层材料相同的P型掺杂外延层；或者所述注入电子限制区域为利用离子扩散的方式在所述N型衬底层上得到的P型掺杂层；或者所述注入电子限制区域为与所述N型衬底层材料相同的采用深能级杂质掺杂的外延层。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述沟道波导衬底还包括位于所述N型隔离层上方的N型光栅层和N型浸润层。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区包括N侧分别限制层、多层应变量子阱-垒叠层和P侧分别限制层。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器采用P侧贴片工艺。

8.一种如权利要求1-7任一所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

S11，提供N型衬底层；

S12，制备注入电子限制层；

S13，去除沟道波导区域处的所述注入电子限制层；

S14，在所述沟道波导区域外延生长沟道波导，形成沟道波导层，在所述沟道波导层上生长N型隔离层，并通过所述N型隔离层的厚度调节半导体激光器的光场模斑的形状及有源区的光场限制因子，所述N型隔离层的折射率不低于所述沟道波导区域的折射率；

所述制备方法还包括：

S21，在所述沟道波导衬底上外延生长有源区、P型包层和P侧欧姆接触层；

S22，制备P型电极，N型衬底层减薄及制备N型电极；

S23，解理、镀膜、管芯分离以及贴片。

9.一种根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S14还包括在所述N型隔离层上生长N型光栅层和N型浸润层。