CN116565691A - 一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器及其制备方法。所述半导体激光器的P型限制层呈脊型台状，宽条型脊条设置在P型限制层本体层上方；宽条型脊条上表面设置有欧姆接触层，欧姆接触层上表面设置有深入至P型限制层内的柱状孔；欧姆接触层上方设置有P面金属层，欧姆接触层侧表面、宽条型脊条侧表面和P型限制层本体层上表面设置有绝缘层。本发明通过在宽条型脊条边缘处制备空气柱结构，降低宽条型脊条边缘处的散热能力，降低宽条型脊条边缘处的散热效率，消除热分布不均匀问题，消除热透镜效应，降低芯片在大功率工作模式下的慢轴发散角，有效提高宽条型半导体激光器的光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。
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都采用脊条工艺，即在晶片横向方向上腐蚀出一个深度不超过P型限制层的脊条结构，该脊结构属于波导结构，用于限制载流子和光场。电流通过脊条进入有源区并发生辐射复合产生光子，然而，目前的宽条形大功率半导体激光器普遍存在“热透镜”效应，所谓的“热透镜”效应指的是受载流子浓度分布以及散热等因素导致的热分布不均匀现象，该现象会严重恶化半导体激光器慢轴方向上的光束质量。同时，宽条型大功率半导体激光器还存在较为严重的功率分布不均匀，在腔面处容易形成功率尖峰，导致该处发生不可逆的损伤问题，进而导致芯片失效。
中国专利文献CN114498299A公开了一种半导体器件及其制备方法，该方法通过设置不同腐蚀深度的波导槽结构，降低腔面附近对光场的限制作用，由此脊波导中限定的多模激光中的高阶模式在第二槽区扩散，被一定程度的消耗，模式数量减少，减小光束的水平远场发散角，实现了消除功率尖峰以及降低慢轴发散角的目的。但该方法需要经过多次腐蚀，工艺难度较大，不适合批量化生产。因此，急需提供一种新的半导体激光器解决宽条型大功率半导体激光器慢轴光束质量差的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器及其制备方法。本发明方法主要通过在宽条型脊条边缘处制备空气柱结构，降低宽条型脊条边缘处的散热能力，消除宽条型大功率半导体激光器本身存在的热分布不均匀问题，有效改善热透镜效应。
本发明的技术方案如下：
一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，所述宽条型大功率半导体激光器由下至上依次包括：N面金属层、衬底层、N型限制层、N型波导层、发光有源层、P型波导层、P型限制层；所述P型限制层呈脊型台状，包括P型限制层本体层和宽条型脊条，所述宽条型脊条设置在P型限制层本体层上方，其两侧呈向内凹陷的坡状凹槽；所述宽条型脊条上表面设置有欧姆接触层，所述欧姆接触层上表面设置有深入至P型限制层内的柱状孔；所述欧姆接触层上方设置有P面金属层，所述欧姆接触层侧表面、宽条型脊条侧表面和P型限制层本体层上表面设置有绝缘层。
根据本发明优选的，所述宽条型脊条是由部分所述P型限制层上凸形成的宽条状凸台；P型限制层凸起的部分为宽条型脊条，水平的部分P型限制层本体层，两者的材质相同。
根据本发明优选的，所述宽条型脊条的宽度为100～400μm，高度为500～600nm，宽条型脊条的高度小于P型限制层本体层的厚度。
根据本发明优选的，所述P型限制层的材质为AlGaAs或AlGaInP。
根据本发明优选的，所述柱状孔成列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心越远柱状孔个数越多。
进一步优选的，所述柱状孔成3列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心由近到远分别为6个、10个和21个。
根据本发明优选的，所述柱状孔横截面形状任意，可为圆形、方形、三角形。
进一步优选的，所述柱状孔横截面为圆形，直径小于2μm。
根据本发明优选的，所述柱状孔在P型限制层中的深度为500nm。
上述宽条型大功率半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底层上依次生长N型限制层、N型波导层、发光有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层；
(2)在欧姆接触层上表面划定宽条型脊条区域后均匀覆盖光刻胶，通过光刻工艺在欧姆接触层上表面宽条型脊条区域留下与宽条型脊条尺寸相同的光刻胶条；
(3)利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将欧姆接触层上除光刻胶条以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度至P型限制层本体层的上表面，形成宽条型脊条结构；然后在欧姆接触层上表面标记柱状孔；
(4)去除光刻胶后重新在P型限制层本体层上表面和欧姆接触层表面涂覆一层光刻胶，利用光刻工艺将柱状孔上方的光刻胶去掉；利用干法刻蚀工艺在柱状孔标记处制备出柱状孔结构；
(5)去除光刻胶后采用PECVD在P型限制层本体层上表面、宽条型脊条侧表面和快速蒸镀绝缘层；
(6)在欧姆接触层上表面制备P面金属层，使得P面金属层将柱状孔覆盖形成空气柱结构；然后在衬底处制备N面金属层，经减薄后，得到高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器。
有益效果：
本发明提供的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器通过在宽条型脊条边缘处制备空气柱结构，降低宽条型脊条边缘处的散热能力，降低宽条型脊条边缘处的散热效率，消除宽条型大功率半导体激光器本身存在的热分布不均匀问题，进而有效消除热透镜效应，防止芯片在大功率工作模式下因热透镜效应重新形成波导效应，进一步降低芯片在大功率工作模式下的慢轴发散角，有效提高宽条型半导体激光器的光束质量。
附图说明
图1是本发明提供的宽条型大功率半导体激光器外延结构的横截面示意图；
图2是本发明提供的宽条型大功率半导体激光器制备P面金属前的P面俯视图；
图中，1、P面金属层，2、欧姆接触层，3、P型限制层，4、P型波导层，5、发光有源层，6、N型波导层，7、N型限制层，8、衬底层，9、N面金属层，10、绝缘层，11、柱状孔。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1所示，一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，所述宽条型大功率半导体激光器由下至上依次包括：N面金属层9、衬底层8、N型限制层7、N型波导层6、发光有源层5、P型波导层4、P型限制层3；所述P型限制层3呈脊型台状，包括P型限制层本体层和宽条型脊条，所述宽条型脊条设置在P型限制层本体层上方，其两侧呈向内凹陷的坡状凹槽；所述宽条型脊条上表面设置有欧姆接触层2，所述欧姆接触层2上表面设置有深入至P型限制层3内的柱状孔11；所述欧姆接触层2上方设置有P面金属层1，所述欧姆接触层2侧表面、宽条型脊条侧表面和P型限制层本体层上表面设置有绝缘层10。
所述欧姆接触层2厚度为500nm。所述的绝缘层10材料为SiO2层，厚度为400nm。所述衬底8的材质为GaAs。所述N面金属层9的材质为AuGeNi，厚度为500nm。N型限制层7材质为Al70Ga30As，厚度为6000nm。N型波导层6材质为Al20Ga80As，厚度为800nm。发光有源层5材质为InGaAsP，厚度为7nm。P型波导层4材质为Al20Ga80As，厚度为800nm。P面限制层3材质为Al70Ga30As，厚度为4000nm。P面金属1材质为TiPtAu，厚度为600nm。
所述宽条型脊条是由部分所述P型限制层3上凸形成的宽条状凸台；P型限制层3凸起的部分为宽条型脊条，水平的部分P型限制层本体层，两者的材质相同。
所述宽条型脊条的宽度为300μm，高度为600nm。
所述柱状孔11成3列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心由近到远分别为6个、10个和21个，横截面形状为圆形，直径为1.5μm。所述柱状孔在P型限制层中的深度为500nm。
本实施例宽条型大功率半导体激光器发出的光束质量得到明显提高。
实施例2
一种实施例1所述高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
(1)在衬底层上依次生长N型限制层、N型波导层、发光有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层；
(2)在欧姆接触层上表面划定宽条型脊条区域后均匀覆盖光刻胶，通过光刻工艺在欧姆接触层上表面宽条型脊条区域留下与宽条型脊条尺寸相同的光刻胶条；
(3)利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将欧姆接触层上除光刻胶条以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度至P型限制层本体层的上表面，形成宽条型脊条结构；然后在欧姆接触层上表面标记柱状孔；
(4)去除光刻胶后重新在P型限制层本体层上表面和欧姆接触层表面涂覆一层光刻胶，利用光刻工艺将柱状孔上方的光刻胶去掉；利用干法刻蚀工艺在柱状孔标记处制备出柱状孔结构，此时宽条型大功率半导体激光器的P面俯视图如图2所示；
(5)去除光刻胶后采用PECVD在P型限制层本体层上表面、宽条型脊条侧表面和快速蒸镀绝缘层；
(6)在欧姆接触层上表面制备P面金属层，使得P面金属层将柱状孔覆盖形成空气柱结构；然后在衬底处制备N面金属层，经减薄后，得到高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器。
实施例3
一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述宽条型脊条的宽度为250μm，高度为550nm。
实施例4
一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述宽条型脊条的宽度为100μm，高度为500nm。
实施例5
一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述柱状孔成3列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心由近到远分别为8个、12个和18个，横截面形状为圆形，直径为1μm。
实施例6
一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，所述柱状孔成3列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心由近到远分别为8个、16个和24个，横截面形状为正方形，边长为1μm。
最后需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述宽条型大功率半导体激光器由下至上依次包括：N面金属层、衬底层、N型限制层、N型波导层、发光有源层、P型波导层、P型限制层；所述P型限制层呈脊型台状，包括P型限制层本体层和宽条型脊条，所述宽条型脊条设置在P型限制层本体层上方，其两侧呈向内凹陷的坡状凹槽；所述宽条型脊条上表面设置有欧姆接触层，所述欧姆接触层上表面设置有深入至P型限制层内的柱状孔；所述欧姆接触层上方设置有P面金属层，所述欧姆接触层侧表面、宽条型脊条侧表面和P型限制层本体层上表面设置有绝缘层。
2.如权利要求1所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述宽条型脊条是由部分所述P型限制层上凸形成的宽条状凸台。
3.如权利要求1所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述宽条型脊条的宽度为100～400μm，高度为500～600nm，宽条型脊条的高度小于P型限制层本体层的厚度。
4.如权利要求1所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述P型限制层的材质为AlGaAs或AlGaInP。
5.如权利要求1所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状孔成列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心越远柱状孔个数越多。
6.如权利要求5所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状孔成3列分布在欧姆接触层两侧，距离欧姆接触层中心由近到远分别为6个、10个和21个。
7.如权利要求1所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状孔横截面为圆形、方形或三角形。
8.如权利要求7所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状孔横截面为圆形，直径小于2μm。
9.如权利要求1所述的高慢轴光束质量的宽条型大功率半导体激光器，其特征在于，所述柱状孔在P型限制层中的深度为500nm。
10.权利要求1～9任一项所述的宽条型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)在衬底层上依次生长N型限制层、N型波导层、发光有源层、P型波导层、P型限制层、欧姆接触层；
(2)在欧姆接触层上表面划定宽条型脊条区域后均匀覆盖光刻胶，通过光刻工艺在欧姆接触层上表面宽条型脊条区域留下与宽条型脊条尺寸相同的光刻胶条；
(3)利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将欧姆接触层上除光刻胶条以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度至P型限制层本体层的上表面，形成宽条型脊条结构；然后在欧姆接触层上表面标记柱状孔；
(4)去除光刻胶后重新在P型限制层本体层上表面和欧姆接触层表面涂覆一层光刻胶，利用光刻工艺将柱状孔上方的光刻胶去掉；利用干法刻蚀工艺在柱状孔标记处制备出柱状孔结构；
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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