CN116683284A - 一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片及其制备方法，本发明提供的GaAs基大功率锥形激光器芯片将传统的锥形激光器单模区和锥形放大区的脊条形式改为边缘具有微结构的宽条区和锥形放大区的脊条形式，边缘具有微结构的宽条区通过边缘滤波实现模式的筛选，不再采用模式宽度截止的方法，实现了功率可提升的目的，并且光束质量不受边缘具有微结构的宽条区的长度影响，可以通过控制边缘具有微结构的宽条区的长度实现功率大小的调控，进而实现锥形激光器高功率高光束质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片及其制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
半导体激光器近年来发展迅速，在过去的几十年里在材料加工、医疗、光纤检测、激光打印等领域中应用非常广泛，随着应用场景的增多，人们对半导体激光器性能提出了更高的要求。为了提高半导体激光器的输出功率,宽脊波导结构受到广泛的关注,但其输出光束质量较差,光斑易形成“多瓣”现象,限制其应用。
1992年由Walpole提出锥形波导半导体激光器,这种结构实现了高功率和高光束质量结合,锥形半导体激光器虽然能够输出高功率高光束质量的激光，但是在高功率时光束质量不稳定容易引发“丝状”发光的现象。主要原因一是脊型波导部分模式过滤不理想，导致非基模进入锥形放大区；二是热诱导导致的材料的折射率变化形成光束聚焦。如何实现高功率下的锥形激光器高光束质量就成为发展的关键。
针对上述问题，目前采用增加体外光栅的方式来提升光束质量，但是成本高，散热差，封装耦合难度大，目前半导体激光器市场在大功率激光器应用上不采用锥形激光器。
中国专利文献CN113594851A公开了一种高亮度锥形半导体激光器，包括衬底，所述衬底的两端端面分别位于半导体激光器的前腔面和后腔面，还包括：设于衬底上的脊型波导，所述脊型波导的表面上设有片上光栅；设于衬底上的倾斜后端部，所述倾斜后端部位于脊型波导朝向后腔面的一端，倾斜后端部上设有分别位于脊型波导两侧且呈相对布置的倾斜端面，且各所述倾斜端面的倾斜角度均大于光传输的全反射角；其中，由片上光栅和各所述倾斜端面共同形成半导体激光器的后腔面，以达到提高单个锥形半导体激光芯片的近衍射极限输出功率的目的。该发明专利采用脊型区域增加体外光栅片的方式，实现滤波保证单模输出，进而提升锥形激光器的输出功率上限，但是脊型区增加光栅片会导致芯片脊型散热不均匀的问题，导致脊型缺陷增加，容易发生COD导致激光器可靠性下降。
中国专利文献102055135A公开了一种近衍射极限光束输出的锥形光子晶体量子级联激光器及其制作方法。该激光器包括：衬底，及其在衬底上依次生长的下波导层、有源区、上波导层、上覆盖层、上接触层、欧姆接触层、电绝缘层、正面电极和衬底背面电极。该激光器采用脊型台面双沟波导结构，脊型台面结构由均匀脊宽的主控振荡区和锥形结构的增益放大区两部分组成；光子晶体结构用以提供分布反馈波导，制作于上接触层和欧姆接触层之中。该专利中的锥形激光器采用的脊型台面双沟波导结构，通过增加脊型区域的接触面积来提高散热能力，工作原理与传统激光器一致，仍采用模式宽度截止的方式保证单模输出，增加散热效果可以提升输出功率，但是在高功率下，光束质量仍会变差，无法从本质上解决锥形激光器高功率工作的问题。并且该专利脊型台面双沟波导结构，基本起不到对侧向光的限制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，将传统的锥形激光器单模区和放大区的脊条形式改为边缘具有微结构的宽条区和放大区的脊条形式，边缘具有微结构的宽条区通过边缘滤波实现模式的筛选，不再采用模式宽度截止的方法，实现了功率可提升的目的，并且光束质量不受边缘具有微结构的宽条区的长度影响，可以通过控制边缘具有微结构的宽条区的长度实现功率大小的调控，进而实现锥形激光器高功率高光束质量要求。
同时，本发明还提供了具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的制备方法。
本发明的技术方案为：
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，包括自下到上依次设置的N面金属电极接触层、GaAs衬底、GaAs缓冲层、N限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层、P限制层、电流注入阻隔层、P面金属电极接触层；
激光器芯片上设置有脊条结构，脊条结构台面的刻蚀深度到达第二波导层中，所述脊条结构包括宽条区和锥形放大区，且宽条区和锥形放大区相连接；宽条区的边缘设置有微结构；所述宽条区的一端位于激光器的后腔面，所述宽条区的另一端与锥形放大区的窄端相连接，锥形放大区的宽端位于激光器的前腔面。
本发明采用边缘具有微结构的宽条区和放大区的脊条形式，边缘具有微结构的宽条区通过边缘折射率变化进行多次滤波实现模式的筛选，不再采用模式宽度截止的方法，实现了功率可提升的目的，并且光束质量不受边缘具有微结构的宽条区的长度影响，可以通过控制边缘具有微结构的宽条区的长度实现功率大小的调控，进而实现锥形激光器高功率高光束质量要求。本发明后腔面脊条宽150um，前腔面脊条宽度220um，与传统锥形激光器相比前后前面脊条宽度具有明显的提升，满足实现高功率的基础要求。由于功率的提升导致功率密度也在提升，很容易在腔面处实现COD(COD(Catastrophic optical damage)是指灾变性光学损伤，导致芯片失效，保留锥形放大区的设计，在不影响功率传输的基础上降低了腔面的功率密度，抑制腔面COD的产生，提升了芯片的使用寿命。
根据本发明优选的，宽条区边缘设置的微结构为周期性分布的梯形结构，梯形短边位于宽条区最宽处，梯形短边的长度为20-70μm，梯形两个侧边角度及长度限制脊形宽条区最窄处宽度，梯形侧边与梯形短边的夹角为120°，宽条区最窄处宽度为50-100μm；
进一步优选的，宽条区最窄处宽度为70μm。
根据本发明优选的，位于前腔面的锥形放大区的宽端的宽度为100-400μm；进一步优选的，位于前腔面的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
根据本发明优选的，位于后腔面的宽条区的宽度为100-300μm；进一步优选的，位于后腔面的宽条区的宽度为150μm。
根据本发明优选的，宽条区的长度为500-2000μm；进一步优选的，宽条区的长度为1000μm。
上述具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的制备方法，包括：
(1)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，由下至上依次包括GaAs缓冲层，N限制层，第一波导层，量子阱层，第二波导层，P限制层，表面覆盖层，完成外延结构的生长；
(2)利用光刻工艺对外延片进行刻蚀，去除表面覆盖层、部分P限制层和第二波导层形成宽条区和锥形放大区；
(3)通过光刻、腐蚀在宽条区的边缘制备微结构；
(4)利用PECVD工艺生长电流注入阻隔层；
(5)通过蒸发沉积P面金属电极接触层；
(6)进行衬底减薄；
(7)在减薄的衬底上沉积N面金属电极接触层，然后退火，完成芯片制作。
本发明的有益效果为：
1.本发明脊条为边缘具有微结构的宽条区和放大区的形式，边缘具有微结构的宽条区通过边缘滤波实现模式的筛选，不再采用模式宽度截止的方法，实现了功率可提升的目的。
2.本发明提供的激光器可以通过控制边缘具有微结构的宽条区的长度实现功率大小的调控，同时光束质量不受边缘具有微结构的宽条区的长度影响。
3.通过边缘微结构再实现滤波的同时借助于材料折射率之间的差异实现侧面光限制，提升了内量子效率，明显提升输出功率，能够降低水平发散角，锥形激光器芯片的老化失效数量大大降低。
附图说明
图1为本发明提供的锥形激光器芯片俯视示意图。
图2为本发明提供的锥形激光器芯片后腔面主视示意图。
1、GaAs缓冲层，2、N限制层，3、第一波导层，4、量子阱层，5、第二波导层，6、P限制层，7、GaAs衬底，9、P面金属电极接触层，8、电流注入阻隔层，10、N面金属电极接触层,11、梯形短边，12、梯形侧边，13、后腔面，14、前腔面。
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
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，包括自下到上依次设置的N面金属电极接触层10、GaAs衬底7、GaAs缓冲层1、N限制层2、第一波导层3、量子阱层4、第二波导层5、P限制层6、电流注入阻隔层8、P面金属电极接触层9；
激光器芯片上设置有脊条结构，脊条结构台面的刻蚀深度到达第二波导层5中，脊条结构包括宽条区和锥形放大区，且宽条区和锥形放大区相连接；宽条区的两个边缘开设有微结构；宽条区的一端位于激光器的后腔面13，宽条区的另一端与锥形放大区的窄端相连接，锥形放大区的宽端位于激光器的前腔面14。
本发明采用边缘具有微结构的宽条区和放大区的脊条形式，边缘具有微结构的宽条区通过边缘折射率变化进行多次滤波实现模式的筛选，不再采用模式宽度截止的方法，实现了功率可提升的目的，并且光束质量不受边缘具有微结构的宽条区的长度影响，可以通过控制边缘具有微结构的宽条区的长度实现功率大小的调控，进而实现锥形激光器高功率高光束质量要求。本发明后腔面13脊条宽150um，前腔面14脊条宽度220um，与传统锥形激光器相比前后前面脊条宽度具有明显的提升，满足实现高功率的基础要求。由于功率的提升导致功率密度也在提升，很容易在腔面处实现COD，导致芯片失效，保留锥形放大区的设计，在不影响功率传输的基础上降低了腔面的功率密度，抑制腔面COD的产生，提升了芯片的使用寿命。
宽条区边缘设置的微结构为周期性分布的梯形结构，梯形短边11位于宽条区最宽处，梯形短边11的长度为20-70μm，梯形两个侧边角度及长度限制脊形宽条区最窄处宽度，从而引起折射率的变化，梯形侧边12与梯形短边11的夹角为120°，宽条区最窄处宽度为70μm。
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为150μm。
宽条区的长度为1000μm。
实施例2
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为150μm。
宽条区的长度为800m。
实施例3
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为150μm。
宽条区的长度为1200m。
实施例4
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为100μm。
宽条区的长度为1000μm。
实施例5
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为200μm。
宽条区的长度为1000μm。
实施例6
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为180μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为150μm。
宽条区的长度为1000μm。
实施例7
一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：
位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为290μm。
位于后腔面13的宽条区的宽度为150μm。
宽条区的长度为1000um。
实施例8
实施例1-7任一项所提供的的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的制备方法，包括：
(1)将GaAs衬底7放在MOCVD设备生长室内，由下至上依次包括GaAs缓冲层1，N限制层2，第一波导层3，量子阱层4，第二波导层5，P限制层6，表面覆盖层，完成外延结构的生长；
(2)利用光刻工艺对外延片进行刻蚀，去除表面覆盖层、部分P限制层6和第二波导层5形成宽条区和锥形放大区；
(3)通过光刻、腐蚀在宽条区的边缘制备微结构；
(4)利用PECVD工艺生长电流注入阻隔层8；
(5)通过蒸发沉积P面金属电极接触层9；
(6)进行衬底减薄；
(7)在减薄的衬底上沉积N面金属电极接触层10，然后退火，完成芯片制作。
对比例1
一种GaAs基锥形激光器芯片，与实施例1提供的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的区别之处在于：脊条采用传统锥形激光器的单模区和锥形放大区的脊条形式，单模区与锥形放大区相连接，且单模区的一端位于后腔面13，锥形放大区的宽端位于激光器的前腔面14。单模区的边缘不设置微结构。位于后腔面13的单模区的宽度为150um，位于前腔面14的锥形放大区的宽端的宽度为220um，其余芯片参数与本专利一致。
将实施例1-7及对比例1中制备的芯片封装到COS热沉上，在25A连续工作电流室温的条件下对样品进行测试，并每种样品选取15个COS在30A下进行连续老化测试，监控失效数量。表1为阈值电流、输出功率、工作电压、发散角及老化失效的对比数据：
表1
由表1可知，在输出功率方面，传统的锥形激光器芯片的功率为22.43W，而本发明提供的锥形激光器芯片的功率在24.32-27.60W，本发明提供的锥形激光器芯片较传统的锥形激光器芯片，功率有明显提升，输出功率更高。
在水平发散角方面，传统的锥形激光器芯片的结构的水平发散角在18.21deg，而本发明提供的锥形激光器芯片的水平发散角在10.28-10.48deg，由此可知，能够有效改善光斑质量。
在老化失效方面，传统的锥形激光器芯片的结构老化失效数量为12只，而本发明提供的锥形激光器芯片的老化失效数量则大大降低。
综上可知，本发明的全新锥形激光器结构与传统锥形激光器相比输出功率更高，水平发散角更好，并且在高功率下可靠性更稳定，并且通过更改锥形激光器中前后腔面13和边缘微结构宽条区可以实现功率及光束质量的控制，更有利于针对实际需求进行量产。
Claims (7)
1.一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，其特征在于，包括自下到上依次设置的N面金属电极接触层、GaAs衬底、GaAs缓冲层、N限制层、第一波导层、量子阱层、第二波导层、P限制层、电流注入阻隔层、P面金属电极接触层；
激光器芯片上设置有脊条结构，脊条结构台面的刻蚀深度到达第二波导层中，所述脊条结构包括宽条区和锥形放大区，且宽条区和锥形放大区相连接；所述宽条区的两个边缘开设有微结构；所述宽条区的一端位于激光器的后腔面，所述宽条区的另一端与锥形放大区的窄端相连接，锥形放大区的宽端位于激光器的前腔面。
2.根据权利要求1所述的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，其特征在于，宽条区边缘设置的微结构为周期性分布的梯形结构，梯形短边位于宽条区最宽处，梯形短边的长度为20-70μm，梯形侧边与梯形短边的夹角为120°，宽条区最窄处宽度为50-100μm。
3.根据权利要求2所述的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，其特征在于，宽条区最窄处宽度为70μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，其特征在于，位于前腔面的锥形放大区的宽端的宽度为100-400μm；进一步优选的，位于前腔面的锥形放大区的宽端的宽度为220μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，其特征在于，位于后腔面的宽条区的宽度为100-300μm；进一步优选的，位于后腔面的宽条区的宽度为150μm。
6.根据权利要求1所述的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片，其特征在于，宽条区的长度为500-2000μm；进一步优选的，宽条区的长度为1000μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将GaAs衬底放在MOCVD设备生长室内，由下至上依次包括GaAs缓冲层，N限制层，第一波导层，量子阱层，第二波导层，P限制层，表面覆盖层，完成外延结构的生长；
(2)利用光刻工艺对外延片进行刻蚀，去除表面覆盖层、部分P限制层和第二波导层形成宽条区和锥形放大区；
(3)通过光刻、腐蚀在宽条区的边缘制备微结构；
(4)利用PECVD工艺生长电流注入阻隔层；
(5)通过蒸发沉积P面金属电极接触层；
(6)进行衬底减薄；
(7)在减薄的衬底上沉积N面金属电极接触层，然后退火，完成芯片制作。
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| CN202210168177.7A CN116683284A (zh) | 2022-02-23 | 2022-02-23 | 一种具有高功率高光束质量的GaAs基大功率锥形激光器芯片及其制备方法 |
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