CN117374733A - 一种半导体激光器及其制备方法和激光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及其制备方法和激光设备，半导体激光器包括：衬底；第一外延结构，位于衬底的一侧，其包括第一半导体层；第二外延结构，位于第一半导体层远离衬底的一侧；其中，第一半导体层用于电隔离衬底和第二外延结构；第一半导体层包含至少一个P‑I‑N异质结。本发明提供的技术方案，保证生长出来的激光器器件的性能和可靠性的同时，提高了衬底与激光器外延结构之间的绝缘效果。

Description

一种半导体激光器及其制备方法和激光设备
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器及其制备方法和激光设备。
背景技术
半导体激光器，如边发射激光器(edge emitting laser,EEL)和垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)广泛应用于三维传感(3Dsensing)、激光雷达(LiDAR)、光通信(optical communication)以及照明(lighting)等应用中。
在一些应用场景下，激光器外延结构和衬底之间需要电绝缘，有利于实现激光器阵列的分区控制功能。例如，在三维传感和激光雷达等应用中，需要将激光器阵列进行分区，以实现分区控制开关(即可寻址)，以及实现不同区的不同驱动条件(例如以不同的电流大小、脉宽、占空比等不同驱动条件进行驱动)。相关技术中，将激光器外延结构和衬底之间进行电绝缘的方式可以包括采用绝缘或半绝缘衬底，或者采用N型或者P型导电衬底并在导电衬底和激光器外延结构之间加入反向PN结等方式；但是采用绝缘或半绝缘衬底易影响激光器外延生长的质量，降低了生长出来的激光器器件的性能和可靠性；采用在导电衬底和激光器外延结构之间加入反向PN的方式，可以保证生长出来的激光器器件的性能和可靠性，但是反向PN结的绝缘效果并不佳，仍然具有一定的漏电流，而且击穿电压并不高。因此，如何保证生长出来的激光器器件的性能和可靠性的同时，提高衬底与激光器外延结构之间的绝缘效果，是本领域人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种半导体激光器及其制备方法和激光设备，以保证生长出来的激光器器件的性能和可靠性的同时，提高衬底与激光器外延结构之间的绝缘效果。
根据本发明的一方面，提供了一种半导体激光器，包括：
衬底；
第一外延结构，位于所述衬底的一侧，其包括第一半导体层；
第二外延结构，位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
其中，所述第一半导体层用于电隔离所述衬底和所述第二外延结构；所述第一半导体层包含至少一个P-I-N异质结。
可选的，所述P-I-N异质结包括一层第一种半导体材料层和两层第二种半导体材料层；
第一种半导体材料层的材料为无掺杂的本征材料；两层第二种半导体材料中，一层掺杂有N型掺杂元素，另一层掺杂有P型掺杂元素；两层第二种半导体材料层分别位于所述第一种半导体材料层的上下两侧。
可选的，所述第一半导体层由至少两种交替排列的半导体材料层构成；
其中，第一种半导体材料层的材料为无掺杂的本征材料，第二种半导体材料层的掺杂类型包括N型和P型；每一第一种半导体材料层的两侧分别为N型第二种半导体材料层和P型第二种半导体材料层；并且，所述N型第二种半导体材料层和P型第二种半导体材料层在垂直于所述衬底的方向上交替排列。
可选的，所述第一种半导体材料层的带隙能量，高于所述第二种半导体材料层的带隙能量；
其中，所述第一种半导体材料层的材料包括III-V族半导体材料；所述第二种半导体材料层的材料包括III-V族半导体材料。
可选的，所述第二外延结构包括：
第二半导体层，位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
有源层，位于所述第二半导体层远离所述衬底的一侧；
第三半导体层，位于所述有源层远离所述衬底的一侧；
其中，所述第二半导体层的掺杂类型与所述第三半导体层的掺杂类型相反。
可选的，所述第三半导体层为上布拉格反射层；
所述第一半导体层和/或所述第二半导体层为下布拉格反射层。
可选的，所述半导体激光器还包括电流扩散层，所述电流扩散层位于所述第二半导体层中；所述电流扩散层的掺杂浓度高于1.0×1019atom/cm3。
可选的，所述第二外延结构包括至少两个发光阵列，每一所述发光阵列包括至少一个发光单元；
所述半导体激光器还包括隔离结构，所述隔离结构位于相邻的发光阵列之间，所述隔离结构用于电隔离相邻的两个所述发光阵列。
可选的，所述隔离结构包括沟槽，所述沟槽暴露出所述第一半导体层，或者，所述沟槽暴露出所述衬底。
可选的，所述隔离结构包括离子注入层，所述离子注入层位于所述第二半导体层中，或者，所述离子注入层位于所述第二半导体层以及所述第一半导体层中。
可选的，所述沟槽的底部和侧壁上覆盖有绝缘层。
可选的，所述发光阵列还包括支撑结构，所述支撑单元位于所述发光单元的一侧；
所述发光单元上设置有第一电极，所述支撑单元上设置有第二电极，所述第一电极和所述第二电极的高度平齐。
根据本发明的另一方面，提供了一种半导体激光器的制备方法，包括：
提供衬底；
于所述衬底的一侧形成第一外延结构，所述第一外延结构包括第一半导体层；所述第一半导体层包含至少一个P-I-N异质结；
于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧形成第二外延结构；其中，所述第一半导体层用于电隔离所述衬底和所述第二外延结构；所述第二外延结构包括至少两个发光阵列，每一所述发光阵列包括至少一个发光单元；
形成隔离结构，所述隔离结构位于至少两个所述发光阵列之间，所述隔离结构用于电隔离相邻两个所述发光阵列。
根据本发明的另一方面，提供了一种激光设备，包括本发明任一实施例所述的半导体激光器。
在本法明实施例提供的技术方案，通过在衬底与第二外延结构之间设置反向偏置的P-I-N异质结，相比于通常的反向偏置的PN结，其具有更高的击穿电压和更小的漏电电流，因此可以具有更好的电绝缘效果；衬底可以采用半导体材料，与绝缘或半绝缘衬底相比，在半导体衬底上生长的外延层具有更少的晶体缺陷，使得半导体衬底上生长的激光器外延结构的质量提高，从而保证了生长出来的激光器的性能和可靠性。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种测试PN结电学性能的电路图；
图3是本发明实施例提供的一种测试P-I-N结电学性能的电路图；
图4是本发明实施例提供的一种PN结和P-I-N结的电流-电压曲线的对比图；
图5是本发明实施例提供的一种P-I-N异质结的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种P-I-N同质结的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图；
图10是本发明实施例提供的一种半导体激光器的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种半导体激光器，图1是本发明实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，参考图1，半导体激光器包括：
衬底10；
第一外延结构，位于衬底10的一侧，其包括第一半导体层20；
第二外延结构30，位于第一半导体层20远离衬底10的一侧；
其中，第一半导体层20用于电隔离衬底10和第二外延结构30；第一半导体层20包含至少一个P-I-N异质结。
具体的，衬底10可以是任意适于形成半导体激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)。衬底10可以为导电衬底，衬底10可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，在本实施例中，该衬底10例如为N型掺杂半导体衬底，可以具有较低的晶体缺陷，因此在衬底10上形成的外延结构(第一外延结构和第二外延结构30)同样具有较低的晶体缺陷，因此可以提高半导体激光器的质量。
第一半导体层20位于第二外延结构30与衬底10之间，第一半导体层20用于电隔离衬底10和第二外延结构30，从而实现第二外延结构30中不同的发光阵列的单独控制。可以单独控制发光阵列的开启和关闭，或者，实现不同发光阵列的不同驱动条件，例如不同时间段进行驱动，或以不同的电流大小、脉宽、占空比等不同驱动条件进行驱动。将第二外延结构30和衬底10之间进行电绝缘有利于实现激光器阵列的分区控制功能，从而实现可寻址的激光器阵列。可寻址的激光器阵列可以实现单独控制单个发射器或不同组的发射器，因此可寻址的激光器阵列具有较多的应用。例如，可寻址的激光器阵列可以实现在同一芯片上，在不同的时间段上生成不同的近场和/或远场模式，或者每个区发出的远场对应于不同的远场视场范围，有利于增加3D传感和激光雷达的应用场景。
其中，第一半导体层20包括至少一个P-I-N异质结。通过在衬底10与第二外延结构30之间设置反向偏置的P-I-N异质结，相比于通常的反向偏置的PN结，其具有更高的击穿电压和更小的漏电电流，因此可以具有更好的电绝缘效果。图2是本发明实施例提供的一种测试PN结电学性能的电路图，PN结由两种不同掺杂类型的半导体材料组成，其中一种为N型掺杂半导体材料，另一种P型掺杂半导体材料。图3是本发明实施例提供的一种测试P-I-N结电学性能的电路图，P-I-N结的组成部分除了P型掺杂材料和N型掺杂材料以外，还有一层位于P型掺杂材料和N型掺杂材料中间的无掺杂的材料(即本征材料)。
图4是本发明实施例提供的一种PN结和P-I-N结的电流-电压曲线的对比图，PN结的电流-电压曲线如图4所示：当施加的电压V<0且|V|小于击穿电压|V1|时，PN结处于反向偏置，PN结的电流非常小，在微安(μA)量级或纳安(nA)量级，此电流被称为反向漏电电流(Ileakage)。直到电压|V|达到击穿电压|V1|，PN结被击穿(breakdown)，电流会急剧上升。所以反向偏置的PN结在一定电压范围内(V<0且|V|<|V1|)具有一定的电绝缘效果(电流极小)，直到反向偏置高到一定程度才会导通(电流急剧上升)。但是反向PN结的绝缘效果并不佳，仍然具有一定的漏电流，而且击穿电压并不高。本发明实施例提供的P-I-N结的组成部分除了P型掺杂材料层和N型掺杂材料层以外，还有一层无掺杂的材料层(即本征材料层I)，位于P型掺杂材料层和N型掺杂材料层的中间。本征材料层的材料可以理解为是掺杂浓度极低的材料，将其置于PN结中间可以增加击穿电压，降低漏电电流。如图4所示，P-I-N结的I-V曲线和PN结类似，但是相比于PN结，P-I-N结的反向击穿电压V2更高，反向漏电电流更小，因此P-I-N结具有更好的电绝缘效果。其中，本征材料层I的厚度范围为5nm～5μm，可以实现更高的击穿电压。
在本法明实施例提供的半导体激光器，通过在衬底10与第二外延结构30之间设置反向偏置的P-I-N异质结，相比于通常的反向偏置的PN结，其具有更高的击穿电压和更小的漏电电流，因此可以具有更好的电绝缘效果；衬底10和第一半导体层20可以采用半导体材料，与绝缘或半绝缘衬底10相比，在半导体衬底10上生长的外延层具有更少的晶体缺陷，使得半导体衬底10上生长的第二外延结构30的质量提高，从而保证了生长出来的激光器的性能和可靠性。因此，本发明实施例提供的技术方案，保证了生长出来的激光器器件的性能和可靠性的同时，提高了衬底10与激光器外延结构之间的绝缘效果。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，参考图1，第一半导体层20可以包括一个P-I-N异质结；P-I-N异质结包括一层第一种半导体材料层21和两层第二种半导体材料层22；
第一种半导体材料层21为无掺杂的本征材料层I；两层第二种半导体材料22中，一层掺杂有N型掺杂元素，另一层掺杂有P型掺杂元素，分别形成N型第二种半导体材料层222和P型第二种半导体材料层221；两层第二种半导体材料层22分别位于第一种半导体材料层21的上下两侧。
其中，第一种半导体材料层21的带隙能量，高于第二种半导体材料层22的带隙能量。第一种半导体材料层21的材料包括III-V族半导体材料；第二种半导体材料层22的材料包括III-V族半导体材料。III-V族半导体材料包括但不限于GaAs、AlAs、AlGaAs、GaP、GaAsP、GaN、AlN、AlGaN等材料。
具体的，本发明实施例提供的P-I-N结为P-I-N异质结，本征材料层I所使用的半导体材料与P型掺杂层和N型掺杂层所使用的半导体材料不同。相比于P-I-N同质结(即本征材料层I所使用的半导体材料与P型掺杂层和N型掺杂层所使用的半导体材料相同)，P-I-N异质结可以实现更好的电绝缘效果。
图5是本发明实施例提供的一种P-I-N异质结的结构示意图，参考图5，本发明提出本征材料层I采用高带隙能量的半导体材料，例如Al0.9Ga0.1As；P型掺杂层和N型掺杂层采用低带隙能量的半导体材料，例如Al0.1Ga0.9As。形成Al0.1Ga0.9As(P)-Al0.9Ga0.1As(I)-Al0.1Ga0.9As(N)异质结，相比于如6所示的Al0.1Ga0.9As(P)-Al0.1Ga0.9As(I)-Al0.1Ga0.9As(N)同质结，击穿电压更高，漏电电流更低；击穿电压增加约10倍，漏电电流降低约10倍。
在上述实施例的基础上，在本发明的另一个实施例中，图7是本发明实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图，参考图7，第一半导体层20可以包括多个P-I-N异质结；第一半导体层20由至少两种交替排列的半导体材料层构成。
其中，第一种半导体材料层21的材料为无掺杂的本征材料，第二种半导体材料层的掺杂类型包括N型和P型；每一第一种半导体材料层21的两侧分别为N型第二种半导体材料层222和P型第二种半导体材料层221；并且，N型第二种半导体材料层222和P型第二种半导体材料层221在垂直于衬底10的方向上交替排列。第一种半导体材料层21的带隙能量，高于第二种半导体材料层(221/222)的带隙能量。第一种半导体材料层21的材料包括III-V族半导体材料；第二种半导体材料层(221/222)的材料包括III-V族半导体材料。III-V族半导体材料包括但不限于GaAs、AlAs、AlGaAs、GaP、GaAsP、GaN、AlN、AlGaN等材料。
第一半导体层20包括多个交替的P-I-N结，即具有周期性的P-I-N-I-P-I-N-I周期结构。相比于单个P-I-N结，m个交替的P-I-N结可以将击穿电压提高m倍，m为大于1的整数。除此之外，由于多个交替的P-I-N结具有两种不同方向的P-I-N结，使得第一半导体层20可以具有双向电绝缘的作用。
在上述各实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，参考图1和图7，第二外延结构30包括：
第二半导体层31，位于第一半导体层20远离衬底10的一侧；
有源层32，位于第二半导体层31远离衬底10的一侧；
第三半导体层33，位于有源层32远离衬底10的一侧；
其中，第二半导体层31的掺杂类型与第三半导体层33的掺杂类型相反。
具体的，第二半导体层31、有源层32和第三半导体层33层叠设置，第二半导体层31和第三半导体层33分别位于有源层32的相对的两侧。第二半导体层31为N型半导体层，第三半导体层33为P型半导体层；或者，第二半导体层31为P型半导体层，第三半导体层33为N型半导体层。有源层32包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs，或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层321用以将电能转换为光能。
在上述各实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，半导体激光器类型为垂直腔面发射激光器，第一半导体层20和/或第二半导体层31为下布拉格反射层，第三半导体层33为上布拉格反射层。在本发明的另一实施例中，半导体激光器类型为边发射激光器，第二半导体层31为下导波层；第三半导体层33为上导波层。
具体的，半导体激光器类型可以为垂直腔面发射激光器；对应的，第一半导体层20和/或第二半导体层31为下布拉格反射层，第三半导体层33为上布拉格反射层。若第二半导体层31为N型的下布拉格反射镜，则第三半导体层33为P型的上布拉格反射镜；若第二半导体层31为P型的下布拉格反射镜，则第三半导体层33为N型的上布拉格反射镜。P型布拉格反射镜中掺杂的元素可以包括碳，N型布拉格反射镜中掺杂的元素可以包括碲、硅、锗中的至少一种。
上布拉格反射层和下布拉格反射层均由包括铝镓砷材料层和砷化镓材料层两种不同折射率的材料层层叠构成，或者由包括高铝组分的铝镓砷材料层和低铝组分的铝镓砷材料层两种不同折射率的材料层层叠构成。在本实施例中，下布拉格的层叠数可以大于上布拉格的层叠数，也就是说第一半导体层20和第二半导体层31的层叠数之和大于第三半导体层33的层叠数，使得垂直腔面发射激光器的激光沿着垂直有源层32的方向从上布拉格反射层中的发光开口射出，发光开口可以通过氧化层(未画出)定义。可选的，通过对上布拉格反射层的侧壁进行湿法氧化的方式，在上布拉格反射层中形成具有开口的氧化层，并将其作为电流限制层。开口位于氧化层的中间区域，氧化层具有开口的区域对应发光区域。
或者，半导体激光器类型可以为边发射激光器；对应的，第二半导体层31为下导波层；第三半导体层33为上导波层。若下导波层为N型导波层，则上导波层为P型导波层。若下导波层为P型导波层，则上导波层为N型导波层。P型导波层中掺杂的元素包括碳，N型导波层中掺杂的元素包括碲、硅、锗中的至少一种。对于边发射激光器，激光沿着平行于有源层32的方向从有源层32的侧壁射出。
在上述各实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，半导体激光器还可以包括电流扩散层，电流扩散层位于第二半导体层31中；电流扩散层的掺杂浓度高于1.0×1019atom/cm3。流扩散层的掺杂浓度可以根据激光器的实际需要进行设定。
具体的，电流扩散层中电流的扩散方向平行于有源层32，使得电流扩散层中电流的扩散方向包括从电流扩散层的电流注入部位指向电流扩散层位于有源层32的发光区的发光交叠部位，电流注入部位与发光交叠部位在有源层32的垂直投影不交叠。因此，向激光器输入的电信号能够可以通过电流扩散层的导电作用流向有源层32，从而产生激光，实现电流注入的功能的同时，又可以避免给电流扩散层注入电流信号的金属电极出现挡光的问题，保证了对半导体激光器的能量转换效率和光束质量。
在上述各实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，图8是本发明实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图，图9是本发明实施例提供的另一种半导体激光器的结构示意图，参考图8和图9，第二外延结构30包括至少两个发光阵列，每一发光阵列包括至少一个发光单元100；图8和图9中均示例性的画出了两个发光阵列，分别为发光阵列01和发光阵列02，每个发光阵列包括两个发光单元100。半导体激光器还包括隔离结构，隔离结构位于相邻的发光阵列之间，隔离结构用于电隔离相邻的两个发光阵列。
具体的，在形成第二半导体层31，有源层32和第三半导体层33之后，可以依次对第三半导体层33和有源层32进行刻蚀，从而在衬底10上形成多个第一沟槽301，进而在衬底10上形成多个第一台型结构310。每一第一台型结构310对应一个发光单元100。半导体激光器还包括隔离结构，隔离结构位于相邻的发光阵列之间，隔离结构用于电隔离相邻的两个发光阵列。
可选的，参考图8，隔离结构包括沟槽(第二沟槽302)，沟槽(第二沟槽302)暴露出第一半导体层20，或者，沟槽暴露出衬底10。示例性的，图8示出了沟槽(第二沟槽302)暴露出衬底10。在形成第二沟槽302时，可以先通过刻蚀工艺暴露出第二半导体层31，然后再次通过刻蚀工艺对第二半导体层31进行刻蚀，从而使得第二沟槽302暴露出衬底10。其中，第一沟槽301和第二沟槽302的底部和侧壁上可以覆盖有绝缘层50。绝缘层50的材料可以是氮化硅或氧化硅或其他绝缘材料，该绝缘层50的厚度可在100-300nm，该绝缘层50可以保护电流限制层，还可以有效隔离相邻的台型结构。在本实施例中，可例如通过化学气相沉积的方式形成该绝缘层50。
可选的，参考图9，隔离结构包括离子注入层60，离子注入层60位于第二半导体层31中，或者，离子注入层位于第二半导体层31以及第一半导体层20中。在刻蚀沟槽时，仅刻蚀至第二半导体层31的表面形成用于划分发光单元100的第一沟槽301。然后对第二半导体层31进行离子掺杂，从而在第二半导体层31内形成离子注入层60。离子注入层60可以与衬底10接触，即对第二半导体层31以及第一半导体层20进行离子掺杂，从而在第二半导体层31和第一半导体层20内形成离子注入层60。由于离子注入层60的存在，电流无法通过该离子掺杂区，由此使得两个发光阵列电隔离。当然，在一些实施例中，离子掺杂区还可以位于衬底10内。
在上述各实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，请继续参考图8和图9，发光阵列还包括支撑结构，支撑单元位于发光单元100的一侧；
发光单元100上设置有第一电极41，支撑单元上设置有第二电极42，第一电极41和第二电极42的高度平齐。
具体的，发光阵列还包括支撑结构，支撑单元位于发光单元100的一侧。在制备发光单元100和支撑单元过程中，依次对第三半导体层33和有源层32进行刻蚀，从而在衬底上形成多个台型结构。多个台型结构包括多个第一台型结构310和多个第二台型结构320。第一台型结构310用于制备发光单元100，第二台型结构320用于制备支撑结构。
使用该激光器时，在第一电极41上施加正电压，在第二电极42上施加负电压，由此电流由第一电极41流向第三半导体层33，有源层32及第二半导体层31。当电流流向第二半导体层31时，由于第一半导体层20中具有反向偏置的P-I-N异质结，因此电流通过第二半导体层31流入第二电极42中，无法流向衬底10中，由此实现发光阵列与衬底10的电隔离。同时由于第二沟槽302或者离子注入层的作用，因此可以将两个发光阵列电隔离，从而可以单独控制任意一个或同时控制两个发光阵列。
本发明实施例还提供了一种半导体激光器的制备方法，用于制备上述任意实施例所述的一种半导体激光器。图10是本发明实施例提供的一种半导体激光器的制备方法的流程图，参考图10，半导体激光器的制备方法包括：
S110、提供衬底。
具体的，衬底可以是任意适于形成半导体激光器的材料，例如为砷化镓(GaAs)。衬底可以为导电衬底，衬底可以是N型掺杂的半导体衬底，也可以是P型掺杂的半导体衬底，在本实施例中，该衬底例如为N型掺杂半导体衬底。才有导电的半导体衬底，可以具有较低的晶体缺陷，因此在衬底上形成的外延结构(第一半导体层和第二外延结构)同样具有较低的晶体缺陷，因此可以提高半导体激光器的质量。
S120、于衬底的一侧形成第一外延结构，第一外延结构包括第一半导体层；第一半导体层包含至少一个P-I-N异质结。
具体的，第一半导体层可以包括一个P-I-N异质结；P-I-N异质结包括一层第一种半导体材料层和两层第二种半导体材料层；第一种半导体材料层的材料为无掺杂的本征材料；两层第二种半导体材料中，一层掺杂有N型掺杂元素，另一层掺杂有P型掺杂元素；两层第二种半导体材料层分别位于第一种半导体材料层的上下两侧。
或者，第一半导体层包括多个交替的P-I-N结，即具有周期性的P-I-N-I-P-I-N-I周期结构。相比于单个P-I-N结，m个交替的P-I-N结可以将击穿电压提高m倍。除此之外，由于多个交替的P-I-N结具有两种不同方向的P-I-N结，使得第一半导体层可以具有双向电绝缘的能力。
其中，第一种半导体材料层的带隙能量，高于第二种半导体材料层的带隙能量。第一种半导体材料层的材料包括III-V族半导体材料；第二种半导体材料层的材料包括III-V族半导体材料。III-V族半导体材料包括但不限于GaAs、AlAs、AlGaAs、GaP、GaAsP、GaN、AlN、AlGaN等材料。
S130、于第一半导体层远离衬底的一侧形成第二外延结构；其中，第一半导体层用于电隔离衬底和第二外延结构；第二外延结构包括至少两个发光阵列，每一发光阵列包括至少一个发光单元。
具体的，第二外延结构中包括至少两个发光阵列。第一半导体层位于第二外延结构与衬底之间，第一半导体层用于电隔离衬底和第二外延结构，从而实现第二外延结构中不同的发光阵列的单独控制。于第一半导体层远离衬底的一侧形成第二外延结构包括在第一半导体层上依次形成第二半导体层、有源层和第三半导体层。第二半导体层为N型半导体层，第三半导体层为P型半导体层；或者，第二半导体层为P型半导体层，第三半导体层为N型半导体层。有源层包括层叠设置的量子阱复合结构，由GaAs和AlGaAs，或者InGaAs和AlGaAs材料层叠排列构成，有源层1用以将电能转换为光能。在本发明的一个实施例中，半导体激光器类型为垂直腔面发射激光器，参考图1，第一半导体层和/或第二半导体层为下布拉格反射层，第三半导体层为上布拉格反射层。在本发明的另一实施例中，半导体激光器类型为边发射激光器，参考图2，第二半导体层为下导波层；第三半导体层为上导波层。可以依次对第三半导体层和有源层进行刻蚀，从而在衬底上形成多个第一沟槽，从而在衬底上形成多个第一台型结构。每一第一台型结构对应一个发光单元。
S140、形成隔离结构；隔离结构位于至少两个发光阵列之间，隔离结构用于电隔离相邻两个发光阵列。
具体的，隔离结构可以包括第二沟槽。第二沟槽暴露出第一半导体层，或者，第二沟槽暴露出衬底。在形成第二沟槽时，可以先通过刻蚀工艺暴露出第二半导体层，然后再次通过刻蚀工艺对第二半导体层进行刻蚀，从而使得第二沟槽暴露出衬底。
隔离结构可以包括离子注入层。离子注入层位于第二半导体层中，或者，离子注入层位于第二半导体层以及第一半导体层中。在刻蚀沟槽时，仅刻蚀至第二半导体层的表面形成用于划分发光单元的第一沟槽。然后对第二半导体层进行离子掺杂，在第二半导体层内形成离子注入层。离子注入层可以与衬底接触，即对第二半导体层以及第一半导体层进行离子掺杂，在第二半导体层和第一半导体层内形成离子注入层。由于离子注入层的存在，电流无法通过该离子掺杂区，由此使得两个发光阵列电隔离。当然，在一些实施例中，离子注入层还可以位于衬底内。
在本法明实施例提供的半导体激光器的制备方法，通过在衬底与第二外延结构之间设置反向偏置的P-I-N异质结，相比于通常的反向偏置的PN结，其具有更高的击穿电压和更小的漏电电流，因此可以具有更好的电绝缘效果；衬底和第一半导体层可以采用半导体材料，与绝缘或半绝缘衬底相比，在半导体衬底上生长的外延层具有更少的晶体缺陷，使得半导体衬底上生长的激光器外延结构的质量提高，从而保证了生长出来的激光器的性能和可靠性。因此，本发明实施例提供的技术方案，保证了生长出来的激光器器件的性能和可靠性的同时，提高了衬底与激光器外延结构之间的绝缘效果。
可选的，半导体激光器的制备方法还包括：
在发光阵列中形成支撑结构；支撑单元位于发光单元的一侧；
在发光单元上形成第一电极，在支撑单元上形成第二电极；第一电极和第二电极的高度平齐。
具体的，在制备发光单元和支撑单元过程中，依次对第三半导体层和有源层进行刻蚀，从而在衬底上形成多个台型结构。多个台型结构包括多个第一台型结构和多个第二台型结构。第一台型结构用于制备发光单元，第二台型结构用于制备支撑结构。每一发光阵列中包括至少一个发光单元和至少一个支撑结构。在形成第一台型结构和第二台型结构之后，在第一台型结构中形成电流限制层，以在第一台型结构内形成发光孔。本实施例通过高温氧化高掺铝的方法，对第二台型结构的侧壁进行氧化，以在第三半导体层内形成电流限制层。
在第一台型结构的表面、第二台型结构的表面以及沟槽的侧壁和底部形成绝缘层。刻蚀第一台型结构顶部的绝缘层，形成暴露第一台型结构的第一开口。刻蚀与第二台型结构相邻的沟槽的底部，形成暴露第二半导体层的第二开口。然后通过化学气相沉积的方式在第一台型结构和第二台型结构上分别形成第一电极和第二电极。第一电极通过第一开口与第一台型结构接触。第一电极还填充在相邻的连个第一台型结构之间的第一沟槽内，也就是说通过第一电极将两个第一台型结构连接起来，从而将两个发光单元串联起来。第二电极通过第二开口与第二半导体层接触。在形成第一电极和第二电极之后，即在第一半导体层上形成了多个发光单元。
本发明实施例还提供了一种激光设备，包括上述任意实施例所述的半导体激光器。具有相同的技术效果，这里不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (14)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
衬底；
第一外延结构，位于所述衬底的一侧，其包括第一半导体层；
第二外延结构，位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
其中，所述第一半导体层用于电隔离所述衬底和所述第二外延结构；所述第一半导体层包含至少一个P-I-N异质结。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述P-I-N异质结包括一层第一种半导体材料层和两层第二种半导体材料层；
第一种半导体材料层的材料为无掺杂的本征材料；两层第二种半导体材料中，一层掺杂有N型掺杂元素，另一层掺杂有P型掺杂元素；两层第二种半导体材料层分别位于所述第一种半导体材料层的上下两侧。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一半导体层由至少两种交替排列的半导体材料层构成；
其中，第一种半导体材料层的材料为无掺杂的本征材料，第二种半导体材料层的掺杂类型包括N型和P型；每一第一种半导体材料层的两侧分别为N型第二种半导体材料层和P型第二种半导体材料层；并且，所述N型第二种半导体材料层和P型第二种半导体材料层在垂直于所述衬底的方向上交替排列。
4.根据权利要求2或3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一种半导体材料层的带隙能量，高于所述第二种半导体材料层的带隙能量；
其中，所述第一种半导体材料层的材料包括III-V族半导体材料；所述第二种半导体材料层的材料包括III-V族半导体材料。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二外延结构包括：
第二半导体层，位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
有源层，位于所述第二半导体层远离所述衬底的一侧；
第三半导体层，位于所述有源层远离所述衬底的一侧；
其中，所述第二半导体层的掺杂类型与所述第三半导体层的掺杂类型相反。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，
所述第三半导体层为上布拉格反射层；
所述第一半导体层和/或所述第二半导体层为下布拉格反射层。
7.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，还包括电流扩散层，所述电流扩散层位于所述第二半导体层中；所述电流扩散层的掺杂浓度高于1.0×1019atom/cm3。
8.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二外延结构包括至少两个发光阵列，每一所述发光阵列包括至少一个发光单元；
所述半导体激光器还包括隔离结构，所述隔离结构位于相邻的发光阵列之间，所述隔离结构用于电隔离相邻的两个所述发光阵列。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器，其特征在于，所述隔离结构包括沟槽，所述沟槽暴露出所述第一半导体层，或者，所述沟槽暴露出所述衬底。
10.根据权利要求8所述的半导体激光器，其特征在于，所述隔离结构包括离子注入层，所述离子注入层位于所述第二半导体层中，或者，所述离子注入层位于所述第二半导体层以及所述第一半导体层中。
11.根据权利要求9所述的半导体激光器，其特征在于，所述沟槽的底部和侧壁上覆盖有绝缘层。
12.根据权利要求8所述的半导体激光器，其特征在于，所述发光阵列还包括支撑结构，所述支撑单元位于所述发光单元的一侧；
所述发光单元上设置有第一电极，所述支撑单元上设置有第二电极，所述第一电极和所述第二电极的高度平齐。
13.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
于所述衬底的一侧形成第一外延结构，所述外延结构包括第一半导体层；所述第一半导体层包含至少一个P-I-N异质结；
于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧形成第二外延结构；其中，所述第一半导体层用于电隔离所述衬底和所述第二外延结构；所述第二外延结构包括至少两个发光阵列，每一所述发光阵列包括至少一个发光单元；
形成隔离结构，所述隔离结构位于至少两个所述发光阵列之间，所述隔离结构用于电隔离相邻两个所述发光阵列。
14.一种激光设备，其特征在于，包括权利要求1～12任一所述的半导体激光器。
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