CN118040465A - 一种新型半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体提供一种新型半导体激光器及其制备方法，自第二电极的表面延伸至第二包层刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导，上表面波导包括位于光电调控沟道内的上表面波导区和位于光电调控沟道外侧的非注入区，上表面波导区包括中心波导区、耦合波导区和副波导区，中心波导区起增益放大作用，副波导区起调制作用，同时通过对光电调控沟道的注入窗口位置的改变控制注入载流子的分布情况，诱导波导进入副波导区，增强副波导区调制能力。通过对半导体激光器载流子分布的调控以及副腔的增益调控，副波导区可以提供额外的增益，从而提升器件的光电性能，提高器件输出功率，改善器件的光束质量，提升器件亮度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体提供一种新型半导体激光器及其制备方法。
背景技术
目前，半导体激光器的亮度与输出功率与光束质量的比值成正比，反映为单位立体角下激光功率，在实际应用中往往希望半导体激光器具有高的输出功率和优异的光束质量，即高的亮度。现存在的问题是，半导体窄脊激光器的输出功率随着电流增大并非线性变化的，而是会达到饱和后迅速降低，这种现象被称为功率反转(Rollover)。然而，现有的方法多为增大波导宽度以提升功率，或者通过外腔技术、调控载流子注入等手段达到提高光束质量的目的。但由于增大波导宽度也就容易导致多模激射，因此，输出亮度也大大下降，且技术复杂、增加了系统的体积和成本，这对于工业化制备高功率半导体激光器而言是非常不利的。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种新型半导体激光器及其制备方法，具体采用以下技术方案来实现。
第一方面，本发明提供一种新型半导体激光器，具体，包括：
衬底，所述衬底的下表面设有第一导电类型的第一电极；
形成在所述衬底的上表面的缓冲层；
形成在所述缓冲层的上表面的第一导电类型的第一包层；
形成在所述第一包层的上表面的激光器波导层，所述激光器波导层包括位于所述第一包层上的第一导电类型的第一波导、位于所述第一波导的上表面的有源区以及位于所述有源区的上表面的第二导电类型的第二波导；
形成在所述激光器波导层的上表面的第二导电类型的第二包层；
位于所述第二包层的上表面并间接排列的绝缘层、位于所述绝缘层之间并与所述第二包层连接的盖层，部分所述绝缘层位于所述盖层的上表面边缘；
形成在所述绝缘层的上表面并部分位于所述盖层的上表面的第二导电类型的第二电极；
自所述第二电极的表面延伸至所述第二包层刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导，所述上表面波导包括位于所述光电调控沟道内的上表面波导区和位于所述光电调控沟道外侧的非注入区，所述上表面波导区包括中心波导区、耦合波导区和副波导区，所述耦合波导区连接至所述中心波导区、所述副波导区。
优选的，所述上表面波导区的下表面与所述第二包层的下表面的距离小于所述激光器波导层的倏逝波长度。
优选的，所述激光器波导层的折射率大于所述第一包层和所述第二包层的折射率。
优选的，所述衬底的材质为GaAs、InP、GaSb或GaN中的至少一种，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
优选的，所述衬底与所述缓冲层的材质相同，所述缓冲层用于掩埋衬底的缺陷。
第二方面，本发明还提供了一种新型半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上采用分子束外延或金属有机化合物化学气相沉积技术依次生长缓冲层、第一导电类型的第一包层、第一导电类型的第一波导、有源区、第二导电类型的第二波导、第二导电类型的第二包层、绝缘层和第二导电类型的盖层；
S2：在所述盖层上均匀涂覆光刻胶，通过光学掩模版、利用紫外曝光和刻蚀技术在芯片结构上制备出光电调控沟道以形成位于所述光电调控沟道内的上表面波导区、以及位于所述光电调控沟道外侧的非注入区，所述上表面波导区与所述非注入区形成上表面波导，其中，所述上表面波导区包括中心波导区、耦合波导区和副波导区，所述耦合波导区连接至所述中心波导区、所述副波导区；
S3：在所述盖层上生长二氧化硅层得到绝缘层，通过光学掩模版、紫外曝光和二氧化硅刻蚀技术在所述绝缘层和所述盖层上刻蚀出欧姆接触区；
S4：利用金属生长设备在所述欧姆接触区沉积一层第二导电类型的接触金属得到第二电极；
S5：对所述衬底依次进行减薄、抛光和清洗，在所述衬底的下表面生长第一导电类型的第一电极得到器件；
S6：对所述器件进行解离、镀膜和封装得到新型半导体激光器。
优选的，所述第一波导、所述有源区和所述第二波导形成激光器波导层，所述激光器波导层的折射率大于所述第一包层和所述第二包层的折射率，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
优选的，所述中心波导区的端面宽度为10-50μm，所述耦合波导区为弯曲波导，所述耦合波导区的弯曲角度符合三角函数cos曲线分布，所述耦合波导区用于可择性的增加侧向高阶模式的损耗以抑制高阶模式工作，使器件腔内的模式分布改变。
优选的，所述中心波导区的端面宽度为10-50μm，所述耦合波导区为倾斜波导，所述耦合波导区用于抑制高阶侧向模式。
优选的，通过调控所述中心波导区、所述副波导区对应的光电调控沟道的位置改变注入载流子分布，以调控所述副波导区的增益。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
通过在自第二电极的表面延伸至第二包层刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导，上表面波导包括位于光电调控沟道内的上表面波导区和位于光电调控沟道外侧的非注入区，上表面波导区包括中心波导区、耦合波导区和副波导区，中心波导区起增益放大作用，副波导区起调制作用，同时通过对光电调控沟道的注入窗口位置的改变控制注入载流子的分布情况，诱导波导进入副波导区，增强副波导区调制能力。通过对半导体激光器载流子分布的调控以及副腔的增益调控，副波导区可以提供额外的增益，从而提升器件的光电性能，提高器件输出功率，改善器件的光束质量，提升器件亮度。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的半导体激光器前腔面截面的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的半导体激光器后腔面截面的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的半导体激光器的上表面波导示意图；
图4是根据本发明实施例提供的半导体激光器的制备方法的流程图；
图5是根据本发明实施例提供的半导体激光器实施例三的示意图；
图6是根据本发明实施例提供的半导体激光器实施例四的示意图；
图7是根据本发明实施例提供的半导体激光器实施例五的示意图。
其中的附图标记包括：
101-衬底；102-缓冲层；103-第一包层；104-第一波导；105-有源区；106-第二波导；107-第二包层；108-盖层；109-第二电极；110-第一电极；111-绝缘层；112-激光器波导层；113-上表面波导区；114-中心波导区；115-非注入区；116-上表面波导；117-副波导区；118-耦合波导区。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
实施例一
参阅图1、图2和图3，本发明提供一种新型半导体激光器，具体，包括：
衬底101，所述衬底101的下表面设有第一导电类型的第一电极110；
形成在所述衬底101的上表面的缓冲层102；
形成在所述缓冲层102的上表面的第一导电类型的第一包层103；
形成在所述第一包层103的上表面的激光器波导层112，所述激光器波导层112包括位于所述第一包层103上的第一导电类型的第一波导104、位于所述第一波导104的上表面的有源区105以及位于所述有源区105的上表面的第二导电类型的第二波导106；
形成在所述激光器波导层112的上表面的第二导电类型的第二包层107；
位于所述第二包层107的上表面并间接排列的绝缘层111、位于所述绝缘层111之间并与所述第二包层107连接的盖层108，部分所述绝缘层111位于所述盖层108的上表面边缘；
形成在所述绝缘层111的上表面并部分位于所述盖层108的上表面的第二导电类型的第二电极109；
自所述第二电极109的表面延伸至所述第二包层107刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导116，所述上表面波导116包括位于所述光电调控沟道内的上表面波导区113和位于所述光电调控沟道外侧的非注入区115，所述上表面波导区113包括中心波导区114、耦合波导区118和副波导区117，所述耦合波导区118连接至所述中心波导区114、所述副波导区117。
本实施例中，所述上表面波导区113的下表面与所述第二包层107的下表面的距离小于所述激光器波导层112的倏逝波长度，所述激光器波导层112的折射率大于所述第一包层103和所述第二包层107的折射率，所述衬底101的材质为GaAs、InP、GaSb或GaN中的至少一种，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型，所述衬底101与所述缓冲层102的材质相同，所述缓冲层102用于掩埋衬底101的缺陷。换言之，基于光电调控的高亮度半导体激光器，该半导体激光器由下至上的构成依次为第一电极110即N面电极、衬底101、缓冲层102、第一包层103即N型包层、第一波导104即N型波导、有源区105、第二波导106即P型波导、第二包层107即P型包层、P型盖层108和第二电极109即P面电极。
需要说明的是，衬底101为Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如GaAs、InP、GaSb和GaN等，包括但不限于以上几种材料，通常N型掺杂。缓冲层102与衬底101材料相同，用于掩埋衬底101自身的缺陷。N型波导104、有源区105和P型波导106组成激光器波导层112，有源区105位于N型波导104和P型波导106之间，有源区105可以为单层或多层的量子阱、量子点等，用作激光器的增益区。激光器波导层112两边分别为N型包层103和P型包层107，其中，激光器波导层112的折射率通常大于N型包层103和P型包层107，从而形成全反射波导。激光器谐振腔内传输的光模被限制在激光器波导层112内，但由于倏逝波效应仍会有部分光在N型包层103和P型包层107中传输，因此，通过控制N型包层103和P型包层107的一些特性可影响激光器波导层112中传输的光场特性。P型盖层108生长在P型包层107之上，重掺杂以利于欧姆接触。P面电极沉积在P型盖层108的顶面，N面电极110沉积在衬底101上，两者作为激光器的电极，用于电流注入。其中，隐矢波也称隐逝波(evanescent wave)，是光在发生全内反射时，光波不是绝对的在界面上被全部反射回第一介质，而是投入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿着反射光方向射出，这个沿着第二介质表面的波被称隐矢波也叫隐逝波或倏逝波。
应理解，本发明的激光器波导层112为复合波导腔结构，耦合波导区118即耦合波导腔可以选择性的增加侧向高阶模式的损耗，抑制高阶模式工作，有效的对高阶侧向模式进行抑制，改变器件腔内的模式分布。中心波导区114即主腔起增益放大作用，副波导区117即副腔起调制作用，同时通过对主副腔的注入窗口位置即光电调控沟道的改变控制注入载流子的分布情况，诱导波导进入副腔，增强副腔调制能力。通过对半导体激光器载流子分布的调控以及副腔的增益调控，从而提升器件的光电性能，提高器件亮度。
实施例二
参阅图1和图4，本发明还提供了一种新型半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供一衬底101，在所述衬底101上采用分子束外延或金属有机化合物化学气相沉积技术依次生长缓冲层102、第一导电类型的第一包层103、第一导电类型的第一波导104、有源区105、第二导电类型的第二波导106、第二导电类型的第二包层107、绝缘层111和第二导电类型的盖层108；
S2：在所述盖层108上均匀涂覆光刻胶，通过光学掩模版、利用紫外曝光和刻蚀技术在芯片结构上制备出光电调控沟道以形成位于所述光电调控沟道内的上表面波导区113、以及位于所述光电调控沟道外侧的非注入区115，所述上表面波导区113与所述非注入区115形成上表面波导116，其中，所述上表面波导区113包括中心波导区114、耦合波导区118和副波导区117，所述耦合波导区118连接至所述中心波导区114、所述副波导区117；
S3：在所述盖层108上生长二氧化硅层得到绝缘层111，通过光学掩模版、紫外曝光和二氧化硅刻蚀技术在所述绝缘层111和所述盖层108上刻蚀出欧姆接触区；
S4：利用金属生长设备在所述欧姆接触区沉积一层第二导电类型的接触金属得到第二电极109；
S5：对所述衬底101依次进行减薄、抛光和清洗，在所述衬底101的下表面生长第一导电类型的第一电极110得到器件；
S6：对所述器件进行解离、镀膜和封装得到新型半导体激光器。
本实施例中，所述第一波导104、所述有源区105和所述第二波导106形成激光器波导层112，所述激光器波导层112的折射率大于所述第一包层103和所述第二包层107的折射率，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。换言之，具体的制备过程为：在衬底101上采用分子束外延(MBE)或金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术依次生长缓冲层102、N型包层103、N型波导104、有源区105、P型波导106、P型包层107、二氧化硅绝缘层111、P型盖层108；在P型盖层108上均匀涂覆光刻胶，通过光学掩模版，利用紫外曝光和刻蚀技术在芯片结构上制备出光电调控沟道113从而形成中心波导区114及非注入区115从而组成上表面波导116；在P型盖层上生长二氧化硅层，通过光学掩模版、紫外曝光和二氧化硅刻蚀技术在宽条形波导表面刻蚀出欧姆接触区；利用金属生长设备沉积一层P型欧姆接触金属，即P面电极；对衬底101进行减薄以及抛光，完成之后对芯片进行清洗，在衬底101抛光面生长N面电极110；对器件进行解离，镀膜，封装。
应理解，通过在自第二电极109的表面延伸至第二包层107刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导116，上表面波导116包括位于光电调控沟道内的上表面波导区113和位于光电调控沟道外侧的非注入区115，上表面波导区113包括中心波导区114、耦合波导区118和副波导区117，中心波导区114起增益放大作用，副波导区117起调制作用。
实施例三
参阅图5，所述中心波导区114的端面宽度为10-50μm，所述耦合波导区118为弯曲波导，所述耦合波导区118的弯曲角度符合三角函数cos曲线分布，所述耦合波导区118用于可择性的增加侧向高阶模式的损耗以抑制高阶模式工作，使器件腔内的模式分布改变。器件由上文所述的实施步骤制作而成，其特征为复合波导区，由中心波导区114、副波导区117和耦合波导区118组成，从图中可以看出耦合波导区118将中心波导区114与副波导区117相连接，主腔即中心波导区114端面10-50μm，起增益放大作用，副腔起调制作用。耦合波导区118可以是弯曲波导，弯曲角度随三角函数cos曲线分布，耦合波导腔可以选择性的增加侧向高阶模式的损耗，抑制高阶模式工作，有效的对高阶侧向模式进行抑制，改变器件腔内的模式分布，从而提升器件的光电性能，提高器件亮度。
实施例四
参阅图6，所述中心波导区114的端面宽度为10-50μm，所述耦合波导区118为倾斜波导，所述耦合波导区118用于抑制高阶侧向模式。器件由上文所述的实施步骤制作而成，其特征为复合波导区，由中心波导区114、副波导区117和耦合波导区118组成，从图中可以看出耦合波导区118将中心波导区114与副波导区117相连接，主腔即中心波导区114端面10-50μm，起增益放大作用，副腔即副波导区117起调制作用，耦合波导区118可以是倾斜波导，耦合波导腔即耦合波导区118可以有效抑制高阶侧向模式，尽大可能实现基模工作，改善光束质量，从而提高器件亮度。
实施例五
参阅图7，通过调控所述中心波导区114、所述副波导区117对应的光电调控沟道的位置改变注入载流子分布，以调控所述副波导区117的增益。器件由上文所述的实施步骤制作而成，从图中可以看出耦合波导区118将中心波导区114与副波导区117相连接。通过对主副腔的电注入窗口位置即光电同控沟道的改变控制注入载流子的分布情况，诱导波导进入副腔，增强副腔调制能力，通过对半导体激光器载流子分布的调控以及副腔的增益调控，从而提升器件的光电性能，提高器件亮度。
本发明提供了一种新型半导体激光器及其制备方法，通过在自第二电极109的表面延伸至第二包层107刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导116，上表面波导116包括位于光电调控沟道内的上表面波导区113和位于光电调控沟道外侧的非注入区115，上表面波导区113包括中心波导区114、耦合波导区118和副波导区117，中心波导区114起增益放大作用，副波导区117起调制作用，同时通过对光电调控沟道的注入窗口位置的改变控制注入载流子的分布情况，诱导波导进入副波导区117，增强副波导区117调制能力。通过对半导体激光器载流子分布的调控以及副腔的增益调控，副波导区117可以提供额外的增益，从而提升器件的光电性能，提高器件输出功率，改善器件的光束质量，提升器件亮度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型半导体激光器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的下表面设有第一导电类型的第一电极；
形成在所述衬底的上表面的缓冲层；
形成在所述缓冲层的上表面的第一导电类型的第一包层；
形成在所述第一包层的上表面的激光器波导层，所述激光器波导层包括位于所述第一包层上的第一导电类型的第一波导、位于所述第一波导的上表面的有源区以及位于所述有源区的上表面的第二导电类型的第二波导；
形成在所述激光器波导层的上表面的第二导电类型的第二包层；
位于所述第二包层的上表面并间接排列的绝缘层、位于所述绝缘层之间并与所述第二包层连接的盖层，部分所述绝缘层位于所述盖层的上表面边缘；
形成在所述绝缘层的上表面并部分位于所述盖层的上表面的第二导电类型的第二电极；
自所述第二电极的表面延伸至所述第二包层刻蚀形成光电调控沟道并对应形成上表面波导，所述上表面波导包括位于所述光电调控沟道内的上表面波导区和位于所述光电调控沟道外侧的非注入区，所述上表面波导区包括中心波导区、耦合波导区和副波导区，所述耦合波导区连接至所述中心波导区、所述副波导区。
2.如权利要求1所述的新型半导体激光器，其特征在于，所述上表面波导区的下表面与所述第二包层的下表面的距离小于所述激光器波导层的倏逝波长度。
3.如权利要求2所述的新型半导体激光器，其特征在于，所述激光器波导层的折射率大于所述第一包层和所述第二包层的折射率。
4.如权利要求1所述的新型半导体激光器，其特征在于，所述衬底的材质为GaAs、InP、GaSb或GaN中的至少一种，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
5.如权利要求4所述的新型半导体激光器，其特征在于，所述衬底与所述缓冲层的材质相同，所述缓冲层用于掩埋衬底的缺陷。
6.一种新型半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上采用分子束外延或金属有机化合物化学气相沉积技术依次生长缓冲层、第一导电类型的第一包层、第一导电类型的第一波导、有源区、第二导电类型的第二波导、第二导电类型的第二包层、绝缘层和第二导电类型的盖层；
S2：在所述盖层上均匀涂覆光刻胶，通过光学掩模版、利用紫外曝光和刻蚀技术在芯片结构上制备出光电调控沟道以形成位于所述光电调控沟道内的上表面波导区、以及位于所述光电调控沟道外侧的非注入区，所述上表面波导区与所述非注入区形成上表面波导，其中，所述上表面波导区包括中心波导区、耦合波导区和副波导区，所述耦合波导区连接至所述中心波导区、所述副波导区；
S3：在所述盖层上生长二氧化硅层得到绝缘层，通过光学掩模版、紫外曝光和二氧化硅刻蚀技术在所述绝缘层和所述盖层上刻蚀出欧姆接触区；
S4：利用金属生长设备在所述欧姆接触区沉积一层第二导电类型的接触金属得到第二电极；
S5：对所述衬底依次进行减薄、抛光和清洗，在所述衬底的下表面生长第一导电类型的第一电极得到器件；
S6：对所述器件进行解离、镀膜和封装得到新型半导体激光器。
7.如权利要求6所述的新型半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述第一波导、所述有源区和所述第二波导形成激光器波导层，所述激光器波导层的折射率大于所述第一包层和所述第二包层的折射率，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
8.如权利要求6所述的新型半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述中心波导区的端面宽度为10-50μm，所述耦合波导区为弯曲波导，所述耦合波导区的弯曲角度符合三角函数cos曲线分布，所述耦合波导区用于可择性的增加侧向高阶模式的损耗以抑制高阶模式工作，使器件腔内的模式分布改变。
9.如权利要求6所述的新型半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述中心波导区的端面宽度为10-50μm，所述耦合波导区为倾斜波导，所述耦合波导区用于抑制高阶侧向模式。
10.如权利要求6所述的新型半导体激光器的制备方法，其特征在于，通过调控所述中心波导区、所述副波导区对应的光电调控沟道的位置改变注入载流子分布，以调控所述副波导区的增益。
Priority Applications (1)
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| CN202410174383.8A CN118040465A (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种新型半导体激光器及其制备方法 |
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