CN118299928A - 一种半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及其制备方法，激光器从下至上依次包括：N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层、第二P型波导、P型包层、盖层和P面电极，所述电流注入调控层包括至少一个增益区及一个非增益区，通过选择性刻蚀电流注入调控层与二次外延生长，可实现载流子的完全控制，仅使增益区的电流注入到有源区，非增益区会形成p‑n‑p电流阻挡反偏层，可很好的限制载流子扩散、集聚、热透镜等效应，增大高阶侧模的光损耗及降低高阶侧模的增益，有效降低激射侧模数量，并可解决传统工艺步骤中台面刻蚀等产生的应力问题，实现高功率、高光束质量、高亮度激光输出。

Description

一种半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器具有波长范围广、体积小、效率高、成本低、寿命长等优点，自其问世便成为信息领域的核心光源，并随着其功率提高还在泵浦、材料加工、传感、生物医疗、国防等许多领域具有非常重要的应用。与激光能量相关的应用通常要求激光具有一定能量密度，即要求高功率的同时兼具高的光束质量，以获得高的亮度。然而半导体激光器受自身结构特点限制，面临发散角大、光束质量差、亮度低的难题，限制了其直接应用。

传统的宽区半导体激光器虽然具有高功率、高效率的优点，但其侧向模式易受局域增益和折射率变化的影响，如刻蚀台面或沟槽产生的内建折射率、侧向载流子泄漏与集聚、热透镜效应、纵向非均匀效应、光丝效应及应力等，工作在复杂的多侧模模式，远场宽度随电流增大迅速展宽，光束质量非常差，导致输出激光亮度很低。

针对这些效应，大量的方法被提出，来控制半导体激光器的侧向模式，如反热透镜效应、台面边缘质子注入、锥形波导、倾斜波导、外腔结构、侧向谐振反导引结构、集成模式过滤结构等，采用这些方法可以一定程度上改善半导体激光器的侧向光束质量，但通常会引起明显的功率和效率亏损，而且会影响器件的可靠性与工艺制备良率。另外，目前的方法通常只针对单一效应进行器件结构优化，难以在保持高功率输出下实现极高的光束质量，激光器亮度受到限制。

综上所述，如何实现高功率、高光束质量的半导体激光器，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种半导体激光器，用于提高半导体激光器的功率和光束质量。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

一种半导体激光器，其特征在于，从下至上依次包括：N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层、第二P型波导层、P型包层、盖层、P面电极，其中，所述电流注入调控层为N型高掺杂材料；所述电流注入调控层包括至少一个增益区及一个非增益区，所述非增益区位于每一个所述增益区的四周；所述的增益区为通过刻蚀掉电流注入区域对应的所述电流注入调控层形成的。

优先的，所述增益区的形状包括圆、椭圆或多边形。

优先的，每一个所述增益区的尺寸和间隔不同。

优先的，所述增益区的形状为矩形。

优先的，所述矩形增益区的宽度由所述电流注入调控层的中心向两侧递减。

优先的，所述电流注入调控层的材料不含铝组分，所述电流注入调控层的折射率高于所述第一P型波导层的折射率。

优先的，所述刻蚀阻挡层的材料与所述电流注入调控层的材料不同，所述刻蚀阻挡层的材料为不包含铝的P型掺杂材料。

优先的，所述刻蚀阻挡层的厚度在10-30nm之间，包括端点值。

优先的，所述电流注入调控层的宽度在20-100nm之间，包括端点值。

优先的，所述第一P型波导层的厚度大于所述第二P型波导层的厚度。

优先的，所述衬底为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

一种半导体激光器制备方法，应用于如上述任一项所述的半导体激光器，包括：

在衬底的上表面依次生长缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层；

在所述电流注入调控层表面进行光刻、刻蚀，将增益区部分的电流注入调控层完全刻掉，在刻蚀阻挡层终止；

晶圆表面清洗、预处理后，放入外延设备中进行二次生长，依次沉积第二P型波导层、P型包层、盖层；

在盖层表面沉积绝缘层，然后光刻、刻蚀掉中心增益区绝缘层，开电极窗口；沉积P面电极，合金；将所述衬底减薄、抛光，在衬底下表面沉积N面电极，合金；沿前后腔面将晶圆解理为激光器巴条，前腔面蒸镀增透膜、后腔面蒸镀高反膜；将巴条解理为单管，以得到半导体激光器。

本发明公开的上述技术方案，通过二次外延生长在半导体激光器中引入电流注入调控层，非增益区形成p-n-p电流阻挡反偏层，可以有效的抑制侧向载流子扩展及集聚，同时激光器不需要刻蚀台面，可以降低内建折射率差及波导效应，减少激射模式，从而提高激光器的光束质量；为抑制热透镜效应及纵向烧孔效应，在电流注入调控层中刻蚀多个增益区，通过调控电流注入分布来改善载流子、温度或光场分布的均匀性，抑制高阶侧模的产生；同时，电流注入调控层具有高的折射率，非增益区保留有电流注入调控层，不仅电流无法有效注入到有源区，还会耦合光场泄漏到高掺杂盖层中，可降低高阶侧模增益、提高高阶侧模损耗，从而增强侧向模式分辨，在不损失功率前提下降低侧向激射模式数，提高侧向光束质量。该激光器后续制备工艺不需要刻蚀台面，可以降低封装等引入的应变，提高输出激光的偏振度，在合束应用方面具有很大优势。总之，这种激光器可实现高功率、高光束质量、高亮度的激光输出，具有很好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种半导体激光器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种半导体激光器的电流注入调控层的俯视图；

图3为本发明实施例提供的另一种半导体激光器的电流注入调控层的俯视图；

图4为本发明实施例提供的第三种半导体激光器电流注入调控层的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种半导体激光器制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明的一种半导体激光器结构示意图，由下至上依次为N面电极1、衬底2、缓冲层3、N型包层4、N型波导层5、有源区6、第一P型波导层7、刻蚀阻挡层8、电流注入调控层9、第二P型波导层10、P型包层11、盖层12、绝缘层13、P面电极14。

N面电极1沉积在衬底2的下表面，其和所设置的P面电极14作为半导体激光器的电极，用于电流注入。

衬底2为N型高掺杂的Ⅲ-Ⅴ族化合物，可以为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种，用于起到支撑的作用。

缓冲层3生长在衬底2上，为N型高掺杂材料，与衬底2材料相同，其用于掩埋衬底2自身的缺陷。

N型包层4生长在缓冲层3上，为N型掺杂材料，其折射率低于N型波导层5的折射率，用以限制光场向衬底扩展。

N型波导层5生长在N型包层4上，其带隙低于N型包层4的带隙，但折射率高于N型包层4的折射率，其为不掺杂或N型低掺杂。

有源区6位于N型波导层5之上，可以是单层或多层量子阱、量子点、量子线等增益材料，通常不掺杂。

第一P型波导层7位于有源区6之上，其为不掺杂或低P型掺杂。

刻蚀阻挡层8位于第一P型波导层7之上，它为无铝材料，与电流注入调控层9组分不同，用于在刻蚀电流注入调控层9时提供大的刻蚀选择比，其采用P型掺杂，厚度在10-30nm之间，包括端点值。

电流注入调控层9位于刻蚀阻挡层8之上，采用无铝材料，N型高掺杂，其厚度通常在20-100nm之间，包括端点值；电流注入调控层9包括一个增益区15和一个非增益区16。第一次外延生长到电流注入调控层9终止，然后光刻、刻蚀，增益区15为电流注入区域对应的电流注入调控层9被完全刻掉，然后二次外延生长沉积后续外延层，未被刻蚀的电流注入调控层9的区域为非增益区16，非增益区16由于存在电流注入调控层9(形成PNP反偏)，载流子传输被抑制，实现电流注入调控。

第二P型波导层10是在电流注入调控层9之上，通过二次外延生长所得，其组分和第一P型波导层7相同或不同，其厚度低于第一P型波导层7，采用P型掺杂。

P型包层11生长在第二P型波导层10之上，其带隙高于第一P型波导层7和第二P型波导层10的带隙，但其折射率低于第一P型波导层7和第二P型波导层10的折射率，采用P型掺杂。

盖层12位于P型包层11至上，重掺杂以利于欧姆接触。

绝缘层13在盖层12之上，用于限制增益区之外的P面电极14与盖层12接触。

P面电极14用于和盖层12形成欧姆接触，实现电流注入。

本发明实施例提供的一种半导体激光器，各层之间可引入组分渐变层，以降低势垒电阻。

本发明的半导体激光器的电流注入调控层9设置有一个增益区15和一个非增益区16，增益区15具体是由刻蚀掉电流注入区域对应电流注入调控层9后、二次外延生长的第二P型波导层10形成的，增益区15之外未被刻蚀的电流注入调控层9形成非增益区16。半导体激光器的增益区15，由于其和下面的材料(刻蚀阻挡层8)均为P型掺杂，因此电流可以向下注入到有源区6；非增益区16由于存在N型高掺杂的电流注入调控层9，它和上面的第二P型波导层10、下面的刻蚀阻挡层8形成PNP反偏，电流无法注入到有源区6。当给半导体激光器通电时，仅增益区15有电流通过，可以获得光增益产生激光。因此，电流注入调控层9可以有效调控载流子注入分布，由于电流注入调控层9非常接近有源区6，可以抑制载流子侧向泄漏、集聚效应，降低高阶侧模的增益，从而增强激光器的光束质量。

另外，本发明半导体激光器的电流注入调控层9包括多个增益区15和一个非增益区16，这些增益区15具体通过刻蚀掉电流注入区域对应的电流注入调控层9后、二次外延生长的第二P型波导层10形成的，相邻两个增益区15之间通过未刻蚀的电流注入调控层9(非增益区)隔离开来。这些增益区15的宽度可不同，由中心向两侧递减，相邻增益区15之间保留的电流注入调控层9宽度也可不同。因此，可以在位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外，同时位于半导体激光器高阶侧模光场波峰处设置非增益区16。当给半导体激光器通电时，仅这些增益区15可以通电，而非增益区16则不会进行通电，会吸收光增加光损耗。通电的这些增益区15可以获得光增益产生激光，通过调控载流子注入分布，可以抑制载流子泄漏、集聚以及热透镜效应，提高高阶侧模的损耗及降低高阶侧模的增益，从而增强基侧模与高阶侧模之间的模式增益损耗差，同时增大基侧模的增益及降低基侧模的损耗，获得强的模式分辨，以有效地降低激射侧模数量，从而获得低侧向发散角的激光输出，并实现高功率、高光束质量激光输出，且大幅度提高半导体激光器的亮度。

另外，本发明半导体激光器的电流注入调控层9具有二维分布的多个增益区15，这些增益区15的尺寸和间隔可不同。通过调节增益区15的分布，可以调控注入电流分布，抑制载流子扩散、集聚、热透镜、空间烧孔或纵向载流子非均匀分布等效应，抑制高阶侧模的激射，从而提高激光器的光束质量和亮度。

另外，本发明半导体激光器的电流注入调控层9折射率高于第一P型波导层7，非增益区16不仅抑制电流注入，由于其高折射率层的遂穿效应还会增强光泄露损耗，从而增大该区域的光场损耗。因此，这种激光器可以同时调控光模式的增益和光损耗，实现高的侧向模式分辨，从而获得高的输出激光亮度。

本发明公开的上述技术方案，通过电流注入调控层9形成可控的增益区15，以在对半导体激光器通电时实现对各区域的选择性加电，非增益区16面临低的增益和高的损耗，从而增大高阶侧模的光损耗及降低高阶侧模的增益，并增大基侧模的增益及降低基侧模的损耗，即增强基侧模与高阶侧模之间的模式增益损耗差，以有效降低激射侧模数量，从而获得低侧向发散角，以提高半导体激光器的光束质量、功率和亮度。

参见图2，其示出了本发明实施例提供的一种半导体激光器电流注入调控层的俯视图。激光器的腔长为L，增益条宽为W，发光点间隔为D，电流注入调控层9包括：第一矩形增益区151、第二矩形增益区152、第三矩形增益区153、第四矩形增益区154、第五矩形增益区155、第六矩形增益区156、第七矩形增益区157和第一非增益区116，第一非增益区116位于所有矩形增益区的四周。

第一非增益区116因存在N型掺杂的电流注入调控层，电流无法注入到有源区6；第一矩形增益区151、第二矩形增益区152、第三矩形增益区153、第四矩形增益区154、第五矩形增益区155、第六矩形增益区156和第七矩形增益区157，因被刻蚀掉电流注入区域对应的电流注入调控层9，电流可以注入有源区6，激光器前后腔面区域也保留电流注入调控层9，降低实际工作时腔面的载流子密度，以提高腔面的可靠性。

本发明实施例提供的一种半导体激光器，电流注入调控层9由7个矩形增益区和一个非增益区116组成，在半导体激光器内，7个矩形增益区的宽度各不相同，且每个矩形增益区的尺寸以啁啾变化，以有效地抑制谐振模式，从而实现稳定的单光束输出，以提高半导体激光器所输出激光的质量。另外，通过对7个矩形增益区的宽度进行调节，可以使高阶侧模光场波峰位置尽量保留在非增益区116，以降低高阶侧模的增益，并增加高阶侧模的损耗，从而增强模式分辨，以提高半导体激光器所输出激光的质量，并提高半导体激光器所输出激光的亮度。

参见图3，其示出了本发明实施例提供的另一种半导体激光器电流注入调控层的俯视图。本发明实施例提供的另一种半导体激光器，电流注入调控层9包括：n个第一增益区组21n、n个第二增益区组22n和一个非增益区216。第一增益区组21n包括n个第八矩形增益区215；第二增益区组22n包括n-1个第九矩形增益区225。第八矩形增益区215与第九矩形增益区225相同。

参见图4，其示出了本发明实施例提供的第三种半导体激光器电流注入调控层的俯视图。本发明实施例提供的第三种半导体激光器，包括n个第三增益区组31n、n个第四增益区组31n和第三非增益区316。

第三增益区组31n包括n个第n矩形增益区315N；第四增益区组32n包括n-1个第n矩形增益区325N。

每个第n矩形增益区315N、第n矩形增益区325N的尺寸和间隔不同，且其尺寸以啁啾变化，可以抑制载流子扩散作用以及空间烧孔效应，有利于在前腔面获得更稳定的温度、载流子与光场分布，从而抑制高功率电流下高阶模式的出现，从而提高激光的光束质量和亮度。

本发明实施例还提供了一种半导体激光器制备方法，应用于上述任一种半导体激光器，参见图5，其示出了本发明实施例提供的一种半导体激光器制备方法的流程图，可以包括：

S1：在衬底的上表面依次生长缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层。

可以利用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备或MBE(Molecular beam epitaxy，分子束外延)设备在衬底的上表面依次生长缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层，以形成第一次外延结构。

对于GaAs基半导体激光器，可以采用20nm厚P型掺杂的GaInP作为刻蚀阻挡层，采用50nm厚N型高掺杂(>2E18 cm^-3)的GaAs材料作为电流注入调控层。

S2：在电流注入调控层表面进行光刻、刻蚀，将增益区对应的电流注入调控层完全刻透，在刻蚀阻挡层终止。

在第一外延结构的上表面(即为电流注入调控层表面)进行光刻，制备刻蚀掩膜，定义增益区、非增益区域以及套刻标记，然后以光刻胶为掩膜刻蚀电流注入调控层，将掩膜图案转移至电流注入调控层中。

在得到外延层之后，可以利用光刻、湿法或干法刻蚀最上面的电流注入调控层，刻蚀全部厚度的电流注入调控层，由于刻蚀阻挡层具有较大的刻蚀选择比，刻蚀在刻蚀阻挡层终止。

例如，一次外延生长结束后，在外延片上表面光刻，旋涂光刻胶，曝光和显影，得到增益区域图形；采用H₃PO₄:H₂O₂:H₂O＝1:1:15的容易将暴露出的刻蚀电流阻挡层进行腐蚀，且腐蚀深度大于50nm，以确保电流注入调控层被全部刻蚀，由于GaInP相对GaAs具有很大的刻蚀选择比，刻蚀会在GaInP层终止；通过光刻、刻蚀，可以再第一次外延结构的表面定义出激光器的增益区和非增益区；去除光刻胶掩膜，为进行第二次外延做准备。

S3：晶圆表面进行清洗、预处理后，二次外延依次生长第二P型波导层、P型包层和盖层。

晶圆表面进行清洗、预处理后，在第一次外延结构上进行二次外延，依次生长第二P型波导层、P型包层和盖层，以形成第二次外延结构。

二次外延生长前，样品进行紫外臭氧等离子清洗及酸漂洗，去除表面聚合物、颗粒物以及晶格损伤，然后立即送入MOCVD或MBE反应室，进行二次外延，首先生长的第二P型波导层会掩埋电流注入调控层中已经刻蚀好的增益区，然后继续生长P型包层和GaAs盖层。

S4：在盖层表面沉积绝缘层，开电极窗口；沉积P面电极，合金；衬底减薄、抛光，在衬底下表面沉积N面电极，合金；解理成巴条，镀腔面膜，解理成单管芯片，以得到半导体激光器。

二次外延生长完之后，在第二次外延结构的上表面沉积绝缘层，然后光刻、刻蚀绝缘层，开电极窗口；沉积P面电极，合金；将所述衬底减薄、抛光，在衬底下表面沉积N面电极，合金；沿前后腔面方向将晶圆解理成巴条，镀腔面膜，然后将巴条解理为单管芯片，以得到半导体激光器。

二次外延生长完后，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)设备在盖层表面沉积100-300nm厚的电绝缘层(SiO²或SiNx)，光刻、刻蚀掉中心增益区的电绝缘层，开电极窗口；然后在上表面沉积P面电极，合金，形成P型金属接触电极；将衬底底部减薄、抛光，厚度在100-150μm之间，然后在衬底底面沉积N面电极，合金，形成N型金属接触电极；将激光器沿前后腔面解理成巴条，并在前腔面上蒸镀抗反射膜和后腔面上蒸镀高反射膜；将镀完膜后巴条解理为单管芯片，得到所述的半导体激光器。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种半导体激光器，其特征在于，从下至上依次包括：N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层、第二P型波导层、P型包层、盖层、P面电极，其中，所述电流注入调控层为N型高掺杂材料；所述电流注入调控层包括至少一个增益区及一个非增益区，所述非增益区位于每一个所述增益区的四周；所述的增益区为通过刻蚀掉电流注入区域对应的所述电流注入调控层形成的。

2.根据权利要求1所述一种半导体激光器，其特征在于，所述增益区的形状包括圆、椭圆或多边形。

3.根据权利要求1所述一种半导体激光器，其特征在于，每一个所述增益区的尺寸和间隔不同。

4.根据权利要求2所述一种半导体激光器，其特征在于，所述增益区的形状为矩形。

5.根据权利要求4所述一种半导体激光器，其特征在于，所述矩形增益区的宽度由所述电流注入调控层的中心向两侧递减。

6.根据权利要求1所述一种半导体激光器，其特征在于，所述电流注入调控层的材料不含铝组分，所述电流注入调控层的折射率高于所述第一P型波导层的折射率。

7.根据权利要求1所述一种半导体激光器，其特征在于，所述刻蚀阻挡层的材料与所述电流注入调控层的材料不同，所述刻蚀阻挡层的材料为不包含铝的P型掺杂材料。

8.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述刻蚀阻挡层的厚度在10-30nm之间，包括端点值。

9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述电流注入调控层的宽度在20-100nm之间，包括端点值。

10.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P型波导层的厚度大于所述第二P型波导层的厚度。

11.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述衬底为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

12.一种半导体激光器制备方法，其特征在于，应用于如权利要求1至11任一项所述的半导体激光器，包括：

在衬底的上表面依次生长缓冲层、N型包层、N型波导层、有源区、第一P型波导层、刻蚀阻挡层、电流注入调控层；

在所述电流注入调控层表面进行光刻、刻蚀，将增益区部分的电流注入调控层完全刻掉，在刻蚀阻挡层终止；

晶圆表面清洗、预处理后，放入外延设备中进行二次生长，依次沉积第二P型波导层、P型包层、盖层；

在盖层表面沉积绝缘层，然后光刻、刻蚀掉中心增益区绝缘层，开电极窗口；沉积P面电极，合金；将所述衬底减薄、抛光，在衬底下表面沉积N面电极，合金；沿前后腔面将晶圆解理为激光器巴条，前腔面蒸镀增透膜、后腔面蒸镀高反膜；将巴条解理为单管，以得到半导体激光器。