CN102593719A

CN102593719A - 一种改善有源区光场分布的边发射半导体激光器

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Publication number: CN102593719A
Application number: CN2012100616989A
Authority: CN
Inventors: 崔碧峰; 计伟; 陈京湘; 郭伟玲; 张松; 王晓玲
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2012-07-18

Abstract

一种改善有源区光场分布的边发射半导体激光器，属于半导体光电子技术领域。包括衬底、N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型欧姆接触层构成的半导体激光器外延结构；同时包括了二氧化硅绝缘层、上层P型电极、下层N型电极，其中光栅结构生长在脊形台上，制作过程采用光刻工艺；划片后，将芯片烧结在铜热沉上，封装固定在散热基座上。此结构中脊形台两侧光栅结构的引入改善了有源区光场分布，抑制了注入电流的横向扩展，从而降低半导体激光器的阈值电流。本发明制作工艺简单、成本低、重复性好。

Description

一种改善有源区光场分布的边发射半导体激光器

技术领域

改善有源区光场分布的边发射半导体激光器，属于半导体光电子技术领域，涉及一种半导体激光器。

背景技术

半导体激光器以其体积小、重量轻、电光转化效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点广泛用于光纤通信、材料加工、光盘存取、光信息处理和医疗等重要领域。而且特别适用于激光夜视、激光引信、激光雷达等军事领域。边发射半导体激光器是半导体激光器领域的重要组成部分，它是直接利用半导体材料的自然解理面来做谐振腔面，工艺简单、晶面完美。边发射半导体激光器具有以下优点：

1.由于有源层侧向尺寸减小，光场对称性增加，因而能提高光源与光纤的耦合效率。

2.因为在侧向对电子和光场有限制，有利于降低激光器的阈值电流。

3.由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无缺陷的有源层，同时除用作谐振腔的解理面外，整个有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性和可靠性。

由于边发射半导体激光器的光子能量主要集中在有源区，并向两侧不断扩展，这样就会导致有源区光场的泄露，在脊形台两侧的光栅结构可以有效地将一部分光反射回有源区，减少光场的泄露；同时脊形台两侧的光栅结构还可以有效地抑制注入电流的横向扩展，从而对边发射激光器的阈值特性、输出模式、输出功率都产生影响。

本发明的用于改善有源区光场分布的边发射半导体激光器的制作方法是在传统边发射半导体激光器工艺的基础上增加了一步光刻工艺，因此它的制作工艺简单、成本低、重复性。

发明内容

本发明的目的在于改善边发射的半导体激光器有源区光场分布，减少有源区的光场泄露，抑制注入电流的横向扩展，从而降低激光器的阈值电流。

为了达到上述目的，本发明提供了一种改善有源区光场分布的边发射半导体激光器，其特征在于：依次包括衬底、N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型欧姆接触层构成的外延片结构；且利用湿法腐蚀将外延片两侧腐蚀P型欧姆接触层到P型限制层，深度范围为：400nm-600nm，从而形成脊形台，在脊形台两侧腐蚀出具有周期性的光栅结构。

该光栅结构的周期可以为：波长的整数倍加上四分之一波长；光栅结构可以有效的将泄漏到有源区外地光反射回有源区，从而提高有源区的光场分布；同时光栅结构还可以有效地抑制注入电流的横向扩展，从而降低半导体激光器的阈值电流。

从上述技术方案可以得出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种用于改善有源区光场分布的边发射半导体激光器，减少了有源区的光场泄露；同时可以抑制注入电流的横向扩展，降低阈值电流。

2、本发明提供的这种用于改善有源区光场分布的边发射半导体激光器，其制作方法在传统边发射半导体激光器工艺的基础上只增加了一步光刻工艺，与现有的边发射半导体激光器制备工艺完全兼容，制备工艺简单，成本低。

3、本发明提供的这种用于改善有源区光场分布的边发射半导体激光器结构，广泛适用于各种材料系的边发射半导体激光器。

附图说明

图1：本发明提供的边发射半导体激光器的侧向剖面示意图；

图中：1、多量子阱有源区，2、P型波导层，3、N型波导层，4、P型限制层，5、N型限制层，6、P型欧姆接触层，7、砷化镓衬底，8、二氧化硅绝缘层，9、上层P型电极，10、下层N型电极。

图2：本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法流程图；

图3：本发明提供的改善有源区光场分布的边发射半导体激光器的光栅结构立体示意图；

图中：11、多量子阱有源区，12、P型波导层，13、N型波导层，14、P型限制层，15、N型限制层，16、P型欧姆接触层，17、半导体衬底

图4：本发明提供的改善有源区光场分布的边发射半导体激光器的封装结构示意图；

图中：18、铜热沉，19、陶瓷片，20、铜带，21、陶瓷片上的金层，22、金线，23、半导体激光器芯片，24、铟层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本发明提供的制作边发射半导体激光器，广泛适用于各种材料系的边发射半导体激光器，下面以980nm的铟镓砷量子阱边发射半导体激光器为例说明其原理。

如图1所示，本实施例一种用于改善有源区光场分布并抑制注入电流横向扩展的边发射半导体激光器的结构包括：

A、衬底7，该衬底7为N型镓砷材料，厚度约为300-400um，该衬底10用于在其上进行激光器各层材料的外延生长；

B、N型限制层5，该N型限制层5制作在衬底7上，该N型限制层5为N型铝镓砷材料，可以有效的限制光场；

C、N型波导层3和P型波导层2组成波导层，该波导层制作在量子阱层1的两侧，N型限制层5和P型限制层4以内，其材料为低掺杂的铝镓砷材料，铝组分是渐变的，范围为：0.05-0.35，波导层采用材料组分渐变后，其折射率将变小，光限制因子变大，从而降低阈值电流；

D、量子阱层1，该量子阱层1制作在N型波导层3和P型波导层2以内，其材料为铟镓砷材料；

E、P型限制层4，该P型限制层4制作在P型波导层2上，其材料为铝镓砷材料；

F、P型欧姆接触层6，其材料为能与镓砷材料形成良好的欧姆接触的材料；

同时，由于边发射半导体激光器的光子能量主要集中在有源区，并向两侧不断扩展，这样就会导致有源区光场的泄露，在脊形台两侧的光栅结构可以有效地将一部分光反射回有源区，减少光场的泄露；同时脊形台两侧的光栅结构还可以有效地抑制注入电流的横向扩展，从而对边发射激光器的阈值特性、输出模式、输出功率都产生影响。

实施例2

如图2所示，图2为本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：在N型镓砷衬底上依次制备铝镓砷限制层、铝镓砷光波导层、铟镓砷量子阱有源层；

步骤102：在外延片上光刻出脊形台；

步骤103：在脊形台两侧光刻光栅结构；

步骤104：在外延片上淀积电绝缘层；

步骤105：在电绝缘层上光刻出引线孔；

步骤106：在外延片上制备P面电极；

步骤107：对N型面衬底进行减薄抛光后制备N面电极；

针对上述本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法流程图，下面结合图1所示的边发射半导体激光器侧向剖面的示意图，对本发明进一步详细说明。

上述步骤101中所述的N型衬底为(100)面偏<111>方向15°N型偏角镓砷衬底7。选用该衬底，采用金属有机物化学气相沉积在N型偏角镓砷衬底上外延生长了N型铝镓砷下限制层5、N型铝镓砷下光波导层3、P型铝镓砷上限制层4、P型铝镓砷上光波导层2、铟镓砷量子阱有源层1，重掺杂的P型镓砷欧姆接触

层6。选用(100)面偏<111>方向15°N型偏角镓砷衬底一方面能抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成；另一方面还能提高限制层中P型杂志掺杂浓度，提高电子的有效势垒，抑制有源区的电子泄露，有利于制备大功率半导体激光器。

上述步骤102包括：将外延片上旋涂满光刻胶，通过显影将脊形台面以外区域的光刻胶去除，再利用湿法腐蚀方法腐蚀出脊形台面。

上述步骤103包括：在脊形台两侧利用湿法腐蚀的方法光刻出具有周期结构的光栅结构。

上述步骤104包括：在外延片上采用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层电绝缘层，该绝缘层为二氧化硅层。

上述步骤105包括：在长好电绝缘层的外延片的脊形台面上利用湿法刻蚀法光刻出引线孔，上述的引线孔的宽度应当比脊形台面的宽度小。

上述步骤106和步骤107包括：在外延片上制备P面电极9和N面电极10，该电极为能与镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料，所述的P面电极采用溅射的方法制备，N面电极采用蒸发的方法制备。

该方法在步骤107之后还可以进一步包括：将具有电极的外延片解成条，在激光器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜。这样便可以提高激光器的输出功率，还能保护激光器的腔面。

实施例3

为了进一步的说明本发明的优点，我们利用铟镓砷量子阱半导体激光器的结构参数来模拟半导体激光器的有源区光场限制因子；半导体激光器的结构参数如下：

A、量子阱：该量子阱的材料为铟镓砷，其中铟组分为0.2，厚度为8nm；

B、P型波导层和N型波导层：该波导层的材料为铝镓砷，其中铝组分为0.20，厚度为110nm；

C、P型限制层和N型限制层：该限制层的材料为铝镓砷，其中铝组分为0.35，厚度为500nm；

D、绝缘层：该绝缘层的材料为二氧化硅，厚度为150nm；

利用平面波导和有效折射率理论模拟计算得到普通无光栅结构的半导体激光器的光限制因子为88.76％，当在脊形台两侧形成光栅结构后的半导体激光器的光限制因子为99.21％，光限制因子提高了10.45％，从而有效地降低了有源区的光场泄露，降低了半导体激光器的阈值电流。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解的是，以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种改善有源区光场分布的边发射半导体激光器，其特征在于：依次包括衬底、N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型欧姆接触层构成的外延片结构；且利用湿法腐蚀将外延片两侧腐蚀P型欧姆接触层到P型限制层，深度范围为：400nm-600nm，从而形成脊形台，在脊形台两侧腐蚀出具有周期性的光栅结构。