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CN109672088A - 一种半导体激光芯片制造方法 - Google Patents

一种半导体激光芯片制造方法 Download PDF

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CN109672088A CN201811645608.4A CN201811645608A CN109672088A CN 109672088 A CN109672088 A CN 109672088A CN 201811645608 A CN201811645608 A CN 201811645608A CN 109672088 A CN109672088 A CN 109672088A
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semiconductor laser
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laser chip
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仇伯仓
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Jiangxi Derui Photoelectric Technology Co Ltd
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Jiangxi Derui Photoelectric Technology Co Ltd
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H01S5/223—Buried stripe structure

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光芯片制造方法，其制作方法包括，1)、生长衬底依次外延生长为N型包层材料、次波导、主波导、P型包层材料；2)、利用次波导材料的折射率大于包层材料的折射率，次波导对光的空间限制强度弱于主波导，这里一个波导对光的空间限制强度被定义为：3)、沿光波导方向，波导刻蚀深度逐渐加深或者波导的厚度逐渐变薄，光波导中光模式的传播常数相应减小，从而迫使部分光场向次波导转移。本发明优点：可以降低高功率半导体激光器腔面的功率密度，从而提高器件的可靠性。

Description

一种半导体激光芯片制造方法
技术领域
本发明涉及半导体激光芯片技术领域，特别是涉及一种半导体激光芯片制造方法。
背景技术
半导体激光已经广泛用于国计民生的各个方面，包括日用电子产品、工业加工、光纤通讯、医疗、科学研究与国防应用等。
半导体激光材料通常采用分子束外延或金属有机化学气相沉积等方法按照预先设计的结构在相应的衬底材料如GaAs或InP上生长而成。一个典型的半导体外延结构包含n型包层、非掺杂的有源区以及P型包层，其中有源区包含发光的量子阱以及波导层。激光外延结构的波导核层有两种不同的结构：即分别限制异质结结构，与渐变折射率分别限制异质结结构。限制异质结结构与渐变折射率分别限制异质结结构的区别在于前者材料组分恒定，后者渐进变化。
可靠性是半导体激光芯片最重要的参数。虽然有很多参数影响半导体激光芯片可靠性，比如，结构设计、工艺制造方法以及运行条件等，但本质上讲，光功率密度对芯片的运行可靠性有至关重要的影响。在给定运行功率条件下，光功率密度可以通过外延结构与器件结构精确设计，比如采用低光场限制因子、宽波导结构。然而对于单模激光芯片来讲，只能采用波导宽度很小(大约2-4微米)结构，另外，低限制因子导致了器件的阈值电流增加。本发明专利，可以降低在不显著影响阈值电流的情形下，降低腔面光功率密度，从而提高器件的可靠性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种半导体激光芯片制造方法，可以降低高功率半导体激光器腔面的功率密度，从而提高器件的可靠性。
本发明采用如下技术方案：一种半导体激光芯片制造方法，所述制作方法包括：
1)、生长衬底依次外延生长为N型包层材料、次波导、主波导、P型包层材料；
2)、利用次波导材料的折射率大于包层材料的折射率，次波导对光的空间限制强度弱于主波导，这里一个波导对光的空间限制强度被定义为：式中，λ0为光在真空中的波长，n1为波导核材料的折射率，n2为波导包层材料的折射率，d为波导核材料层的厚度；
3)、沿光波导方向，波导刻蚀深度逐渐变化，光波导中光模式的传播常数相应减小，从而迫使部分光场向次波导转移，同时峰值功率密度随之降低。
优选地，N型衬底GaAs材料，自下而上依次为，N型包层材料、次波导、主波导，其中主波导包含量子阱、P型包层材料、N型次波导、N型包层材料。
优选地，所述P型包层材料、N型包层材料中的至少一个包括束控制层，在所述束控制层中半导体材料的折射率在层中作为深度的函数变化。
优选地，所述束控制层包括第一子层、第二子层，所述第一子层中折射率逐渐从第一水平变化到第二水平，所述第二子层中的折射率逐渐从所述第二水平变化到第三水平。
优选地，所述第一子层、第二子层为相邻，第一子层提供逐渐增大的折射系数，第二子层提供逐渐减小的折射系数。
优选地，所述步骤c)波导刻蚀深度沿光波导方向变化为波导的刻蚀深度逐渐加深或者波导的厚度逐渐变薄。
与现有技术相比，本发明具有的优点：可以降低高功率半导体激光器腔面的功率密度，从而提高器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明一种半导体激光芯片制造方法的在不同波导刻蚀深度中光场分布图。
图2是本发明一种半导体激光芯片制造方法的主、次两个波导的材料结构(左)以及对应的材料折射率(右)示意图。
图3是本发明一种半导体激光芯片制造方法的沿光波导方向(Z方向)光波导的刻蚀深度变化示意图。
图4是本发明一种半导体激光芯片制造方法的一个980nm半导体激光外延结构示意图。
图5是本发明一种半导体激光芯片制造方法的980nm半导体对应的折射率分布图。
图6是本发明一种半导体激光芯片制造方法的980nm半导体计算出在不同刻蚀深度时的光场分布图。
图7是本发明一种半导体激光芯片制造方法的适用于制作单横模高功率激光的波导形貌示意图。
图8是本发明一种半导体激光芯片制造方法的典型的980nm单横模高功率激光芯片光-电流关系。
图9是本发明一种半导体激光芯片制造方法的适用于制作高功率激光的波导形貌示意图。
图10是本发明一种半导体激光芯片制造方法的典型的980nm多横模高功率激光芯片光-电流关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例
材料采用980nm半导体激光芯片，其外延结构从上至下为GaAs、Al(x)GaAs、Al(x)GaAs、Al(x)GaAs、Al(x)GaAs、Al(x)GaAs、GaIn(x)As、Al(x)GaAs、Al(x)GaAs、Al(x)GaAs、GaAs，p型包层材料为Al0.30Ga0.70As，厚度为1.9微米，n型包层材料与p型包层材料相同，总厚度为2微米，在n型包层材料中，嵌入了厚度为0.4微米的Al0.26Ga0.74As材料作为次波导，主波导包括量子阱、渐变波导层组构成，利用该实例计算出不同刻蚀深度的光场分布，显然，当刻蚀深度加深时，光场分布向次波导转移，同时峰值功率密度随之降低。
在实际器件应用中，可以利用两种方式实现对光场模式的调控：1)在腔面区域附近，波导刻蚀深度逐渐加深，这一波导模式适用于单横模高功率半导体激光芯片制造；2)波导顶层的厚度逐渐减小，这一波导模式适用于多横模高功率半导体激光芯片制造；两者均是随着光场强度增大而增大。
不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种半导体激光芯片制造方法，其特征在于，所述制作方法包括：
1)、生长衬底依次外延生长为N型包层材料、次波导、主波导、P型包层材料；
2)、利用次波导材料的折射率大于包层材料的折射率，次波导对光的空间限制强度弱于主波导，这里一个波导对光的空间限制强度被定义为：式中，λ0为光在真空中的波长，n1为波导核材料的折射率，n2为波导包层材料的折射率，d为波导核材料层的厚度；
3)、沿光波导方向，波导刻蚀深度逐渐变化，光波导中光模式的传播常数相应减小，从而迫使部分光场向次波导转移。
2.根据权利要求1所述的半导体激光芯片制造方法，其特征在于，N型衬底GaAs材料，自下而上依次为，N型包层材料、次波导、主波导，其中主波导包含量子阱、P型包层材料、N型次波导、N型包层材料。
3.根据权利要求1所述的半导体激光芯片制造方法，其特征在于，所述P型包层材料、N型包层材料中的至少一个包括束控制层，在所述束控制层中半导体材料的折射率在层中作为深度的函数变化。
4.根据权利要求3所述的半导体激光芯片制造方法，其特征在于，所述束控制层包括第一子层、第二子层，所述第一子层中折射率逐渐从第一水平变化到第二水平，所述第二子层中的折射率逐渐从所述第二水平变化到第三水平。
5.根据权利要求4所述的半导体激光芯片制造方法，其特征在于，所述第一子层、第二子层为相邻，第一子层提供逐渐增大的折射系数，第二子层提供逐渐减小的折射系数。
6.根据权利要求1所述的半导体激光芯片制造方法，其特征在于，所述步骤c)波导刻蚀深度沿光波导方向变化为波导的刻蚀深度逐渐加深或者波导的厚度逐渐变薄。
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