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CN112290382B - 一种半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

一种半导体激光器及其制作方法 Download PDF

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CN112290382B CN202011544095.5A CN202011544095A CN112290382B CN 112290382 B CN112290382 B CN 112290382B CN 202011544095 A CN202011544095 A CN 202011544095A CN 112290382 B CN112290382 B CN 112290382B
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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器及其制作方法，该半导体激光器在谐振腔腔通过对接生长的方式集成无源区的第一波导层和第二波导层，在有源区注入电流产生光增益实现激射进行输出时，会经过无源区的双层波导，使得光场向下层波导耦合到达输出端面时，光斑垂直方向尺寸得到有效增加，近场光斑得到扩展，使得远场发散角减小，从而提高光束输出质量，有利于光束的调整，并提高了光纤耦合效率，减低封装耦合成本。同时，由于光场从无源区的双层波导向有源区的单层波导传输时，相对于仅仅采用单层波导，损耗会增加，从而对外部反馈光损耗增加，进而提高了激光器的抗反射能力。

Description

一种半导体激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器领域，特别涉及一种半导体激光器及其制作方法。
背景技术
半导体激光器因其具有体积小、重量轻、电光转换效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点，已经广泛应用于光纤通信、泵浦源、材料加工、光传感、激光雷达等领域。但由于半导体激光器有源区一般采用多量子阱结构，其厚度在100~200nm，宽度在2~5μm范围，其出光端面折射率分布并不是对称的，导致其远场特性表现为不对称的椭圆光斑，特别是在垂直方向，由于厚度很薄，其垂直方向远场发散角一般为40~60°，远大于水平方向的发散角，导致不利于光束的调整，降低了光纤耦合效率，影响半导体激光器的使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体激光器及其制作方法，主要目的在于解决以上现有技术中的技术问题。
第一方面，根据本发明的实施例，提供了一种半导体激光器，包括谐振腔，所述谐振腔包括有源区以及与所述有源区二次外延对接生长形成的无源区；
所述有源区包括衬底以及在所述衬底由下至上依次生长的第一下缓冲层、光栅层、第一限制层、下波导层、多量子阱层、上波导层及第二限制层；
所述无源区包括在所述第一下缓冲层上由下至上依次外延生长的第二下缓冲层、第一波导层、波导间隔层、第二波导层及第一上缓冲层；
所述无源区及有源区上设有腐蚀停止层，在所述腐蚀停止层上形成有脊条结构，所述脊条结构由下至上依次包括上包层以及在所述上包层上与所述有源区对应的部分生长的欧姆接触层和电极层。
具体地，所述有源区与所述无源区指向形成的对接端面与垂直面形成夹角。
具体地，所述夹角为10~20°。
具体地，所述有源区的长度为120~2000μm，无源区的长度为20~100μm。
具体地，所述第一波导层和第二波导层折射率为3.4~3.5，所述波导间隔层折射率为3.18~3.24。
具体地，所述多量子阱层为InGaAlAs多量子阱层或InGaAsP多量子阱层，所述第一波导层和第二波导层均为InGaAsP波导层，所述第一波导层和第二波导层的材料带隙大于多量子阱层的材料带隙。
具体地，所述第一波导层和第二波导层厚度均为150~400nm，所述波导间隔层厚度为200~800nm。
具体地，所述谐振腔对应于无源区的端面设有增透膜，所述谐振腔对应于有源区的端面设有高反膜。
第二方面，根据本发明的实施例，提供了一种半导体激光器的制作方法，包括：
S1、在衬底上依次外延生长第一下缓冲层、光栅层、第一限制层、下波导层、多量子阱层、上波导层及第二限制层；
S2、利用光刻制作二氧化硅掩膜，盖住有源区，并通过干法刻蚀加湿法腐蚀方法刻蚀掉无源区的第一下缓冲层、光栅层、第一限制层、下波导层、多量子阱层、上波导层及第二限制层；
S3、在MOCVD中二次外延依次生长第二下缓冲层、第一波导层、波导间隔层、第二波导层及第一上缓冲层；
S4、去除二氧化硅掩膜后，继续外延生长腐蚀停止层、上包层及欧姆接触层；
S5、通过光刻制作光刻胶掩膜来盖住有源区的欧姆接触层，利用湿法腐蚀法刻蚀掉无源区的欧姆接触层；
S6、利用光刻制作二氧化硅保护层，露出有源区的欧姆接触层，盖住其他区域，然后利用光刻制作电极图形掩膜，利用蒸发制作Ti-Pt-Au电极，再通过电镀或者化镀镀Au来加厚电极，剥离其他区域的金属后形成电极层。
具体地，所述干法刻蚀加湿法的腐蚀深度为1000~2000nm。
本发明实施例提供了一种半导体激光器及其制作方法，该半导体激光器在谐振腔腔通过对接生长的方式集成无源区的第一波导层和第二波导层，在有源区注入电流产生光增益实现激射进行输出时，会经过无源区的双层波导，使得光场向下层波导耦合到达输出端面时，光斑垂直方向尺寸得到有效增加，近场光斑得到扩展，使得远场发散角减小，从而提高光束输出质量，有利于光束的调整，并提高了光纤耦合效率，减低封装耦合成本。同时，由于光场从无源区的双层波导向有源区的单层波导传输时，相对于仅仅采用单层波导，损耗会增加，从而对外部反馈光损耗增加，进而提高了激光器的抗反射能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的半导体激光器的纵向结构图；
图2为本发明实施例提供的半导体激光器的对接端面的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的半导体激光器有源区的横向截面结构图；
图4为本发明实施例提供的半导体激光器无源区的横向截面结构图；
图5为本发明实施例提供的半导体激光器中光场从有源段量子阱区向无源段双层波导传输仿真结果图；
图6为本发明实施例提供的半导体激光器的有源区横向模场分布图；
图7为本发明实施例提供的半导体激光器的无源区横向模场分布图；
图8为本发明实施例提供的半导体激光器的有源区和无源区输出的远场发散角曲线图。
其中，1-衬底，2-第一下缓冲层，3-光栅层、4-第一限制层、5-下波导层、6-多量子阱层、7-上波导层、8- 第二限制层、9-腐蚀停止层、10-上包层、11-欧姆接触层、12-电极层、13-第二下缓冲层、14-第一波导层、15-波导间隔层、16-第二波导层、17-第一上缓冲层、18-增透膜、19-高反膜。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下述实施例中，附图1至附图8中的x方向为谐振腔的长度方向，即各层的长度方向；Y方向为谐振腔的宽度方向，即各层的宽度方向；Z方向为谐振腔的高度方向，也是垂直方向。
第一方面，如图1、图3和图4所示，根据本发明的实施例，提供了一种半导体激光器，包括谐振腔，谐振腔包括有源区以及与有源区二次外延对接生长形成的无源区；有源区包括衬底1以及在衬底1由下至上依次生长的第一下缓冲层2、光栅层3、第一限制层4、下波导层5、多量子阱层6、上波导层7及第二限制层8；无源区包括在第一下缓冲层2上由下至上依次外延生长的第二下缓冲层13、第一波导层14、波导间隔层15、第二波导层16及第一上缓冲层17；无源区及有源区上设有腐蚀停止层9，在腐蚀停止层9上形成有脊条结构，脊条结构由下至上依次包括上包层10以及在上包层10上与有源区对应的部分生长的欧姆接触层11和电极层12。
其中，半导体激光器工作时，只需在有源区注入电流来提供增益，而无源区起到扩展模场作用，不提供增益。并且采用脊条结构，结构简单，便于制作。
具体地，衬底1起到支撑整体结构的作用，衬底1可采用蓝宝石衬底、硅基衬底、碳化硅衬底或上述衬底的复合衬底。
第一下缓冲层2、第二下缓冲层13和第一上缓冲层17起到缓冲并减低电阻的作用。
第一限制层4及第二限制层8起到减小光损耗，同时限制载流子的扩散，减小空穴漏电流，以降低器件的阈值电流，提高效率。进一步地，第一限制层4可为N型限制层，第二限制层8可为P型限制层。
光栅层3对特定波长的光进行反射，从而选择特定波长，实现分布式反馈；光栅层3为波长选择光栅或一维度光子晶体。可选地，波长选择光栅为均匀光栅、啁啾光栅、插值光栅或相移光栅。
上包层10可使近场光斑远离器件表面，减小表面缺陷对光的吸收。
腐蚀停止层9起到腐蚀隔离的作用。
欧姆接触层11起到传输激光器所需的电流值的作用，欧姆接触层11的金属中常用的是Ti-Pt-Au，其中，Ti起到粘附剂的作用，Pt是起到过渡和阻挡的作用，有利于提高器件的稳定性和可靠性。
电极层12用来接入外部电源，以提供电激励。进一步地，电极层12可为P型电极层。
具体地，在一些可能的实施例方式中，半导体激光器各层可采用如下表所示出的材料、厚度及折射率。可以理解，在其他实现方式中，各层的材料、厚度及折光率根据实际的需求，由工作人员进行调整，这里不做严格限定。
表1 半导体激光器各层材料、厚度与折射率
介质层 材料 厚度（nm） 折射率
衬底1 InP —— 3.2
第一缓冲层 InP —— 3.2
光栅层3 InGaAsP 45 3.24
N型限制层 InGaAsP 35 3.2
下波导层5 InGaAsP或InGaAlAs 30 3.45
多量子阱层6 InGaAsP或InGaAlAs 90 3.48
上波导层7 InGaAsP或InGaAlAs 30 3.45
P型限制层 InGaAsP 35 3.2
第二缓冲层 InP —— 3.2
第一波导层14 InGaAsP 200 3.45
波导间隔层15 InP 300 3.2
第二波导层16 InGaAsP 200 3.45
第二上缓冲层 InP —— 3.2
在具体应用过程中，该半导体激光器在谐振腔通过对接生长的方式集成无源区的第一波导层14和第二波导层16，即在无源区集成了双层波导。在有源区注入电流产生光增益实现激射进行输出时，会经过无源区的双层波导，使得光场向下层波导耦合到达输出端面时，光斑垂直方向尺寸得到有效增加，近场光斑得到扩展，使得远场发散角减小，从而提高光束输出质量，有利于光束的调整，并提高了光纤耦合效率，减低封装耦合成本。同时，由于光场从无源区的双层波导向有源区的单层波导（即上波导层7、下波导层5及多量子阱层6）传输时，相对于仅仅采用单层波导，损耗会增加，从而对外部反馈光损耗增加，进而提高了激光器的抗反射能力。
进一步地，如图2所示，有源区与无源区指向形成的对接端面与垂直面形成夹角。优选地，夹角θ为10~20°，从而避免出现由于两种波导之间折射率差异导致的对接端面反射，降低对接端面反射对半导体激光器激射纵模的影响。
进一步地，有源区的长度为120~2000μm，无源区的长度为20~100μm。
进一步地，第一波导层14和第二波导层16折射率为3.4~3.5，波导间隔层15折射率为3.18~3.24。
进一步地，多量子阱层6为InGaAlAs多量子阱层或InGaAsP多量子阱层，第一波导层14和第二波导层16均为InGaAsP波导层，第一波导层14和第二波导层16的材料带隙大于多量子阱层6的材料带隙。
进一步地，第一波导层14和第二波导层16厚度均为150~400nm，波导间隔层15厚度为200~800nm。
进一步地，如图1所示，谐振腔对应于无源区的端面设有增透膜18，谐振腔对应于有源区的端面设有高反膜19。其中，高反膜19的反射率为85%~95%，增透膜18的反射率为0.1%~0.5%，从而增强一个端面的通透性，将发射谐振腔外部的光子成为所需的激光。
针对上述实施例给出的半导体激光器进行仿真，得到如图5至图8所示的仿真结果。由图5可以明显看出光场能量从有源段向无源段传播过程中，横向光场在垂直与外延方向上发生扩展，光场模式中心向下移动。由图6和图7可以看出光场由有源区向无源区传输时，光场能量会逐渐向下扩散，使得在垂直方向上，无源区端面模场光斑尺寸相对于有源区端面模场尺寸明显增加，无源区端面模场光斑更加接近于圆光斑。由图8可以看出采用无源区双层波导结构后，半导体激光器远场的发散角由单层波导的35°减小为21°，其远场光斑特性得到较大改善。
第二方面，根据本发明的实施例，提供了一种半导体激光器的制作方法，包括：
S1、在衬底1上依次外延生长第一下缓冲层2、光栅层3、第一限制层4、下波导层5、多量子阱层6、上波导层7及第二限制层8。
S2、利用光刻制作二氧化硅掩膜，盖住有源区，并通过干法刻蚀加湿法腐蚀方法刻蚀掉无源区的第一下缓冲层2、光栅层3、第一限制层4、下波导层5、多量子阱层6、上波导层7及第二限制层8。
S3、在MOCVD中二次外延依次生长第二下缓冲层13、第一波导层14、波导间隔层15、第二波导层16及第一上缓冲层17。
S4、去除二氧化硅掩膜后，继续外延生长腐蚀停止层9、上包层10及欧姆接触层11。
S5、通过光刻制作光刻胶掩膜来盖住有源区的欧姆接触层11，利用湿法腐蚀法刻蚀掉无源区的欧姆接触层11。
S6、利用光刻制作二氧化硅保护层，露出有源区的欧姆接触层11，盖住其他区域，然后利用光刻制作电极图形掩膜，利用蒸发制作Ti-Pt-Au电极，再通过电镀或者化镀镀Au来加厚电极，剥离其他区域的金属后形成电极层12。
上述方法所制备的半导体激光器，通过对接生长的方式集成无源区的第一波导层14和第二波导层16，即在无源区集成了双层波导。在有源区注入电流产生光增益实现激射进行输出时，会经过无源区的双层波导，使得光场向下层波导耦合到达输出端面时，光斑垂直方向尺寸得到有效增加，近场光斑得到扩展，使得远场发散角减小，从而提高光束输出质量，有利于光束的调整，并提高了光纤耦合效率，减低封装耦合成本。同时，由于光场从无源区的双层波导向有源区的单层波导（即上波导层7、下波导层5及多量子阱层6）传输时，相对于仅仅采用单层波导，损耗会增加，从而对外部反馈光损耗增加，进而提高了激光器的抗反射能力。
进一步地，干法刻蚀加湿法的腐蚀深度为1000~2000nm。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括谐振腔，所述谐振腔包括有源区以及与所述有源区二次外延对接生长形成的无源区；
所述有源区包括衬底（1）以及在所述衬底（1）由下至上依次生长的第一下缓冲层（2）、光栅层（3）、第一限制层（4）、下波导层（5）、多量子阱层（6）、上波导层（7）及第二限制层（8）；
所述无源区包括在所述第一下缓冲层（2）上由下至上依次外延生长的第二下缓冲层（13）、第一波导层（14）、波导间隔层（15）、第二波导层（16）及第一上缓冲层（17）；
所述无源区及有源区上设有腐蚀停止层（9），在所述腐蚀停止层（9）上形成有脊条结构，所述脊条结构由下至上依次包括上包层（10）以及在所述上包层（10）上与所述有源区对应的部分生长的欧姆接触层（11）和电极层（12）；
所述有源区与所述无源区指向形成的对接端面与垂直面在第一平面上形成夹角，垂直方向为谐振腔的高度方向，所述第一平面为所述谐振腔的长度及宽度方向所在的平面；所述夹角为10~20°。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区的长度为120~2000μm，无源区的长度为20~100μm。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一波导层（14）和第二波导层（16）折射率为3.4~3.5，所述波导间隔层（15）折射率为3.18~3.24。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述多量子阱层（6）为InGaAlAs多量子阱层或InGaAsP多量子阱层，所述第一波导层（14）和第二波导层（16）均为InGaAsP波导层，所述第一波导层（14）和第二波导层（16）的材料带隙大于多量子阱层（6）的材料带隙。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一波导层（14）和第二波导层（16）厚度均为150~400nm，所述波导间隔层（15）厚度为200~800nm。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述谐振腔对应于无源区的端面设有增透膜（18），所述谐振腔对应于有源区的端面设有高反膜（19）。
7.一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括：
S1、在衬底（1）上依次外延生长第一下缓冲层（2）、光栅层（3）、第一限制层（4）、下波导层（5）、多量子阱层（6）、上波导层（7）及第二限制层（8）；
S2、利用光刻制作二氧化硅掩膜，盖住有源区，并通过干法刻蚀加湿法腐蚀方法刻蚀掉无源区的第一下缓冲层（2）、光栅层（3）、第一限制层（4）、下波导层（5）、多量子阱层（6）、上波导层（7）及第二限制层（8）；
S3、在MOCVD中二次外延依次生长第二下缓冲层（13）、第一波导层（14）、波导间隔层（15）、第二波导层（16）及第一上缓冲层（17）；
S4、去除二氧化硅掩膜后，继续外延生长腐蚀停止层（9）、上包层（10）及欧姆接触层（11）；
S5、通过光刻制作光刻胶掩膜来盖住有源区的欧姆接触层（11），利用湿法腐蚀法刻蚀掉无源区的欧姆接触层（11）；
S6、利用光刻制作二氧化硅保护层，露出有源区的欧姆接触层（11），盖住其他区域，然后利用光刻制作电极图形掩膜，利用蒸发制作Ti-Pt-Au电极，再通过电镀或者化镀镀Au来加厚电极，剥离其他区域的金属后形成电极层（12）。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述干法刻蚀加湿法的腐蚀深度为1000~2000nm。
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