具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，沿激光器器件的垂直橫向，包括上電級層、上接觸層、電流阻擋層、上限制層、上波導(dǎo)層、有源層、下波導(dǎo)層、下限制層、襯底和下電級層；沿器件的縱向，包含增益諧振腔和后腔面分布反射鏡，所述后腔面分布反射鏡具有縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)DBR；沿器件的側(cè)向，包括寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)和電流限制區(qū)，所述寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)，位于電流注入脊形區(qū)上。采用本發(fā)明的技術(shù)方案，既實現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的大功率輸出，又能實現(xiàn)單模形式輸出。
【專利說明】
具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，尤其涉及一種屬于單模大功率半導(dǎo)體激光器，進(jìn)一步涉及一種具有側(cè)向光柵(LG:Lateral Grating)和縱向分布布喇格反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)的半導(dǎo)體激光器(LD:Laser D1des)，簡稱LG-DBR LD。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器憑借其體積小、效率高、壽命長及電驅(qū)動等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)加工、通信、醫(yī)療、打標(biāo)和軍事等領(lǐng)域，有著巨大的應(yīng)用市場。當(dāng)前，在GaAs上制備的大功率半導(dǎo)體激光器的單管輸出功率已大于20W，但器件只在橫向是單一基模，縱模和側(cè)模都是多模狀態(tài)，多縱模使光譜寬度增加，多側(cè)模使器件工作不穩(wěn)定，且不利于光纖耦合，這都限制了器件的進(jìn)一步應(yīng)用。
[0003]對于普通的大功率半導(dǎo)體激光器芯片，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。沿器件的垂直方向包括上電級I，上接觸層2，上限制層4，上波導(dǎo)層5，有源層6，下波導(dǎo)層7，下限制層8，襯底9和下電級層10。沿器件的水平側(cè)向，包括電流注入脊形區(qū)11和電流限制區(qū)12，側(cè)向電流的限制由絕緣的電流阻擋層3來實現(xiàn)。為了使器件有高的輸出功率，除了增加垂直上波導(dǎo)層5和下波導(dǎo)層7的厚度外，還有另外兩個措施，一是增加側(cè)向電流注入脊形區(qū)11的條寬，二是增加縱向長腔13的長度。然而，寬的側(cè)向電流注入脊形區(qū)11不但會產(chǎn)生多個側(cè)向模式，而且這些模式會隨著工作條件的變化而變化，使得激光器的側(cè)模工作不穩(wěn)定。縱向長腔13則使器件有多個縱向模式，與半導(dǎo)體材料的能帶躍迀機制相結(jié)合，器件為多縱橫工作狀態(tài)，導(dǎo)致器件的光譜較寬。
[0004]目前，為了解決普通激光器的光譜問題，國內(nèi)外提出了在普通大功率激光器芯片上沿縱向添加DBR的結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。沿器件的縱向包含增益諧振腔131和后腔面分布反射鏡132兩部分，在后腔面分布反射鏡132部分制備有DBR結(jié)構(gòu)111，其作用是解決多縱模的問題，實現(xiàn)縱向的單模輸出。然而，這樣的器件只是解決了沿縱向的多模問題，側(cè)模的單模輸出并沒有解決。多側(cè)模的光輸出不但會隨器件工作條件的變化而不穩(wěn)定，還會影響側(cè)模的光束質(zhì)量，使得大功率激光器的進(jìn)一步應(yīng)用受到了一定的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于給出一種能輸出高功率的單模半導(dǎo)體激光器，可以在輸出高功率的同時，沿縱向、橫向和側(cè)向三個方向都為單模狀態(tài)。
[0006]為解決上述問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0007]—種具有側(cè)向光柵和縱向分布布喇格反射鏡的半導(dǎo)體激光器，沿激光器器件的垂直橫向，包括上電級層、上接觸層、電流阻擋層、上限制層、上波導(dǎo)層、有源層、下波導(dǎo)層、下限制層、襯底和下電級層;沿器件的縱向，包含增益諧振腔和后腔面分布反射鏡，所述后腔面分布反射鏡具有縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)DBR；沿器件的側(cè)向，包括寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)和電流限制區(qū)，所述寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)，位于電流注入脊形區(qū)上;其中，由寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)、具有DBR結(jié)構(gòu)的后腔面分布反射鏡以及上波導(dǎo)層、有源層、下波導(dǎo)層實現(xiàn)大功率輸出；由上限制層、上波導(dǎo)層、有源層、下波導(dǎo)層、下限制層實現(xiàn)橫向僅有基橫模激射；由側(cè)向光柵實現(xiàn)側(cè)向僅有基側(cè)模激射；由縱向DBR結(jié)構(gòu)實現(xiàn)縱向僅有一個模式被選擇激射。
[0008]作為優(yōu)選，所述電流阻擋層的材料為二氧化硅或氮化硅。
[0009]作為優(yōu)選，所述有源區(qū)的結(jié)構(gòu)可以為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單雙量子阱結(jié)構(gòu)、多量子阱結(jié)構(gòu)中的一種。
[0010]作為優(yōu)選，所述上電極層和下電極層采用的材料為金屬或者合金。
[0011]本發(fā)明所述的寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)和縱向具有DBR結(jié)構(gòu)的后腔面分布反射鏡的半導(dǎo)體激光與普通的半導(dǎo)體激光相比較，有著一些重要的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在:
[0012]1.高功率輸出
[0013]整個芯片采取的是寬的電流注入脊形區(qū)，縱向長腔都是有利于高功率的輸出。這種增加輸出的光功率的方法能原因是:半導(dǎo)體激光器腔長變長，腔面的損耗就會減小，導(dǎo)致閾值減小，輸出光功率就會增加。增加脊型臺面的寬度主要是增加接觸面積，使得注入電流增加。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)大大的提高了光功率輸出。
[0014]2.實現(xiàn)單模輸出
[0015]在實現(xiàn)了高功率輸出的基礎(chǔ)上，通過寬脊型臺面上制作出寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)和縱向長腔上添加具有DBR結(jié)構(gòu)的后腔面分布反射鏡的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計改善模式的輸出，實現(xiàn)光譜的單模形式。利用側(cè)向的光柵的設(shè)計是主要實現(xiàn)側(cè)向的單模輸出，而縱向的布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)主要是實現(xiàn)縱向的單模輸出，而橫向模式基本上是單模的輸出，最終形成三個方向都是單模輸出，實現(xiàn)光譜的單模輸出。提高了半導(dǎo)體激光器光譜的質(zhì)量。
[0016]3.實用性
[0017]半導(dǎo)體激光器的制作有著相對成熟的工藝條件和工藝流程，本發(fā)明的設(shè)計是在在普通的大功率激光器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，工藝技術(shù)上能夠得到保證，過程相對來說不是那么復(fù)雜。所以該設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)出大功率、單模的成功率相對來說是比較高，適用于生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0018]圖1:常規(guī)結(jié)構(gòu)LD的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2:在常規(guī)結(jié)構(gòu)LD基礎(chǔ)上添加DBR的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3:本發(fā)明中的側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中，I為上電極層、2為上接觸層、3為電流阻擋層、4為上限制層、5為上波導(dǎo)層、6為有源區(qū)、7為下波導(dǎo)層、8為下限制層、9為襯底、10為下電極層、11為電流注入脊型區(qū)、12為電流限制區(qū)、13為縱向長腔、131為增益諧振腔、132為后腔面分布反射鏡、111為DBR結(jié)構(gòu)、112為寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)。
【具體實施方式】
[0022]如圖3所示，本發(fā)明實施例提供一種具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，沿器件的垂直橫向，包括上電級層1、上接觸層2、電流阻擋層3、上限制層4、上波導(dǎo)層5、有源層6、下波導(dǎo)層7、下限制層8、襯底9和下電級層10;沿器件的縱向，包含增益諧振腔131和后腔面分布反射鏡132兩部分，后腔面分布反射鏡132部分具有縱向分布布喇格反射鏡DBR(DBR:Distributed Bragg Ref lector)結(jié)構(gòu)111;沿器件的側(cè)向，包括寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)112和電流限制區(qū)12。
[0023]由寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)112、具有DBR結(jié)構(gòu)111的后腔面分布反射鏡132以及上波導(dǎo)層5、有源層6、下波導(dǎo)層7實現(xiàn)大功率輸出；由上限制層4、上波導(dǎo)層5、有源層6、下波導(dǎo)層7、下限制層8實現(xiàn)橫向僅有基橫模激射；由側(cè)向光柵112實現(xiàn)側(cè)向僅有基側(cè)模激射；由縱向DBRl 11實現(xiàn)縱向僅有一個模式被選擇激射。
[0024]本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器的創(chuàng)新點在于:在普通大功率激光器的電流注入脊形區(qū)11上設(shè)有寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)112，在縱向長腔上設(shè)有縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)，既能保存了普通大功率激光器的電流注入脊形區(qū)11和縱向腔長實現(xiàn)普通大功率激光器的高功率輸出，又通過在電流注入脊形區(qū)11上添加寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)112和縱向長腔上添加后腔面分布反射鏡132實現(xiàn)光譜的單模輸出。激光的模式可由波矢來表征，其中，分別是波矢沿側(cè)向、橫向和縱向的分量。在LG-DBR LD中，合理設(shè)計的外延結(jié)構(gòu)可保證橫向波矢僅有一個取值，即單橫模。通過側(cè)向光柵的周期及缺陷的合理設(shè)計可保證側(cè)向波矢只能取一個值，即單側(cè)模。在縱向刻蝕的布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的材料折射率以ABAB的方式交替排列，相當(dāng)于簡單的一組光子晶體組成的周期結(jié)構(gòu)，每層材料的光學(xué)厚度是中心反射波長的1/4，對于頻率落在能隙范圍內(nèi)的電磁波無法穿透，DBR的發(fā)射率高達(dá)99 %以上，而對其它頻率光的反射率很低，由此可實現(xiàn)單一縱模波矢的選擇。因此，LG-DBR LD可實現(xiàn)單模光輸出。寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)112和縱向具有DBR結(jié)構(gòu)111的后腔面分布反射鏡132解決了大功率半導(dǎo)體激光器的寬脊寬、長腔長帶來的由于側(cè)膜工作不穩(wěn)定和縱模多模輸出造成的光譜較寬的問題，提高了大功率半導(dǎo)體激光器需要光譜模式穩(wěn)定領(lǐng)域上面的應(yīng)用。
[0025]所述電流阻擋層3的材料為二氧化硅或氮化硅。
[0026]所述有源區(qū)6的結(jié)構(gòu)可以為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單雙量子講結(jié)構(gòu)、多量子講結(jié)構(gòu)中的一種。
[0027]所述上電極層I和下電極層10采用的材料為金屬或者合金。
[0028]本發(fā)明在電流注入脊形區(qū)11添加寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)112，該種設(shè)計既能增加電流的接觸面積，又能改善側(cè)向模式因?qū)捈剐团_面帶來的側(cè)向模式的不穩(wěn)定性，又能實現(xiàn)側(cè)向的單模輸出。
[0029]本發(fā)明在縱向長腔上添加具有DBR結(jié)構(gòu)111的后腔面分布反射鏡132，該種設(shè)計既能減少腔面損耗，又能減少縱模的多模形式，實現(xiàn)在縱向的單模輸出。
[0030]實施例1:
[0031]以980nm單量子阱半導(dǎo)體激光器為例。該器件的有源區(qū)是InGaAs材料，其制備過程和方法如下:
[0032]1.外延片的生長:可以在GaAs襯底上，利用金屬有機化學(xué)相淀積(M0CVD)的方法依次外延下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層、蓋層上接觸層。
[0033]2.器件制備，具體的工藝過程
[0034]步驟1:把生長好的外延片首先進(jìn)行清洗并且吹干后。在外延片上面進(jìn)行光刻脊型臺面的操作，光刻使用的設(shè)備可以是接觸式曝光光刻機。把光刻好的外延片再進(jìn)行腐蝕鎵砷，腐蝕的方法可以用濕法腐蝕或者干法腐蝕(如耦合等離子體刻蝕ICP)，最終形成所需要的電流注入脊型區(qū)。
[0035]步驟2:設(shè)定好側(cè)向光柵的相關(guān)參數(shù)(如周期，比例，材料)，在脊型臺面上使用光刻方法光刻出寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)，因為在側(cè)向的光柵的周期還是比較長的，可以直接使用光刻技術(shù)，可以使用的光刻的設(shè)備是接觸式曝光光刻機。
[0036]步驟3:采用等離子體增強化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)(PECVD)沉積生長電流阻擋層。
[0037]步驟4:然后通過光刻技術(shù)為后腔面分布反射鏡區(qū)開一個窗口，把窗口內(nèi)的電流阻擋層通過相應(yīng)的腐蝕方法進(jìn)行腐蝕，然后可以使用雙干束全息法制造出DBR結(jié)構(gòu)。
[0038]步驟5:采用等離子體增強化學(xué)氣相淀積系統(tǒng)(PECVD)再次沉積生長電流阻擋層。
[0039]步驟6:在激光器的上電極濺射導(dǎo)電的材料，可以使用Ti/Au合金和其他金屬材料。
[0040]步驟7:使用磨片的設(shè)備進(jìn)行外延片的N面襯底減薄工作，一般減少到120?140微米，再次進(jìn)行清洗并用氮氣吹干。
[0041 ]步驟8:在下電極層派射背面導(dǎo)電材料，可以使用合金AuGeNi/Au和其他金屬材料，再使用快速退火設(shè)備進(jìn)行快速退火工藝，目的是讓導(dǎo)電材料和外延片之間形成良好的歐姆接觸。
[0042]3.解理與壓焊:劃片、解理成單個的管芯，通過燒結(jié)焊接的過程，并在管座上并進(jìn)行封裝，最終完成了 LD的制作。通過電流的注入，就可以實現(xiàn)大功率、單模輸出的側(cè)向光柵和向布格反射鏡結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器。
[0043]通過以上實施例，完成本發(fā)明LD制作。
[0044]以上實施例僅為本發(fā)明的示例性實施例，不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求書限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實質(zhì)和保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，沿激光器器件的垂直橫向，包括上電級層(1)、上接觸層(2)、電流阻擋層(3)、上限制層(4)、上波導(dǎo)層(5)、有源層(6)、下波導(dǎo)層(7)、下限制層(8)、襯底(9)和下電級層(10);沿器件的縱向，包含增益諧振腔(131)和后腔面分布反射鏡(132)，所述后腔面分布反射鏡(132)具有縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)DBR( 111);沿器件的側(cè)向，包括寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)(112)和電流限制區(qū)(12)，所述寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)(112)位于電流注入脊形區(qū)(11)上;其中，由寬條電流注入側(cè)向光柵區(qū)(112)、具有DBR結(jié)構(gòu)(111)的后腔面分布反射鏡(132)以及上波導(dǎo)層(5)、有源層(6)、下波導(dǎo)層(7)實現(xiàn)大功率輸出；由上限制層(4)、上波導(dǎo)層(5)、有源層(6)、下波導(dǎo)層(7)、下限制層(8)實現(xiàn)橫向僅有基橫模激射；由側(cè)向光柵(112)實現(xiàn)側(cè)向僅有基側(cè)模激射；由縱向DBR結(jié)構(gòu)(111)實現(xiàn)縱向僅有一個模式被選擇激射。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述電流阻擋層(3)的材料為二氧化硅或氮化硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述有源區(qū)(6)的結(jié)構(gòu)可以為雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)、單雙量子阱結(jié)構(gòu)、多量子阱結(jié)構(gòu)中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向光柵和縱向布喇格反射鏡結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述上電極層(I)和下電極層(10)采用的材料為金屬或者合金。
【文檔編號】H01S5/12GK105914580SQ201610530775
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】李建軍, 廖翌如
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)