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一种 半导体 激光器及其制备方法

阅读：1031发布：2020-05-21

专利汇可以提供一种半导体激光器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请公开了一种半导体激光器及其制备方法，半导体激光器从下至上包括N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层，P型盖层与预设厚度的P型包层形成多个脊型条，相邻两个脊型条之间通过绝缘隔离沟道隔离开；位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖有电绝缘层，剩余脊型条的表面覆盖有P面电极。本申请公开的上述技术方案，在高阶侧模光场波峰处的脊型条上设置电绝缘层，在剩余脊型条上设置P面电极，以在通电时通过电绝缘层和P面电极实现选择性加电，从而增大高阶侧模的光损耗及降低高阶侧模的增益，以降低激射侧模数量，从而提高激光光束质量和亮度。，下面是一种半导体激光器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

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面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层，所述P型盖层与预设厚度的所述P型包层形成多个脊型条，相邻两个所述脊型条之间通过绝缘隔离沟道隔离开，其中，所述预设厚度小于所述P型包层的整体厚度；
位于所述半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的所述脊型条的表面覆盖有电绝缘层，剩余所述脊型条的表面覆盖有P面电极。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，相邻两个所述脊型条形成的绝缘隔离沟道内填充有绝缘层。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，各所述脊型条的宽度不同。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，各所述绝缘隔离沟道的宽度不同。
5.根据权利要求1至4任一项所述的半导体激光器，其特征在于，各所述绝缘隔离沟道的深度不同，其中，与位于所述半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的所述脊型条相邻的所述绝缘隔离沟道的深度大于与剩余所述脊型条相邻的所述绝缘隔离沟道的深度。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述脊型条的宽度在1μm-15μm之间，包括端点值。
7.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述绝缘隔离沟道的宽度在1μm-
10μm之间，包括端点值。
8.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述缓冲层与所述衬底均为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。
9.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区为单层或多层的量子阱或量子点。
10.一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9任一项所述的半导体激光器，包括：
在衬底的上表面依次制备缓冲层、N型包层、N面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层；
在所述P型盖层表面进行刻蚀，以得到由所述P型盖层与预设厚度的所述P型包层形成多个脊型条；其中，所述预设厚度小于所述P型包层的整体厚度；
在位于所述半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的所述脊型条的表面覆盖电绝缘层，并在剩余所述脊型条的表面覆盖P面电极；
在所述衬底的下表面生长N面电极，以得到半导体激光器。

说明书全文

一种半导体 激光器及其制备方法

技术领域

[0001] 本申请涉及光电子技术领域，更具体地说，涉及一种半导体激光器及其制备方法。

背景技术

[0002] 半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长等特点，因此，其具有非常广阔的应用。随着半导体激光器应用市场的扩展，在光纤激光泵浦、显示、频率转换、材料加工、激光雷达、医疗及国防等应用领域对半导体激光器亮度要求也越来越高，这需要半导体激光器同时具有高的输出功率和高的光束质量。

[0003] 目前，高功率半导体激光器在侧向通常采用宽区结构，受热透镜、台面边缘载流子集聚、光载流子反导引等效应的影响，激光器侧向工作在复杂的多模模式，光束质量非常差，导致激光器侧向远场随工作电流提高迅速增大，输出激光亮度很低。

[0004] 综上所述，如何提高半导体激光器的光束质量和亮度，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。发明内容

[0005] 有鉴于此，本申请的目的是提供一种半导体激光器及其制备方法，用于提高半导体激光器的光束质量和亮度。

[0006] 为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

[0007] 一种半导体激光器，从下至上依次包括N面电极、衬底、缓冲层、N型包层、N面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层，所述P型盖层与预设厚度的所述P型包层形成多个脊型条，相邻两个所述脊型条之间通过绝缘隔离沟道隔离开，其中，所述预设厚度小于所述P型包层的整体厚度；

[0008] 位于所述半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的所述脊型条的表面覆盖有电绝缘层，剩余所述脊型条的表面覆盖有P面电极。

[0009] 优选的，相邻两个所述脊型条形成的绝缘隔离沟道内填充有绝缘层。

[0010] 优选的，各所述脊型条的宽度不同。

[0011] 优选的，各所述绝缘隔离沟道的宽度不同。

[0012] 优选的，各所述绝缘隔离沟道的深度不同，其中，与位于所述半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的所述脊型条相邻的所述绝缘隔离沟道的深度大于与剩余所述脊型条相邻的所述绝缘隔离沟道的深度。

[0013] 优选的，所述脊型条的宽度在1μm-15μm之间，包括端点值。

[0014] 优选的，所述绝缘隔离沟道的宽度在1μm-10μm之间，包括端点值。

[0015] 优选的，所述缓冲层与所述衬底均为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

[0016] 优选的，所述有源区为单层或多层的量子阱或量子点。

[0017] 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：

[0018] 在衬底的上表面依次制备缓冲层、N型包层、N面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层；

[0019] 在所述P型盖层表面进行刻蚀，以得到由所述P型盖层与预设厚度的所述P型包层形成多个脊型条；其中，所述预设厚度小于所述P型包层的整体厚度；

[0020] 在位于所述半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的所述脊型条的表面覆盖电绝缘层，并在剩余所述脊型条的表面覆盖P面电极；

[0021] 在所述衬底的下表面生长N面电极，以得到半导体激光器。

[0022] 本申请提供了一种半导体激光器及其制备方法，其中，半导体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面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层，P型盖层与预设厚度的P型包层形成多个脊型条，相邻两个脊型条之间通过绝缘隔离沟道隔离开，其中，预设厚度小于P型包层的整体厚度；位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖有电绝缘层，剩余脊型条的表面覆盖有P面电极。

[0023] 本申请公开的上述技术方案，通过P型盖层和预设厚度的P型包层形成多个脊型条，并在位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖电绝缘层，且在剩余脊型条的表面覆盖P面电极，以在对半导体激光器通电时通过电绝缘层和P面电极实现对各脊型条的选择性加电，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。附图说明

[0024] 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。

[0025] 图1为本申请实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图；

[0026] 图2为本申请实施例提供的另一种半导体激光器的俯视图；

[0027] 图3为本申请实施例提供的又一种半导体激光器的俯视图；

[0028] 图4为本申请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

[0029] 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。

[0030] 参见图1，其示出了本申请实施例提供的一种半导体激光器的结构示意图，本申请实施例提供的一种半导体激光器，从下至上可以依次包括N面电极1、衬底2、缓冲层3、N型包层4、N面波导5、有源区6、P面波导7、P型包层8、P型盖层9，P型盖层9与预设厚度的P型包层8形成多个脊型条，相邻两个脊型条之间通过绝缘隔离沟道10隔离开，其中，预设厚度小于P型包层8的整体厚度；

[0031] 位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖有电绝缘层11，剩余脊型条的表面覆盖有P面电极12。

[0032] 半导体激光器从下至上可以依次包括N面电极1、衬底2、缓冲层3、N型包层4、N面波导5、有源区6、P面波导7、P型包层8、P型盖层9。其中，N面电极1沉积在衬底2在下表面，其和所设置的P面电极12作为半导体激光器的电极，用于电流注入；衬底2用于起到支撑的作用，其通常为N型掺杂，且其具体可以为半导体衬底；缓冲层3与衬底2的材料可以相同，其用于掩埋衬底2自身的缺陷；N型包层4沉积在缓冲层3上，通常为N型掺杂；N面波导5沉积在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，且其通常为不掺杂或N型低掺杂；有源区6位于N型波导之上，其是半导体激光器的增益区，通常为不掺杂；P面波导7位于有源区6之上，通常不掺杂或P型掺杂；P型包层8位于P面波导7之上，其带隙高于P面波导7的带隙，但折射率低于P面波导7的折射率，且其通常为P型掺杂，其中，N面波导5、有源区6、P面波导7共同构成半导体激光器的波导层，且波导层的折射率大于两边的N型包层4和P型包层8的折射率，从而形成全反射波导，以使得半导体激光器谐振腔内传输的光模被限制在波导层之内；P型盖层9位于P型包层8至上，重掺杂以利于欧姆接触。

[0033] 另外，半导体激光器的上表面存在有多个脊型条，这些脊型条具体是由半导体激光器中的P型盖层9和预设厚度(该预设厚度具体小于P型包层8的整体厚度)的P型包层8形成的，相邻两个脊型条之间通过绝缘隔离沟道10隔离开来。在半导体激光器的这些脊型条上，可以选择性地设置电绝缘层11和P面电极12(电绝缘层11和P面电极12均设置在P型盖层9的表面)，以使得半导体激光器在通电时表面设置有电绝缘层11的脊型条不进行通电、表面设置有P面电极12的脊型条进行通电。具体地，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的脊型条表面设置电绝缘层11(具体可以为SiO2、SiNx等)，并在剩余脊型条的表面覆盖P面电极12，其中，这里提及的剩余脊型条即指的是半导体激光器中所设置的多个脊型条中除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的脊型条之外的脊型条，即上述所提及的剩余脊型条包含有位于半导体激光器基侧模光场波峰位置处的脊型条。

[0034] 当给半导体激光器通电时，由于位于半导体激光器除基侧模光场波峰之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条表面覆盖有电绝缘层11，则此类的脊型条不会进行通电，而由于剩余脊型条的表面覆盖有P面电极12，则此类的脊型条可以进行加电，其中，不通电的脊型条会吸收光增加光损耗，通电的脊型条可以获得光增益产生激光，通过调控载流子注入分布，以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，通过加电的脊型条可以形成周期性增益，由于周期性增益可抑制载流子台面边缘集聚、热透镜效应，因此，可以实现稳定的远场，以提高远场形貌的稳定性、

[0035] 本申请公开的上述技术方案，通过P型盖层和预设厚度的P型包层形成多个脊型条，并在位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖电绝缘层，且在剩余脊型条的表面覆盖P面电极，以在对半导体激光器通电时通过电绝缘层和P面电极实现对各脊型条的选择性加电，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。

[0036] 本申请实施例提供的一种半导体激光器，相邻两个脊型条形成的绝缘隔离沟道10内填充有绝缘层。

[0037] 可以在相邻两个脊型条所形成的绝缘隔离沟道10内填充绝缘层，以利用绝缘层抑制载流子在两个脊型条之间的扩散，并起到绝缘的作用，且起到防氧化和保护的作用，从而获得比较好的增益效果，并提高半导体激光器在后续处理过程和使用过程中的可靠性。

[0038] 其中，绝缘隔离沟道10内所填充的绝缘层与脊型条表面所设置的电绝缘层11可以为相同的材料，以提高半导体激光器制备的便利性，并降低半导体激光器的制备成本。

[0039] 参见图2，其示出了本申请实施例提供的另一种半导体激光器的俯视图。本申请实施例提供的一种半导体激光器，各脊型条的宽度不同。

[0040] 在半导体激光器内，各脊型条的宽度可以各不相同，即脊型条的尺寸可以啁啾变化，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。

[0041] 另外，通过对脊型条宽度进行调节，可以使高阶侧模光场波峰位置尽量位于表面设置有电绝缘层11的脊型条上或者位于绝缘隔离沟道10附近，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。

[0042] 参见图3，其示出了本申请实施例提供的又一种半导体激光器的俯视图。本申请实施例提供的一种半导体激光器，各绝缘隔离沟道10的宽度不同。

[0043] 在半导体激光器内，各绝缘隔离沟道10的宽度也可以各不相同，即绝缘隔离沟道10的尺寸也可以啁啾变化，以增大基侧模与高阶侧模之间的增益差，并抑制高阶侧模，从而提高激光的光束质量和亮度。

[0044] 本申请实施例提供的一种半导体激光器，各绝缘隔离沟道10的深度不同，其中，与位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条相邻的绝缘隔离沟道10的深度大于与剩余脊型条相邻的绝缘隔离沟道10的深度。

[0045] 在半导体激光器内，各绝缘隔离沟道10的深度可以各不相同，并且与位于半导体激光器除基侧模光场波峰之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条相邻的绝缘隔离沟道10的深度大于与剩余脊型条相邻的绝缘隔离沟道10的深度，以使得与位于半导体激光器除基侧模光场波峰之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条相邻的绝缘隔离沟道10可以更好的起到抑制载流子扩散的作用，从而增大光损耗，以进一步增大基侧模与高阶侧模之间的模式增益损耗差，进而提高半导体激光器的激光光束质量和亮度。

[0046] 本申请实施例提供的一种半导体激光器，脊型条的宽度在1μm-15μm之间，可以包括端点值。

[0047] 在半导体激光器内，脊型条的宽度可以在1μm-15μm之间，且可以包括端点值。其中，各脊型条的宽度可以根据其是位于高阶侧模光场波峰位置，还是基侧模光场波峰位置进行调节，具体地，基侧模光场波峰位置处的脊型条宽度可以大于高阶侧模光场波峰位置处的脊型条的宽度，以增大基侧模的增益，从而提高激光光束的质量和亮度。

[0048] 本申请实施例提供的一种半导体激光器，绝缘隔离沟道10的宽度在1μm-10μm之间，可以包括端点值。

[0049] 在半导体激光器内，绝缘隔离沟道10的宽度可以在1μm-10μm之间，且可以包括端点值，以较好地起到抑制载流子扩散的作用。

[0050] 本申请实施例提供的一种半导体激光器，缓冲层3与衬底2均为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

[0051] 缓存层与衬底2均可以为Ⅲ-Ⅴ族化合物，具体地，均可以为GaAs、InP、GaSb和GaN中的任意一种。

[0052] 本申请实施例提供的一种半导体激光器，有源区6为单层或多层的量子阱或量子点。

[0053] 半导体激光器中的有源区6可以为单层或多层的量子阱或量子点等，以作为增益区进行使用。

[0054] 本申请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4，其示出了本申请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：

[0055] S41：在衬底的上表面依次制备缓冲层、N型包层、N面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层。

[0056] 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面波导、有源区、P面波导、P型包层、P型盖层，以获取半导体激光器的外延层。

[0057] S42：在P型盖层表面进行刻蚀，以得到由P型盖层与预设厚度的P型包层形成多个脊型条；其中，预设厚度小于P型包层的整体厚度。

[0058] 在得到外延层之后，可以利用光刻、湿法或干法刻蚀外延层，以获得由P型盖层与预设厚度的P型包层所形成的多个脊型条，其中，预设厚度小于P型包层的整体厚度，即在对外延层进行刻蚀时，只刻蚀预设厚度的P型包层即可，外延层中还留有剩余厚度且覆盖在P面波导表面的P型包层。另外，相邻两个脊型条之间通过绝缘隔离沟道隔离开来。

[0059] S43：在位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖电绝缘层，并在剩余脊型条的表面覆盖P面电极。

[0060] 在得到多个脊型条之后，可以在位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖电绝缘层，并在剩余脊型条的表面覆盖P面电极，以选择性地对脊型条加电或不加电，从而提高高阶侧模的损耗及降低高阶侧模的增益，以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，以获得强的模式分辨，有效地降低激射侧模数量，进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。

[0061] S44：在衬底的下表面生长N面电极，以得到半导体激光器。

[0062] 在脊型条表面覆盖完电绝缘层或P面电极之后，可以对衬底进行减薄、抛光，然后，在衬底的下表面上生长N面电极，以得到半导体激光器。

[0063] 其中，当绝缘隔离沟道中设置有绝缘层时，上述在位于半导体激光器除基侧模光场波峰处之外且位于高阶侧模光场波峰处的脊型条的表面覆盖电绝缘层，并在剩余脊型条的表面覆盖P面电极的过程可以为：在半导体激光器的上表面沉积电绝缘层；对需要通电的脊型条进行光刻，以刻蚀掉需要通电的脊型条上的电绝缘层(在此过程中需要该脊型条侧壁上的电绝缘层)；通过光刻或磁控溅射、电子束蒸发等设备在刻蚀完电绝缘层的脊型条上沉积P面电极。

[0064] 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。

[0065] 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。

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