一種階梯脊型半導體雷射器的製作方法

2023-11-30 03:42:11 2

本實用新型涉及一種階梯脊型半導體雷射器的結構，屬於半導體雷射器的技術領域。

背景技術：

近年來，半導體雷射器發展迅速，它具有結構緊湊、成本較低、光場易於調控等優點，被廣泛應用於工業加工、雷射顯示及照明、光通信、雷射理療等方面。相比於條形增益導引雷射器及掩埋結構的強折射率導引雷射器，脊型結構的雷射器不僅具有結構簡單，一次外延直接得到，並且可以提供弱折射率導引，提高微分效率，因而是一種常見的雷射器結構。

半導體雷射器的光電轉換效率及壽命是兩個十分重要的參數。對於半導體雷射器來說，它與發光二極體最明顯的區別是它存在閾值電流。工作電流位於閾值電流以下時，沒有雷射輸出，電流是在做無用功，所以應該想辦法降低其閾值電流。半導體雷射器的閾值電流密度同其外延結構設計及外延材料生長有關，近年來已經降到了1kA/cm2以內。在閾值電流密度恆定的情況下，器件的閾值電流同其條形電流注入區的面積有關。條寬越小，實現雷射輸出的閾值電流也就越小。但是它與雷射器的壽命是矛盾的。條寬越小時，脊型波導的橫截面積也越小。在相同光功率輸出時，腔面所承受的光功率密度會變大，這就會加速腔面處缺陷的形成並惡化。達到一定程度時，就會造成雷射功率的衰減，嚴重時腔面會發生光學災變損傷(COD)，雷射器瞬間失效。所以，要想提高雷射器的COD功率，必須使用寬條大光腔結構。

中國專利文獻CN105226502A公開了一種窄脊條型GaAs基GalnP量子阱結構半導體雷射器的製備方法，通過在外延片上面旋塗光刻膠後利用PECVD生長幹法刻蝕的掩膜，再選用合適的光刻版通過光刻製備需要的掩膜圖形，利用幹法刻蝕的方式製備出側面垂直且形貌比較好的脊型結構，最後生長電流阻擋層，剝離光刻膠去掉脊條上面的電流阻擋層，製備出側面垂直形貌良好的脊型結構。此方法不僅可以利用幹法刻蝕的方式製備出側面垂直形貌良好無蓋帽的脊型結構，還採用剝離生長電流阻擋層的方式，在脊條上面形成良好的歐姆接觸，防止電流側向洩露，減小雷射器的閾值電流。但是如前所述，此方法形成的脊型結構比較窄，限制了雷射器的高功率輸出。由於雷射器的光功率密度較大，降低了雷射器工作時的可靠性及壽命。

中國專利文獻CN1681176A公開了一種帶有錐形增益區的脊型波導高功率半導體雷射器結構，分為單模區、錐形增益區和平坦區三個區域。它具有更大的輸出功率、更高的飽和電流，並可得到近衍射極限光束，減小功率密度、抑制出光面的災變光學損傷，有效改善器件的飽和特性。但是錐形增益區對刻蝕精度要求很高，如果出現偏斜，錐形增益區內的光束就會洩露，造成雷射器的出光損失較大。

技術實現要素：

針對傳統脊型半導體雷射器閾值電流及壽命相互矛盾的問題，本實用新型提供一種閾值電流小、可靠性及壽命高的階梯脊型半導體雷射器。同時提供一種該階梯脊型半導體雷射器的製備方法。

本實用新型的階梯脊型半導體雷射器，採用以下技術方案：

該半導體雷射器，包括從下至上依次設置的襯底、下包層、有源區、第一上包層、第二 上包層、第三上包層和接觸層，所述第三上包層的厚度大於第二上包層的厚度，所述接觸層與第三上包層構成第一條脊，所述第二上包層構成第二條脊，所述第二條脊的寬度大於第一條脊的寬度。

上述半導體雷射器構成整體的階梯脊型結構。

所述襯底、下包層、有源區和接觸層與傳統半導體雷射器一致，本實用新型不做限定。

所述第一上包層的厚度為100-300nm。此處設計的優勢在於，使用此厚度範圍的第一上包層可以使近場光斑遠離器件表面，減少表面缺陷對光的吸收。同時，還能控制電流在到達有源區前的擴展範圍，降低閾值電流。

所述第二上包層的厚度為300-500nm，第三上包層的厚度700-900nm；第二上包層與第三上包層的總厚度為1000-1200nm。

所述第一條脊的寬度為20-50um。

所述第二條脊的寬度比第一條脊的寬度大20-50μm。

第三上包層與接觸層直接接觸，對電流擴展的影響更大。此處設計的優勢在於，第三上包層的厚度大於第二上包層的厚度，且第三上包層的寬度小於第二上包層，可以將電流的主要路徑控制在第三上包層，減少電流在到達有源區前的擴展範圍，降低閾值電流。

第二上包層接近有源區，對橫向有效折射率的影響更大，而橫向有效折射率是直接決定橫向光場範圍的。此處設計的優勢在於，第二條脊的寬度大於第一條脊的寬度，可以降低橫向有效折射率，使橫向光場範圍增大，降低腔面的光功率密度。

相比於傳統脊型半導體雷射器，本實用新型設置呈階梯型的兩條脊，使靠近接觸層部分第一條脊的寬度小，可以降低半導體雷射器的閾值電流；靠近有源區部分的第二條脊的寬度大，可以降低光功率密度，進而提升半導體雷射器的COD及壽命。解決了傳統脊型半導體雷射器閾值電流及可靠性不能兼得的問題，即可以獲得較低的工作電流，又能具有較高的功率可靠性。

附圖說明

圖1是本實用新型製備過程中所得初始結構示意圖。

圖2是本實用新型製備過程中所得含有第一條脊的結構示意圖。

圖3是本實用新型階梯脊型半導體雷射器的結構示意圖。

圖4是本實用新型階梯脊型半導體雷射器工作時的電流擴展及近場光斑示意圖。

圖中，1、襯底，2、下包層，3、有源區，4、第一上包層，5、第二上包層，6、第三上包層，7、接觸層，8、第一條脊，9、第二條脊，10、電流擴展路徑，11、近場光斑。

具體實施方式

實施例1

本實用新型的階梯脊型半導體雷射器，參見圖1和圖3，包括從下至上依次設置的襯底1、下包層2、有源區3、第一上包層4、第二上包層5、第三上包層6和接觸層7。

襯底1、下包層2、有源區3和接觸層7與傳統半導體雷射器一致。襯底1為2度偏角的GaAs襯底；下包層2為Al0.6Ga0.4As材料；有源區3為Al0.3Ga0.7As/Al0.1Ga0.9As量子阱結構，發光波長800nm附近。

第一上包層4為厚度100-300nm的Al0.6Ga0.4As；第二上包層5為厚度300-500nm的 Al0.2Ga0.3In0.5P。第三上包層6為厚度700-900nm的Al0.6Ga0.4As，第二上包層5與第三上包層6的總厚度為1000-1200nm。接觸層7為厚度200nm的重摻雜GaAs。

第一上包層4的厚度範圍可以使近場光斑遠離器件表面，減少表面缺陷對光的吸收。同時，還能控制電流在到達有源區前的擴展範圍，降低閾值電流。第三上包層6與接觸層7直接接觸，對電流擴展的影響更大。第三上包層6的厚度大於第二上包層5的厚度，且第三上包層6的寬度小於第二上包層5的寬度，可以將電流的主要路徑控制在第三上包層，減少電流在到達有源區前的擴展範圍，降低閾值電流。第二上包層5接近有源區3，對橫向有效折射率的影響更大，而橫向有效折射率是直接決定橫向光場範圍的。

參見圖3，通過去除第三上包層6和接觸層7兩側部分，在第三上包層6和接觸層7上形成第一條脊8。通過去除第二上包層5兩側材料，在第二上包層5上形成第二條脊9。第一條脊8的寬度為20-50μm。第二條脊9的寬度比第一條脊8的寬度大20-50μm。第三上包層6的厚度(也是第一條脊8的厚度)大於第二上包層5的厚度(也是第二條脊9的厚度)。

上述階梯脊型半導體雷射器的製備過程如下所述。

(1)利用金屬有機化學氣相沉積法，在襯底1上依次生長下包層2、有源區3、第一上包層4、第二上包層5、第三上包層6和接觸層7(此時接觸層7與其餘各層的寬度是一致的)，如圖1所示。

(2)在接觸層7上均勻覆蓋一層光刻膠，通過圖形曝光在接觸層7上面留下與第一條脊8的寬度(20-50μm)一致的第一條形圖；

(3)放入磷酸及雙氧水溶液中，利用其對砷化物腐蝕速率較快且對磷化物腐蝕速率很慢的選擇性腐蝕特性，溼法腐蝕去除第一條形圖以外的接觸層7兩側的部分，深度直至第三上包層6的底面，露出第二上包層5，形成第一條脊8，所得半導體雷射器結構如圖2所示。

(4)去除接觸層7上表面(也是第一條脊8上表面)光刻膠後，再重新在圖2所得半導體雷射器表面均勻覆蓋一層光刻膠，並且通過圖形曝光在第一條脊8表面及第二上包層5上留下與第二條脊9的寬度(比第一條脊8大20-50μm)一致的第二條形圖；

(5)放入鹽酸溶液中，利用其對磷化物腐蝕速率較快且對砷化物腐蝕速率很慢的選擇性腐蝕特性，溼法腐蝕去除第二條形圖以外的第二上包層5兩側部分，形成第二條脊9，得到圖3所示的階梯脊型半導體雷射器。去除表面光刻膠。

之後按照標準半導體雷射器製作工藝製作成器件，其工作時的電流擴展路徑10及近場光斑11如圖4所示。可以看出由於第一條脊8的條寬較小，電流擴展得到限制，同時由於第二條脊9的條寬較大，橫向光場變大，光功率密度變小。

實施例2

本實施例與實施例2的區別在於，襯底1為0度偏角的GaN襯底；下包層2為Al0.1Ga0.9N材料；有源區3為GaN/In0.1Ga0.9N量子阱結構，發光波長400nm附近；第一上包層4、第二上包層5、第三上包層6都為Al0.1Ga0.9N材料；接觸層7為100nm的重摻雜GaN。

製備方法中，是利用幹法刻蝕替代溼法腐蝕，去除第一條形圖以外的接觸層7兩側的部分，深度直至第三上包層6的底面，露出第二上包層5，形成第一條脊8。利用幹法刻蝕，去除第二條形圖以外的第二上包層5兩側部分，形成第二條脊9。