一种半导体激光元件及其制备方法、电子设备与流程

本发明涉及半导体激光元件，尤其涉及半导体激光元件及其制备方法、电子设备。

背景技术：

1、半导体激光元件具有体积小、重量轻、寿命长、效率高等优点，目前在光通信、光泵浦、光存储和激光显示等领域得到了广泛应用。光学灾变损伤(catastrophic opticaldamage，cod)是半导体激光元件出光端面和反射端面最主要的失效模式，其原理为：半导体激光元件工作时，半导体激光元件的端面位置的杂质缺陷会吸收光而导致局部温度会上升，温度上升后同步会导致端面半导体材料带隙变窄且杂质缺陷会恶化，从而会进一步增加对光的吸收，在此恶性循环下最终出现雪崩效应，使得半导体激光元件端面的温度持续上升而导致半导体激光元件的端面材料熔融、端面炸裂。通过在半导体激光元件的前端(出光端)设置有ar膜(抗反射膜，anti-reflective coating)以及在后端(反射端)设置有hr膜(抗反射膜，high reflective coating)能够有效阻止半导体激光元件端面发生光学灾变，提高半导体激光元件的可靠性寿命。

2、然而，现有半导体激光器的端面膜系结构的化学稳定性仍有较大提升空间，半导体激光元件的长期可靠性寿命仍需进一步提升。

技术实现思路

1、本技术提供一种半导体激光元件及其制备方法、电子设备，旨在改善半导体激光元件出光端或反射端的膜系结构的化学稳定性，提升半导体激光元件的长期可靠性寿命。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种半导体激光元件，包括：

3、半导体基体，所述半导体基体具有相对设置的出光端和反射端；

4、保护膜，设于所述出光端和/或所述反射端，所述保护膜包括由内至外依次层叠设置的第一电介质层和第二电介质层，所述第一电介质层的材料包括氮氧化铝，所述第一电介质层的氧含量≤40wt％，所述第二电介质层的材料包括氮氧化硅，所述第二电介质层的氧含量小于所述第一电介质层的氧含量。

5、本技术第一方面的半导体激光元件中，第一电介质层包括氮氧化铝，氮氧化铝材料结晶性优且自身禁带宽度大，不易在界面处产生光学灾变，能够有效提升半导体激光元件的长期可靠性；随着第一电介质层中氮氧化铝的氧含量的增加，第一电介质层会出现折射率降低、应力降低及膜质变差的情况，应力降低有利于提升膜层稳定性，但膜质变差会降低膜层可靠性，因此，通过将第一电介质层的氧含量控制在≤40wt％，能够较好地平衡第一电介质层的应力和膜质，从而更有利提升半导体激光元件的长期可靠性寿命。第二电介质层能够阻止第一电介质层与外部水汽接触，避免第一电介质层被外部水汽氧化，第二电介质层的材料包括氮氧化硅，氮氧化硅薄膜的制备工艺简单，制备过程中不易受制备腔体内的水汽影响而折射率出现波动；且由于第二电介质层的氧含量小于第一电介质层的氧含量，使得在半导体激光元件老化过程，第二电介质层中的氧向第一电介质层中转移的量有限，能有效保障保护膜的化学稳定性。综上，该半导体激光元件的保护膜具有优良的化学稳定性，能够有效提升半导体激光元件的长期可靠性寿命。

6、在一些实施例中，所述第二电介质层的氧含量为m，5wt％≤m＜40wt％。在该范围内，第二电介质层既能够保护第一电介质层、平衡膜层应力，且能够更为有效地阻止第二电介质层成膜过程中受氧气影响而导致折射率出现波动的情况发生。

7、第二方面，本技术实施例还提出了一种半导体激光元件，包括：

8、半导体基体，所述半导体基体具有相对设置的出光端和反射端；

9、保护膜，设于所述出光端和/或所述反射端，所述保护膜包括由内至外依次层叠设置的第一电介质层和第二电介质层，所述第一电介质层的材料包括氮化铝，所述第二电介质层的材料包括氮氧化硅，所述第二电介质层的氧含量≤30wt％。

10、本技术第二方面的半导体激光元件中，第一电介质层包括氮化铝，氮化铝材料结晶性优且自身禁带宽度大，不易在界面处产生光学灾变，能够有效提升半导体激光元件的长期可靠性；第二电介质层能够阻止第一电介质层与外部水汽接触，避免第一电介质层被外部水汽氧化，第二电介质层的材料包括氮氧化硅，氮氧化硅薄膜的制备工艺简单，制备过程中不易受制备腔体内的水汽影响而折射率出现波动，且由于第二电介质层的氧含量≤30wt％，使得在半导体激光元件老化过程，第二电介质层中的氧向第一电介质层中转移的量有限，能有效保障保护膜的化学稳定性。综上，该半导体激光元件的保护膜具有优良的化学稳定性，能够有效提升半导体激光元件的长期可靠性寿命。

11、在一些实施例中，所述第二电介质层的氧含量为5wt％～30wt％。在该范围内，第二电介质层既能够保护第一电介质层、平衡膜层应力，且能够更为有效地阻止第二电介质层成膜过程中受氧气影响而导致折射率出现波动的情况发生。

12、在一些实施例中，所述第一电介质层的厚度为10nm～300nm。通过将第一电介质层的厚度控制在该范围内，有利于提升第一电介质层的机械性能，避免膜层开裂的情况发生。

13、在一些实施例中，所述第二电介质层的厚度为3nm～300nm。通过将第二电介质层的厚度控制在该范围内，有利于保护第一电介质层和平衡膜层应力。

14、在一些实施例中，所述第一电介质层具有c轴或m轴的结晶取向。这样设置不仅能增强保护膜与半导体基体间的结合，且有利于降低保护膜内的晶体缺陷，从而提升光学灾变的阈值；相比于c轴结晶取向，m轴结晶取向的第一电介质层与半导体基底结合更紧密，更不易出现光学灾变。

15、在一些实施例中，所述第二电介质层中氮氧化硅的晶体结构为多晶或非晶。非晶或多晶结构可以避免晶体边界对光的散射效应，从而提高保护膜的光学质量

16、在一些实施例中，所述保护膜还包括设置于所述第二电介质层背向所述第一电介质层一侧的第三电介质层。通过设置第三电介质层，能够将保护膜的反射率调节至适当范围内，以满足实际应用需求。

17、在一些实施例中，设于所述出光端的保护膜为第一保护膜，所述第一保护膜包括n层所述第三电介质层，n为正整数，2≤n≤6，n层所述第三电介质层的材料独立地包括氧化物、氮化物、氮氧化物中的一种或多种。通过将第三电介质层的数量设置在2～6层，有利于将第一保护膜的反射率调控至适宜范围。

18、在一些实施例中，所述第一保护膜在400nm～550nm波段范围内的反射率为10％～30％。

19、在一些实施例中，设于所述反射端的保护膜为第二保护膜，所述第二保护膜包括m层所述第三电介质层，m为正整数，m≥10，m层所述第三电介质层的材料独立地包括氧化物、氮化物、氮氧化物中的一种或多种。通过使第三电介质层的数量≥10，有利于将第二保护膜的反射率调控至适宜范围。

20、在一些实施例中，所述第二保护膜在400nm～550nm波段范围内的反射率≥98％。

21、在一些实施例中，所述氧化物包括氧化铝、氧化硅、氧化钽、氧化钛、氧化铪、氧化锆、氧化铌和氧化钇中的一种或多种；和/或，

22、所述氮氧化物包括氮氧化铝、氮氧化硅、氮氧化钽和氮氧化钛中的一种或多种；和/或，

23、所述氮化物膜包括氮化硅、氮化钽、氮化钛和氮化铝中的一种或多种。

24、在一些实施例中，所述第三电介质层的厚度为150nm～400nm。在该范围内，有利于将保护膜的反射率调控至适宜范围。

25、在一些实施例中，所述半导体基体包括氮化镓衬底以及生长于所述氮化镓衬底表面的外延层，所述氮化镓衬底朝向所述外延层一侧的表面的取向为c轴朝m轴倾斜0°～15°。一定的c轴朝m轴偏角，能在氮化镓衬底表面提供平整有序的台阶，外延层能获得稳定的台阶流生长，使结晶质量更好；偏角控制在15°以内可以避免台阶聚并，使得外延层生长过程中其结晶取向比较容易控制，外延层生长表面平整度高、量子肼界面清晰，有利于提升内量子效率。

26、第三方面，本技术实施例还提出一种半导体激光元件的制备方法，包括如下步骤：

27、提供半导体基体，在半导体基体的出光端和/或反射端设置第一电介质层，所述第一电介质层的材料包括氮氧化铝，所述第一电介质层的氧含量≤40wt％；

28、在所述第一电介质层表面设置第二电介质层，所述第二电介质层的材料包括氮氧化硅，所述第二电介质层的氧含量小于所述第一电介质层的氧含量。

29、第三方面，本技术实施例还提出一种半导体激光元件的制备方法，包括如下步骤：

30、提供半导体基体，在半导体基体的出光端和/或反射端设置第一电介质层，所述第一电介质层的材料包括氮化铝；

31、在所述第一电介质层表面设置第二电介质层，所述第二电介质层的材料包括氮氧化硅，所述第二电介质层的氧含量≤30wt％。

32、第四方面，本技术实施例还提出一种电子设备，该电子设备包括如第一方面或第二方面所述的半导体激光元件，或包括采用第三方面或第三方面所述的制备方法所制得的半导体激光元件。