一种脊形波导激光器结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体光电子，具体涉及一种脊形波导激光器结构及其制备方法。

背景技术：

1、脊形波导（ridge waveguide，rwg）结构是半导体激光器中实现光场和载流子横向限制的主流技术方案，与掩埋异质结结构相比，脊形波导具有工艺简单、无需二次外延、制造成本低、量产性好等优势，在光通信、激光雷达等领域得到广泛应用。

2、传统脊形波导激光器在制备过程中，通常采用以下工艺：通过刻蚀工艺在p型接触层区域形成条形脊状凸起（即脊条区域），在脊条两侧的非凸起区域（即非脊条区域）沉积sio2绝缘层，以实现电流限制和电隔离功能，仅保留脊条顶部开口用于电流注入。该方案中，sio2绝缘层的折射率约为1.45，而脊条区域的半导体材料（如inp折射率约3.17、gaas折射率约3.5）折射率远高于sio2绝缘层，使得脊条区域与非脊条区域之间形成极强的折射率阶跃。根据脊形波导的导波理论，波导中光场的横向分布由横向等效折射率分布决定。根据亥姆霍兹方程：

3、d2e/dx2+k02(n(x)2neff2)e=0；其中，k0表示真空波数，x表示腔长方向的位置，n（x）表示x位置材料的折射率，neff表示有效折射率，e表示光场的电场强度横向分量的振幅分布函数，是x的函数；

4、在折射率阶跃界面处，光场的一阶导数不连续，导致模式场发生畸变，引入大量高阶傅里叶分量，使得高阶侧模极易被激发。随着注入电流增大，载流子向脊条两侧横向扩散，增益分布随之展宽，会进一步加剧高阶侧模的激射，最终导致远场光斑出现“多瓣”结构，光束质量显著恶化。现有研究表明，脊形波导的侧向模式特性由脊深与脊宽的比值（深宽比）直接决定，仅当该比值控制在特定狭窄范围内时，才能保证基侧模稳定输出，极大限制了器件结构的设计灵活性。

5、为改善上述问题，现有技术已开展以下研究：1. 采用隔离双沟结构，在脊条两侧增设隔离沟槽，以抑制载流子横向扩散；2. 通过在沟槽区域引入离子注入区或替换不同介质材料来调节折射率分布。但上述研究均无法彻底解决折射率阶跃导致的模式畸变问题，高阶模激射的隐患依然存在。

技术实现思路

1、针对现有的脊形波导激光器因脊条区域与非脊条区域之间存在折射率阶跃，导致光场畸变、高阶模易激射，在高注入电流下模式稳定性差、光束质量显著恶化的技术问题，本发明提供一种脊形波导激光器结构及其制备方法。

2、本发明技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种脊形波导激光器结构，自下而上依次包括衬底、叠层结构，所述叠层结构上方设有脊形波导结构，所述脊形波导结构包括脊条区域和位于脊条区域两侧的非脊条区域，所述脊形波导结构上方设有绝缘介质层，所述绝缘介质层包括折射率缓冲区域和绝缘材料区域，所述折射率缓冲区域分布在靠近脊条区域的两侧的非脊条区域内，所述折射率缓冲区域由多个折射率缓冲块沿腔长方向周期性排布组成，所述绝缘介质层的上方设有p面金属电极。

4、进一步的，所述折射率缓冲块的材料为sinx，折射率为1.7~2.5。

5、进一步的，所述折射率缓冲区域与脊条区域的距离l为0.5μm≤l≤5μm。

6、进一步的，所述折射率缓冲块的横截面为菱形，折射率缓冲块的长对角线与腔长方向平行，折射率缓冲块的短对角线与腔面平行。

7、进一步的，所述折射率缓冲块的长对角线长度h与非脊条区域的深度u为0.3≤h/u≤0.7，1μm≤u≤4μm。

8、进一步的，所述折射率缓冲块的短对角线长度y与脊条区域的宽度w之比为0.15≤y/w≤0.4。

9、进一步的，所述折射率缓冲块的周期性排布的周期λ为，λ=m·λ/2neff，其中，λ为激射波长，neff为有效折射率，m为5以上的整数。

10、进一步的，所述绝缘材料区域的材料为sio2。

11、进一步的，所述绝缘介质层的厚度为100~300nm。

12、第二方面，本发明提供一种上述脊形波导激光器结构的制备方法，包括以下步骤：

13、（1）在衬底上外延生长叠层结构，随后采用光刻和刻蚀技术，在叠层结构上形成脊形波导结构，所述脊形波导结构包括脊条区域和位于脊条区域两侧的非脊条区域；

14、（2）在所述脊形波导结构上沉积绝缘介质层；随后在绝缘介质层采用光刻、刻蚀并沉积出折射率缓冲区域；

15、（3）去除脊条区域正上方的绝缘介质层，随后在外延表面蒸镀p面金属层，在衬底背面蒸镀n面金属，经解理、镀膜得到脊形波导激光器。

16、本发明的有益效果在于：

17、1. 本发明提供的脊形波导激光器，在靠近脊条区域的非脊条区域内设置折射率缓冲区域，可在脊条半导体与绝缘材料之间形成折射率过渡层级，有效平缓传统结构中剧烈的折射率阶跃，消除折射率突变界面处的光场畸变与模式跳变，大幅提升侧向光场模式的工作稳定性；在高注入电流工况下可有效抑制高阶侧模激射，拓宽器件的基模工作电流区间，改善输出功率的线性度，提升远场光束质量。

18、2. 本发明提供的脊形波导激光器，折射率缓冲区域由多个离散的折射率缓冲块沿腔长方向周期性排布构成，可通过调整缓冲块的排布密度、位置与尺寸灵活调控等效折射率的渐变梯度，适配不同的模式限制需求。

19、3. 本发明提供的制备方法，无需对半导体外延层进行额外刻蚀、离子注入等改性处理，与传统脊形波导激光器的制备流程高度兼容，无需增加额外设备投入。

1.一种脊形波导激光器结构，自下而上依次包括衬底、叠层结构，所述叠层结构上方设有脊形波导结构，所述脊形波导结构包括脊条区域和位于脊条区域两侧的非脊条区域；所述脊形波导结构上方设有绝缘介质层，其特征在于，所述绝缘介质层包括折射率缓冲区域和绝缘材料区域，所述折射率缓冲区域分布在靠近脊条区域的两侧的非脊条区域内，所述折射率缓冲区域由多个折射率缓冲块沿腔长方向周期性排布组成，所述绝缘介质层的上方设有p面金属电极。

2.如权利要求1所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述折射率缓冲块的材料为sinx，折射率为1.7~2.5。

3.如权利要求1所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述折射率缓冲区域与脊条区域的距离l为0.5μm≤l≤5μm。

4.如权利要求1所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述折射率缓冲块的横截面为菱形，折射率缓冲块的长对角线与腔长方向平行，折射率缓冲块的短对角线与腔面平行。

5.如权利要求4所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述折射率缓冲块的长对角线长度h与非脊条区域的深度u为0.3≤h/u≤0.7。

6.如权利要求4所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述折射率缓冲块的短对角线长度y与脊条区域的宽度w之比为0.15≤y/w≤0.4。

7.如权利要求1所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述折射率缓冲块的周期性排布的周期λ为，λ=m·λ/2neff，其中，λ为激射波长，neff为有效折射率，m为5以上的整数。

8.如权利要求1所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述绝缘材料区域的材料为sio2。

9.如权利要求1所述的脊形波导激光器结构，其特征在于，所述绝缘介质层的厚度为100~300nm。

10.一种如权利要求1~9任一项所述的脊形波导激光器结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：