一种实现基侧模激射的半导体激光器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种实现基侧模激射的半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。


背景技术：

2.高功率半导体激光器在泵浦、光通信、医疗等领域有着越来越广泛的应用，随着应用领域的拓宽和细分，对半导体激光器性能要求也越来越高，其中作为泵浦和通信用半导体激光器，由于需要将出射光耦合进光纤中，因此要求其具有良好的单模特性和低的远场发散角，其中，单模特性包括基横模(垂直基横模)和基侧模(水平基横模)两类，目前对基横模工作研究较为广泛，对于基侧模的控制以及研究较少。
3.为实现基侧模工作，半导体激光器常采用增益导引结构和折射率导引结构，增益导引结构利用载流子与折射率的关系，载流子浓度越高，其对应区域的折射率越高，因此在条形注入区中，电子空穴对复合发出的光被限制在条形区域内，对模场的侧向约束是依靠发光区的增益导引机制来实现的；折射率导引结构是在有源区发光处的侧向改变材料结构，是条形区两侧的折射率小于条形区内的折射率，最终达到限制光场的作用。上述两种方法的根本都是采用光的全反射原理进行导波。采用全反射原理需要将脊型条做的很窄，一般小于3个微米，这就导致功率无法做到很大，为提升功率，一般采用减小条形区域与两侧区域折射率差来增大激光器的条宽进而增大基模的光模式体积，但通过减小折射率差容易导致空间烧孔效应以及光束成丝等问题，使得光束质量恶化，同时光纤耦合效率也受到限制。因此采用传统的减小折射率差并增大条宽来扩展侧向光模式体积的方法与折射率导引单模工作条件相矛盾，避免多模激射与获得大模式体积的冲突仍然存在，因此需要从根本上解决这个问题。
4.中国专利cn102324696b公开了低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器，该方法主要将传统的波导层改变为高、低折射率周期分布的布拉格反射波导，通过布拉格光栅效应将基模与高阶模之间的增益损耗差增大，使得这种激光器可实现大模式体积以及稳定的单模工作状态，同时还可降低远场快轴发散角，但该专利只是对横向模式进行了控制，对侧向模式没有作用，无法保证器件在侧向上为基模状态。同时无对侧向上的电流扩展和发散角进行控制。
5.中国专利cn110021877a公开了一种脊型波导半导体激光器及其制备方法，该方法在刻蚀处脊型条后对脊型条两侧进行离子注入，载流子只能在离子注入区以外的地方通过，可有效抑制电流扩展，但专利中只是说利用了基模与高阶模增益的差别抑制高阶模激射，是激光器在较大的条宽下维持基模工作，但专利中没有具体说明如何利用基模与高阶模的增益差别，并且根据半导体激光器原理，仅仅只是利用基模与高阶模增益差别的话，在大电流注入下，高阶模仍然会激射。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提出了一种实现基侧模激射的半导体激光器及其制备方法。
7.本发明的技术方案为：
8.一种实现基侧模激射的半导体激光器，包括自下到上依次设置的n面电极、衬底、缓冲层、n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层和p型限制层，
9.所述p型限制层包括本体层和由本体层中间条形区域凸出形成的脊条，所述脊条上依次设置有接触层和p面电极；
10.所述p型限制层中脊条的两侧设置有纵向折射率型布拉格光栅，且纵向折射率型布拉格光栅与脊条平行，纵向折射率型布拉格光栅为高低间隔分布的周期性结构光栅。
11.本发明提供的半导体激光器结构，在p型限制层上设置有纵向折射率型布拉格光栅，在纵向折射率型布拉格光栅中，光栅位置的高低造成波导层与空气的距离不同，距离不同就会导致相应的波导层折射率不同，该种结构会使得光栅区域下方的p型波导层的折射率呈现周期性变化，即形成一维光子晶体，光栅方向与脊条方向平行即一维光子晶体方向与脊条平行，其所导光模式与传统的脊条的全反射模式不同，它利用布拉格反射进行光场的限制。
12.纵向折射率型布拉格光栅为高低分布的周期性调制结构，形成一维光子晶体，光在光子晶体传输中，传输常数具有允带和禁带，因此布拉格光栅可用于限制光场分布，且由于光场在前几个周期衰减迅速，因此只需要有限周期对数即可形成有效的一维光子晶体。
13.根据本发明优选的，所述纵向折射率型布拉格光栅的高度小于所述p型限制层中本体层的厚度。若光栅底部穿过波导层，会导致折射率差迅速降低，无法形成有效的折射率导引机制，因此光栅底部不能到达波导层，即光栅的高度小于p型限制层的厚度。
14.根据本发明优选的，所述p型限制层中设置10-20对纵向折射率型布拉格光栅；优选的，所述p型限制层中设置10对纵向折射率型布拉格光栅。通过设计布拉格光栅的周期，使得脊条所在位置中心腔处仅有一个模式(基侧模)形成震荡，而其余的高阶模扩展到光栅两侧的波导中，无法形成震荡，即对高阶模有很高的的泄露损耗，因此采用布拉格光栅会使得高阶模相对于基模有很高的损耗，进而使得这种激光器具有很大的侧向模式体积以及稳定的基侧模工作模式。
15.根据本发明优选的，所述纵向折射率型布拉格光栅的占空比为30％-60％；优选的，所述纵向折射率型布拉格光栅的占空比为50％。方便后续的制备过程。占空比表示一个光栅周期中未刻线的区域占光栅周期的面积百分比。
16.根据本发明优选的，所述纵向折射率型布拉格光栅的形状为矩形。
17.根据本发明优选的，所述纵向折射率型布拉格光栅及其下方对应的区域为离子注入区。通过在纵向折射率型布拉格光栅及其下方对应的区域注入离子，从而降低电流扩展效应。
18.根据本发明优选的，所述p型限制层上设置sio2层，所述sio2层的厚度为100-150nm；优选的，所述sio2层的厚度为100nm。sio2层能够防止光栅层出现电流导通。
19.上述实现基侧模激射的半导体激光器的制备方法，包括：
20.(1)在衬底上依次生长缓冲层、n型限制层、n型波导层、有源区、p型波导层和p型限
制层、接触层和p面电极；
21.(2)去除p型限制层上位于脊条两侧的接触层；
22.(3)采用套刻工艺，在去除接触层的p型限制层上制备sio2层；
23.(4)在所述纵向折射率型布拉格光栅及其下方对应的区域进行离子注入；
24.(5)采用纳米压印或干法刻蚀工艺在p型限制层中脊条的两侧制备折射率型布拉格光栅。
25.根据本发明优选的，步骤(5)中，纳米压印采用紫外纳米压印，具体步骤包括：涂胶、压印、曝光、显影、去除光栅底部的残胶，曝光时对晶片进行加热处理，加热温度为50～60
°
，曝光时间为50～80s。
26.根据本发明优选的，步骤(5)中，干法刻蚀工艺中采用氩气进行刻蚀，刻蚀速率为0.3～0.5nm/s。
27.本发明的有益效果为：
28.1.本发明通过在半导体激光器侧向采用布拉格光栅来限制光场模式，可实现基模与高阶模之间较大的泄露损耗，高阶模无法形成有效震荡，可在大条宽、大电流下实现基侧模激射，在10μm条宽、2a电流下实现基侧模激射。
29.2.侧向发散角非常小，不同于传统的全反射导光模式，采用布拉格反射形成导光模式，只有角度很小的光可以在脊条区域下方的谐振腔内形成震荡，因此其侧向发散角可达到2
°
。
30.3.在脊条两侧进行了离子注入，形成电隔离区域，因此其电流的侧向扩展效应得到有效的抑制。
31.4.本发明提供的实现基侧模激射的半导体激光器的制备方法，过程简单，易于制备布拉格光栅。
附图说明
32.图1是本发明提供的实现基侧模激射的半导体激光器的外延结构示意图；
33.图2是本发明提供的实现基侧模激射的半导体激光器的平面示意图；
34.1、脊条；2、纵向折射率型布拉格光栅；3、本体层；4、p型波导层；5、有源区；6、n型波导层；7、n型限制层；8、缓冲层、9、离子注入区、10、衬底。
具体实施方式
35.下面将结合说明书附图对本发明所述的技术方案以及实施过程和原理作进一步的解释说明。
36.实施例1
37.一种实现基侧模激射的半导体激光器，如图1和图2所示，包括自下到上依次设置的n面电极、衬底10、缓冲层8、n型限制层7、n型波导层6、有源区5、p型波导层4和p型限制层，
38.p型限制层包括本体层3和由本体层3中间条形区域凸出形成的脊条1，脊条1上依次设置有接触层和p面电极；
39.p型限制层中脊条1的两侧设置有纵向折射率型布拉格光栅2，且纵向折射率型布拉格光栅2与脊条1平行，纵向折射率型布拉格光栅2为高低间隔分布的周期性结构光栅。
40.本发明提供的半导体激光器结构，在p型限制层上设置有纵向折射率型布拉格光栅2，在纵向折射率型布拉格光栅2中，光栅位置的高低造成波导层与空气的距离不同，距离不同就会导致相应的波导层折射率不同，该种结构会使得光栅区域下方的p型波导层4的折射率呈现周期性变化，即形成一维光子晶体，光栅方向与脊条1方向平行即一维光子晶体方向与脊条1平行，其所导光模式与传统的脊条1的全反射模式不同，它利用布拉格反射进行光场的限制。
41.纵向折射率型布拉格光栅2为高低分布的周期性调制结构，形成一维光子晶体，光在光子晶体传输中，传输常数具有允带和禁带，因此布拉格光栅可用于限制光场分布，且由于光场在前几个周期衰减迅速，因此只需要有限周期对数即可形成有效的一维光子晶体。
42.纵向折射率型布拉格光栅2的高度小于p型限制层中本体层3的厚度。若纵向折射率型布拉格光栅2底部穿过波导层，会导致折射率差迅速降低，无法形成有效的折射率导引机制，因此纵向折射率型布拉格光栅2底部不能到达波导层，即纵向折射率型布拉格光栅2的高度小于p型限制层的厚度。
43.p型限制层中设置10对纵向折射率型布拉格光栅2。通过设计纵向折射率型布拉格光栅2的周期，使得脊条1所在中心腔位置处仅有一个模式(基侧模)形成震荡，而其余的高阶模扩展到光栅两侧的波导中，无法形成震荡，即对高阶模有很高的的泄露损耗，因此采用布拉格光栅会使得高阶模相对于基模有很高的损耗，进而使得这种激光器具有很大的侧向模式体积以及稳定的基侧模工作模式。
44.纵向折射率型布拉格光栅2的占空比为50％。方便后续的制备过程。占空比表示一个光栅周期中未刻线的区域占光栅周期的面积百分比。
45.纵向折射率型布拉格光栅2的形状为矩形。
46.p型限制层上设置sio2层，sio2层的厚度为100nm。能够防止光栅层出现电流导通。
47.纵向折射率型布拉格光栅2及其下方对应的区域为离子注入区9。通过在纵向折射率型布拉格光栅2及其下方对应的区域注入离子，从而降低电流扩展效应。图1中，白色的区域为未注入离子注入的区域，其它区域为进行离子注入区9。
48.实施例2
49.实施例1提供的一种实现基侧模激射的半导体激光器对的制备方法，包括：
50.(1)在衬底10上依次生长缓冲层8、n型限制层7、n型波导层6、有源区5、p型波导层4和p型限制层、接触层和p面电极；
51.(2)去除p型限制层上位于脊条1两侧的接触层；
52.(3)采用套刻工艺，在去除接触层的p型限制层上制备sio2层；
53.(4)在纵向折射率型布拉格光栅2及其下方对应的区域进行离子注入；
54.(5)采用纳米压印或干法刻蚀工艺在p型限制层中脊条1的两侧制备折射率型布拉格光栅。
55.步骤(5)中，纳米压印采用紫外纳米压印，具体步骤包括：涂胶、压印、曝光、显影、去除光栅底部的残胶，曝光时对晶片进行加热处理，加热温度为50～60
°
，曝光时间为50～80s。
56.步骤(5)中，步骤(5)中，干法刻蚀工艺中采用氩气进行刻蚀，刻蚀速率为0.3～0.5nm/s。
57.本发明制备的实现基侧模激射的半导体激光器，脊条1的条宽为10μm，能够在2a电流下实现基侧模激射。通过设置纵向折射率型布拉格光栅2，采用布拉格反射形成导光模式，只有角度很小的光可以在脊条1形电极区域下方的谐振腔内形成震荡，因此其侧向发散角可达到2
°
。
58.对比例1
59.根据实施例1提供的一种实现基侧模激射的半导体激光器，区别之处在于，p型波导层4上未设置纵向折射率型布拉格光栅2。
60.本对比例中，一种实现基侧模激射的半导体激光器的制备方法，包括：
61.(1)在衬底10上依次生长缓冲层8、n型限制层7、n型波导层6、有源区5、p型波导层4和p型限制层、接触层和p面电极；
62.(2)去除p型限制层上位于脊条1两侧的接触层；
63.(3)采用套刻工艺，在去除接触层的p型限制层上制备sio2层；
64.(4)在纵向折射率型布拉格光栅2及其下方对应的区域进行离子注入。
65.本对比例中制备的半导体激光器，脊条1的宽度最宽为7μm，在2a电流下实现基侧模激射，侧向发散角为3
°
。
66.对比例2
67.根据实施例1提供的一种实现基侧模激射的半导体激光器，区别之处在于，纵向折射率型布拉格光栅2及其下方对应的区域未进行离子注入。
68.本对比例中，一种实现基侧模激射的半导体激光器的制备方法，包括：
69.(1)在衬底10上依次生长缓冲层8、n型限制层7、n型波导层6、有源区5、p型波导层4和p型限制层、接触层和p面电极；
70.(2)去除p型限制层上位于脊条1两侧的接触层；
71.(3)采用套刻工艺，在去除接触层的p型限制层上制备sio2层；
72.(4)采用纳米压印或干法刻蚀工艺在p型限制层中脊条1的两侧制备折射率型布拉格光栅。
73.步骤(4)中，纳米压印采用紫外纳米压印，具体步骤包括：涂胶、压印、曝光、显影、去除光栅底部的残胶，曝光时对晶片进行加热处理，加热温度为50～60
°
，曝光时间为50～80s。
74.步骤(4)中，当干法刻蚀工艺制备纵向折射率型布拉格光栅2时，采用氩气进行刻蚀，刻蚀速率为0.3nm～0.5nm每秒。
75.本对比例中制备的半导体激光器，脊条1的宽度最宽为8μm，在2a电流下实现基侧模激射，侧向发散角为3
°
。