一种通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器及其制备方法


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，要求光斑具有较高的聚焦能力和高度能量密度，高阶模的存在会导致光斑变大，能量发散且发散角变大，因此要求单模半导体激光器具有良好的基模工作特性和光斑形貌。
3.为实现基模工作，半导体激光器通常采用弱折射率导引结构，弱折射率导引结构是在有源区发光处的侧向改变材料结构，使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。其根本原理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，不方便操作，一般小于3个微米，同时由于载流子的扩散作用，并且载流子浓度会对折射率产生影响，即载流子浓度越高，折射率越高，这样会导致在大电流注入下，脊型电流注入区以及其两侧的折射率差发生变化，进而导致发生高阶模激射。根据单模激射公式：
[0004][0005]
其中，w为脊型电流注入宽度，脊型区域折射率，为脊型两侧折射率，λ为出射光的波长，因此，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，而通过减小折射率差来增大条宽的会导致空间烧孔效应以及热透镜效应，进而导致高阶模激射。
[0006]
中国专利文献cn102324696a公开了一种低横向发散角布拉格反射波导边发射半导体激光器，该激光器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，该激光器只是对横向模式进行了控制，对侧向模式没有作用。同时无对侧向上的电流扩展和发散角进行控制。
[0007]
中国专利文献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，该方法只是利用了基模与高阶模增益的差别抑制高阶模激射，使激光器在较大的条宽下维持基模工作，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：

[0008]
针对现有技术的不足，尤其是现有激光器无法有效抑制高阶模激射的难点，本发明提供一种通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器及其制备方法。
[0009]
本发明的技术方案为：
[0010]
一种通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器，包括从上往下依次叠层设置的p型限制层、p型波导层、发光有源层、n型波导层、n型限制层和n面金属，所述p型限制层包括本体层，所述本体层上中部腐蚀出有凸出于本体层上表面的脊型台，所述脊型台为长条形，且脊型台的两侧均设置有一个用于过滤损耗高阶模的凸起结构，所述脊型台上表面设置有p面电极。
[0011]
根据本发明优选的，脊型台的腐蚀深度小于p型限制层的高度。
[0012]
根据本发明优选的，脊型台的宽度小于等于3μm。
[0013]
根据本发明优选的，所述凸起结构为锥形或长条形，当凸起结构为锥形时，靠近脊型台的一侧侧边为凸起结构的底边。
[0014]
根据本发明优选的，凸起结构靠近脊型台但相互不接触。
[0015]
进一步优选的，凸起结构与脊型台之间的间距为5～10μm。
[0016]
根据本发明优选的，凸起结构的高度小于脊型台的高度。
[0017]
根据本发明优选的，凸起结构的位置在脊型条的两侧并靠近发光腔面。
[0018]
上述通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：
[0019]
步骤1，在衬底上依次生长n型限制层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型限制层、欧姆接触层；
[0020]
步骤2，在欧姆接触层上通过匀胶工艺均匀覆盖一层正性光刻胶，通过光刻工艺在接触层表面留下与脊型台以及凸起结构图形一致的光刻胶图案；
[0021]
步骤3，利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将光刻胶所覆盖区域以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度为600～800nm；
[0022]
步骤4，腐蚀后将光刻胶去除，之后重新涂覆一层正性光刻胶，通过光刻显影工艺将凸起结构区域的光刻胶去除，漏出凸起结构区域表面的欧姆接触层；
[0023]
步骤5，利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将凸起结构区域腐蚀一定深度，使得该凸起结构的高度小于脊型台的高度。
[0024]
上述衬底、n型限制层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型限制层、欧姆接触层、绝缘层、n面电极和p面电极与基模半导体激光器一致，本发明不做限定。
[0025]
本发明的激光器脊型条靠近出光腔面的两侧存在一个高折射率区域，通过该高折射率区域过滤掉高阶模，其原理如下：首先，脊型条结构实现基模激射根本原理采用光的全反射原理进行导波，高阶模的入射角较大，基模的入射角很小，根据光的全反射原理，折射率差越大，光的全反射角越大，大的全反射角会使得高阶模可以形成全反射，进而形成光的震荡并发生激射，本发明通过在脊型条两侧的局部设计一个凸起结构，根据半导体材料折射率特性，半导体材料越靠近空气，其实际折射率越低，该突起结构相当于使得该区域下方的波导层更加远离空气而使得该区域下方的波导层的实际折射率较高，因此，该突起区域会使得下方的波导层与脊型条下方的波导层的折射率差变小，折射率差变小会使得到达此
处的具有较大入射角的高阶模无法形成全反射并被扩展到两侧波导并损耗掉，因此高阶模无法形成震荡，通过控制突起结构的高度，可以调控折射率差的大小，而基模本身的入射角很小，因此可以选择折射率差的大小使得高阶模被损耗而基模形成全反射进而发生光振荡形成激光，因此采用局部折射率差变小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基模模式体积以及稳定的基模工作模式。
[0026]
本发明的有益效果为：
[0027]
本发明通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器与现有技术相比，具有以下突出优点：
[0028]
1、本发明的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器在半导体激光器脊条两侧各设计一凸起结构，通过该凸起结构使得该结构下方波导区域的实际折射率变大，将传播到此处的高阶模导引到两侧波导层并损耗掉，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，可在大的光模式体积下实现基模激射；
[0029]
2、本发明的激光器可以有效抑制高阶模激射。
[0030]
3、本发明激光器的制备方法仅采用常规光刻腐蚀工艺即可实现大的光模式体积下实现基模激射，适合批量生产。
附图说明
[0031]
图1是本发明的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器的结构示意图；
[0032]
图2是本发明的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器的俯视结构示意图；
[0033]
图3是本发明的的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器的正视结构示意图；
[0034]
1、p面电极；2、脊型台；3本体层；4、凸起结构；5、p型波导层；6、发光有源层；7、n型波导层；8、n型限制层、9、n面金属。
具体实施方式
[0035]
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。
[0036]
实施例1
[0037]
一种通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器，结构如图1-图3所示，包括从上往下依次叠层设置的p型限制层、p型波导层5、发光有源层6、n型波导层7、n型限制层8和n面金属9，所述p型限制层包括本体层3，所述本体层3上中部腐蚀出有凸出于本体层3上表面的脊型台2，脊型台2为长条形，且脊型台2两侧均设置有一个用于过滤损耗高阶模的凸起结构4，脊型台2上表面设置有p面电极1。
[0038]
脊型台的腐蚀深度小于p型限制层的高度，脊型台的宽度为3μm。
[0039]
所述凸起结构为锥形，靠近脊型台的一侧侧边为凸起结构的底边。凸起结构靠近脊型台但相互不接触，凸起结构与脊型台之间的间距为5μm，凸起结构的高度小于脊型台的高度，凸起结构的位置在脊型条的两侧并靠近发光腔面。
[0040]
实施例2
[0041]
同实施例1所述的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器，不同之处在于：
[0042]
脊型台的腐蚀深度小于p型限制层的高度，脊型台的宽度为2μm。
[0043]
凸起结构靠近脊型台但相互不接触，凸起结构与脊型台之间的间距为6μm。
[0044]
实施例3
[0045]
同实施例1所述的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器，不同之处在于：
[0046]
脊型台的腐蚀深度小于p型限制层的高度，脊型台的宽度为1μm。
[0047]
凸起结构靠近脊型台但相互不接触，凸起结构与脊型台之间的间距为8μm。
[0048]
实施例4
[0049]
同实施例1所述的通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器，不同之处在于：
[0050]
脊型台的腐蚀深度小于p型限制层的高度，脊型台的宽度为1μm。
[0051]
凸起结构靠近脊型台但相互不接触，凸起结构与脊型台之间的间距为10μm。
[0052]
实施例5
[0053]
一种通过改变局部侧向折射率来实现基模激射的半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤1，在衬底上依次生长n型限制层8、n型波导层7、有源层、p型波导层5、p型限制层、欧姆接触层；
[0055]
步骤2，在接触层上通过匀胶工艺均匀覆盖一层正性光刻胶，通过光刻工艺在接触层表面留下与脊型台2以及凸起结构4图形一致的光刻胶图案；
[0056]
步骤3，利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将光刻胶所覆盖区域以外的区域腐蚀去除，腐蚀深度为600～800nm；
[0057]
步骤4，腐蚀后将光刻胶去除，之后重新涂覆一层正性光刻胶，通过光刻显影工艺将凸起结构4区域的光刻胶去除，漏出凸起结构4区域表面的欧姆接触层；
[0058]
步骤5，利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将凸起结构4区域腐蚀一定深度，使得该凸起结构4的高度小于脊型台2的高度。
[0059]
以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。