半导体激光芯片外延器件及激光器的制作方法

1.本发明涉及半导体激光技术领域，特别是涉及半导体激光芯片外延器件及激光器。


背景技术：

2.半导体激光材料通常采用分子束外延(molecular beam epitaxy，mbe)或金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，mocvd)等方法按照预先设计的结构在相应的衬底材料如gaas(砷化镓)或inp(磷化铟)上生长而成。如图1所示，典型的半导体外延结构包括n侧包层、非掺杂的有源区以及p侧包层，其中有源区包含量子阱以及波导层。
3.目前半导体激光器存在两种失效模式：1)腔内光损伤灾变(cod，catastrophic optical damage)，2)腔面光损伤灾变(comd，catastrophic optical mirror damage)。而大部分器件的失效都是由2)腔面光损伤灾变(comd)引起的，其原因是：1)激光器晶格的破坏导致表面出现大量的非辐射复合中心，复合中心在激光器运行过程中发生非辐射复合而产生大量的热，大量热的聚集导致器件失效；2)对于材料中含有铝元素的半导体激光器件来说，由于腔面在大气中解理后，暴露在大气环境中的铝极易被氧化，从而引入更多的腔面缺陷；3)激光器的腔面需要镀上其它材料来改变光在腔面的发射率，由于所镀材料的热膨胀系数等材料性质与半导体材料存在很大不同，有可能在激光运行过程中导致失效。
4.基于此，为了提高comd的阈值功率/电流，在设计上往往通过采用大光腔设计(loc，large optical cavity)，以降低功率密度，增大光斑大小。
5.但是，在对现有技术的长期研究和实践中，发明人发现，现有技术中为了使loc波导所支持的高阶模式被耦合到n侧包层和衬底成为泄露模，波导和n侧包层的折射率需要比较接近，这将导致外延结构的生长稳定性变差，生长的窗口很小。如果n侧包层折射率小于设计值，高阶模式无法被耦合到衬底，而是转化为导模。如果n侧包层折射率大于设计值，基模的光场明显变大，且会被耦合到衬底，造成不必要的损耗。


技术实现要素：

6.基于上述现有技术中存在的问题和缺点，本发明提供一种半导体激光芯片外延器件及激光器，能够降低生长工艺带来的材料组分偏差对激光器特性的影响，确保激光器在垂直方向上低损耗单模输出。
7.本技术一个实施例提供一种半导体激光芯片外延器件，包括：
8.中间层；
9.分别位于所述中间层的相背两侧且与所述中间层堆叠排列的第一包层和第二包层；其中，
10.所述中间层，包括量子阱层；
11.所述第二包层，包括沿所述第一包层、所述中间层和所述第二包层的堆叠方向依
次设置的第一子包层、第二子包层和第三子包层；
12.所述第一子包层的折射率小于所述第三子包层的折射率，所述第二子包层的折射率呈连续变化或阶梯变化，且所述第二子包层的最大折射率大于所述第三子包层的折射率。
13.可选的，在所述第一子包层与所述第二子包层的连接处，所述第一子包层的折射率等于所述第二子包层的折射率；在所述第二子包层与所述第三子包层的连接处，所述第二子包层的折射率大于所述第三子包层的折射率。
14.可选的，所述第二子包层的折射率呈连续变化，且所述第二子包层的折射率沿所述堆叠方向逐渐增大。
15.可选的，所述第二子包层的折射率呈折线变化；其中，所述第二子包层在任一折点处的折射率大于所述第一子包层的折射率且小于所述第三子包层的折射率。
16.可选的，所述第一包层的折射率小于所述第一子包层的折射率。
17.可选的，所述第一波导层的厚度小于所述第二波导层的厚度，所述第一子包层的厚度小于所述第三子包层的厚度。
18.可选的，所述中间层，还包括分别位于所述量子阱层的相背两侧且与所述量子阱层堆叠排列的第一波导层和第二波导层。
19.可选的，所述第一波导层为p侧波导层，所述第二波导层为n侧波导层，所述第一包层为p侧包层，所述第二包层为n侧包层；或
20.所述第一波导层为n侧波导层，所述第二波导层为p侧波导层，所述第一包层为n侧包层，所述第二包层为p侧包层。
21.可选的，半导体激光芯片外延器件，还包括衬底层；
22.所述第二包层、所述中间层和所述第一包层依次堆叠设置于所述衬底层上，且所述二包层与所述衬底层相邻设置。
23.基于同一发明构思，本技术一个实施例还提供一种激光器，包括上述的半导体激光芯片外延器件。
24.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：
25.本技术提供的一种半导体激光芯片外延器件及激光器，通过在第一子包层和第三子包层之间加入折射率呈连续变化或阶梯变化的第二子包层，从而达到降低生长工艺带来的材料组分偏差对激光器特性的影响，确保激光器在垂直方向上低损耗单模输出的目的。
附图说明
26.本技术将结合附图对实施方式进行说明。本技术的附图仅用于描述实施例，以展示为目的。
27.图1为现有技术中的典型半导体量子阱激光外延器件的结构示意图；
28.图2为现有技术中的典型loc结构各层折射率分布情况及基模和高阶模在限制层被限制的情况的示意图；
29.图3为现有技术中的非对称loc结构各层折射率分布情况及基模和高阶模在限制层被限制的情况的示意图；
30.图4为现有技术中的非对称loc结构各层折射率分布情况的示意图；
31.图5为现有技术中的不对称loc结构在n侧包层的x(al)出现生长误差(-0.01)时，基模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
32.图6为本技术的一个实施例提供的现有技术中的不对称loc结构在n侧包层的x(al)出现生长误差( 0.01)时，高阶模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
33.图7为本技术的一个实施例提供的半导体激光芯片外延器件的结构示意图；
34.图8为本技术的一个实施例提供的半导体激光芯片外延器件的结构示意图；
35.图9为本技术的一个实施例提供的非对称loc结构各层折射率分布情况的示意图；
36.图10为基于图9在n侧包层的x(al)出现生长误差(-0.01)时，基模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
37.图11为基于图9在n侧包层的x(al)出现生长误差( 0.01)时，高阶模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
38.图12为本技术的一个实施例提供的非对称loc结构各层折射率分布情况的示意图；
39.图13为基于图12在n侧包层的x(al)出现生长误差(-0.01)时，基模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
40.图14为本技术的一个实施例提供的非对称loc结构各层折射率分布情况的示意图；
41.图15为基于图14在n侧包层的x(al)出现生长误差( 0.01)时，高阶模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
42.图16为本技术的一个实施例提供的非对称loc结构各层折射率分布情况的示意图；
43.图17为基于图16在n侧包层的x(al)出现生长误差( 0.01)时，高阶模的光场在限制层被限制的情况的示意图；
44.图18为本技术的一个实施例提供的非对称loc结构各层折射率分布情况的示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分而非全部结构。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.本技术中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
47.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同
的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
48.如图1所示，图1为典型半导体量子阱激光外延器件的结构示意图。一个典型的半导体外延器件从衬底开始依次包含n侧包层、非掺杂的n侧波导层、量子阱、非掺杂的p侧波导层、以及p侧包层。半导体激光器通常使用algaas，algainp或者algainas作为包层和波导层的材料,上述材料的折射率与al元素组分x(al)成负相关。波导材料的al元素组分x(al)要低于包层材料，因此折射率更高，可以形成一个折射率波导。
49.如图2所示，在典型的典型loc结构中：以n侧包层为限制层，限制层的折射率为n＝3.22，基模(m＝0模式)有效折射率为n＝3.39，和高阶模(m＝1模式)的有效折射率为n＝3.37。实验结果为：基模和高阶模都被限制在波导层，成为导模。
50.如图3所示，在不对称loc结构中：以n侧包层为限制层，限制层的折射率为n＝3.376，基模(m＝0模式)有效折射率为n＝3.39，和高阶模(m＝1模式)的有效折射率为n＝3.37。实验结果为：基模被限制在波导层成为导模，而高阶模被限制在限制层和衬底层成为泄露模。
51.因此，要使得半导体激光芯片外延器件在工作时基模被限制到波导层，高阶模被限制在限制层和衬底层，则限制层的折射率要小于基模的有效折射率，才能够对基模的光场产生限制作用，且两者差值越大，限制效果越好。对于高阶模则相反，限制层的折射率要大于高阶模的有效折射率。
52.在实际设计中，波导层的折射率和包层的折射率需要比较接近，当波导层厚度》1um，两者al组分的差值要在0.02-0.03左右，才能使得高阶模(m＝1模式)的有效折射率小于包层的折射率。这将使得外延结构的生长稳定性变差，生长的窗口很小。
53.如图4所示，现有的非对称loc设计中，n侧包层包括折射率最低的所述第一包层和折射率略低于波导层的第二包层。基于此，如图5所示，如果n侧包层的折射率小于设计值，高阶模无法被耦合到衬底，而是转化为导模，存在两个导模相互竞争的情况，使激光器不能正常工作；如图6所示，如果n侧包层的折射率大于设计值，则n侧包层的折射率与基模的有效折射率的差值变小，对基模的限制效果变差，导致光场更多进入到高损耗的限制层，甚至可能会被耦合到衬底层，造成不必要的损耗。
54.例如，当n侧包层的材料中铝组分改变0.01时，带来的折射率变动就可能对实际光场的分布(为ey沿垂直方向的分布模式)产生明显影响，致使生长成的材料的性能与设计的性能差距可能会非常巨大，以至于器件性能不能满足特定要求。
55.有鉴于此，如图7所示，本发明的一个实施例提供一种半导体激光芯片外延器件，包括：
56.中间层10；
57.分别位于所述中间层10的相背两侧且与所述中间层10堆叠排列的第一包层20和第二包层30；其中，所述中间层10，包括量子阱层11；所述第二包层30，包括沿所述第一包层20、所述中间层10和所述第二包层30的堆叠方向依次设置的第一子包层31、第二子包层32和第三子包层33；
58.所述第一子包层31的折射率小于所述第三子包层33的折射率，所述第二子包层32的折射率呈连续变化或阶梯变化，且所述第二子包层32的最大折射率大于所述第三子包层
33的折射率。
59.其中，如图8所示，所述中间层10还包括分别位于所述量子阱层的相背两侧且与所述量子阱层堆叠排列的第一波导层12和第二波导层13。
60.示例性的，所述第一波导层12为p侧波导层，所述第二波导层13为n侧波导层，所述第一包层20为p侧包层，所述第二包层30为n侧包层。或，所述第一波导层12为n侧波导层，所述第二波导层13为p侧波导层，所述第一包层20为n侧包层，所述第二包层30为p侧包层。
61.半导体激光芯片外延器件，还包括衬底层40；所述第二包层30、所述中间层10和所述第一包层20依次堆叠设置于所述衬底层40上，且所述二包层与所述衬底层40相邻设置。
62.示例性的，上述实施例采用不对称loc结构设计，则所述第一包层20的折射率小于所述第一子包层31的折射率，所述第一波导层12的厚度小于所述第二波导层13的厚度，所述第一子包层31的厚度小于所述第三子包层33的厚度。
63.上述实施例通在半导体激光芯片外延器件的所述第二包层30(例如n侧包层)的所述第一子包层31和所述第三子包层33之间加入折射率呈连续变化或阶梯变化的所述第二子包层32，且所述第二子包层32的最大折射率大于所述第三子包层33的折射率，使得半导体激光芯片外延器件在工作时基模被限制到波导层，高阶模被限制在第二包层30和衬底层40，从而实现激光器在垂直方向上低损耗单模输出的目的，并降低生长工艺带来的材料组分偏差对激光器特性。
64.进一步地，为了确保基模被有效地限制到波导层，高阶模被有效地限制在第二包层30和衬底层40，则限制层的折射率要小于基模的有效折射率，才能够对基模的光场产生限制作用，且两者差值越大，限制效果越好。而对于高阶模，限制层的折射率要大于高阶模的有效折射率。因而，在所述第一子包层31与所述第二子包层32的连接处，所述第一子包层31的折射率等于所述第二子包层32的折射率；在所述第二子包层32与所述第三子包层33的连接处，所述第二子包层32的折射率大于所述第三子包层33的折射率。
65.在一个实施例中，所述第二子包层32的折射率呈连续变化，且所述第二子包层32的折射率沿所述堆叠方向逐渐增大，从而使得在所述第二子包层32中，一部分的折射率小于基模的有效折射率，另一部分的折射率大于高阶模的有效折射。
66.进一步地，所述第二子包层32的折射率呈折线变化。其中，所述第二子包层32在任一折点处的折射率大于所述第一子包层31的折射率且小于所述第三子包层33的折射率。
67.如图9所示，在所述第一子包层31和所述第三子包层33之间，通过改变包层材料的x(al)，加入折射率变化的所述第二子包层32作为高阶模耦合层。
68.可以理解的是，所述第二子包层32的折射率呈凸折线变化。其中，所述第二子包层32为1-3部分：节点1处的折射率与所述第一子包层31的折射率相同；节点2处的折射率大于所述第一子包层31的折射率且小于所述第二子包层32的折射率；而节点3处的折射率大于所述第三子包层33的折射率且大于波导层的折射率。
69.由于所述第二子包层32的1-2部分的折射率比所述第三子包层33要低，因此基模和高阶模的有效折射率与1-2部分的折射率的差值更大。在这部分基模和高阶模的光场被限制，即光场被衰减。其中，因为基模的有效折射率更大，所以基模的光场在1-2部分被衰减更快。而在折点2处，基模的光场被衰减至尽可能小。因此，基模在2-3部分受到的限制作用比高阶模的要小，而高阶模由于较高的折射率，在2-3部分更容易被耦合到所述第三子包层
33和衬底层40。
70.以905nm激光器的外延器件设计为例，量子阱为ingaas，波导层为algaas，各部分的x(al)如下表：
[0071] x(al)厚度点10.5/1-2厚度/0.2um点20.4/2-3厚度/0.8um点30.24/点40.32/点50.3/
[0072]
在n侧包层的x(al)出现生长误差(如
±
0.01)时，如图10-11所示，仍然可以保持基模被限制在波导层成为导模，而高阶模被限制在第二包层30和衬底层40成为泄露模，并且降低了生长工艺的偏差对激光器特性的影响。
[0073]
示例性的，将图9所示为标准方案，如图12所示修改方案中，将如图9所示的折点2设计在垂直方向上更接近所述第一子包层31，即1-2部分的厚度接近0，或者为0。如图13所示，在n侧包层的x(al)出现生长误差(如
±
0.01)时，由于1-2部分对基模的光场的限制作用变差，相对于图9所示的设计方案，基模受影响更大，使得基模在n侧包层的光场更大，增加了吸收损耗。
[0074]
示例性的，将图9所示为标准方案，如图14所示修改方案中，所述第二子包层32的折射率的变化不是凸折线，而是直接从所述第一子包层31到所述第三子包层33的直线。如图15所示，由于1-2部分的折射率小于标准方案(如图9所示)，致使高阶模的光场在垂直方向收敛更快。由于折射率降低，波导对高阶模的光场的限制加强，在n侧包层的x(al)出现生长误差(如
±
0.01)时，高阶模被耦合到限制层的效果不如图9所示的凸折线的设计方案好。
[0075]
示例性的，将图9所示为标准方案，如图16所示修改方案中，将如图9所示的折点3处的折射率设计为与所述第三子包层33的折射率相等。如图17所示，高阶模式不能被耦合到限制层，而是变成了导模。
[0076]
示例性的，将图9所示为标准方案，如图18所示修改方案中，为了避免基模被耦合到限制层，需要增加所述第一子包层31的厚度，使基模的光场在高折射率处(所述第二子包层32)的强度不能太大，且所述第二子包层32的厚度不能太厚。但是上述两部分的修改都降低了高阶模被耦合到限制层的效果。
[0077]
以上，在所述第二子包层32的折射率呈凸折线变化，折点在垂直方向上不无限接近所述第一子包层31或所述第三子包层33，且所述第二子包层32的最大折射率大于所述第三子包层33的折射率，所述第二子包层32在任一折点处的折射率大于所述第一子包层31的折射率且小于所述第三子包层33的折射率。基于此，在1-2部分可以使基模的光场更快衰减，而不受2-3部分和限制层折射率的作用。2-3部分的高折射率，可以使高阶模的光场更多耦合到限制层中。
[0078]
同理，第二子包层32的若为凸曲线的折射率分布，也能实现以上技术效果。
[0079]
基于同一发明构思，本技术一个实施例还提供一种激光器，包括上述的半导体激
光芯片外延器件。
[0080]
以上仅为本技术的较佳实施方式，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。