一种阶梯脊型半导体激光器及其制备方法技术

一种阶梯脊型半导体激光器及其制备方法，该半导体激光器包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、第三上包层和接触层，所述第三上包层的厚度大于第二上包层的厚度，所述接触层与第三上包层构成第一条脊，所述第二上包层构成第二条脊，所述第二条脊的宽度大于第一条脊的宽度；制备步骤包括：（1）在衬底上依次生长下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、第三上包层和接触层；（2）将接触层上第一条形图以外的区域去除，深度至第三上包层底面，形成第一条脊；（3）去除第二上包层两侧部分，形成第二条脊。本发明专利技术使半导体激光器阈值电流及可靠性兼得，即可以获得较低的工作电流，又能具有较高的功率可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种阶梯脊型半导体激光器及其制备方法
本专利技术涉及一种阶梯脊型半导体激光器的结构及其制备方法，属于半导体激光器的

技术介绍
近年来，半导体激光器发展迅速，它具有结构紧凑、成本较低、、光场易于调控等优点，被广泛应用于工业加工、激光显示及照明、光通信、激光理疗等方面。相比于条形增益导引激光器及掩埋结构的强折射率导引激光器，脊型结构的激光器不仅具有结构简单，一次外延直接得到，并且可以提供弱折射率导引，提高微分效率，因而是一种常见的激光器结构。半导体激光器的光电转换效率及寿命是两个十分重要的参数。对于半导体激光器来说，它与发光二极管最明显的区别是它存在阈值电流。工作电流位于阈值电流以下时，没有激光输出，电流是在做无用功，所以应该想办法降低其阈值电流。半导体激光器的阈值电流密度同其外延结构设计及外延材料生长有关，近年来已经降到了1kA/cm2以内。在阈值电流密度恒定的情况下，器件的阈值电流同其条形电流注入区的面积有关。条宽越小，实现激光输出的阈值电流也就越小。但是它与激光器的寿命是矛盾的。条宽越小时，脊型波导的横截面积也越小。在相同光功率输出时，腔面所承受的光功率密度会变大，这就会加速腔面处缺陷的形成并恶化。达到一定程度时，就会造成激光功率的衰减，严重时腔面会发生光学灾变损伤(COD)，激光器瞬间失效。所以，要想提高激光器的COD功率，必须使用宽条大光腔结构。中国专利文献CN105226502A公开了一种窄脊条型GaAs基GalnP量子阱结构半导体激光器的制备方法，通过在外延片上面旋涂光刻胶后利用PECVD生长干法刻蚀的掩膜，再选用合适的光刻版通过光刻制备需要的掩膜图形，利用干法刻蚀的方式制备出侧面垂直且形貌比较好的脊型结构，最后生长电流阻挡层，剥离光刻胶去掉脊条上面的电流阻挡层，制备出侧面垂直形貌良好的脊型结构。此方法不仅可以利用干法刻蚀的方式制备出侧面垂直形貌良好无盖帽的脊型结构，还采用剥离生长电流阻挡层的方式，在脊条上面形成良好的欧姆接触，防止电流侧向泄露，减小激光器的阈值电流。但是如前所述，此方法形成的脊型结构比较窄，限制了激光器的高功率输出。由于激光器的光功率密度较大，降低了激光器工作时的可靠性及寿命。中国专利文献CN1681176A公开了一种带有锥形增益区的脊型波导高功率半导体激光器结构，分为单模区、锥形增益区和平坦区三个区域。它具有更大的输出功率、更高的饱和电流，并可得到近衍射极限光束，减小功率密度、抑制出光面的灾变光学损伤，有效改善器件的饱和特性。但是锥形增益区对刻蚀精度要求很高，如果出现偏斜，锥形增益区内的光束就会泄露，造成激光器的出光损失较大。
技术实现思路
针对传统脊型半导体激光器阈值电流及寿命相互矛盾的问题，本专利技术提供一种阈值电流小、可靠性及寿命高的阶梯脊型半导体激光器。同时提供一种该阶梯脊型半导体激光器的制备方法。本专利技术的阶梯脊型半导体激光器，采用以下技术方案：该半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、第三上包层和接触层，所述第三上包层的厚度大于第二上包层的厚度，所述接触层与第三上包层构成第一条脊，所述第二上包层构成第二条脊，所述第二条脊的宽度大于第一条脊的宽度。上述半导体激光器构成整体的阶梯脊型结构。所述衬底、下包层、有源区和接触层与传统半导体激光器一致，本专利技术不做限定。所述第一上包层的厚度为100-300nm。此处设计的优势在于，使用此厚度范围的第一上包层可以使近场光斑远离器件表面，减少表面缺陷对光的吸收。同时，还能控制电流在到达有源区前的扩展范围，降低阈值电流。所述第二上包层的厚度为300-500nm，第三上包层的厚度700-900nm；第二上包层与第三上包层的总厚度为1000-1200nm。所述第一条脊的宽度为20-50um。所述第二条脊的宽度比第一条脊的宽度大20-50μm。第三上包层与接触层直接接触，对电流扩展的影响更大。此处设计的优势在于，第三上包层的厚度大于第二上包层的厚度，且第三上包层的宽度小于第二上包层，可以将电流的主要路径控制在第三上包层，减少电流在到达有源区前的扩展范围，降低阈值电流。第二上包层接近有源区，对横向有效折射率的影响更大，而横向有效折射率是直接决定横向光场范围的。此处设计的优势在于，第二条脊的宽度大于第一条脊的宽度，可以降低横向有效折射率，使横向光场范围增大，降低腔面的光功率密度。上述阶梯脊型半导体激光器的制备方法，具体步骤包括：(1)在衬底上依次生长下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、第三上包层和接触层；(2)在接触层上均匀覆盖一层光刻胶，通过图形曝光在接触层上表面留下与第一条脊宽度一致的第一条形图；(3)利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，将接触层上第一条形图以外的区域去除，深度至第三上包层底面并露出第二上包层上表面，形成第一条脊；(4)去除接触层表面光刻胶，再重新在整个上表面覆盖一层光刻胶，并且通过图形曝光在第一条脊上表面及露出的第二上包层上留下与第二条脊宽度一致的第二条形图；(5)利用湿法腐蚀或者干法刻蚀工艺，去除第二上包层两侧部分，形成第二条脊，去除表面光刻胶。按照标准半导体激光器制作工艺制作器件。相比于传统脊型半导体激光器，本专利技术设置呈阶梯型的两条脊，使靠近接触层部分第一条脊的宽度小，可以降低半导体激光器的阈值电流；靠近有源区部分的第二条脊的宽度大，可以降低光功率密度，进而提升半导体激光器的COD及寿命。解决了传统脊型半导体激光器阈值电流及可靠性不能兼得的问题，即可以获得较低的工作电流，又能具有较高的功率可靠性。附图说明图1是本专利技术制备过程中所得初始结构示意图。图2是本专利技术制备过程中所得含有第一条脊的结构示意图。图3是本专利技术制备的阶梯脊型半导体激光器的结构示意图。图4是本专利技术制备的阶梯脊型半导体激光器工作时的电流扩展及近场光斑示意图.图中，1、衬底，2、下包层，3、有源区，4、第一上包层，5、第二上包层，6、第三上包层，7、接触层，8、第一条脊，9、第二条脊，10、电流扩展路径，11、近场光斑。具体实施方式实施例1本专利技术的阶梯脊型半导体激光器，参见图1和图3，包括从下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源区3、第一上包层4、第二上包层5、第三上包层6和接触层7。衬底1、下包层2、有源区3和接触层7与传统半导体激光器一致。衬底1为2度偏角的GaAs衬底；下包层2为Al0.6Ga0.4As材料；有源区3为Al0.3Ga0.7As/Al0.1Ga0.9As量子阱结构，发光波长800nm附近。第一上包层4为厚度100-300nm的Al0.6Ga0.4As；第二上包层5为厚度300-500nm的Al0.2Ga0.3In0.5P。第三上包层6为厚度700-900nm的Al0.6Ga0.4As，第二上包层5与第三上包层6的总厚度为1000-1200nm。接触层7为厚度200nm的重掺杂GaAs。第一上包层4的厚度范围可以使近场光斑远离器件表面，减少表面缺陷对光的吸收。同时，还能控制电流在到达有源区前的扩展范围，降低阈值电流。第三上包层6与接触层7直接接触，对电流扩展的影响更大。第三上包层6的厚度大于第二上包层5的厚度，且第三上包层6的宽度小于第二上包层5的宽度，可以将电流的主要路径控制在第三上包层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种阶梯脊型半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、第三上包层和接触层，其特征是：所述第三上包层的厚度大于第二上包层的厚度，所述接触层与第三上包层构成第一条脊，所述第二上包层构成第二条脊，所述第二条脊的宽度大于第一条脊的宽度。

【技术特征摘要】
1.一种阶梯脊型半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、第一上包层、第二上包层、第三上包层和接触层，其特征是：所述第三上包层的厚度大于第二上包层的厚度，所述接触层与第三上包层构成第一条脊，所述第二上包层构成第二条脊，所述第二条脊的宽度大于第一条脊的宽度。2.根据权利要求1所述阶梯脊型半导体激光器，其特征是，所述第一上包层的厚度为100-300nm。3.根据权利要求1所述阶梯脊型半导体激光器，其特征是，所述第二上包层的厚度为300-500nm，第三上包层的厚度700-900nm；第二上包层与第三上包层的总厚度为1000-1200nm。4.根据权利要求1所述阶梯脊型半导体激光器，其特征是，所述第一条脊的宽度为20-50μm。5.根据权利要求1所述阶梯脊型半导体激光器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱振，张新，徐现刚，
申请(专利权)人：山东华光光电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37