基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器及其制备方法技术

本公开提供了一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，其由磷化铟基外延片基材加工而成，所述半导体激光器包括：量子阱有源层，位于所述半导体激光器中间，用于发射激光；N区结构层，位于量子阱有源层之下，用于提供电子以及对载流子和光场的限制；以及P区结构层，位于量子阱有源层之上，用于提供空穴以及对载流子和光场的限制；所述P区结构层包括由M条脊波导构成的耦合脊阵列，M≥2，所述耦合脊阵列使得各个相邻脊波导下方有源区输出光场之间实现相干耦合，同时也加强了脊波导对于有源区中光场的限制作用，避免激光器以多横模模式激射，使输出光束质量更高。

Semiconductor laser based on InP based coupled ridge array and its preparation method

The present disclosure provides a semiconductor laser based on an indium phosphide coupled ridge array, which is processed by an indium phosphide base epitaxial substrate. The semiconductor laser consists of a quantum well active layer, located in the middle of the semiconductor laser, for transmitting lasers, and a N zone structure layer under the active layer of a quantum well. The P zone structure layer, located above the active layer of the quantum well, is used to provide holes and to limit the carrier and light field. The P zone structure layer includes a coupling ridge array composed of M ridge waveguides, and the M is equal to 2. The coupling ridge array makes the active below the adjacent ridge waveguides active. The coherent coupling between the output light fields of the region is achieved. At the same time, the limitation of the ridge waveguide to the optical field in the active region is strengthened, and the laser is avoided by multi mode mode lasing, which makes the output beam higher.

【技术实现步骤摘要】
基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器及其制备方法
本公开涉及半导体光电子
，尤其涉及一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器及其制备方法。
技术介绍
磷化铟基半导体激光器凭借其成本较低、材料质量较好同时能够兼容传统通讯所用激光器成熟的制备工艺，且易与其它器件实现集成等优势而具有广泛的市场应用前景。目前，市场上商用的半导体激光器主要是磷化铟基半导体激光器。为了满足市场对于半导体激光器的整体性能的日益增高的需求，激光器器件必须同时具有高的输出功率以及好的光束质量，这样才能在后续的实际应用中更好的进行整形及利用。作为商用市场中的主要产品，磷化铟基半导体激光器的性能需要更加提升才能满足市场需求。为了达到高的输出功率，最为传统并且最为直接的方法是加大激光器器件的脊宽度，通过这种方法增大激光器中的发光区域，从而提升激光器的输出功率这种方法增大激光器中的发光区域，从而提升激光器的输出功率。但是加大激光器的脊宽在提升了输出功率的同时也会带来我们所不希望出现的负面影响，其中就包括光束质量的下降。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述问题，本公开提供一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器及其制备方法，以缓解现有技术中为了达到高的输出功率，直接加大激光器器件脊宽度的方法而带来的光束质量下降等技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，其由磷化铟基外延片基材加工而成，所述半导体激光器包括：量子阱有源层，位于所述半导体激光器中间，用于发射激光；P区结构层，位于量子阱有源层之上，用于提供空穴以及对载流子和光场的限制，所述P区结构层包括由M条脊波导构成的耦合脊阵列，M≥2，所述耦合脊阵列使得各个相邻脊波导下方有源区输出光场之间实现相干耦合；以及N区结构层，位于量子阱有源层之下，用于提供电子以及对载流子和光场的限制。在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器还包括：P区欧姆接触电极，位于P区结构层最外侧，用于与外接部件形成欧姆接触；解理沟，位于激光器的两侧侧壁处，与耦合脊阵列平行，用于防止后期烧结激光器时焊料在侧壁导致的短路；介质薄膜，位于P区欧姆接触电极下，用于使不进行电注入的区域形成电绝缘；电注入窗口，位于耦合脊阵列上侧与P区欧姆接触电极的接触部位，用于为激光器注入电流；以及N区欧姆接触电极，位于N区结构层最外侧，用于与外接部件形成欧姆接触。在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器的P区欧姆接触电极由金属材料制成，所述金属材料为Ti/Au、Au/Zn/Au或Cr/Au。在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器的介质薄膜由氧化硅或氮化硅材料制成，厚度为100nm-600nm。在本公开的一些实施例中，所述的半导体激光器的N区欧姆接触电极由金属材料制成，所述金属材料为Au/Ge/Ni或Cr/Au。在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器的P区结构层包括：P区波导层，位于量子阱有源层之上，用于传导量子阱有源层发出的激光；P区磷化铟限制层，位于P区波导层之上，其为P型掺杂；以及P区InGaAs欧姆接触层，位于P区磷化铟限制层之上，其为P型重掺杂。在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器的N区结构层包括：N区波导层，量子阱有源层之下，用于传导量子阱有源层发出的激光；N区磷化铟限制层，位于N区波导层之下，其为N型掺杂；N型磷化铟衬底，位于N区磷化铟限制层之下。根据本公开的另一个方面，提供了一种制备方法，用于制备如上所述的基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，所述制备方法包括：步骤A：在P区结构层上侧加工耦合脊阵列；步骤B：在外延片两侧加工解理沟；步骤C：在完成步骤A和B后的P区结构层上侧生长一层介质薄膜；步骤D：去除耦合脊阵列上对应的介质薄膜制成电注入窗口；以及步骤E：在P区结构层和N区结构层最外制作欧姆接触电极。在本公开的一些实施例中，所述的制备方法的步骤A包括：子步骤A1：磷化铟基外延片的P区结构层上侧制作有耦合脊阵列图形的光刻胶；以及子步骤A2：以子步骤A1所完成的光刻胶为掩膜，腐蚀掉所述外延片上没有被光刻胶保护的部分，腐蚀深度在200nm-3μm。在本公开的一些实施例中，所述的制备方法的步骤B中，以刻有解理沟图案的光刻胶为掩膜，腐蚀掉外延片上没有被光刻胶保护的部分，解理沟的方向与耦合脊阵列平行，腐蚀深度在2μm-7μm；步骤D中，以刻有电注入窗口图案的光刻胶为掩膜，腐蚀掉步骤C所生长的介质薄膜上没有被光刻胶保护的部分，腐蚀深度为介质薄膜厚度，将介质薄膜腐蚀干净为止；以及步骤E中，在完成步骤D的P区结构层上侧溅射或蒸发金属材料Ti/Au、Au/Zn/Au、或Cr/Au，减薄、抛光N型磷化铟衬底至70μm-200μm厚，再在N型磷化铟衬底表面溅射或蒸发金属材料Au/Ge/Ni或Cr/Au，将P区结构层上侧和N型磷化铟衬底表面所溅射或蒸发的金属在氮气保护，200℃-600℃，时长30s-5min的条件下合金，制成P区欧姆接触电极和N区欧姆接触电极。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：(1)基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，采用多个窄的脊波导阵列形式代替原单宽脊形式，能够让各个相邻脊波导下方有源区输出光场之间实现相干耦合，同时也加强了脊波导对于有源区中光场的限制作用，避免激光器以多横模模式激射，使输出光束质量更高；(2)基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，在位于激光器两侧侧壁处有解理沟结构，能有效防止后期烧结激光器时焊料在侧壁导致的短路；(3)基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器具有很高的峰值输出功率；(4)基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，加工简单。附图说明图1为根据本公开实施例基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器的结构示意图。图2为根据本公开实施例基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器的制备方法的流程示意图。图3为根据本公开实施例基于磷化铟基耦合脊阵列半导体激光器的电流-功率曲线示意图。图4为根据本公开实施例基于磷化铟基耦合脊阵列半导体激光器的远场分布图像示意图。图5是磷化铟基外延片的结构示意图。图6为图2所示制备方法中步骤A包含的子步骤A1后，光刻胶作为掩模覆在外延片上的结构示意图。图7为图2所示制备方法中步骤A完成后，加工完耦合脊阵列的结构示意图。图8为图2所示制备方法中步骤B完成后，加工完解理沟的结构示意图。图9为图2所示制备方法中步骤C完成后，生长完一层介质薄膜后的结构示意图。图10为图2所示制备方法中步骤D完成后，加工完电注入窗口的结构示意图。图11为图2所示制备方法中步骤E包含的子步骤E1后，加工完P区欧姆接触电极的结构示意图。图12为图2所示制备方法中步骤E包含的子步骤E2后，去除完解理沟上对应的P区欧姆接触电极的结构示意图。图13为图2所示制备方法中步骤E包含的子步骤E3后，加工完N区欧姆接触电极后的结构示意图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】10-量子阱有源层；20-P区结构层；21-P区波导层；22-P区磷化铟限制层；23-P区InGaAs欧姆接触层；24-脊波导；25-解理沟；26-介质薄膜；27-电注入窗口；28-P区欧姆接触电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，其由磷化铟基外延片基材加工而成，所述半导体激光器包括：量子阱有源层(10)，位于所述半导体激光器中间，用于发射激光；P区结构层(20)，位于量子阱有源层(10)之上，用于提供空穴以及对载流子和光场的限制，所述P区结构层(20)包括由M条脊波导(24)构成的耦合脊阵列(29)，M≥2，所述耦合脊阵列(29)使得各个相邻脊波导(24)下方有源区输出光场之间实现相干耦合；以及N区结构层(30)，位于量子阱有源层(10)之下，用于提供电子以及对载流子和光场的限制。

【技术特征摘要】
1.一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，其由磷化铟基外延片基材加工而成，所述半导体激光器包括：量子阱有源层(10)，位于所述半导体激光器中间，用于发射激光；P区结构层(20)，位于量子阱有源层(10)之上，用于提供空穴以及对载流子和光场的限制，所述P区结构层(20)包括由M条脊波导(24)构成的耦合脊阵列(29)，M≥2，所述耦合脊阵列(29)使得各个相邻脊波导(24)下方有源区输出光场之间实现相干耦合；以及N区结构层(30)，位于量子阱有源层(10)之下，用于提供电子以及对载流子和光场的限制。2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中还包括：P区欧姆接触电极(28)，位于P区结构层(20)最外侧，用于与外接部件形成欧姆接触；解理沟(25)，位于激光器的两侧侧壁处，与耦合脊阵列(29)平行，用于防止后期烧结激光器时焊料在侧壁导致的短路；介质薄膜(26)，位于P区欧姆接触电极(28)下，用于使不进行电注入的区域形成电绝缘；电注入窗口(27)，位于耦合脊阵列(29)上侧与P区欧姆接触电极(28)的接触部位，用于为激光器注入电流；以及N区欧姆接触电极(31)，位于N区结构层(30)最外侧，用于与外接部件形成欧姆接触。3.根据权利要求2所述的半导体激光器，其中，所述P区欧姆接触电极(28)由金属材料制成，所述金属材料为Ti/Au、Au/Zn/Au或Cr/Au。4.根据权利要求2所述的半导体激光器，其中，所述介质薄膜(26)由氧化硅或氮化硅材料制成，厚度为100nm-600nm。5.根据权利要求2所述的半导体激光器，其中，所述N区欧姆接触电极(31)由金属材料制成，所述金属材料为Au/Ge/Ni或Cr/Au。6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其中，所述P区结构层(20)包括：P区波导层(21)，位于量子阱有源层(10)之上，用于传导量子阱有源层(10)发出的激光；P区磷化铟限制层(22)，位于P区波导层(21)之上，其为P型掺杂；以及P区InGaAs欧姆接触层(23)，位于P区磷化铟限制层(22)之上，其为P型重掺杂。7.根据权利要求1所述的半导体激光器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，张中恺，许锋，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11