一种输出空心光束的激光器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种输出空心光束的激光器及其制作方法，该激光器包括由下至上依次布设的半导体衬底、缓冲层、N型分布式布拉格反射镜层、有源区、第一高铝层、电流引导层、第二高铝层和P型分布式布拉格反射镜层，所述第一高铝层的圆周边缘设置有第一氧化限制层，所述第二高铝层的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层和P面电极；该方法包括以下步骤：一、半导体激光器芯片的生长；二、氧化限制层的制作；三、P面电极制作；四、刻蚀孔的形成；五、N面电极的制作。本发明专利技术结构简单、设计合理且体积小，使得电流载流子汇集在有源区的圆周边缘，实现空心光束的输出，不要安装其他的光学器件，实用性强。

A laser with hollow beam output and its fabrication method

The invention discloses a laser for outputting hollow beams and a manufacturing method thereof, which comprises a semiconductor substrate, a buffer layer, a N-type distributed Bragg reflector layer, an active region, a first high aluminum layer, a current guiding layer, a second high aluminum layer and a P-type distributed Bragg reflector layer arranged sequentially from bottom to top, the said laser. The circumferential edge of a high aluminium layer is provided with a first oxide limiting layer, and the circumferential edge of the second high aluminium layer is successively provided with a second oxide limiting layer and a P-plane electrode from the inside to the outside. The method comprises the following steps: 1. the growth of a semiconductor laser chip; 2. the fabrication of an oxide limiting layer; 3. the fabrication of a P-plane electrode; 4. engraving. The formation of etching holes; five, the fabrication of N surface electrodes. The invention has the advantages of simple structure, reasonable design and small volume, so that the current carriers converge at the circumferential edge of the active region to realize the output of the hollow beam, and does not install other optical devices, so it has strong practicability.

【技术实现步骤摘要】
一种输出空心光束的激光器及其制作方法
本专利技术属于半导体激光器
，具体涉及一种输出空心光束的激光器及其制作方法。
技术介绍
空心光束是一种具有暗中空的光束强度分布，环形亮光区域，其光强强度沿着半径方向表现为出高斯分布。由于空心光束是环形的，其中心区域为暗中空，因此可以减弱光束的散射能力。如果利用空心光束作为光学镊子，那么实验样品的损伤程度就会小于使用普通光束的光学镊子。另外空心光束因为自身的特殊性质，使得空心光束在激光技术、材料技术、生物科技以及医学成像等诸多领域有着非常广泛的应用。迄今为止，目前存在许多方法来形成空心光束，例如横模选择法、几何光学法、光学全息法、计算全息法、中空光纤法和π相位板法等。然而在其众多的方法中，都需要采取复杂的光学设计以及复杂的光学结构来实现输出空心光束的功能，从而此类激光器一般都有着比较大的体积以及漫长的制作周期。随着科技的进步，越来越多的应用领域对激光器提出了小型化结构简单的要求。因此，一种结构简单、体积小的输出空心光束的激光器成为半导体激光器应用领域的迫切需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种输出空心光束的激光器，其结构简单、设计合理且体积小，通过设置环形P面电极和N面电极，且在第一高铝层的圆周边缘设置第一氧化限制层，第二高铝层圆周边缘设置第二氧化限制层和P面电极，使得P面电极设置在电流引导层上表面的圆周边缘，实现空心光束的输出，不要安装其他的光学器件，实用性强。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种输出空心光束的激光器，其特征在于：包括由下至上依次布设的半导体衬底、缓冲层、N型分布式布拉格反射镜层、有源区、第一高铝层、电流引导层、第二高铝层和P型分布式布拉格反射镜层，所述第一高铝层的圆周边缘设置有第一氧化限制层，所述第二高铝层的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层和P面电极，所述P型分布式布拉格反射镜层的上表面设置有刻蚀孔，所述半导体衬底底面圆周边缘设置有N面电极，所述刻蚀孔的深度小于P型分布式布拉格反射镜层的厚度，所述P面电极和N面电极的横截面均为环形，所述刻蚀孔的孔径小于P型分布式布拉格反射镜层的直径。上述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述第一氧化限制层外圆半径与内圆半径之差为10μm～40μm，所述第二氧化限制层外圆半径与内圆半径之差为5μm～35μm，所述P面电极外圆半径与内圆半径之差为3μm～7μm，所述N面电极外圆半径与内圆半径之差为10μm～20μm；所述P面电极的厚度为0.5μm～2μm，所述N面电极的厚度为0.5μm～2μm。上述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述半导体衬底的厚度为120μm～150μm，所述缓冲层的厚度为20nm～2μm，所述N型分布式布拉格反射镜层的厚度为2.8μm～5μm，所述有源区的厚度为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层的厚度为10nm～50nm，所述电流引导层的厚度为10nm～50nm，所述第二高铝层的厚度为10nm～50nm，所述P型分布式布拉格反射镜层的厚度为2.5μm～3.5μm。同时，本专利技术还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便的输出空心光束的激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、半导体激光器芯片的生长：步骤101、选择初始半导体衬底；其中，所述初始半导体衬底的厚度为500μm～800μm；步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底材质相同的缓冲层；其中，所述缓冲层的厚度为20nm～2μm；步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成N型分布式布拉格反射镜层，且所述N型分布式布拉格反射镜层与缓冲层晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；步骤104、采用所述半导体生长方法在N型分布式布拉格反射镜层的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区；其中，所述量子阱结构的周期为2组～8组；步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区的上表面生长第一高铝层；其中，所述第一高铝层的厚度为10nm～50nm；步骤106、采用所述半导体生长方法在第一高铝层的上表面生长厚度为10nm～50nm的电流引导层；步骤107、采用所述半导体生长方法在电流引导层的上表面生长与第一高铝层厚度和材质均相同的第二高铝层；步骤108、所述半导体生长方法在第二高铝层的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成P型分布式布拉格反射镜层，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；步骤二、氧化限制层的制作：步骤201、采用研磨机对所述初始半导体衬底的底部进行研磨减薄，并将研磨减薄后的初始半导体衬底称为一次半导体衬底，且所述一次半导体衬底的厚度为300μm～400μm；步骤202、对研磨减薄后的半导体激光器芯片进行清洗；步骤203、采用光刻机对有源区上部进行一次刻蚀，形成一次刻蚀台面，并放入温度为420℃的氧化室内；步骤204、将流量为1L/min～2L/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min～70min，在第一高铝层和第二高铝层的圆周边缘部分别形成第一氧化限制层和第二氧化限制层；步骤三、P面电极制作：采用所述光刻机对电流引导层上部进行二次刻蚀，形成二次刻蚀台面，并采用所述电子束设备在所述二次刻蚀台面上蒸镀Ti-Pt-Au结构，形成P面电极；步骤四、刻蚀孔的形成：采用所述光刻机对P型分布式布拉格反射镜层表面进行三次刻蚀，形成刻蚀孔；步骤五、N面电极的制作：步骤501、采用研磨机对所述一次半导体衬底的底部进行二次研磨，直至二次研磨后的一次半导体衬底的厚度为120μm～150μm，得到二次研磨后半导体衬底；步骤502、采用抛光机对所述二次研磨后半导体衬底的底部进行抛光，形成半导体衬底；步骤503、采用真空镀膜设备在半导体衬底中的底部蒸镀Ge-Au-Ni结构；其中，所述Ge-Au-Ni结构的厚度为0.5μm～2μm；步骤504、采用退火处理设备对所述Ge-Au-Ni结构进行退火处理，形成N面电极。上述的方法，其特征在于：步骤101中所述初始半导体衬底内掺杂有掺杂浓度为1×107/cm3～1×108/cm3的硅；步骤103中每周期对所述第一折射材料层均包括由下至上依次生长的第一高折射率折射层和第一低折射率折射层，所述第一高折射率折射层的层厚为48nm～78nm，所述第一高折射率折射层的折射率为2.8～3.5；所述第一低折射率折射层的层厚为50nm～80nm，所述第一低折射率折射层的折射率为2.7～3.4；所述第一高折射率折射层的折射率大于所述第一低折射率折射层的折射率，所述第一低折射率折射层的层厚大于所述第一高折射率折射层的层厚，所述第一高折射率折射层和所述第一低折射率折射层均掺杂有掺杂浓度为1×108/cm3～3×108/cm3的硅；步骤104中所述量子阱结构包括自下而上依次生长的第一势垒层、势阱层和第二势垒层，所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种输出空心光束的激光器，其特征在于：包括由下至上依次布设的半导体衬底(9)、缓冲层(11)、N型分布式布拉格反射镜层(8)、有源区(7)、第一高铝层(2‑1)、电流引导层(5)、第二高铝层(2‑2)和P型分布式布拉格反射镜层(1)，所述第一高铝层(2‑1)的圆周边缘设置有第一氧化限制层(6)，所述第二高铝层(2‑2)的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层(3)和P面电极(4)，所述P型分布式布拉格反射镜层(1)的上表面设置有刻蚀孔(12)，所述半导体衬底(9)底面圆周边缘设置有N面电极(10)，所述刻蚀孔(12)的深度小于P型分布式布拉格反射镜层(1)的厚度，所述P面电极(4)和N面电极(10)的横截面均为环形，所述刻蚀孔(12)的孔径小于P型分布式布拉格反射镜层(1)的直径。

【技术特征摘要】
1.一种输出空心光束的激光器，其特征在于：包括由下至上依次布设的半导体衬底(9)、缓冲层(11)、N型分布式布拉格反射镜层(8)、有源区(7)、第一高铝层(2-1)、电流引导层(5)、第二高铝层(2-2)和P型分布式布拉格反射镜层(1)，所述第一高铝层(2-1)的圆周边缘设置有第一氧化限制层(6)，所述第二高铝层(2-2)的圆周边缘由内至外依次设置有第二氧化限制层(3)和P面电极(4)，所述P型分布式布拉格反射镜层(1)的上表面设置有刻蚀孔(12)，所述半导体衬底(9)底面圆周边缘设置有N面电极(10)，所述刻蚀孔(12)的深度小于P型分布式布拉格反射镜层(1)的厚度，所述P面电极(4)和N面电极(10)的横截面均为环形，所述刻蚀孔(12)的孔径小于P型分布式布拉格反射镜层(1)的直径。2.按照权利要求1所述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述第一氧化限制层(6)外圆半径与内圆半径之差为10μm～40μm，所述第二氧化限制层(3)外圆半径与内圆半径之差为5μm～35μm，所述P面电极(4)外圆半径与内圆半径之差为3μm～7μm，所述N面电极(10)外圆半径与内圆半径之差为10μm～20μm；所述P面电极(4)的厚度为0.5μm～2μm，所述N面电极(10)的厚度为0.5μm～2μm。3.按照权利要求1所述的一种输出空心光束的激光器，其特征在于：所述半导体衬底(9)的厚度为120μm～150μm，所述缓冲层(11)的厚度为20nm～2μm，所述N型分布式布拉格反射镜层(8)的厚度为2.8μm～5μm，所述有源区(7)的厚度为0.2μm～0.4μm，所述第一高铝层(2-1)的厚度为10nm～50nm，所述电流引导层(5)的厚度为10nm～50nm，所述第二高铝层(2-2)的厚度为10nm～50nm，所述P型分布式布拉格反射镜层(1)的厚度为2.5μm～3.5μm。4.一种对如权利要求1所述的输出空心光束的激光器进行制作的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、半导体激光器芯片的生长：步骤101、选择初始半导体衬底；其中，所述初始半导体衬底的厚度为500μm～800μm；步骤102、采用半导体生长方法在所述初始半导体衬底的上表面外延生长与所述初始半导体衬底材质相同的缓冲层(11)；其中，所述缓冲层(11)的厚度为20nm～2μm；步骤103、采用所述半导体生长方法在缓冲层(11)的上表面由下至上生长多周期对的第一折射材料层，形成N型分布式布拉格反射镜层(8)，且所述N型分布式布拉格反射镜层(8)与缓冲层(11)晶格相匹配；其中，所述第一折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第一折射材料层为高低折射率层；步骤104、采用所述半导体生长方法在N型分布式布拉格反射镜层(8)的上表面生长多周期量子阱结构，形成有源区(7)；其中，所述量子阱结构的周期为2组～8组；步骤105、采用所述半导体生长方法在有源区(7)的上表面生长第一高铝层(2-1)；其中，所述第一高铝层(2-1)的厚度为10nm～50nm；步骤106、采用所述半导体生长方法在第一高铝层(2-1)的上表面生长厚度为10nm～50nm的电流引导层(5)；步骤107、采用所述半导体生长方法在电流引导层(5)的上表面生长与第一高铝层(2-1)厚度和材质均相同的第二高铝层(2-2)；步骤108、所述半导体生长方法在第二高铝层(2-2)的上表面由下至上依次生长多周期对的第二折射材料层，形成P型分布式布拉格反射镜层(1)，完成半导体激光器芯片的生长；其中，所述第二折射材料层的周期对数为18～32，每周期对所述第二折射材料层为高低折射率层；步骤二、氧化限制层的制作：步骤201、采用研磨机对所述初始半导体衬底的底部进行研磨减薄，并将研磨减薄后的初始半导体衬底称为一次半导体衬底，且所述一次半导体衬底的厚度为300μm～400μm；步骤202、对研磨减薄后的半导体激光器芯片进行清洗；步骤203、采用光刻机对有源区(7)上部进行一次刻蚀，形成一次刻蚀台面，并放入温度为420℃的氧化室内；步骤204、将流量为1L/min～2L/min的氮气通过加热温度为95℃以上的去离子水，携带水蒸气的氮气进入恒温的氧化室内，对一次刻蚀后的半导体激光器芯片进行湿法氧化10min～70min，在第一高铝层(2-1)和第二高铝层(2-2)的圆周边缘部分别形成第一氧化限制层(6)和第二氧化限制层(3)；步骤三、P面电极制作：采用所述光刻机对电流引导层(5)上部进行二次刻蚀，形成二次刻蚀台面，并采用所述电子束设备在所述二次刻蚀台面上蒸镀Ti-Pt-Au结构，形成P面电极(4)；步骤四、刻蚀孔的形成：采用所述光刻机对P型分布式布拉格反射镜层(1)表面进行三次刻蚀，形成刻蚀孔(12)；步骤五、N面电极的制作：步骤501、采用研磨机对所述一次半导体衬底的底部进行二次研磨，直至二次研磨后的一次半...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩峰，张祥伟，吴玲玲，陶禹，郭荣礼，刘宝元，陈靖，聂亮，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61