一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器领域。本发明专利技术采用具有高折射率的条形沟道波导层与有源区平板耦合，条形沟道波导层与有源区之间由低折射率材料的N型隔离层隔开，通过改变N型隔离层的厚度、沟道波导层的材料组分或厚度，可以使光场与有源区的重叠程度大为减小，从而可有效地降低光场限制因子并能扩大模场光斑，使得半导体激光器的饱和增益有极大的提高，并使该半导体激光器与光纤耦合更加容易，具有耦合损耗小，入纤光功率高的特点。入纤光功率高的特点。入纤光功率高的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器领域，具体涉及一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]除了便于直接调制这一突出优点，半导体激光器还具有内量子效率高、体积小、易于集成等优点，所以除在光通信上的广泛应用之外，半导体激光器还可用于激光雷达，光泵浦，光传感，光仪器仪表，以及几乎任何需要激光光源之处。在这些应用中，输出功率是其最主要的性能指标。
[0003]常见的高功率半导体激光器有脊波导结构和掩埋异质结结构。脊波导半导体激光器是最为常见的结构，其脊形波导的存在一方面可以对光在横向上起到限制作用，另一方面可以使载流子只在脊形波导上注入，避免了载流子的横向扩散。这种结构制备相对比较简单，不需要破环有源区，具有成本低、成品率高等优势。但脊波导结构由于脊的存在，其接触电极面积小而串联电阻大。另外由于脊条的存在，耐受应力程度较低，不方便把器件通过共晶焊的方式倒贴装架在热沉上。在半导体激光器需要较大的偏置电流工作条件下，一方面有着大量的焦耳热产生，另一方面热阻又高，两者的综合导致了半导体激光器有源区结温升高，在高温环境下的输出特性会急剧劣化。
[0004]掩埋异质结结构是将光波导两侧的材料移除形成一对平行沟道，沟道内的增益区连同其上方一侧全部宽带隙材料和下方一侧的部分宽带隙材料统统移除，而后在沟道内重新生长由宽带隙半导体材料所构成的反向PN结。掩埋异质结结构激光器需要进行多次外延生长，制作工艺复杂，成本高，另外掩埋异质结激光器要蚀刻有源区，会有成品率低和可靠性差的问题。另外，上述结构虽然能够通过减少有源区的厚度的方式来减小光场限制因子，以达到提升增益饱和门限的目的，但由于垂直方向上的光场是由高折射率的有源区与两侧低折射率的包层限制，光场的峰值会出现在有源区的位置，而有源区的厚度并不能无限减小，因此上述结构的光场限制因子不能被大幅度减小，导致激光器腔内增益容易饱和而影响其最大输出功率。
[0005]由于激光器的饱和增益主要是由其光场限制因子决定的（与光场限制因子成反比），上述基于脊波导或掩埋异质结结构的半导体激光器由于很难进一步缩小光场限制因子，所以其最大输出功率难以得到进一步提高。同时，脊波导和掩埋异质结结构半导体激光器所具有的较大的光场限制因子使其模场光斑较小，在与光纤进行耦合时会有较大的耦合损耗，从而导致其入纤功率较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器及其制备方法，其带来的功率提高和热特性改善使此类半导体激光器适用于所有需要高输出激光功率的应用，例如激光雷达、泵浦光源、光通信、和光传感等众多领域。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器，半导体激光器由下至上至少包括N型衬底层、波导层和有源区，波导层包括条形沟道波导区域和位于其两侧的注入电子限制区域，条形沟道波导区域包括依次层叠的沟道波导层和N型隔离层；沟道波导层的折射率大于N型衬底层的折射率，N型隔离层的折射率低于分别位于其上下两侧的有源区和沟道波导层。
[0008]优选地，半导体激光器还包括位于有源区上方依次层叠的P型包层、P侧欧姆接触层和P侧电极，以及位于N型衬底层下方的N侧电极。
[0009]优选地，有源区包括N侧分别限制层、多层应变量子阱
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垒叠层和P侧分别限制层。
[0010]优选地，条形沟道波导区域的截面为矩形、三角型或梯形。
[0011]优选地，注入电子限制区域为与N型衬底层材料相同的P型掺杂外延层；或者注入电子限制区域为利用离子扩散的方式在N型衬底层上得到的P型掺杂层；或者注入电子限制区域为与N型衬底层材料相同的采用深能级杂质掺杂的外延层。
[0012]优选地，调整N型隔离层的厚度，沟道波导层的材料组分和沟道波导层的厚度三者中的至少一个，能够改变所述半导体激光器的光场限制因子以及模场光斑大小。
[0013]优选地，N型隔离层的材料与N型衬底层相同。
[0014]优选地，半导体激光器采用P侧贴片工艺。
[0015]本专利技术还提出了一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器的制备方法，其特征在于，制备方法包括：S1，提供N型衬底层；S2，制备注入电子限制层；S3，去除条形沟道波导区域处的注入电子限制层；S4，在条形沟道波导区域外延生长沟道波导层和N型隔离层；S5，外延生长有源区、P包层及P侧欧姆接触层；S6，制备P型电极，N型衬底层减薄及制备N型电极。
[0016]优选地，通过调整所述N型隔离层的厚度，沟道波导层的材料组分和沟道波导层的厚度三者中的至少一个改变所述半导体激光器的光场限制因子以及模场光斑大小。
[0017]本专利技术的有益效果在于，（1）光场主要集中在条形沟道波导层以及其与有源区平板间的低折射率隔离层内，通过改变N型隔离层的厚度、沟道波导层的材料组分或厚度可以使光场与有源区的重叠程度大为减小，从而可有效地降低光场限制因子并能扩大模场光斑，使得半导体激光器的饱和增益有极大的提高并使其模场光斑扩大。饱和增益的提高是半导体激光器最大输出功率提高的关键，而模场光斑的扩大使其与光纤耦合更加容易，并且具有耦合损耗小，入纤光功率高的特点。
[0018]（2）由于不需要在外延生长有源区之后再在P侧制备脊条，从而可以有效降低激光器串联电阻。
[0019]（3）结合P侧贴片技术，又可以有效降低热阻，从而可以保证半导体激光器的高温特性不致劣化。其制备工艺相对简单，也不需要蚀刻有源区，因而器件产品制备的成品率高，使用可靠性高。
附图说明
[0020]图1是本专利技术提出的条形沟道平板耦合波导半导体激光器结构；图2是条形沟道平板耦合波导半导体激光器的制备方法；图3是条形沟道平板耦合波导半导体激光器的贴片安装示意图；图4是实施例1的TE模式光场分布图；图5是实施例2的TE模式光场分布图；图6是实施例3的TE模式光场分布图；图7是实施例4的TE模式光场分布图。
[0021]图中：10
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半导体激光器；101
‑
N型衬底层；102
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波导层；1021
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沟道波导层；1022
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N型隔离层；1023
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注入电子限制区域；103
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有源区；1031
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N侧分别限制层；1032
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多层应变量子阱
‑
垒叠层；1033
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P侧分别限制层；104
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P型包层；105
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P侧欧姆接触层；106
‑
N侧电极；107
‑
P侧电极；11
‑
热沉。
具体实施方式
[0022]下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。
[0023]本专利技术采用具有高折射率的条形沟道与有源区平板波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种条形沟道平板耦合波导半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器由下至上至少包括N型衬底层、波导层和有源区，所述波导层包括条形沟道波导区域和位于其两侧的注入电子限制区域，所述条形沟道波导区域包括依次层叠的沟道波导层和N型隔离层；所述沟道波导层的折射率大于所述N型衬底层的折射率，所述N型隔离层的折射率低于分别位于其上下两侧的所述有源区和沟道波导层。2.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括位于所述有源区上方依次层叠的P型包层、P侧欧姆接触层和P侧电极，以及位于所述N型衬底层下方的N侧电极。3.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体激光器，其特征在于，所述有源区包括N 侧分别限制层、多层应变量子阱
‑
垒叠层和P侧分别限制层。4.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体激光器，其特征在于，所述条形沟道波导区域的截面为矩形、三角型或梯形。5.根据权利要求1所述的条形沟道平板耦合波导半导体激光器，其特征在于，所述注入电子限制区域为与所述N型衬底层材料相同的P型掺杂外延层；或者所述注入电子限制区域为利用离子扩散的方式在所述N型衬底层上得到的P型掺杂层；或者所述注入电子限制区域为与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洵，奚燕萍，李文，牛传宁，
申请(专利权)人：日照市艾锐光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：