一种基于沟道波导衬底的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基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器领域。所述半导体激光器的波导掩埋在N型衬底内部，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。再结合P侧贴片技术，又可以有效降低热阻，从而可以保证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，因而器件制备的成品率高，可靠性高。可靠性高。可靠性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于沟道波导衬底的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，具体涉及一种基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，被广泛应用于光通信、光泵浦、光测量、光传感等领域。边发射半导体激光器的波导结构在纵向上对光起到导引作用，在横向上对光起限制作用。结合对注入载流子的限制，目前的边发射半导体激光器主要有脊波导和掩埋异质结两种结构。
[0003]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。为了保证激光器单横模工作，脊波导激光器对其波导脊宽有严格限制，从而对接触电极面积产生了相应限制，这使得脊波导激光器的串联电阻较大；另外由于对脊条的高度也存在限制，使其不方便把脊条侧贴在热沉上，因为如此采用共晶焊的话应力作用会损伤管芯有源区，而采用钎焊时焊料的金属晶须爬升会污染出光端面。串联电阻高导致激光器工作时随注入电流的增加产生更多的焦耳热，而脊条侧几乎绝热的条件使得激光器的散热特性很差，这样使得激光器在高温环境下的特性急剧劣化。
[0004]掩埋异质结结构在横向上有较大的材料折射率差，能对光场和载流子有较好的限制作用，P侧（即外延生长的有源区一侧）可以制作平面电极，所以其串联电阻相对较低。但由于P侧的包层一般不能太厚，否则串联电阻将显著增加，所以若采用P侧贴在热沉上仍然会有可靠性问题。所以这种结构对激光器的热特性改善仍然是有限的。况且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，当有源区含铝时，铝的氧化必须依靠掩埋外延时的原位化学气体清洗或生长前的回溶处理，这类技术一方面不易被掌握，另一方面也较难做到精准重复，如果有氧化物或清洗过程中的中间生成物残留，或因回溶导致了条形形状变化等因素都会影响器件的成品率以及可靠性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种基于沟道波导衬底的半导体激光器及其制备方法，可以有效降低激光器串联电阻，有效降低热阻，从而可以保证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，因而器件制备的成品率高，可靠性高。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种沟道波导衬底，沟道波导衬底用于制备边发射半导体激光器，沟道波导衬底包括N型衬底层和与N型衬底层的上表面接触连接的沟道波导层；沟道波导层包括沟道波导区域和位于沟道波导区域两侧的注入电子限制区域，沟道波导区域的折射率大于N型衬底层的折射率，用于对半导体激光器的光在横向上提供限
制，以及用于在纵向上对光提供导引，注入电子限制区域用于对导带注入电子在横向上进行限制。
[0007]优选地，N型衬底层还包括缓冲层，沟道波导层与缓冲层的上表面接触连接。
[0008]优选地，沟道波导区域为条形沟道波导，条形沟道波导的截面形状为矩形、三角形或者梯形。
[0009]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。
[0010]优选地，沟道波导衬底还包括位于沟道波导层上方的N型隔离层，N型隔离层用于控制沟道波导层与半导体激光器的有源区的垂直距离，N型隔离层的折射率不低于沟道波导区域的折射率。
[0011]优选地，沟道波导衬底还包括位于N型隔离层上方的N型光栅层和N型浸润层。
[0012]本专利技术还提供了一种上述的沟道波导衬底的制备方法，制备方法包括：S11，提供N型衬底层；S12，制备注入电子限制层；S13，去除沟道波导区域处的注入电子限制层；S14，在沟道波导区域外延生长沟道波导，形成沟道波导层。
[0013]优选地，步骤S14还包括在沟道波导层上生长N型隔离层，并通过N型隔离层的厚度调节半导体激光器的光场模斑的形状及有源区的光场限制因子， N型隔离层的折射率不低于沟道波导区域的折射率。
[0014]优选地，步骤S14还包括在N型隔离层上方生长N型光栅层和N型浸润层。
[0015]本专利技术还提供了一种上述沟道波导衬底的半导体激光器，半导体激光器由下至上包括N侧电极、沟道波导衬底、有源区、P型包层、P侧欧姆接触层和P型电极。
[0016]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。
[0017]优选地，半导体激光器采用P侧贴片工艺。
[0018]本专利技术还提供了一种上述半导体激光器的制备方法，制备方法包括：S21，在沟道波导衬底上外延生长有源区、P型包层和P侧欧姆接触层；S22，制备P型电极，N型衬底层减薄及制备N型电极；S23，解理、镀膜、管芯分离以及贴片。
[0019]本专利技术的有益效果在于：（1）起横向限制作用的沟道波导位于有源区与N侧衬底层之间，而在有源区之上的P侧完全由均匀平面层组成，而无需再制作任何横向限制结构，也无需制作条形电极而可以制作整个器件的平面电极。
[0020]（2）P侧移除了横向的条形限制后其等效横截面积将大大增加，从而可以同时降低表面接触电阻和体电阻，导致器件的整体串联电阻下降。
[0021]（3）由于P侧包层的厚度不再对载流子与光场的限制起作用，所以其厚度可以根据P侧贴片的要求被加以任意调整。这样以P侧密接热沉或过渡热沉的方式贴片可使器件的热阻大大下降，从而有利于半导体激光器在大功率输出（即高电流注入）以及高温环境下工作。
[0022]（4）沟道波导半导体激光器的制备不需要破坏有源区，能够有较高的可靠性。沟道波导的形状及在衬底内的位置都可以调整，由此可以调节光场模斑的形状及有源区的光场限制因子等。
[0023]（5）此外，由于沟道波导的制作掩埋等均可以在衬底侧预制，所以自有源区外延生长后的半导体激光器工艺流程无需再进行任何条形制作，这样的制备工艺将更为方便，也更有利于工艺流程的控制和成品率的提高。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的沟道波导衬底的示意图；图2是本专利技术的沟道波导衬底的另一种实施方式的示意图；图3是本专利技术的沟道波导衬底的另一种实施方式的示意图；图4是本专利技术的沟道波导衬底的制备方法流程图；图5是基于沟道波导衬底的半导体激光器的示意图；图6是沟道波导层与N型光栅层几乎紧邻的半导体激光器的TE模光场分布图；图7是沟道波导层与N型光栅层距离较远的半导体激光器的TE模光场分布图；图8是沟道波导截面为三角形的半导体激光器的TE模光场分布图。
[0025]图中：101
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N型衬底层；102
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沟道波导层；1021
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沟道波导区域；1022
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沟道波导衬底，所述沟道波导衬底用于边发射半导体激光器，其特征在于，所述沟道波导衬底包括N型衬底层和与所述N型衬底层的上表面接触连接的沟道波导层；所述沟道波导层包括沟道波导区域和位于所述沟道波导区域两侧的注入电子限制区域，所述沟道波导区域的折射率大于所述N型衬底层的折射率，用于对所述半导体激光器的光在横向上提供限制，以及用于在纵向上对光提供导引，所述注入电子限制区域用于对导带注入电子在横向上进行限制。2.根据权利要求1所述的沟道波导衬底，其特征在于，所述N型衬底层还包括缓冲层，所述沟道波导层与所述缓冲层的上表面接触连接。3.根据权利要求1或2所述的沟道波导衬底，其特征在于，所述沟道波导区域为条形沟道波导，所述条形沟道波导的截面形状为矩形、三角形或者梯形。4.根据权利要求1或2所述的沟道波导衬底，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所述N型衬底层材料相同的采用深能级杂质掺杂的外延层。5.根据权利要求1或2所述的沟道波导衬底，其特征在于，所述沟道波导衬底还包括位于所述沟道波导层上方的N型隔离层，所述N型隔离层用于控制所述沟道波导层与所述半导体激光器的有源区的垂直距离，所述N型隔离层的折射率不低于所述沟道波导区域的折射率。6.根据权利要求5所述的沟道波导衬底，其特征在于，所述沟道波导衬底还包括位于所述N型隔离层上方的N型光栅层和N型浸润层。7.一种如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：李洵，牛传宁，奚燕萍，李文，
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：