高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方法技术

本发明专利技术高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方法，公开了一种非矩形谐振腔半导体激光二极管及其制造方法。谐振腔的两端与垂直出光端面靠近部分呈矩形单通道波导结构，谐振腔中间部分包括至少一个通道的波导结构，在保持谐振腔直线总长度不变以及激光二级管体积不变的情况下增加激光二极管的峰值光输出功率，使得在同尺寸衬底上的芯片产品率得到提高，从而降低产品的成本，为高密度集成光路和超小集成空间但要求高光功率的特殊应用提供解决方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到一种可实现高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方 法。
技术介绍
半导体激光二极管已经被广泛应用于现代生活的多个领域，包括数据存储、激光 测量、传感器、激光打印、光通讯等。根据二极管的PN结材料和结构的不同，可将半导体激 光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)等激光二极管。半导体激光二极管的 输出可分为单模激光和多模激光。单模激光的优点是没有模式竞争，激光的稳定性、相干性 和光束质量都很好。在双异质结激光二极管中采用脊型波导结构，可实现单模激光输出。这种脊型双 异质结半导体激光二极管还同时具有临界电流阀值小，发光效率高等特点，所以被广泛应 用。半导体激光二极管的基本结构包括垂直于PN结面的一对平行平面，即法布里—— 珀罗(Febry-Perot)谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。图1显示了一个现有的具有脊型波导结构的双异质结半导体激光二极管三维图 示意图。图2为该半导体激光二极管的俯视图。图3是沿图2中A-A虚线切割后的剖面图。图3显示了现有的脊型双异质结半导体激光二极管的横截面剖面。在衬底31上 依次沉积有η型缓冲层32，η型包覆层33，发光层34，ρ型第一包覆层35和刻蚀阻挡层36。 脊型结构的P型第二包覆层37，ρ型接触层38，以及电流阻碍层39形成在刻蚀阻挡层36 上。P型电极3a覆盖在ρ型接触层38和电流阻碍层39之上，而η型电极3b与衬底31形 成接触。如图2所示，在垂直于两个端面11和12的方向，脊型半导体激光二极管构成呈矩 形结构的法布里-珀罗(Febry-Perot)谐振腔13，通过泵浦以实现光子增益的正反馈。在 谐振腔的两个端面11和12上加以不同反射率的薄膜，来实现主要从一个端面上以激光形 式的相干辐射输出。通过控制脊型结构的宽度，可以很容易实现横向单模的激光输出，同时 其制造过程也相对简单。同时由于脊型结构对光场的限制，半导体激光二极管的临界电流 值低于非脊型结构。一般来说，用于只读光盘的红光半导体二极管的谐振腔长度大约在200-600 μ m， 其光输出功率在5-10mW，这样低的光输出功率无法达到刻录光盘的功率要求。通过延长谐 振腔的长度到800-2500 μ m以及运行在光脉冲的形式下，红光半导体二极管的稳定峰值光 输出功率可以提高到250-350mW，这样就可以达到刻录光盘的功率要求。常规脊型半导体激光二极管的稳定峰值光输出功率跟谐振腔的长度成正比，通过 增加谐振腔长度，可以提高峰值光输出功率。但这样做会增大二极管长度，难以有效应用于 一些对激光器尺寸小型化要求严格的行业。并且，由于二极管长度的增加会降低在同尺寸 衬底上可以达到的产品数，激光二极管的生产成本也会相应增大。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高功率单模输出的微型半导体激光二极管，通过改变谐 振腔结构，在保持谐振腔直线总长度不变以及二极管体积不变的情况下，可以增加激光二 极管的峰值光输出功率，使得在同尺寸衬底上的芯片产品数得到提高，从而降低产品的成 本，为高密度集成光路和超小集成空间但要求高光功率的特殊应用提供解决方案。与此同 时，本专利技术还提供这种微型半导体激光二极管的制造方法。本专利技术所涉及的半导体激光二极管，与常规的脊型双异质结半导体激光二极管不 同，其谐振腔呈非矩形结构。谐振腔两端靠近出光端面的部分呈矩形单通道波导结构，谐振 腔中间部分可为单波导通道但横截面增大呈楔形结构。谐振腔中间部分也可一分为二成为 双波导通道、或者一分为三成为三波导通道、或者分为更多波导通道，并在与两端单通道波 导接触的部分合并。谐振腔中间的双通道或多通道波导部分呈折线或曲线形状。谐振腔的中间部分包括一个横截面增大的单波导通道，其宽度渐变呈楔形结构， 且宽度大于谐振腔两端靠近出光端面的矩形单通道波导结构的宽度；或者谐振腔的中间部 分也可以包括两个或多个矩形单通道波导结构，其宽度之和大于谐振腔两端靠近出光端面 的矩形单通道波导结构的宽度。谐振腔两端靠近出光端面的部分呈矩形结构，这两部分的横截面只支持单模传输 或者只有靠近激光输出端面的一侧支持单模传输，谐振腔中间部分呈非矩形结构，这部分 横截面可为单波导通道但横截面增大，或者一分为二成为双波导通道，或者一分为三成为 三波导通道，或者分为更多波导通道。在每个波导通道的横截面上，发光层包夹在η型包覆 层和P型包覆层之间，P型包覆层分两层，第二 P型包覆层呈脊型结构，之上有P型接触层， 电流阻碍层形成在脊型结构以及刻蚀阻挡层上，P型电极覆盖在P型接触层和电流阻碍层 之上，而η型电极与衬底形成接触。在双波导通道或多波导通道的横截面结构中，每个波导 通道结构和单个波导通道的一致。在两个电极之间加载电压之后，每个波导通道都会引入 电流而产生光子，在各自的波导内振荡放大，并在共同的谐振腔波导部分合并从而增大功 率输出。通过这种特殊的谐振腔结构设计，在保证激光二极管的输出为单模形式的前提下， 同样尺寸的激光二极管可以达到更高的峰值光输出功率，或者在同样的峰值光输出功率的 情况下，激光二极管的尺寸可以做得更小。制造这样具有特殊谐振腔结构的半导体激光二极管包括如下步骤(1)在η型衬底上依次沉积生长η型缓冲层，η型包覆层，发光层，ρ型第一包覆层， 刻蚀阻挡层，P型第二包覆层和P型接触层；(2)在第二包覆层上涂上光刻胶并通过光刻方式形成和谐振腔平面结构一致的掩 模图形；(3)利用掩模图形进行腐蚀加工，腐蚀接触层和第二包覆层至刻蚀阻挡层；(4)在刻蚀之后的接触层、第二包覆层和已经暴露的刻蚀阻挡层上沉积电流阻碍 层，然后除去光刻胶以除掉接触层上的电流阻碍层，最后形成需要的脊型结构；(5)通过物理沉积或电镀方式在表面沉积ρ型金属电极，并在衬底面通过物理沉 积或电镀方式沉积η型电极。和传统的脊型半导体激光二极管相比，本专利技术没有增加额外多余的步骤，所以没有增加生产成本。本专利技术与以往一般脊型半导体二极管制造过程的主要差别在于光刻的掩 模图形没有采用传统的矩形，而是采用非矩形的掩模图形从而在腐蚀之后形成特殊的谐振 腔结构。在谐振腔的直线长度保持不变的情况下，谐振腔的有效长度得到增加，因此激光二 极管的峰值光输出功率也得到增大，同时可以保证单模输出；或者在保持峰值光输出功率 不变的条件下，激光二极管的尺寸可以做得更小，从而提高在同尺寸衬底上的芯片合格产 品数。本专利技术可选择不同的衬底、包覆层以及发光层材料，以适用于不同波长的半导体 激光二极管的设计和制造。比如，要想生成750-900nm的红外激光，衬底材料可采用GaAs， 包覆层和发光层采用有不同原子比例和掺杂的AlGaAs以形成满足需要的带隙结构。又比 如，要想生成300-450nm的蓝光激光，衬底材料可采用GaN，包覆层和发光层采用有不同原 子比例和掺杂的AlGaInN以形成满足需要的带隙结构。再比如，要想生成600-700nm的红 光激光，衬底材料可采用GaAs，包覆层采用有不同原子比例和掺杂的AlGalnP，发光层采用 GaInP,以形成满足需要的带隙结构。附图说明图1为常规矩形谐振腔结构半导体激光二极管的三维示意图；图2为常规矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；图3为常规矩形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其发光层包夹在ｎ型和ｐ型包覆层之间，ｐ型包覆层分两层，第二ｐ型包覆层和之上的ｐ型接触层呈脊型结构，电流阻碍层形成在脊型壁面以及两个ｐ型包覆层之间的刻蚀阻挡层上，同时ｐ型电极覆盖在ｐ型接触层和电流阻碍层之上，而ｎ型电极与衬底形成接触；其特征在于激光二极管的谐振腔呈非矩形结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：厉巧云，梁文，
申请(专利权)人：厉巧云，梁文，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]