本公开涉及半导体光电子技术领域，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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
(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；29-耦合脊阵列。
30-N区结构层；
31-N区欧姆接触电极；32-N型磷化铟衬底；
33-N区磷化铟限制层；34-N区波导层。
具体实施方式
申请人对加大脊宽导致光束质量下降的原因进行了研究，发现这是由于较大的脊宽削弱了脊波导对于有源区中光场的限制作用，从而激光器很容易以多横模模式激射，因此无法得到好的输出光束质量。
在上述研究成果的基础上，申请人认为可以采用耦合脊阵列的方式，这种器件结构以及加工工艺步骤都较为简单，其原理为利用多个窄的脊波导替代传统的单宽脊结构，使各个相邻窄的脊波导下方有源区输出光场之间实现相干耦合，耦合脊阵列结构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，使激光器有很高的峰值输出功率的同时，相比传统单宽脊器件又能得到更高质量的输出光束，在上述研究思路的指导下，申请人提出了本公开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。
为使本发明的技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图对本公开进一步详细说明。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，图1为根据本实施例提供的一种基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器的结构示意图，如图1所示，本实施例基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器，包括：
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；量子阱有源层10，位于P区结构层20下，用于发射激光；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，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，各脊波导平行并排设置，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，同时耦合脊阵列结构也加强了脊波导24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，使激光器有很高的峰值输出功率的同时，又能得到更高质量的输出光束。
以下分别对本实施例提供的基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器的各个组成部分进行详细说明：
在本实施例中，如图1所示，所述基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器还包括：P区欧姆接触电极28，位于P区结构层20最外侧，由金属材料Ti/Au、Au/Zn/Au或Cr/Au制成，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，由氧化硅或氮化硅材料制成，厚度为100nm-600nm，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，由金属材料Au/Ge/Ni或Cr/Au制成，用于与外接部件形成欧姆接触。
在本实施例中，如图1所示，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；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。
在本实施例中，如图1所示，N区结构层包括：N区波导层34，量子阱有源层10之下，用于传导量子阱有源层10发出的激光；N区磷化铟限制层33，位于N区波导层34之下，其为N型掺杂；N型磷化铟衬底32，位于N区磷化铟限制层33之下。
在本公开中还提供了基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器制备方法，在磷化铟基外延片上加工得到所述半导体激光器，图2为所述制备方法的流程示意图，如图2所示，所述制备方法包括以下步骤：
步骤A：在P区结构层20上侧加工耦合脊阵列29，包括：
子步骤A1：磷化铟基外延片(如图5所示)的P区结构层上侧制作有耦合脊阵列图形的光刻胶，光刻胶厚0.5μm-5μm，如图6所示；以及
子步骤A2：以子步骤A1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，如图7所示。
在本公开中，耦合脊阵列29的结构使得各个相邻窄脊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，使激光器有很高的峰值输出功率的同时，获得更高质量的输出光束。
步骤B：在外延片层两侧加工解理沟25，包括：
子步骤B1：P区结构层20上制作有解理沟25图形的光刻胶，光刻胶厚0.5μm-5μm，以及
子步骤B2：以子步骤B1所完成的光刻胶为掩膜，腐蚀掉外延片上没有被光刻胶保护的接触层部分，解理沟25的方向与耦合脊阵列29平行，腐蚀深度在2μm-7μm，其如图8所示。
在本公开中，解理沟25结构位于激光器两侧壁处，能有效防止后期烧结激光器时焊料在侧壁导致的短路。
步骤C：在完成步骤A和B后的P区结构层20上侧生长一层介质薄膜，用于使不进行电注入的区域形成电绝缘，薄膜材料为氧化硅或氮化硅，厚度为100nm-600nm，如图9所示。
步骤D：去除耦合脊阵列29上对应的介质薄膜制成电注入窗口，包括：
子步骤D1：在完成步骤C后的P区结构层上制作有电注入窗口图形的光刻胶，光刻胶厚度1μm-5μm，以及
子步骤D2：以子步骤D1完成的光刻胶为掩膜，腐蚀掉介质薄膜上没有被光刻胶保护的部分，腐蚀深度等于介质薄膜厚度，将介质薄膜腐蚀干净为止，如图10所示，以及
步骤E：在P区结构层20和N区结构层30最外侧制作欧姆接触电极，包括：
子步骤E1：在完成步骤D后的P区结构层上侧溅射或蒸发金属，金属材料为Ti/Au、Au/Zn/Au或Cr/Au，如图11所示；
子步骤E2：去除子步骤E1完成后解理沟25表面上所溅射或蒸发的金属，即以刻有解理沟图形的光刻胶为掩膜，光刻胶厚度1μm-5μm，腐蚀掉介质薄膜上没有被光刻胶保护的金属，腐蚀深度等于所述金属层厚度，将对应的金属腐蚀干净为止，如图12所示；
子步骤E3：减薄、抛光N型磷化铟衬底到70μm-200μm厚，接着在所述N型磷化铟衬底表面溅射或蒸发金属Au/Ge/Ni或Cr/Au；如图13所示，以及
子步骤E4：对完成子步骤E1、E2和E3后器件表面所溅射或蒸发的金属进行合金，制成P区欧姆接触电极和N区欧姆接触电极，所述合金的条件为氮气保护，200℃-600℃，30s-5min，如图13所示。
通过以上步骤加工得到的半导体激光器再经过解理管芯、烧结及引线等封装工序，即可投入使用。
在本公开中，步骤A加工得到的P区耦合脊阵列，采用了多个窄的脊波导阵列替代传统的单宽脊结构，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，使激光器有很高的峰值输出功率的同时，获得更高质量的输出光束。
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，由图3可见利用这种方法制作的半导体激光器具有很高的峰值输出功率。
图4所示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，由图4可见利用这种方法制作的半导体激光器能够实现输出光场之间的相干耦合，具有比传统宽脊器件更好的输出光束质量。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)P区，N区可以用P型，N型等代替；
(2)P区，N区可以用P面，N面等代替；
(3)耦合脊可以用窄脊、条形脊等代替；
(4)耦合脊阵列可以用窄脊阵列，脊波导阵列等代替；
(5)脊波导横截面为矩形可以用半圆形、梯形等形状代替；
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的基于磷化铟基耦合脊阵列的半导体激光器结构简单，制备工艺成熟，采用了多个窄的脊波导替代传统的单宽脊结构构成耦合脊阵列，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，使激光器有很高的峰值输出功率的同时，获得更高质量的输出光束。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。