一种高功率准连续半导体激光器芯片的制作方法

本发明涉及一种高功率准连续半导体激光器芯片的结构。

背景技术：

高功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器(nd:yag)具有输出光功率高、电光转换效率高、可靠性高和结构紧凑等优点，广泛应用于先进制造、医疗美容、航空航天、娱乐显示、安全防护等领域。随着固体激光器使用要求越来越高，对半导体激光器在输出功率、电光转换效率、光谱宽度、光束质量、可靠性等参数上提出了更高的要求。

比如，高功率准连续半导体激光器在作为固体激光器的泵浦源时，除了对输出功率有要求外，还对快轴发散角和慢轴发散角有要求。

现有的高功率准连续半导体激光器(巴条产品)中，每个发光单元的周期均在150μm～250μm，其中发光区占整个周期的比率约为70％，中间电流注入区的尺寸120μm～210μm。

此类高功率准连续半导体激光器，通常都采用绝缘层限制条形结构激光器。在金属电极下，半导体面上有sio2层(也有使用al2o3和si3n4)隔开绝缘。在绝缘层窗口下面有p型接触层以及p型限制层，仅在窗口的条形注入区进行电流注入，如图1所示，电流沿着箭头方向进行扩展，并在虚线区域形成光模式。这种结构优点是工艺简单，可靠性好，缺点是由于没有任何限制电流横向扩散的机制，因此阈值电流较高。同时，由于其平行于结平面内的波导效应本质上是增益导引机制，导致光模式特性较差，远场慢轴发散角较大。

技术实现要素：

为了解决现有高功率准连续半导体激光器芯片存在的阈值电流较大、光模式特性较差以及远场慢轴发散角较大的问题，本发明提出一种改进的高功率准连续半导体激光器芯片。

本发明的技术方案如下：

该高功率准连续半导体激光器芯片，包括自下而上依次设置的衬底、n型缓冲层、n型限制层、波导层、p型限制层、p型接触层以及金属电极，并在金属电极外围的器件表面以及两侧隔离槽处设置有绝缘层；有别于现有技术的是：

所述p型限制层为台阶形态，其中，台阶上层限于台阶基础的中部区域，所述p型接触层限于该台阶上层的表面(幅面不超过该台阶上层)，

所述绝缘层在器件表面相应形成弯折形态，依次覆盖于：1)p型接触层表面未被金属电极覆盖的区域、2)p型接触层侧面和所述台阶上层的侧面、以及3)所述台阶基础的表面。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

所述p型接触层与p型限制层的台阶上层在竖直方向上均为端直柱形。

所述p型接触层与p型限制层的台阶上层的幅面尺寸相等。

p型限制层台阶上层以及p型接触层的高度之和为0.5～1.5μm，两侧的台阶宽度分别为10～20μm。

对应于绝缘层两侧的隔离槽宽度为5-10μm，深度方向上隔离槽至少刻蚀至n型缓冲层。

本发明具有以下优点：

结构简明，有效降低了器件的阈值电流、远场发散角，改善了器件性能，同时保证了其可靠性不受影响，使其满足要求更高的场合。

只需在激光器两侧增加腐蚀槽，工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1为现有高功率准连续半导体激光器芯片的结构示意图。

图2为本发明的高功率准连续半导体激光器芯片的结构示意图。

图3为高功率准连续半导体激光器的功率曲线。

图4为高功率准连续半导体激光器的慢轴发散角扫描曲线。

附图标号说明：

1-金属电极；2-绝缘层；3-p型接触层；4-p型限制层；5-波导层；6-n型限制层；7-n型缓冲层；8-衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。

如图2所示，本发明基于常规的半导体激光器，包括自下而上依次设置的衬底、n型缓冲层、n型限制层、波导层、p型限制层、p型接触层以及金属电极，器件两侧刻蚀有隔离槽(至少刻蚀至n型缓冲层)，相应在金属电极外围的器件表面以及两侧隔离槽处设置有绝缘层。本发明在电流注入区两侧增加了沟槽设计，用于限制电流的横向扩散，降低器件的阈值电流，同时由于绝缘层折射率较低(1.5左右)，形成一个三层侧向的折射率递减台阶(波导层/p型限制层/绝缘层)，使平行于结平面内的波导效应从增益导引机制变成折射率导引机制，加强对光模式特性的限制。具体是在电流注入区两边，各增加10～20μm宽的台阶(导引区)，将增益导引机制变更为折射率导引机制，对光模式中高阶模部分进行抑制，从而降低远场慢轴发散角。

电流注入区宽度根据发光单元的周期确定，例如：若发光单元的周期为150μm，则中间的电流注入区的尺寸可为120μm；若发光单元的周期为250μm，则中间的电流注入区的尺寸可为210μm。

具体工艺可为：仅保留原p型接触层的中部区域，腐蚀除去电流注入区两边的区域，同时也腐蚀除去一部分p型限制层，从而形成一个三层侧向的折射率递减台阶(波导层/p型限制层/绝缘层)。

以电流注入区120μm的器件为例，其他参数保持与常规结构基本相同，包括绝缘层sio20.15μm、p型接触层gaas0.1μm(p型掺杂)、p型限制层al0.6ga0.4as0.3μm(p型掺杂)、波导层al0.3ga0.7as0.4μm(无掺杂)、n型限制层al0.6ga0.7as0.4μm(n型掺杂)、n型缓冲层gaas0.5μm(n型掺杂)、衬底gaas(n型掺杂)。本发明相比常规结构，器件性能改善效果明显：

如图3所示，单个发光点的阈值电流从0.35a降低至0.3a。

如图4所示，单个发光点的远场慢轴发散角(fwhm)从11°降低至8°，慢轴发散角(95％能量)从14°降低至10°左右。

技术特征：

技术总结
本发明提出一种高功率准连续半导体激光器芯片。该高功率准连续半导体激光器芯片的P型限制层为台阶形态，其中，台阶上层限于台阶基础的中部区域，所述P型接触层限于该台阶上层的表面，所述绝缘层在器件表面相应形成弯折形态，依次覆盖于：1)P型接触层表面未被金属电极覆盖的区域、2)P型接触层侧面和所述台阶上层的侧面、以及3)所述台阶基础的表面。本发明结构简明，有效降低了器件的阈值电流、远场发散角，改善了器件性能，同时保证了其可靠性不受影响，使其满足要求更高的场合。

技术研发人员：李青民;孙丞;仇伯仓;李波
受保护的技术使用者：西安立芯光电科技有限公司
技术研发日：2018.12.28
技术公布日：2019.04.12