一种可控横向光场的多结型半导体激光器及其制造方法与流程

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种可控横向光场的多结型半导体激光器及其制造方法。

背景技术：

目前，边发射型半导体激光器由于体积小、功率高、寿命长、转化效率高等诸多优点而得到广泛应用，发展尤为迅速。其中多结型半导体激光器由于低电流、高脉冲功率特性优异，已在无人驾驶汽车、港口自动导航机器人等领域得到广泛应用。

通常情况下，边发射型半导体激光器结构包括限制层、波导层、单一有源区形式设计，并通过增大发光面积或增加腔长方式实现大功率的激光输出，但此类方式往往会增加相应的半导体激光器的体积且单位面积光功率提升性能有限。相比较的，为实现光电子器件的输出功率的倍增，将一定数量的半导体激光器结构采用隧穿结串联堆垛起来，可在不增加有源区面积或腔长的下成倍提升半导体激光器的输出功率。

然而，目前常用的多结型半导体激光器仅关注其输出功率、斜率效率的提升，却往往忽略由于结型结构堆垛导致的电流扩展效应，而引发各结发光区域在横向发散角不一致的问题；例如申请号为专利201511024496.7、专利名称为《多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制造方法》该半导体激光器中，激光器腔面各结近场光斑尺寸将出现明显的宽度差异，受此影响其远场光斑边缘光场强度也存在上下不均匀问题，进而影响后期光学耦合效率。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可控横向光场的多结型半导体激光器，通过选择性插入一种电流限制结构，形成一种在各结位置处的电流约束通道，从而改善多结型半导体激光器的电流扩展问题，进一步改善多结型半导体激光器的横向光场分布，使得各结有源区发光的横向宽度对称或一致，提高其近场远场光强均匀性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：一种可控横向光场的多结型半导体激光器，所述可控横向光场的多结型半导体激光器包括：

衬底；

多个含有pn限制层、波导层、量子阱区、电流限制层的结型结构，且多个所述结型结构之间均通过一隧道结进行连接；

其中，所述隧道结为高掺反偏的pn结，所述隧道结包括p型隧穿层和n型隧穿层。

根据上述技术方案的一方面，所述隧道结为pn隧道结a，所述结型结构为结型结构a，所述结型结构a包括：

砷化镓衬底a；

p型砷化镓下电流限制层a，所述p型砷化镓下电流限制层a的中间设有电流通道a，并且所述p型砷化镓下电流限制层a上通过二次外延形成表面平整的n型砷化镓缓冲层a，所述p型砷化镓下电流限制层a与n型砷化镓缓冲层a相互接触；

其中，所述n型砷化镓缓冲层a上层叠设有一级结型结构a、二级结型结构a与三级结型结构a，每级所述结型结构均包括依次层叠设置的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层；二级结型结构a的所述p型限制层与一级结型结构a的所述n型限制层、二级结型结构a的所述n型限制层与三级结型结构a的p型限制层之间均通过pn隧道结a连接。

根据上述技术方案的一方面，每级所述结型结构均包括依次层叠设置n型中铝组分铝镓砷限制层a、低铝组分铝镓砷下波导层a、铟镓砷磷量子阱区a、低铝组分铝镓砷上波导层a和中铝组分铝镓砷p型限制层a；

与p型金属层a相邻的三级结型结构a中，所述三级结型结构a还包括高掺杂砷化镓接触层a，所述高掺杂砷化镓接触层a与所述p型金属层a接触。

根据上述技术方案的一方面，所述隧道结为pn隧道结b，所述结型结构为结型结构b，所述结型结构b包括：

砷化镓衬底b，

n型砷化镓缓冲层b，设于所述砷化镓衬底b之上，并且n型砷化镓缓冲层b的表面保持平整；

其中，所述n型砷化镓缓冲层b上层叠设有一级结型结构b、二级结型结构b与三级结型结构b，每级所述结型结构均包括依次层叠设置的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层、p型限制层；二级结型结构b的所述p型限制层与一级结型结构b的所述n型限制层、二级结型结构b的所述n型限制层与三级结型结构b的p型限制层之间均通过pn隧道结b连接。

根据上述技术方案的一方面，靠近所述砷化镓衬底b的一、二级结型结构b均包括：

层叠设置的n型中铝组分铝镓砷限制层b、低铝组分铝镓砷下波导层b、铟镓砷磷量子阱区b、低铝组分铝镓砷上波导层b、中铝组分铝镓砷p型限制层b与高铝组分铝镓砷上电流限制层b；

其中，一级结型结构b与二级结型结构b之间、二级结型结构b与三级结型结构b之间均设有高铝组分铝镓砷上电流限制层b，所述高铝组分铝镓砷上电流限制层b设于所述中铝组分铝镓砷p型限制层b和与之相邻的所述pn隧道结b之间，并且所述高铝组分铝镓砷上电流限制层b的中间设有电流通道b。

根据上述技术方案的一方面，靠近所述p型金属层b的三级结型结构b包括：

n型中铝组分铝镓砷限制层b、低铝组分铝镓砷下波导层b、铟镓砷磷量子阱区b、低铝组分铝镓砷上波导层b、中铝组分铝镓砷p型限制层b与高掺杂砷化镓接触层b；

其中，所述高掺杂砷化镓接触层b与所述p型金属层b接触。

基于同样的目的，本发明提供了一种可控横向光场的多结型半导体激光器的制造方法，用于制备上述技术方案中所述的可控横向光场的多结型半导体激光器，所述方法包括以下步骤：

s101、在衬底上形成一层平整的n型缓冲层及一级结型结构a，一级结型结构a包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，一级结型结构a为一级完整发光区；

s102、在一级结型结构a上形成一个高掺反偏的pn隧道结a；

s103、在高掺反偏的pn隧道结a上再次形成二级结型结构a，该二级结型结构a包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，上述二级结型结构a为该半导体激光器的二级完整发光区；

或者，s201、在衬底上形成一层平整的n型缓冲层及一级结型结构b，一级结型结构b包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，一级结型结构b为一级完整发光区；

s202、在一级结型结构b上形成一个高掺反偏的pn隧道结b；

s203、在高掺反偏的pn隧道结b上再次形成二级结型结构b，二级结型结构b包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，二级结型结构b为二级完整发光区。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的半导体激光器设有多个结型结构，并且相邻的两个结型结构之间均通过隧道结连接，从而有效控制激光器横向电流扩展效应，从而改善激光器横向光场分布，使其对称均匀、一致，从而有效提升多结型半导体激光器光束质量。

本发明的附加方面与优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例中多结型半导体激光器的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中多结型半导体激光器的外延结构示意图；

图3为本发明第三实施例中多结型半导体激光器的结构示意图；

图4为本发明第三实施例中多结型半导体激光器的外延结构示意图；

附图元器件符号说明：

砷化镓衬底a-101、n型砷化镓缓冲层a-102、表面sio2介电层a-106、p型金属层a-107、n型金属层a-108、近场光强a-109、p型砷化镓下电流限制层a-110、电流通道a-111、pn隧道结a-112；

一级结型结构a-103、一级n型中铝组分铝镓砷限制层a-1031、一级低铝组分铝镓砷下波导层a-1032、一级铟镓砷磷量子阱区a-1033、一级低铝组分铝镓砷上波导层a-1034、一级中铝组分铝镓砷p型限制层a-1035；

二级结型结构a-104、二级n型中铝组分铝镓砷限制层a-1041、二级低铝组分铝镓砷下波导层a-1042、二级铟镓砷磷量子阱区a-1043、二级低铝组分铝镓砷上波导层a-1044、二级中铝组分铝镓砷p型限制层a-1045；

三级结型结构a-105、三级n型中铝组分铝镓砷限制层a-1051、三级低铝组分铝镓砷下波导层a-1052、三级铟镓砷磷量子阱区a-1053、三级低铝组分铝镓砷上波导层a-1054、三级中铝组分铝镓砷p型限制层a-1055、三级高掺杂砷化镓接触层a-1056；

砷化镓衬底b-201、n型砷化镓缓冲层b-202、表面sio2介电层b-206、p型金属层b-207、n型金属层b-208、近场光强b-209、高铝组分铝镓砷上电流限制层b-210、深沟沟道-211、pn隧道结b-212、电流通道b-213；

一级结型结构b-203、一级n型中铝组分铝镓砷限制层b-2031、一级低铝组分铝镓砷下波导层b-2032、一级铟镓砷磷量子阱区b-2033、一级低铝组分铝镓砷上波导层b-2034、一级中铝组分铝镓砷p型限制层b-2035；

二级结型结构b-204、二级n型中铝组分铝镓砷限制层b-2041、二级低铝组分铝镓砷下波导层b-2042、二级铟镓砷磷量子阱区b-2043、二级低铝组分铝镓砷上波导层b-2044、二级中铝组分铝镓砷p型限制层b-2045；

三级结型结构b-205、三级n型中铝组分铝镓砷限制层b-2051、三级低铝组分铝镓砷下波导层b-2052、三级铟镓砷磷量子阱区b-2053、三级低铝组分铝镓砷上波导层b-2054、三级中铝组分铝镓砷p型限制层b-2055、三级高掺杂砷化镓接触层b-2056。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征与优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造与操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定与限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的与所有的组合。

请参阅图1、2，本发明的第一实施例公开了一种可控横向光场的多结型半导体激光器，该可控横向光场的多结型半导体激光器包括：

衬底；

多个含有pn限制层、波导层、量子阱区、电流限制层的结型结构，且多个结型结构之间均通过一隧道结进行连接；

其中，隧道结为高掺反偏的pn结，隧道结包括p型隧穿层和n型隧穿层。

具体的，上述衬底包括但不限定于通过磷化铟、砷化镓、氮化镓或碳化硅制成，在本实施例当中，衬底由砷化镓制成，且该衬底标为砷化镓衬底a101。

p型砷化镓下电流限制层a110，其中间存在电流通道a111，p型砷化镓下电流限制层a110上通过二次外延形成表面平整的n型砷化镓缓冲层a102，p型砷化镓下电流限制层a110和n型砷化镓缓冲层a102接触区域在器件工作时形成反偏结，以截止电流通过。

n型砷化镓缓冲层a102上依次形成三个分别含有n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层等的结型结构a，且多个结型结构a之间均通过一反偏的pn隧道结a112互相连接，以使电流可以有效在各结间穿过。

示例而非限定，一级结型结构a103包含层叠设置的一级n型中铝组分铝镓砷限制层a1031、一级低铝组分铝镓砷下波导层a1032、一级铟镓砷磷量子阱区a1033、一级低铝组分铝镓砷上波导层a1034与一级中铝组分铝镓砷p型限制层a1035。

同样的，二级结型结构a104包含层叠设置的二级n型中铝组分铝镓砷限制层a1041、二级低铝组分铝镓砷下波导层a1042、二级铟镓砷磷量子阱区a1043、二级低铝组分铝镓砷上波导层a1044与二级中铝组分铝镓砷p型限制层a1045。

同样的，三级结型结构a105包含层叠设置的三级n型中铝组分铝镓砷限制层a1051、三级低铝组分铝镓砷下波导层a1052、三级铟镓砷磷量子阱区a1053、三级低铝组分铝镓砷上波导层a1054与三级中铝组分铝镓砷p型限制层a1055。

其中，与p型金属层a107相邻的三级结型结构a105中，三级结型结构a105还包括三级高掺杂砷化镓接触层a1056，三级高掺杂砷化镓接触层a1056与p型金属层a107接触。

在本实施例当中，一级结型结构a103与二级结型结构a104之间的pn隧道结a112、二级结型结构a104与三级结型结构a105之间的pn隧道结a112均为高掺的反偏pn结，由p型砷化镓层和n型砷化镓层构成，材料总厚度为10~30nm。

最优的，pn隧道结a112的材料总厚度为20nm。

在本实施例当中，对完成外延后的半导体激光器进行芯片工艺制造，制作脊形波导结构a、表面sio2介电层a106电流限制通道及p型金属层a107和n型金属层a108。

本实施例所示的多结型半导体激光器所照射的近场光强为近场光强a109，如图1所示。

本发明的第二实施例提供了一种可控横向光场的多结型半导体激光器的制造方法，用于制备第一实施例中的可控横向光场的多结型半导体激光器，本方法包括以下步骤：

s101、在衬底上形成一层平整的n型砷化镓缓冲层a102及一级结型结构a103，一级结型结构a103包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层与p型限制层，一级结型结构a103为一级完整发光区；

例如，在砷化镓衬底a101上形成一层p型砷化镓下电流限制层a110，其中，p型砷化镓下电流限制层a110的厚度约为50~500nm，刻蚀电流通道a111，二次外延形成平整的n型砷化镓缓冲层a102及一级结型结构a103，一级结型结构a103包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，上述一级结型结构a103为该半导体激光器的一级完整发光区；

s102、在一级结型结构a103上形成一个高掺反偏的pn隧道结a112；

作为优选，pn隧道结a112为高掺的反偏pn结，pn隧道结a112由p型砷化镓层和n型砷化镓层构成。

s103、在高掺反偏的pn隧道结a112上再次形成二级结型结构a104，该二级结型结构a104包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，上述二级结型结构a104为该半导体激光器的二级完整发光区；

s104、根据设计需要重复上述s102和s103，再次形成pn隧道结a112和三级结型结构a105。

s105、对完成外延后的半导体激光器进行芯片工艺制造，制作脊形波导结构a、表面sio2介质层a106电流限制通道及p型金属层a107和n型金属层a108，并最终完成芯片工艺。

本实施例所提供的可控横向光场的多结型半导体激光器的制造方法，能够有效改善多结型半导体激光器近场光斑非对称的分布情况，沿激光器横向形成对称形式的光场分布，改善其均匀性。

请参阅图3、4，本发明的第三实施例提供了一种可控横向光场的多结型半导体激光器，该可控横向光场的多结型半导体激光器包括：

衬底；

多个含有pn限制层、波导层、量子阱区、电流限制层的结型结构，且多个结型结构之间均通过一隧道结进行连接；

其中，隧道结为高掺反偏的pn结，隧道结包括p型隧穿层和n型隧穿层。

具体的，上述衬底包括但不限定于通过磷化铟、砷化镓、氮化镓或碳化硅制成，在本实施例当中，衬底由砷化镓制成，且该衬底标为砷化镓衬底b201。

砷化镓衬底b201上形成表面平整的n型砷化镓缓冲层b202。

n型砷化镓缓冲层b202上依次形成三级分别包括n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层、p型限制层、上电流限制层等的结型结构，且多级结型结构之间均通过一反偏的pn隧道结b212互相连接，使电流可以有效在各结间穿过。

示例而非限定，该一级结型结构b203为包含一级n型中铝组分铝镓砷限制层b2031、一级低铝组分铝镓砷下波导层b2032、一级铟镓砷磷量子阱区b2033、一级低铝组分铝镓砷上波导层b2034、一级中铝组分铝镓砷p型限制层b2035与一级高铝组分铝镓砷上电流限制层b210的结型结构。

同样的，二级结型结构b204为包含二级n型中铝组分铝镓砷限制层b2041、二级低铝组分铝镓砷下波导层b2042、二级铟镓砷磷量子阱区b2043、二级低铝组分铝镓砷上波导层b2044、二级中铝组分铝镓砷p型限制层b2045与二级高铝组分铝镓砷上电流限制层b210的结型结构。

同样的，三级结型结构b205为包含三级n型中铝组分铝镓砷限制层b2051、三级低铝组分铝镓砷下波导层b2052、三级铟镓砷磷量子阱区b2053、三级低铝组分铝镓砷上波导层b2054、三级中铝组分铝镓砷p型限制层b2055与三级高掺杂砷化镓接触层b2056的结型结构。

其中，高铝组分铝镓砷上电流限制层b均可通过氧化反应转变为氧化铝绝缘材料，高铝组分铝镓砷上电流限制层b材料厚度为10~100nm。

在本实施例当中，各级结型结构b之间的隧道结均为高掺的反偏pn结，由p型砷化镓层和n型砷化镓层构成，pn隧道结b212的材料总厚度为10~30nm。

最优的，pn隧道结b212的材料总厚度为20nm。

在本实施例当中，在完成对外延后的半导体激光器的芯片工艺制造时，制作脊形波导结构b，并且刻蚀深沟沟道211，通过氧化反应使中高铝组分铝镓砷上电流限制层b靠近深沟沟道211的部分高铝组分化合物材料转变为具有绝缘属性的氧化铝，仅保留中间部分高铝组分导电材料作为电流通道b213，在完成氧化后采用高分子树脂填充深沟沟道211，并制作表面sio2介电层b206电流限制通道及p型金属层b207和n型金属层b208。

本实施例所示的多结型半导体激光器所照射的近场光强为近场光强b209，如图3所示。

本发明的第四实施例公开了一种可控横向光场的多结型半导体激光器的制造方法，用于制备第三实施例所示的可控横向光场的多结型半导体激光器，方法包括以下步骤：

s201、在衬底上形成一层平整的n型缓冲层及一级结型结构b203，一级结型结构b203包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，一级结型结构b203为一级完整发光区；

例如，在砷化镓衬底b201上形成一层平整的n型砷化镓缓冲层b202及一级结型结构b203，该一级结型结构b203包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层、p型限制层和上电流限制层，上述一级结型结构b203为该半导体激光器的一级完整发光区；

s202、在一级结型结构b203上形成一个高掺反偏的pn隧道结b212；

作为优选，pn隧道结b212为高掺的反偏pn结，由p型砷化镓层和n型砷化镓层构成。

s203、在高掺反偏的pn隧道结b212上再次形成二级结型结构b204，二级结型结构b204包括依次生长的n型限制层、下波导层、量子阱区、上波导层和p型限制层，二级结型结构b204为二级完整发光区。

s204、根据设计需要重复上述s202和s203，再次形成pn隧道结b212和三级结型结构b205。

s205、对完成外延后的半导体激光器进行芯片工艺制造，制作脊形波导结构b；

s206、刻蚀深沟沟道211，通过氧化反应使每级结型结构b中高铝组分铝镓砷上电流限制层b靠近深沟沟道211的部分高铝组分化合物材料转变为具有绝缘属性的铝氧化物，仅保留中间部分高铝组分导电材料作为电流通道b213；

并且，在完成氧化后可采用高分子树脂填充深沟沟道211；

s207、完成后续管芯工艺，制作表面sio2介质层b206电流限制通道及p型金属层b207和n型金属层b208，最终完成芯片工艺。

本实施例所提供的可控横向光场的多结型半导体激光器的制造方法，可以更有效的改善多结型半导体激光器近场光斑非对称的分布情况，沿激光器横向形成各级相同的光场分布，极大的改善其均匀性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体与详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形与改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。