一种具有反波导层结构的半导体激光器及其制造方法与流程

本发明涉及的是半导体激光器设计制造领域，尤其是一种具有反波导层的半导体激光器及其制造方法。

背景技术：

半导体激光器具有电光效率高、体积小、可靠性高等优点，在泵浦固体激光、工业加工、医疗、空间通信等领域有着重要的应用。随着泵浦高亮度光纤激光、光谱合成等新应用场景的出现，对具有高功率、高光束质量特性的新型高亮度半导体激光器，提出了更高的要求。对于最常用的宽发光区半导体激光器，提高亮度的难点在于：虽然功率较高（10～25w），但受高阶模式、丝状发光效应等因素影响，慢轴方向（附图1中x轴方向）光束质量较差，慢轴发散角通常较大（7°～12°），限制了半导体激光器的亮度提高。从影响半导体激光器光束质量的因素分析，高阶模式数越少，光束质量越好，因此模式控制技术是高亮度半导体激光研究领域的热点。常见的半导体激光器模式控制技术包括以下几类：

1、二维电极结构。该方法是在半导体激光芯片p面制作二维电极结构来控制电流注入。2016年，中国科学院王涛等人采用二维电流注入结构控制侧向发散角，获得了36%的光束质量提高。但这种方法需要刻蚀制作周期性的3微米二维电极结构，工艺难度较大。

2、h⁺离子注入技术。该方法是用在半导体激光芯片震荡区两侧注入h⁺离子，起到控制侧向载流子积累的作用。2015年，美国通快光电公司采用h⁺离子注入方式抑制侧向载流子积累，获得慢轴发散角6.9°，从而将侧向线功率密度提高到3.5w/mm×mrad。但这种方法需要使用较昂贵的离子注入设备，加工成本较高。

3、外腔反馈式激光器。该技术原理是通过外腔反馈控制激光器横向模式，把半导体激光器作为增益介质，将有源区作为空间滤波器滤除腔内高阶振荡模式，达到高亮度激光输出的目的。2011年，德国fbh研究所aibawamia等人采用该技术方案目前可实现132mw/(cm²sr)的高亮度激光输出。但这种方法需要采用加入复杂的外腔光栅反馈，增大了激光器体积，也降低了激光器的工作可靠性。

除上述技术之外，还有一些其它的提高半导体激光亮度方法，包括混合非对称外延结构，锥形激光器技术等。虽然上述方法能在一定程度上提高光束质量和激光亮度，但这些方法都不同程度的有成本高、实施复杂的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种具有反波导层的半导体激光器及其制造方法的技术方案，该方案可以比现有模式控制技术在震荡区两侧更好的抑制高阶模式，从而改善光束质量，提高半导体激光器的亮度。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种具有反波导层的半导体激光器，包括有衬底、外延层、侧相反波导层、前腔面和后腔面；外延层设置在衬底顶面上；前腔面设置在衬底的一侧面上；所述后腔面设置在前腔面对侧的衬底侧面上；外延层上设置有凸出的条形震荡区；条形震荡区的两侧中，至少有一侧设置有反波导层；反波导层设置在外延层上。

作为本方案的优选：外延层包括有依次从下至上排布的下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、上金属化层；所述上波导层、上限制层、上金属化层组成条形震荡区。

作为本方案的优选：反波导层设置在上波导层上，且位于条形震荡区的两侧。

作为本方案的优选：反波导层上设置有绝缘膜层。

作为本方案的优选：上金属化层顶面上设置有p面电极。

作为本方案的优选：衬底底面上设置有n面电极。

一种具有反波导层的半导体激光器的制造方法，包括有以下步骤：

a、在衬底上依次外延生长半导体激光器结构，从下至上包括：下限制层，下波导层，量子阱层，上波导层，上限制层，上金属化层；

b、进行第一次光刻，制作条形震荡区（8），制作的方法为干法刻蚀或湿法刻蚀，刻蚀深度介于上波导层与上限制层范围内，以上波导层和上限制层交接处附近为佳，最大刻蚀深度控制为不超过量子阱层上方；

c、进行第二次光刻，在条形震荡区两侧制作反波导层；

d、在反波导层上制作sio2或si3n4绝缘膜层，制作方法为等离子化学气相沉积；

e、进行第三次光刻，刻蚀sio2或si3n4绝缘层薄膜，在条形震荡区上形成电极注入窗口；

f、在上金属化层顶面制作p面电极，制作方法为电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜；

g、对衬底底面减薄、抛光，然后在衬底底面制作n面电极；

h、解理成激光器，结构为单管或bar条；

i、前腔面镀增透膜，对激光波长反射率值在1%-10%；后腔面镀高反膜，对激光波长反射率值在90%-99.9%；

j、将激光器焊接到热沉，压焊电极引线，完成制作。

作为本方案的优选：步骤c中，反波导层的材料为金属锗（ge，折射率n≈5）或其他折射率大于3的高折射率材料。

作为本方案的优选：步骤c中，反波导层的制作方法采用溅射或沉积的方法。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方法中在半导体激光器中引入反波导层结构，能够有效抑制高阶模，使条形震荡区在较大的工作电流下仍然保持较少的低阶模式，实现激光器的高亮度激光输出。因此提高了激光器的效率和功率，也保持了高光束质量，从而达到高亮度激光输出的良好结果。并且该反波导层结构是通过蒸发或溅射的方法制作，成本和加工难度较低。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的三维结构示意图。

图中，1为衬底，2为下限制层，3为下波导层，4为量子阱层，5为上波导层，6为上限制层，7为上金属化层，8为条形震荡区，9为反波导层，10为绝缘膜层，11为p面电极，12为n面电极，13为前腔面，14为后腔面。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本方案的结构如图1所示：

本方案包括有衬底、外延层、侧相反波导层、前腔面和后腔面；外延层设置在衬底顶面上；前腔面设置在衬底的一侧面上；所述后腔面设置在前腔面对侧的衬底侧面上；外延层上设置有凸出的条形震荡区；条形震荡区的两侧中，至少有一侧设置有反波导层；反波导层设置在外延层上。外延层包括有依次从下至上排布的下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层、上金属化层；所述上波导层、上限制层、上金属化层组成条形震荡区。反波导层设置在上波导层上，且位于条形震荡区的两侧。反波导层上设置有绝缘膜层。上金属化层顶面上设置有p面电极。衬底底面上设置有n面电极。

实施例：本发明实施例如图1、图2所示，以宽条半导体激光器为例，制备具有反波导层结构的半导体激光器的方法包括以下步骤：

1、在衬底（1）上依次外延生长半导体激光器结构，包括：下限制层（2），下波导层（3），量子阱层（4），上波导层（5），上限制层（6），上金属化层（7）。

2、在衬底上进行第一次光刻，制作条形震荡区（8），制作的方法为干法刻蚀或湿法刻蚀。刻蚀深度介于上波导层（5）与上限制层（6）范围内，以上波导层和上限制层交接处附近为佳，最大刻蚀深度控制为不超过量子阱层（4）上方。

3、进行第二次光刻，制作反波导层（9），制作方法为溅射或沉积，反波导层材料为金属锗（ge，折射率n≈5），部位是条形震荡区两侧，材料厚度为10nm-300nm。

4、制作sio2（或si3n4）绝缘膜层（10），制作方法为等离子化学气相沉积。

5、进行第三次光刻，刻蚀sio2（或si3n4）绝缘层薄膜，在条形震荡区上形成电极注入窗口。

6、制作p面电极（11），电极材料为ti/pt/au，制作方法包括但不限于电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜。

7、衬底n面减薄、抛光。

8、制作n面电极（12），电极材料为ni/auge/au。

9、解理成激光器，结构包括但不限于单管、bar条；

10、前腔面镀增透膜（13），对激光波长反射率值在1%~10%，后腔面镀高反膜（14），对激光波长反射率值在90%~99.9%。

11、激光器焊接到热沉，压焊电极引线。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。