一种激光器及其制造方法与流程

本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种激光器及其制造方法。

背景技术：

大功率半导体激光器具有体积小、效率高、易于集成等优点，目前已经被广泛应用于测距、照明、印刷、材料处理、机械加工和医疗卫生等领域。灾变光学镜面损伤(catastrophicopticalmirrordamage,comd)是大功率激光器的一种主要的失效方式，提高comd电流阈值可以有效的提高半导体激光器的输出光功率以及可靠性。

comd失效主要是由芯片的端面对激光的吸收产生的热效应引起的，反射光进入激光腔内带来的扰动更会增加comd失效的几率。对于脊波导结构的大功率半导体激光器，虽然可以通过增加波导宽度来增加激光器的输出功率，但是波导宽度的增加会引起波导模式数量的增加，由于波导模式之间存在着激射的竞争，因而更高数目波导模式的激光腔更容易受反射光干扰，使得激光器也更容易发生comd失效。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种激光器及其制造方法，用以实现在不降低高功率激光器输出光功率的同时，提高激光器的comd电流阈值，增强激光器工作的稳定性。

本申请实施例第一方面提供了一种激光器，包括：衬底，所述衬底上自下而上依次设置有第一限制层、量子阱和第二限制层；脊形成层，设置在所述第二限制层上，所述脊形成层包括多个波导结构，所述多个波导结构阵列式分布；欧姆接触层，设置在所述脊形成层的脊区上表面；绝缘层，设置在所述脊形成层的脊区侧面以及所述脊形成层的沟槽区；金属层，设置在所述欧姆接触层和所述绝缘层上。

于一实施例中，所述波导结构为掩埋波导，由光场限制层构成，所述光场限制层的折射率不等于所述脊形成层的折射率，所述光场限制层设置在所述第二限制层和所述脊形成层之间，位于所述脊区内。

于一实施例中，所述激光器的第一端面设置有高反膜，所述高反膜的反射率高于80％，所述激光器的第二端面设置有低反膜，所述低反膜的反射率低于15％。

于一实施例中，所述波导结构为脊形波导，所述脊形波导的脊条宽度不大于50μm。

于一实施例中，所述波导结构为锥形脊波导，所述波导结构在所述第一端面的脊条宽度小于所述波导结构在所述第二端面的脊条宽度。

于一实施例中，所述多个脊形波导阵列式分布，所述波导结构为直脊波导，所述多个波导结构相互平行设置。

于一实施例中，相邻两个所述波导结构之间的间隔距离的范围为1μm至15μm。

于一实施例中，所述波导结构的长度范围为500μm至6mm。

本申请实施例第二方面提供了一种激光器制造方法，包括：在衬底上依次生长第一限制层、量子阱、第二限制层、脊形成层和欧姆接触层；通过刻蚀所述脊形成层和所述欧姆接触层得到沟槽区，相邻所述沟槽区之间有凸起的脊区，形成脊形波导；在所述脊形成层的脊区侧面以及所述脊形成层的沟槽区上沉积绝缘层；在所述绝缘层和所述欧姆接触层上生长金属层。

于一实施例中，所述在衬底上依次生长第一限制层、量子阱、第二限制层、脊形成层和欧姆接触层，包括：在衬底上依次生长第一限制层、量子阱、第二限制层和光场限制层；在所述光场限制层上光刻出掩膜图形，通过干法刻蚀或湿法腐蚀将所述掩膜图形转移到所述光场限制层，以使所述光场限制层具有阵列式分布的波导结构；在所述光场限制层上依次生长脊形成层和欧姆接触层。

本申请通过制备少模波导阵列来实现和单根宽波导器件同样的输出光功率，同时使器件具有比传统单根宽波导器件更高的comd电流阈值及更好的可靠性。由于少模波导阵列中单根波导的宽度明显减小，而波导模式的数量又与波导宽度直接相关，因此单根波导内的波导模式数量明显减少，使激光器内的光场分布更稳定，更不容易受反射光影响，同时少模波导阵列的总波导面积没有减少，也不是必须采用单模波导的外延结构，因此器件仍然可以保持较高的输出光功率，波导间的间隔还有利于器件散热性能的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例的激光器的剖面结构示意图；

图2为本申请另一实施例的激光器的剖面结构示意图；

图3a为本申请另一实施例的激光器的剖面结构示意图；

图3b为本申请另一实施例的激光器的剖面结构示意图；

图4为本申请一实施例的激光器的波导结构示意图；

图5为本申请另一实施例的激光器的波导结构示意图；

图6为本申请一实施例的激光器制造方法的流程示意图；

图7为本申请一实施例的激光器制造过程结构示意图；

图8为本申请另一实施例的激光器制造过程结构示意图；

图9为本申请另一实施例的激光器制造方法的流程示意图。

附图标记：

100-激光器，101-第一端面，102-第二端面，103-高反膜，104-低反膜，110-衬底，120-第一限制层，130-量子阱，140-第二限制层，150-脊形成层，151-波导结构，152-脊区，153-沟槽区，160-光场限制层，170-欧姆接触层，180-绝缘层，190-金属层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“配置为”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。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申请中的具体含义。

请参看图1，其为本申请一实施例的激光器100的剖面结构示意图。包括：衬底110、第一限制层120、量子阱130、第二限制层140、脊形成层150、光场限制层160、欧姆接触层170、绝缘层180和金属层190。其中，第一限制层120、量子阱130和第二限制层140自下而上依次设置在衬底110上，脊形成层150设置在第二限制层140上，可分为两个沟槽区153，以及位于两个沟槽区之间向上凸起的脊区152，脊形成层150包括多个波导结构151，波导结构151阵列式分布，欧姆接触层170设置在脊形成层150的脊区152上表面，绝缘层180设置在脊形成层150的脊区152侧面以及脊形成层150的沟槽区153上，起到电绝缘的作用，于一实施例中，绝缘层180的材料包括但不限于：sinx、sio2、tio2。金属层190设置在欧姆接触层170和绝缘层180上。

于一实施例中，波导结构151为掩埋波导，由光场限制层160构成，光场限制层160设置在第二限制层140和脊形成层150之间，位于脊形成层150的脊区152内，光场限制层160的折射率不等于脊形成层150的折射率。由于光会沿着折射率较高的介质传播，当光场限制层160的折射率大于脊形成层150的折射率时，光在光场限制层160的区域内传播，形成多个波导结构151。于一实施例中，当光场限制层160的折射率小于脊形成层150的折射率时，光在脊形成层150区域内传播。

于一实施例中，激光器100的材料体系包括但不限于：inp、gaas、gan、gasb。

于一实施例中，激光器100的材料体系可以为algaas/gaas，光场限制层160的材料可以是al组分比脊形成层150材料的al组分含量低的algaas材料，此时光场限制层160的折射率大于脊形成层150的折射率，波导结构151为光场限制层160区域。

如图2所示，其为本申请另一实施例的激光器100的剖面结构示意图。包括：衬底110、第一限制层120、量子阱130、第二限制层140、脊形成层150、光场限制层160、欧姆接触层170、绝缘层180和金属层190。其中，光场限制层160位于脊形成层150的脊区152内，光场限制层160的折射率低于脊形成层150的折射率，光在脊区152内除光场限制层160以外的区域内传播，形成多个波导结构151。

于一实施例中，激光器100的材料体系可以为algaas/gaas，光场限制层160的材料可以是al组分比脊形成层150材料的al组分含量高的algaas材料，此时光场限制层160的折射率小于脊形成层150的折射率，波导结构151为脊区152内除光场限制层160以外的区域。

如图3a所示，其为本申请另一实施例的激光器100的剖面结构示意图。包括：衬底110、第一限制层120、量子阱130、第二限制层140、脊形成层150、欧姆接触层170、绝缘层180和金属层190。其中，第一限制层120、量子阱130、第二限制层140、脊形成层150和欧姆接触层170自下而上依次设置在衬底110上。

脊形成层150包括多个波导结构151，波导结构151阵列式分布，波导结构151为脊形波导，脊形波导的脊条宽度不大于50μm。脊形成层150中凸起的脊条区域为脊区152，光在脊区152内传播，除脊区152以外被刻蚀掉的区域为沟槽区153。

欧姆接触层170设置在脊形成层150的脊区152上表面，绝缘层180设置在脊形成层150的脊区152侧面以及脊形成层150的沟槽区153上，起到电绝缘的作用，于一实施例中，绝缘层180的材料包括但不限于：sinx、sio2、tio2。金属层190设置在欧姆接触层170和绝缘层180上。

如图3b所示，于一实施例中，脊形成层150可划分为多个脊区152和多个沟槽区153，图3b中以两个脊区152和3个沟槽区153为例，可以在脊形成层150中生长光场限制层160，光场限制层160位于脊区152下方，光场限制层160的折射率高于或低于脊形成层150的折射率，光沿着折射率较高的介质传播，从而起到对光场的限制作用。

如图4所示，其为本申请一实施例的激光器100的波导结构示意图。激光器100的第一端面101设置有高反膜103，高反膜103的反射率高于80％，激光器100的第二端面102设置有低反膜104，低反膜104的反射率低于5％。波导结构151为直脊波导，波导结构151的长度l范围为500μm至6㎜，单个波导结构151的脊条宽度w1的范围为5μm至50μm。波导结构151的数量大于或等于2个，多个波导结构151相互平行设置，相邻两个波导结构151之间的间隔距离w2的范围为1μm至15μm。于一实施例中，多个波导结构151的总宽度w的范围为60μm至500μm。于一实施例中，平行设置的多个波导结构151中每个波导结构151的脊条宽度可以相等，也可以不相等。

如图5所示，其为本申请另一实施例的激光器100的波导结构示意图。激光器100的第一端面101设置有高反膜103，高反膜103的反射率高于80％，激光器100的第二端面102设置有低反膜104，低反膜104的反射率低于5％。波导结构151为锥形脊波导，可以减小出射激光的水平发散角。波导结构151在第一端面101处的脊条宽度w3小于波导结构151在第二端面102处的脊条宽度w1。于一实施例中，波导结构151在第二端面102处的脊条宽度w1的范围为5μm至50μm，波导结构151在第一端面101处的脊条宽度w3的范围为2μm至45μm。

相邻两个波导结构151之间的间隔距离沿从第一端面101指向第二端面102的方向逐渐减小，于一实施例中，相邻两个波导结构151在第二端面102处的间隔距离w2的范围为2μm至15μm，相邻两个波导结构151在第一端面101处的间隔距离w4大于在第二端面102处的间隔距离w2，相邻两个波导结构151在第一端面101处的间隔距离w4的范围为3μm至100μm。

如图6所示，其为本申请一实施例的激光器100制造方法的流程示意图，该方法可以用于制造如图3a、图4和图5所示的激光器100。该方法包括如下步骤：

步骤210：在衬底上依次生长第一限制层、量子阱、第二限制层、脊形成层和欧姆接触层。

在上述步骤中，可以采用mocvd(金属有机化合物化学气相沉淀,metal-organicchemicalvapordeposition)、mbe(分子束外延，molecularbeamepitaxy)等外延生长方式在衬底110上依次生长第一限制层120、量子阱130、第二限制层140、脊形成层150和欧姆接触层170，如图7所示。

步骤220：通过刻蚀脊形成层和欧姆接触层得到沟槽区，相邻沟槽区之间有凸起的脊区，形成脊形波导。

在上述步骤中，可以通过干法刻蚀或湿法腐蚀得到沟槽区153，为了使激光器100能够正常出光，保证激光器100的可靠性，不刻蚀到量子阱130。于一实施例中，沟槽区153的数量大于两个，相邻沟槽区之间有凸起的脊区152，以使光在脊区152内传播，形成阵列式分布的脊形波导，如图8所示。

步骤230：在脊形成层的脊区侧面以及脊形成层的沟槽区上沉积绝缘层。

在上述步骤中，可以通过pecvd(等离子体增强化学气相沉积法，plasmaenhancedchemicalvapordeposition)、pvd(物理气相沉积，physicalvapordeposition)、ald(原子层沉积，atomiclayerdeposition)等方式在脊形成层150的脊区152侧面以及脊形成层150的沟槽区153上沉积绝缘层180。绝缘层180的材料包括但不限于：sinx、sio2、tio2。

步骤240：在绝缘层和欧姆接触层上生长金属层。

如图9所示，其为本申请一实施例的激光器100制造方法的流程示意图，该方法可以用于制造如图1、图2和图3b所示的激光器100。该方法包括如下步骤：

步骤310：在衬底上依次生长第一限制层、量子阱、第二限制层和光场限制层。

在上述步骤中，可以采用mocvd(金属有机化合物化学气相沉淀,metal-organicchemicalvapordeposition)、mbe(分子束外延，molecularbeamepitaxy)等外延生长方式在衬底110上依次生长第一限制层120、量子阱130、第二限制层140和光场限制层160。

步骤320：在光场限制层上光刻出掩膜图形，通过干法刻蚀或湿法腐蚀将掩膜图形转移到光场限制层，以使光场限制层具有阵列式分布的波导结构。

在上述步骤中，在光场限制层160上涂上光刻胶，采用光刻技术制作出掩膜图形，该掩膜图形的形状根据所需波导结构151的形状设置。于一实施例中，掩膜图形为阵列式分布的矩形。通过干法刻蚀或湿法腐蚀将掩膜图形转移到光场限制层160，以使所述光场限制层160具有阵列式分布的波导结构151。

步骤330：在光场限制层上依次生长脊形成层和欧姆接触层。

在上述步骤中，可以通过二次外延的方式在光场限制层160上依次生长脊形成层150和欧姆接触层170。光场限制层160的折射率不等于脊形成层150的折射率。

步骤340：通过刻蚀脊形成层和欧姆接触层得到沟槽区，相邻沟槽区之间有凸起的脊区，形成脊形波导。

在上述步骤中，可以通过干法刻蚀或湿法腐蚀得到沟槽区153，为了使激光器100能够正常出光，保证激光器100的可靠性，不刻蚀到量子阱130。于一实施例中，沟槽区153的数量为两个，两个沟槽区153之间有凸起的脊区152，以使光场限制层160恰好全部位于脊区152下方。

步骤350：在脊形成层的脊区侧面以及脊形成层的沟槽区上沉积绝缘层。

在上述步骤中，可以通过pecvd(等离子体增强化学气相沉积法，plasmaenhancedchemicalvapordeposition)、pvd(物理气相沉积，physicalvapordeposition)、ald(原子层沉积，atomiclayerdeposition)等方式在脊形成层150的脊区152侧面以及脊形成层150的沟槽区153上沉积绝缘层180。绝缘层180的材料包括但不限于：sinx、sio2、tio2。

步骤360：在绝缘层和欧姆接触层上生长金属层。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。