二阶光栅面发射半导体激光器及其制备方法

本发明涉及面发射半导体激光器，尤其涉及一种二阶光栅面发射半导体激光器及其制备方法。

背景技术：

1、高功率固体激光器在国防及工业中应用广泛，如弹道导弹防御、战术防空、舰船自卫等；还可用于焊接、切割表面处理等领域。半导体激光器作为高功率固体激光器的泵浦源应具备输出功率高、温漂系数小、工作波长稳定、窄线宽的特点。

2、现阶段商用单发射腔半导体激光器受限于光学灾变损伤，出光功率低，线宽一般在3～4nm，并且工作波长随着温度漂移较大，难以满足国防和工业生产中的应用。因而，制备单个发光区具有高输出功率、窄线宽和温漂系数较小的半导体激光器泵浦源芯片，可以为高功率固体激光器与光纤激光器在国防和工业中的应用带来颠覆性的应用潜力，大幅度提升使用效费比。

3、一般作为泵浦源的半导体激光器通常以多个发射腔排成单巴条、单叠阵或面阵等形式以实现高功率输出。高功率导致侧向光场模式限制变弱，单发射腔半导体激光器快慢轴光场分布不均衡；激光线阵慢轴方向上千倍衍射极限，光束质量变差，需采用光学整形如空间合束、波长合束和偏振合束等技术；然而，昂贵的精密光束整形系统和高装调难度大幅增加了激光器的加工制作成本，且合束技术会导致空间体积庞大，稳定性差，可靠性低等问题，提高了激光器加工制作成本，制约了边发射器件的市场竞争力。

4、为了解决这一难题，近年来研制出基于二阶曲面光栅的面发射分布反馈半导体激光器，光子沿腔长方向作稳定反馈震荡，垂直芯片表面耦合出光，表面发射损耗引起主模式和最低阶次模式间存在大的阈值增益差，能够消除模式简并，实现单波长激射，具有发散角小、光束质量高、线宽窄、温漂小的特性。然而，目前基于二阶曲面光栅的面发射分布反馈半导体激光器存在注入电流不均匀、大面积电子束光刻光栅结构引入缺陷、拼接误差等问题，且曲线形式的二阶光栅制备难度大，器件可重复性差。在连续高功率下，二阶曲面光栅热膨胀会产生畸变，导致发散角变大，不适合大规模的生产制备。基于表面直线型二阶光栅的面发射分布反馈半导体激光器采用掩埋结构，制备直线型二阶光栅需要用到复杂且昂贵的二次外延生长技术及电子束光刻技术，工艺难度大，成本高昂，限制了其推广和应用。

5、因此，如何既能保证工艺简单又能实现高功率、工作稳定的二阶光栅面发射分布反馈激光器是现在亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种二阶光栅面发射半导体激光器及其制备方法，通过光栅发光区与双增益区的结构设计，并结合光栅发光区的无源化处理实现半导体激光器的高功率输出，此外，由于二阶直线型光栅无需采用二次外延生长及电子束光刻技术，极大的降低了工艺难度和制作成本。

2、本发明提供的二阶光栅面发射半导体激光器，包括衬底层，在衬底层的上表面依次生长有缓冲层、n型包层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型包层和盖层，在衬底层的下表面制备有n型电极，n型电极未覆盖衬底层的区域为出光口，在衬底层的下表面对应于出光口的位置蒸镀高增透膜；对应于出光口的位置从盖层向下刻蚀至部分p型波导层形成脊波导，在脊波导上制备p型电极，在脊波导的解理面蒸镀高反射膜，对暴露的p型波导层部分进行刻蚀形成二阶直线型光栅，采用量子阱内混工艺对二阶直线型光栅进行无源化处理，以减少对衍射光子的吸收，提高反射和衍射效率。

3、本发明提供的二阶光栅面发射半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

4、s1、在衬底层的上表面依次生成缓冲层、n型包层、n型波导层、有源层、p型波导层、p型包层和盖层形成外延片；其中，外延片的中间区域为光栅发光区，光栅发光区的两侧为增益区；

5、s2、采用丙酮、甲醇、异丙醇对外延片进行标准清洗，在盖层上对应于两个增益区的位置制备量子阱混杂抑制介质膜；

6、s3、在量子阱混杂抑制介质膜与暴露的盖层上整体制备量子阱混杂诱导介质膜；

7、s4、将制备有量子阱混杂诱导介质膜、量子阱混杂抑制介质膜的外延片放入快速退火炉中进行高温快速热退火处理；其中，量子阱混杂抑制介质膜对所覆盖的增益区起到保护作用，使增益区对激射波段无影响，量子阱混杂诱导介质膜对所覆盖的光栅发光区起到诱导作用，将光栅发光区的量子阱诱导成对激射波段无吸收；

8、s5、对应于光栅发光区的位置，从盖层向下刻蚀至部分p型波导层形成脊波导；

9、s6、通过紫外光刻机对暴露的p型波导层进行光刻，利用位移泰伯效应曝光制备二阶直线型光栅；

10、s7、在脊波导上通过刻蚀氧化硅工艺开电极条，再通过磁控溅射工艺制备p型电极；

11、s8、对衬底层的下表面进行减薄，并在避开光栅发光区的位置制备n型电极，对应于光栅发光区的位置形成出光口。

12、优选地，量子阱混杂诱导介质膜的热膨胀系数小于外延片的热膨胀系数，量子阱混杂抑制介质膜的热膨胀系数大于外延片的热膨胀系数。

13、优选地，量子阱混杂诱导介质膜为通过磁控溅射方式与等离子体化学气相沉积方式结合形成的ti与sio2的复合膜层，所述量子阱混杂抑制介质膜为通过电子束蒸镀方式制备的sio2膜或磁控溅射方式制备的tio2膜。

14、优选地，高温快速热退火的退火温度为650℃～925℃，退火时间为1～2分钟。

15、优选地，在步骤s2中，利用电子束蒸发方式在盖层上生长量子阱混杂抑制介质膜，再通过光刻方式将量子阱混杂抑制介质膜对应于光栅发光区的部分刻蚀掉。

16、优选地，在步骤s5中，先将量子阱混杂抑制介质膜与量子阱混杂诱导介质膜刻蚀掉，再从盖层向下刻蚀至部分p型波导层形成脊波导。

17、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

18、(1)光栅发光区配合双增益区的结构设计结合光栅发光区无源化处理技术实现高功率输出：

19、采用中间为光栅发光区两侧为增益区的结构，通过适当提高增益区宽度，实现光栅发光区更高的激光功率。对光栅发光区的二阶直线型光栅做无源化处理，即利用量子阱内混工艺，使阱和垒间组分原子发生互扩散，光栅区域的量子阱从方势阱变成余弦势阱，增大带隙结构，降低二阶直线型光栅对衍射光子的吸收，提高反射和衍射效率。两个增益区解理面制备高反射膜(大于99.9％)，衬底面制备高增透膜(99.95％)，提高增益效率。此外，该激光器结构无腔面，理论上能够承载高功率和高损伤阈值。

20、(2)二阶直线型光栅向增益区提供光反馈优化线宽特性和温漂：

21、增益区的激射波长是通过二阶直线型光栅在波导中产生特定波段的反射来实现的，通过调控二阶直线型光栅的具体参数，可选择性的对增益区特定波长进行激射，有利于窄化线宽；同时，两个增益区提供谐振反射，对激射波长进行锁定，稳定波长和温漂。

22、(3)周期性衍射结构垂直耦合出光减小发散角：

23、光栅发光区采用二阶直线型光栅，激光器横向增益振荡，垂直耦合出光，表面激射，光束发散角小，有效改善激光器光束质量，降低装调难度。

24、(4)图形化电极及大出光面积提高可靠性：

25、采用图形化电极有效抑制热透镜效应产生的自聚焦和电子涨落引起的光丝效应与空间烧孔效应，为激光器稳定工作提供保障。在二阶直线型光栅上进行衍射，大面积光栅区域出光，增大出光面积和模式体积，避免光学灾变损伤。芯片n面(衬底面)激射，实现表面出光，便于封装和散热。

26、(5)利用位移泰伯效应(displacement talbot effect,dtl)曝光制备发光区衍射结构，降低工艺难度和成本：

27、利用紫外光刻机的dtl曝光替代常规的电子束微纳光栅制备，实现发光区大面积无误差的二阶衍射光栅；在p面制备表面光栅结构，无需复杂且昂贵的二次外延生长技术和电子束光刻技术，降低工艺难度和成本。