一种具有腔面滤波结构的半导体激光器及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有腔面滤波结构的半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器。

背景技术：

1、半导体激光器是信息光电子器件的核心元器件，已被广泛应用于光存储、激光显示、工业激光和医疗设备等领域，可见波段650nm半导体激光器凭借其良好的光束质量、出色的性价比和高效的光电转换率，已被广泛用于激光指示设备、激光加工设备、光学传感装置、光通信设备和医疗器械中，光束质量成为半导体激光器器件研发和产业技术开发的热点。传统脊波导半导体激光器因其结构限制和光场压缩等效应的影响，致使其输出光束呈多个模式，导致器件输出光束质量差，不便于其在光纤耦合、光通信等方面的应用。

2、针对以上问题，现有设计主要为两种：一是在激光器内部设置模式滤波结构，补偿或减少激光器谐振时的高阶模式，二是在激光器前后腔面增加精细结构进行激光输出滤波。在激光器内部设置滤波结构将会增加激光器谐振损耗，降低激光器电流密度，进而大大降低激光器效率。传统的腔面滤波结构尺寸较小，对光刻和加工精度要求较高。

3、中国专利文献cn101895059b公开了一种带有模式滤波器的高亮度条形半导体激光器的制作方法，在传统条形激光器的基础上，外延片p面上光刻出模式滤波器区，实现半导体激光器光斑整形及匀化的装置，使条形半导体激光器实现低发散角、高光束质量的高亮度光束传输。其模式滤波区长为50-500um，宽为4-200um；模式滤波器区被刻蚀深度为0.3-1um；在整个做光刻图形的激光器外延片上溅射0.2-0.35um厚的掩蔽膜。虽然此设计理论上借助大范围滤波结构对光束模式进行整形，但是大片深刻刻蚀区域会增加后道封装电极焊接难度。因刻蚀面较大，后道管芯焊接工艺时脊两侧无承载结构，封装受力较大，封装损坏风险较高，会严重降低激光器良率。且大面积的滤波结构可能会对激光器谐振光场产生负面影响，降低激光器谐振效率，因此并不能从根本上解决量产半导体激光器光斑优化的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种具有腔面滤波结构的半导体激光器，能够对激光器中的高阶光场进行滤除，同时通过光刻方案设计和加工工艺满足滤波要求，可以有效提高基模输出纯净度，优化光斑质量，而且结构尺寸小，不会影响激光器阈值与后道封装工艺难度。

2、本发明还提供上述具有腔面滤波结构的半导体激光器的制备方法。

3、本发明的技术方案如下：

4、一种具有腔面滤波结构的半导体激光器，包括由下而上依次设置的衬底、n限制层、n波导层、量子阱有源层、p波导层和p限制层，其中，

5、p限制层上并排设置有2个肩槽，肩槽底部设置在p限制层内，不贯穿整个p限制层，2个肩槽中间的p限制层为脊波导，肩槽外侧的p限制层为肩部，脊波导上设置有欧姆接触层，肩部表面设置有绝缘层，欧姆接触层和肩槽内未覆盖绝缘层的部分上设置有p面金属层，激光器的前腔面和后腔面上均并列设置有若干弧形槽，弧形槽贯穿n限制层、n波导层、量子阱有源层、p波导层和p限制层。弧形槽切断有源区和波导层，这样能有效提高材料折射率差值，增强过滤作用，有效的改善光斑质量。

6、脊波导位于p限制层内，不横穿整个p限制层，在p限制层的两侧，脊波导与肩部之间的肩槽消失，脊波导与肩部连接为一个整体结构，成为传输区，传输区的激光器腔面上设置有弧形槽，若干弧形槽形成了激光器腔面处的周期滤波结构。

7、半导体激光器在脊波导区域产生的光场模式一般为多横模输出，而激光器输出光包含模式越多，得到的远场光斑质量越差。在脊宽度限制较好的情况下，脊波导本身仅能支持基横模，其余模式存在高损耗，抑制震荡输出。然而随着注入电流的增大，电流的扩展分布会展宽脊波导的有效增益区域，最终无法抑制高阶模式，形成多模光输出引起光斑劣化。本发明在半导体激光器腔面处增加滤波，避免了腔内增加结构导致的腔内损耗，影响激光器阈值和效率；可以用最小的结构改变，实现光场的模式滤波并不受电流的影响，有利于激光器维持良好工作条件。

8、根据本发明优选的，激光器的前腔面和后腔面上的弧形槽对称设置，激光器制备完成解理后，等长的位于激光器前腔面和后腔面，可以减少镀膜工艺进行前后腔面区分的难度和生产工艺难度。

9、根据本发明优选的，弧形槽的直径为50-500nm，弧形槽之间的距离为50-500nm，数量为50-5000。弧形槽的直径和距离可以根据实际激光器脊波导的尺寸设计和加工工艺进行调整，根据波导理论分析，圆柱深槽的直径和距离越小，对模式的调节作用越强，但同时对刻蚀工艺和光刻套刻对准工艺的精度要求越高。

10、根据本发明进一步优选的，弧形槽的直径为200nm，弧形槽之间的距离为200nm，数量为500。

11、根据本发明优选的，绝缘层材质为sio2或si3n4等透明绝缘介质。

12、上述具有腔面滤波结构的半导体激光器的制备方法，步骤如下：

13、(1)采用mocvd法在衬底上依次生长n限制层、n波导层、量子肼有源区、p波导层、p限制层和欧姆接触层；

14、(2)通过光刻技术、蚀刻技术形成肩槽、肩部和脊波导；

15、(3)通过光刻技术、蚀刻技术在解理位置处刻蚀圆柱深槽；

16、(4)通过pecvd技术生长绝缘层；

17、(5)采用光刻、腐蚀或者剥离的方式去掉脊波导上的绝缘层，为下一步的p面欧姆接触留出接触区域；

18、(6)采用蒸镀或者其他方式制备p面金属，然后采用剥离或腐蚀方式去掉激光器边缘位置多余金属；

19、(7)进行衬底减薄、制备背面金属和合金处理，形成半导体激光器的集成板，然后进行解理，圆柱深槽一分为二，形成激光器前腔面和后腔面上的弧形槽，半导体激光器制备完成。

20、本发明的有益效果在于：

21、1、本发明能够对激光器中的高阶光场进行滤除，同时通过光刻方案设计和加工工艺满足滤波要求，可以有效提高基模输出纯净度，优化光斑质量，而且结构尺寸小，不会影响激光器阈值与后道封装工艺难度。

22、2、本发明的远场光斑基模可以通过弧形槽的直径、距离与刻蚀技术进行随意调控。

技术特征：

1.一种具有腔面滤波结构的半导体激光器，其特征在于，包括由下而上依次设置的衬底、n限制层、n波导层、量子阱有源层、p波导层和p限制层，其中，

2.如权利要求1所述的具有腔面滤波结构的半导体激光器，其特征在于，激光器的前腔面和后腔面上的弧形槽对称设置。

3.如权利要求1所述的具有腔面滤波结构的半导体激光器，其特征在于，弧形槽的直径为50-500nm，弧形槽之间的距离为50-500nm，数量为50-5000。

4.如权利要求3所述的具有腔面滤波结构的半导体激光器，其特征在于，弧形槽的直径为200nm，弧形槽之间的距离为200nm，数量为500。

5.如权利要求1所述的具有腔面滤波结构的半导体激光器，其特征在于，绝缘层材质为sio2或si3n4。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的具有腔面滤波结构的半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结
本发明涉及一种具有腔面滤波结构的半导体激光器及其制备方法，激光器包括由下而上依次设置的衬底、N限制层、N波导层、量子阱有源层、P波导层和P限制层，其中，P限制层上并排设置有2个肩槽，2个肩槽中间的P限制层为脊波导，肩槽外侧的P限制层为肩部，脊波导上设置有欧姆接触层，肩部表面设置有绝缘层，欧姆接触层和肩槽内未覆盖绝缘层的部分上设置有P面金属层，激光器的前腔面和后腔面上均并列设置有若干弧形槽，弧形槽贯穿N限制层、N波导层、量子阱有源层、P波导层和P限制层。本发明能够对激光器中的高阶光场进行滤除，可以有效提高基模输出纯净度，优化光斑质量，而且结构尺寸小，不会影响激光器阈值与后道封装工艺难度。

技术研发人员：张晓东,吴德华,张秀萍
受保护的技术使用者：山东华光光电子股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15