一种激光器及其制备方法与流程

本申请涉及半导体器件，具体而言，涉及一种激光器及其制备方法。

背景技术：

1、半导体激光器又名激光二极管，是一种使用半导体材料作为增益物质的激光器。半导体激光器因具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，近年来，大功率宽条半导体激光器更是被关注。

2、大功率宽条半导体激光器的发展方向是单个芯片在保持出光区宽度不变的前提下提高激光的出光功率和减小激光的横向发散角。提高激光的出光功率需要提高芯片外量子效率和出光面镀膜质量，减小激光的横向发散角则需要抑制半导体激光器腔内的高阶横模。半导体激光器的横向切面上有波导结构，该横向波导结构可以支持特定分布的光场在其中沿着轴向传播而不发生分布上的变化，这样的光场分布被称为激光器的横模。横向波导越宽，激光器工作时横向波导高低折射率区域的等效折射率差越大，该波导能支持的横模的数量就越多，高阶横模的发散角比低阶横模更大。因此宽条半导体激光器对应的宽波导使得其腔内有众多的横模在同时激射，增加了其出射光束的横向发散角。现有技术中降低宽条半导体激光器横向发散角的方法集中于在波导边缘设置扰模结构以增加高阶横模的损耗达到抑制其激射的效果，但是这样的结构也会同时给低阶横模带来额外损耗降低器件的工作效率。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种激光器及其制备方法，能够在不影响器件的工作效率的情况下抑制高阶横模的出射，从而减小器件出光的横向发散角。

2、本申请的实施例一方面提供了一种激光器，包括衬底以及依次设置于衬底上的第一波导层、有源层、第二波导层、接触层和电极层，电极层上沿第一方向的相对两侧分别设置条形槽，条形槽沿第二方向延伸，且条形槽的槽底延伸至第二波导层，条形槽底部填充有折射率调节材料，折射率调节材料在有源层发光波长下的折射率大于第二波导层的折射率，第一方向与第二方向垂直。折射率调节材料能够抬高第二波导层所在平面两侧的折射率，从而降低第二波导层所在平面的折射率差，进而抑制高阶横模的出射，减小激光器出光的横向发散角。

3、作为一种可实施的方式，折射率调节材料的部分与第二波导层同层或者全部与第二波导层同层，以提高激光器制备过程中的容忍度。

4、作为一种可实施的方式，折射率调节材料与第二波导层同层的厚度与第二波导层的厚度之比0.05-1之间，使得折射率调节材料能够更进一步的抬高第二波导层所在的平面两侧的折射率。

5、作为一种可实施的方式，折射率调节材料与第二波导层部分同层，条形槽的深度在0.5-3μm之间，在保证对折射率调整的基础上，降低激光器制备的工艺难度。

6、作为一种可实施的方式，条形槽的宽度在10-50μm之间，使得折射率调节材料具有较宽的宽度，有利于折射率调节材料对第二波导层所在平面两侧的折射率的抬高。

7、作为一种可实施的方式，折射率调节材料上还填充有导电材料，导电材料与条形槽的侧壁以及折射率调节材料之间还设置有绝缘层，导电材料与电极层同层沉积作为激光器的电连接件。

8、作为一种可实施的方式，折射率调节材料为介质材料或者本征半导体材料，避免电流通过折射率调节材料向外扩散而降低激光器的发光效率。

9、作为一种可实施的方式，折射率调节材料为本征硅，和/或，本征锗，本征硅和本征锗同时具有较高的绝缘性和较大的折射率，而且比较容易获得。

10、作为一种可实施的方式，第一波导层为n波导层，第二波导层为p波导层，衬底与n波导层之间还设置有缓冲层和n包覆层，缓冲层与衬底接触，p波导层与接触层之间还设置有p包覆层。将第一波导层设置为n波导层，第二波导层设置为p波导层，这样可以使得激光器的衬底也设置为n型，降低了器件整体的电阻，同时也使得有源层远离衬底一侧的部分厚度可以降低，提高了倒装焊后激光器的散热能力。其中，n包覆层的折射率小于n波导层，以在n波导层靠近n包覆层的一侧形成全反射；同样,p包覆层的折射率小于p波导层，以在p波导层靠近p包覆层的一侧形成全反射，缓冲层用于减轻衬底与n包覆层之间的晶格失配和热失配。

11、本申请的实施例另一方面提供了一种激光器的制备方法，用于制备上述激光器，包括提供半导体外延片，半导体外延片包括衬底以及依次设置于衬底上的第一波导层、有源层、第二波导层和接触层；由接触层沿第一方向的相对两侧向衬底的方向开设条形槽，条形槽沿第二方向延伸，且条形槽的槽底延伸至第二波导层，在条形槽内填充有折射率调节材料，其中，至少一部分折射率调节材料与第二波导层同层；在条形槽内设置绝缘层，绝缘层覆盖折射率调节材料的上表面和条形槽的侧壁；在接触层上沉积金属材料形成电极层，金属材料填充条形槽。

12、本申请实施例的有益效果包括：

13、本申请提供的激光器，包括衬底以及依次设置于衬底上的第一波导层、有源层、第二波导层、接触层和电极层，电极层上沿第一方向的相对两侧分别设置条形槽，条形槽沿第二方向延伸，且条形槽的槽底延伸至第二波导层，条形槽底部填充有折射率调节材料，使得在第二波导层所在的平面内，有两种材料，折射率调节材料在有源层发光波长下的折射率大于第二波导层的折射率，第一方向与第二方向垂直，当激光器工作时，器件内部会产生大量的热量，从而使得激光器内部温度上升。由于激光器的边缘相较中心部分有更多的散热路径，从而导致器件中心位置温度高于边缘，根据半导体材料温度与折射率的关系，温度越高折射率越大，从而使得器件中心位置的基模等效折射率与条形槽内的基模等效折射率差异继续增大，折射率调节材料在有源层发光波长下的折射率大于第二波导层的折射率，折射率调节材料的较大的折射率能够抬高两侧的基模的等效折射率，从而降低器件中心位置的基模等效折射率与条形槽内的基模等效折射率差，从而降低横向波导结构能够支持的激光的模式，从而减小激光器出射激光的横向发散角。

技术特征：

1.一种激光器，其特征在于，包括衬底以及依次设置于所述衬底上的第一波导层、有源层、第二波导层、接触层和电极层，所述电极层上沿第一方向的相对两侧分别设置条形槽，所述条形槽沿第二方向延伸，且所述条形槽的槽底延伸至所述第二波导层，所述条形槽底部填充有折射率调节材料，所述折射率调节材料在所述有源层发光波长下的折射率大于所述第二波导层的折射率，所述第一方向与所述第二方向垂直。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述折射率调节材料的部分与所述第二波导层同层或者全部与所述第二波导层同层。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于，所述折射率调节材料与所述第二波导层同层的厚度与所述第二波导层的厚度之比0.05-1之间。

4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述折射率调节材料与所述第二波导层部分同层，所述条形槽的深度在0.5-3μm之间。

5.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，所述条形槽的宽度在10-50μm之间。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述折射率调节材料上还填充有导电材料，所述导电材料与所述条形槽的侧壁以及折射率调节材料之间还设置有绝缘层，所述导电材料与所述电极层同层沉积作为所述激光器的电连接件。

7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述折射率调节材料为介质材料，或者本征半导体材料。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，所述折射率调节材料为本征硅，和/或，本征锗。

9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一波导层为n波导层，所述第二波导层为p波导层，所述衬底与所述n波导层之间还设置有缓冲层和n包覆层，所述缓冲层与所述衬底接触，所述p波导层与所述接触层之间还设置有p包覆层。

10.一种激光器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-9任一项所述的激光器，包括：

技术总结
本申请公开了一种激光器及其制备方法，涉及半导体器件技术领域，本申请的激光器，包括衬底以及依次设置于衬底上的第一波导层、有源层、第二波导层、接触层和电极层，电极层上沿第一方向的相对两侧分别设置条形槽，条形槽沿第二方向延伸，且条形槽的槽底延伸至第二波导层，条形槽底部填充有折射率调节材料，折射率调节材料在有源层发光波长下的折射率大于第二波导层的折射率，第一方向与第二方向垂直。本申请提供的激光器及其制备方法，能够在不影响器件的工作效率的情况下抑制高阶横模的出射，从而减小器件出光的横向发散角。

技术研发人员：赵桑之,周德来
受保护的技术使用者：深圳市柠檬光子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15