阅读说明：本技术 侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法 (Single longitudinal mode edge-emitting laser with lateral photogate oxidation limiting structure and preparation method thereof ) 是由 王岩 罗帅 季海铭 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及光电子器件设计技术领域,尤其涉及一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法,其不同之处在于：其包括N电极层；衬底,设于N电极层上；下盖层,设于衬底上；下波导层,设于下盖层上；有源区,设于下波导层上；脊形条结构,设于有源区上；所述脊形条结构包括：上波导层,设于有源区上；中间高铝组份层,设于上波导层上；上盖层,设于中间高铝组份层上；接触层,设于上盖层上；P电极层,设于接触层上；侧面光栅结构,设于脊形条结构侧部,具有凹槽状的周期结构。本发明有助于电流高效注入、大模式体积基横模的实现,以及低损耗模式选择光栅的实现。(The invention relates to the technical field of photoelectronic device design, in particular to a single longitudinal mode edge emitting laser with a side photogate oxidation limiting structure and a preparation method thereof, wherein the difference is as follows: it includes an N electrode layer; the substrate is arranged on the N electrode layer; a lower cap layer disposed on the substrate; the lower waveguide layer is arranged on the lower cover layer; the active region is arranged on the lower waveguide layer; a ridge stripe structure disposed on the active region; the ridge stripe structure includes: an upper waveguide layer disposed on the active region; the middle high-aluminum component layer is arranged on the upper waveguide layer; the upper cover layer is arranged on the middle high-aluminum component layer; a contact layer disposed on the upper cap layer; the P electrode layer is arranged on the contact layer; and the side grating structure is arranged on the side part of the ridge-shaped strip structure and is provided with a groove-shaped periodic structure. The invention is beneficial to the realization of high-efficiency current injection, large-mode volume-based transverse mode and low-loss mode selection grating.)

侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光电子器件设计技术领域，尤其涉及一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达几十GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面得到了广泛的应用。同时半导体激光器也可以作为高功率应用，如打标，焊接，切割等激光器的泵浦光源。

边发射是指激光出射方向沿着水平方向，即与材料生长方向相垂直。如果沿着生长方向出射，叫做垂直面发射激光器。边发射激光器由于可获得更高的功率、效率及光谱特性，目前普遍应用于通信及泵浦领域。

通常的半导体边发射激光器通过压窄条宽来实现基横模工作，通过在波导层制作复杂的光栅来实现单纵模工作，这种折射率导引结构，电阻率较大，模式水平发散角大，工艺复杂，成品率低。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法，有助于电流高效注入、大模式体积基横模的实现，以及低损耗模式选择光栅的实现。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器，其不同之处在于：其包括N电极层；衬底，设于N电极层上；下盖层，设于衬底上；下波导层，设于下盖层上；有源区，设于下波导层上；

脊形条结构，设于有源区上；所述脊形条结构包括：上波导层，设于有源区上；中间高铝组份层，设于上波导层上；上盖层，设于中间高铝组份层上；接触层，设于上盖层上；P电极层，设于接触层上；

侧面光栅结构，设于脊形条结构侧部，具有凹槽状的周期结构。

按以上技术方案，所述衬底的材料为GaAs或InP，为N型或P型导电；

所述下盖层的材料为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至5X10^18/cm^3，N型或P型导电；

所述下波导层的材料为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至3X10^18/cm^3，N型或P型导电；

所述的有源区为InGaAs/GaAs,InGaAs/AlGaAs,InGaAs/GaAsP多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配；

所述的上波导层的材料为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至3X10^18/cm^3，对应于下波导层为P型或N型导电；

所述上盖层为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至5X10^18/cm^3，P型或N型导电；

所述接触层为P型或N型导电高掺杂GaAs或InGaAs材料，厚度为5nm至200nm，掺杂浓度为1X10^19/cm^3至5X10^19/cm^3。

按以上技术方案，所述中间高铝组份层的材料为AlGaAs或AlInAs；在高温湿氧情况下可形成Al₂O₃绝缘层，由高折射率变为低折射率，用于限制电流和光场。

按以上技术方案，所述侧面光栅结构向脊形条结构内扩展，克隆形成内部光栅。

一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器的制备方法，其特征在于，其步骤为：

步骤1)、在外延材料上，光刻出带侧面光栅的条形图形，并刻蚀外延层过高铝组份层，至上波导层；所述外延材料包括由下至上依次层叠的衬底、下盖层、下波导层、有源区、上波导层、中间高铝组份层、上盖层和接触层；

步骤2)、湿氧氧化：横向氧化中间高铝组份层至所需要的深度；此时中间高铝组份层外侧变成绝缘的氧化铝，同时侧面光栅结构向脊形条结构内扩展，克隆形成内部光栅。

步骤3)、生长绝缘层，并腐蚀出上电极窗口；

步骤4)、光刻及金属剥离形成P电极；

步骤5)、晶片减薄；

步骤6)、蒸发N型电极，退火。

按以上技术方案，所述步骤2)中，利用400～470度高温，利用5∶95的H2和N2混合气体作水蒸气载气，在10m Bar的气压下对高铝组份层进行氧化，使得中间高铝组份层被氧化，中间则形成氧化条，对电流和光场进行限制。

按以上技术方案，所述步骤3)中，所述绝缘层材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度为200～300nm。

按以上技术方案，所述步骤4)中，所述P电极为厚金，厚度在1至3微米，用于改善热特性。

按以上技术方案，所述步骤5)中，晶片减薄到130-150微米。

按以上技术方案，所述步骤6)中，所述N型电极材料利用电子束蒸发AuGeNi/Au合金而成，厚度为100-500nm。

由上述方案，本发明公开的是一种将侧面光栅与氧化限制工艺相结合的单纵模边发射激光器实现的方法，目的是提供一种半导体边发射激光器的低损耗光栅实现方法，利用湿氧氧化形成绝缘区域及低折射率波导区，该方法有助于电流高效注入、大模式体积基横模的实现以及低损耗模式选择光栅的实现。该技术在实现过程中，不需要昂贵的二次外延材料生长以及离子注入技术。

附图说明

图1为本发明实施例激光器的整体结构示意图；

图2为本发明实施例激光器制备方法的流程示意图；

图3为本发明实施例外延材料的结构示意图；

其中：1-接触层、2-上盖层、3-中间高铝组份层(31-Al₂O₃绝缘层)、4-上波导层、5-有源区、6-下波导层、7-下盖层、8-衬底、9-P电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1至图3，本发明一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器，其不同之处在于：其包括N电极层；衬底8，设于N电极层上；下盖层7，设于衬底8上；下波导层6，设于下盖层7上；有源区5，设于下波导层6上；

脊形条结构，设于有源区5上；所述脊形条结构包括：上波导层4，设于有源区5上；中间高铝组份层3，设于上波导层4上；上盖层2，设于中间高铝组份层3上；接触层1，设于上盖层2上；P电极层9，设于接触层1上；

侧面光栅结构，设于脊形条结构侧部，具有凹槽状的周期结构。

主体结构侧壁设有一层绝缘膜(即绝缘层)用于保护。

优选的，所述衬底8的材料为GaAs或InP等，为N型或P型导电；

所述下盖层7的材料为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs等，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至5X10^18/cm^3，N型或P型导电；

所述下波导层6的材料为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs等，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至3X10^18/cm^3，N型或P型导电；

所述的有源区5为InGaAs/GaAs,InGaAs/AlGaAs,InGaAs/GaAsP等多量子阱结构，发射谱中心波长与激光器激射波长相匹配；多量子阱区是一种应变补偿结构，并且折射率高于波导层(包括上波导层4和下波导层6)。

所述的上波导层4的材料为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs等，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至3X10^18/cm^3，对应于下波导层为P型或N型导电；

所述上盖层2为AlGaAs，InGaAs，GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs等，掺杂浓度范围为5X10^17/cm^3至5X10^18/cm^3，P型或N型导电；

所述接触层1为P型或N型导电高掺杂GaAs或InGaAs材料，厚度为5nm至200nm，掺杂浓度为1X10^19/cm^3至5X10^19/cm^3。

优选的，所述中间高铝组份层3的材料为AlGaAs或AlInAs；Al组份为0.95-0.99；在高温湿氧情况下可形成Al₂O₃绝缘层31，由高折射率变为低折射率，由高折射率3(左右)变为低折射率1.75(左右)，用于限制电流和光场。厚度小于50nm，用于形成弱折射率导引。附加了高铝组份层，部分氧化后可用于电流限制和形成弱折射率导引结构，与侧面光栅相结合可实现激光器纵模的选择。

具体的，所述侧面光栅结构进一步氧化，向脊形条结构内扩展，克隆形成内部低损耗光栅结构。

一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器的制备方法，其特征在于，其步骤为：

步骤1)、在外延材料上，光刻出带侧面光栅的条形图形，并刻蚀外延层过中间高铝组份层3，至上波导层4；所述外延材料包括由下至上依次层叠的衬底8、下盖层7、下波导层6、有源区5、上波导层4、中间高铝组份层3、上盖层2和接触层1；中间高铝组份层3为该外延材料最主要的特征，其组分和厚度决定电流和光场限制效果。

步骤2)、湿氧氧化：横向氧化中间高铝组份层3至所需要的深度；此时中间高铝组份层3外侧变成绝缘的氧化铝，折射率在1.75左右，对电流和光场都有限制作用，对电流是强限制，而对光场是弱限制，有利于横向光场扩展。同时侧面光栅结构向脊形条结构内扩展，克隆形成内部光栅。

步骤3)、生长绝缘层，并腐蚀出上电极窗口；主体结构侧壁裸露在外，必须整体生长上一层绝缘膜(即绝缘层)进行保护；

步骤4)、光刻及金属剥离形成P电极9；

步骤5)、晶片减薄；

步骤6)、蒸发N型电极，退火。

优选的，所述步骤1)中，所述的刻蚀工艺为干法湿法相结合，所利用的工艺为利用在线监控的感应诱导等离子刻蚀技术。

优选的，所述步骤2)中，利用400～470度高温，利用5∶95的H2和N2混合气体作水蒸气载气，在10m Bar的气压下对中间高铝组份层3进行氧化，使得中间高铝组份层3被氧化，中间则形成氧化条，对电流和光场进行限制。

优选的，所述步骤3)中，所述绝缘层材料为二氧化硅或者氮化硅，厚度为200～300nm。

优选的，所述步骤4)中，所述P电极9为厚金，厚度在1至3微米，用于改善热特性。

优选的，所述步骤5)中，晶片减薄到130-150微米。既保证强度，又有利于散热。

优选的，所述步骤6)中，所述N型电极材料利用电子束蒸发AuGeNi/Au合金而成，厚度为100-500nm。

本发明公开了一种侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器实现的方法，适用于半导体边发射激光器的模式控制，有助于电流高效注入，大模式体积基横模的实现。本发明提出在常规边发射外延材料结构特定薄层中引入高铝组份，通过类似面发射激光器工艺中湿氧氧化，使该特定膜层一部分变成绝缘层和低折射率区而实现电流限制和弱折射率导引作用，一方面提高注入效率，另一方面可减小水平发散角。通过在激光器脊形条两侧制作侧面光栅，在此高铝组份氧化的过程中，侧面光栅向内移动转移到脊形条内部，从而在脊形条内远离表面形成特定波长的驻波场，从而实现纵模的选择进行单模工作，可调整纵模选择强度，同时又能减少脊形条表面的粗糙度大引起的损耗，通过形成低损耗光栅结构实现纵模选择。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。