具有微结构的半导体盘形激光器
阅读说明：本技术 具有微结构的半导体盘形激光器 (Semiconductor disk laser with microstructure ) 是由 佟存柱 侯冠宇 汪丽杰 田思聪 王立军 A·波普 B·施密特 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种半导体盘形激光器,所述半导体盘形激光器包括作为辐射散射区域的微结构,在辐射散射区域中,较高阶模比基模经历更大的损耗。微结构允许扩大基模的有效面积,因此允许以高光束质量提高发射功率。在外延方向上,该半导体盘形激光器包括布拉格反射器、用于产生激光辐射的有源区以及盖层。(The present invention provides a semiconductor disc laser comprising a microstructure as a radiation scattering region in which higher order modes experience greater loss than fundamental modes. The microstructure allows the effective area of the fundamental mode to be enlarged, thus allowing the emission power to be increased with high beam quality. In the epitaxial direction, the semiconductor disc laser comprises a bragg reflector, an active region for generating laser radiation and a cap layer.)
技术领域
本发明涉及一种半导体盘形激光器。
背景技术
在许多领域中需要具有高输出功率的半导体盘形激光器。光场的放大在有源层中进行，所述有源层例如包含量子阱结构。并且，半导体盘形激光器的性能受到刻面区域中的激光模式的功率密度的限制。
借助于增大光泵浦的面积而不降低功率密度，可以从半导体盘形激光器实现高的光功率。然而，在半导体芯片的发射表面的区域中可以被放大的横模的数量也增大，这导致耦合出的激光辐射的光束质量劣化。
对于半导体盘形激光器的大多数应用，由于横基模的强度分布有助于光束整形，因此期望以横基模(单模激光器)进行操作。此外，在这种情况下，由于基模通常没有明显的强度峰值，因此半导体盘形激光器的最大功率可以增大。
发明内容
在一方面，本发明提出一种改进的半导体盘形激光器，所述半导体盘形激光器的特征在于高光束质量、特别是在横基模下的操作。
根据一个实施例，半导体盘形激光器包含具有盖层的半导体盘形芯片。盖层具有用于模式选择的至少一个结构化区域。结构化区域以激光辐射的横基模比较高激光模式的辐射经历更低的损耗这样的方式被结构化。由于结构化区域，穿过盖层的激光辐射经历局部损耗，其中，结构化区域以较高激光模式比横基模更大程度地衰减这样的方式形成。特别地，以此方式可以实现的是，在半导体激光器的操作期间仅横基模开始振荡。
由于激光辐射的较高模式被抑制并且优选地仅横基模开始振荡，因此获得半导体盘形激光器的高光束质量。此外，以此方式，在半导体激光器的侧面处耦合出辐射的强度峰值被减小，从而可以利用半导体激光器获得高的输出功率。
所述至少一个结构化区域优选地仅形成在盖层中。特别地，结构化区域不直接延伸到半导体盘形芯片的有源层中，该有源层例如形成为单量子阱结构或多量子阱结构。
在一个优选实施例中，结构化区域包括至少一个沟槽，所述至少一个沟槽优选地仅形成在盖层中，也就是说，其深度不大于盖层的厚度。
所述至少一个沟槽的宽度优选地包括在1μm至4μm之间。所述至少一个沟槽可以例如借助于在盖层的半导体材料中的蚀刻工艺来产生。
在穿过沟槽时，激光辐射在第一沟槽处进入沟槽时以及在第二沟槽处从沟槽出来时在每种情况下都经历散射损耗。在穿过沟槽期间，激光辐射有利地被衰减小于百分之十、优选地小于百分之五。例如，当穿过沟槽时会出现大约百分之二的损耗。特别地，激光辐射在穿过沟槽时所经历的损耗的大小取决于沟槽的形式和深度，并且在多个沟槽的情况下还取决于沟槽的数量。
在一个有利的构造中，至少一个沟槽从半导体芯片的发射表面的外部区域延伸到半导体芯片的发射表面的内部，并且具有相同的形心，但具有不同的长度。外部同心图案具有最大长度。内部同心图案大于半导体芯片的表面上的基模的尺寸。在这种情况下，半导体芯片的表面上的基模的区域不具有沟槽。以此方式可以实现的是，在半导体芯片的发射表面的外部区域传播的较高的横向激光模式比在半导体芯片的发射表面的内部中具有最大强度的横基模经历更高的损耗。
在另一有利的构造中，多个沟槽以不同的程度从半导体芯片的发射表面的外部区域延伸到半导体芯片的发射表面的内部。以此方式实现的是，由于在外部区域中沟槽的数量更多，因此在半导体芯片的发射表面的外部区域中具有较大强度的较高激光模式经历比中央基模更高的损耗，中央基模的最大强度位于半导体芯片的发射表面的内部。特别地，半导体芯片的发射表面的中央可以不具有沟槽。
在另一有利的构造中，所述至少一个沟槽具有可变的深度。在这种情况下，沟槽的深度从半导体芯片的发射表面的外部区域朝向内部减小。例如，一个或多个沟槽可以从半导体芯片的发射表面的内部引向半导体芯片的发射表面的外部区域，其中，沟槽的深度从内侧向外增大。由于传播的激光辐射在穿过所述至少一个沟槽时所经历的损耗随着沟槽的深度的增大而增大，因此可以通过设置所述至少一个沟槽的深度来局部地改变损耗的强度。与半导体芯片的发射表面的内部相比，借助于半导体芯片的发射表面的外部区域中的所述至少一个沟槽的更大深度，较高激光模式比中央基模经历更大的损耗。
借助于引入到盖层区域中的沟槽、特别是沟槽的数量、形式和深度而局部地改变损耗的上述可行方式也可以彼此组合。例如，沟槽的数量和深度二者都可以从半导体芯片的发射表面的外部区域朝向半导体芯片的发射表面的内部减小。替代地，例如，沟槽的深度可以从半导体芯片的发射表面的内部朝向外部区域增大。因此，有可能增大较高激光模式的损耗，从而半导体盘形激光器仅在横基模下开始振荡。
附图说明
下面根据示例性实施例结合图1至图4更详细地解释本发明。
图1A和图1B以剖面图和平面图示出了根据第一实施例的半导体盘形芯片。
图2A至图2B基于示意性示出的中间步骤示出了用于制造半导体盘形芯片的方法的一个示例性实施例。
图3A至图3C以平面图和剖面图示出了半导体盘形芯片的另一示例性实施例中的结构化区域。
图4A至图4B以平面图和剖面图示出了半导体盘形芯片的另一示例性实施例中的结构化区域。
在附图中，相同或作用相同的组成部分具有相同的附图标记。所示的组成部分以及组成部分彼此之间的尺寸关系不应视为真实比例。
以下附图标记列表可以结合附图使用：
1半导体主体
2盖层
3周期增益结构(RPG：periodicgainstructure)
4分布式布拉格反射器(DBR：distributedBraggreflector)
5基体
6沟槽
7结构化区域
具体实施方式
图1A和图1B示出了半导体盘形芯片的第一示例性实施例。图1A示出了沿着图1B所示的平面图的线A-B的剖面。
半导体盘形芯片从图1A的上至下方向具有盖层2、周期性增益结构(RPG)3、分布式布拉格反射器(DBR)4和基体5。
半导体盘形芯片的周期性增益结构(RPG)3被提供用于产生激光辐射，并且特别地可以是单量子阱结构或多量子阱结构。
在所示的示例性实施例中，盖层2具有结构化区域7。结构化区域7仅形成在盖层2中。
结构化区域7包括从半导体芯片的发射表面的外部延伸到半导体芯片的发射表面的内部的多个沟槽6。
沟槽6优选地具有不同的深度。然而，沟槽6中的最深沟槽优选地延伸到盖层2中，但是不延伸到周期性增益结构(RPG)3中。因此，沟槽6的深度与盖层2的厚度有关。
沟槽的宽度优选地在1μm至4μm之间、包括例如2μm。
沟槽6是同心的图案。沟槽6从半导体芯片的发射表面的外部区域延伸到半导体芯片的发射表面的内部，并且具有相同的形心但是具有不同的长度。具有最大长度的外部同心图案例如是130μm。具有最小长度的内部同心图案应大于半导体芯片的表面上的基模的大小、例如为120μm。在这种情况下，在半导体芯片的表面上的基模的区域不具有沟槽6。沟槽6可以周期性地布置、特别是也就是说它们彼此之间具有相同的距离。
沟槽6的布置结构所实现的是，横基模在垂直于盖层2传播时比较高激光模式经历更低的损耗。这是基于这样的原因：传播的激光辐射不得不在半导体芯片的发射表面的外部区域中穿过比半导体芯片的发射表面的内部区域中的数量多的沟槽6，因此，较高激光模式经历相对高的损耗。相比之下，沟槽6对具有最大强度的横基模的影响很小。
在穿过结构化区域7时，循环激光模式所经历的损耗可以特别地受到沟槽6的空间布置结构和数量的影响。此外，特别地，沟槽6的侧壁的深度和形式也影响激光模式在穿过沟槽时的能量损耗。在穿过沟槽时的能量损耗基本上是通过激光辐射的散射而引起的。优选地，沟槽6不填充有相对于激光辐射具有吸收性的材料；特别地，例如，沟槽6可以没有固体材料并且包含空气。尽管传播的模式也会受到吸收性结构的影响，但是仅具有微弱吸收的结构具有这样的优点：仅少量热量输入到半导体主体1中。
特别地，沟槽6可以借助于蚀刻方法在半导体主体1中产生。在这种情况下，已知的光刻方法可以用于目标结构。
图2A至图2B基于示意性示出的中间步骤示出了用于制造半导体盘形芯片的一个示例性实施例的方法。
如图2A所示，首先，半导体盘形芯片的半导体层序列被生长到基体5上。优选地，半导体层例如借助于MOCVD外延生长。盖层2、周期性增益结构(RPG)3和分布式布拉格反射器(DBR)4依次被沉积到基体5上。
特别地，半导体盘形芯片的半导体层序列可以是基于III-V族化合物半导体材料的。取决于半导体盘形激光器的波长，可以使用例如砷化物化合物半导体材料、磷化物化合物半导体材料或氮化物化合物半导体材料。在这种情况下，III-V族化合物半导体材料不一定需要具有根据以上结构式之一的数学上精确的组成。而是，其可以包括一种或多种掺杂剂以及基本上不改变材料的物理性质的其他成分。然而，即使晶格的基本成分可以部分地用少量其他物质代替，但是为了简单起见，以上结构式仅包括晶格的这些基本成分。
在这种情况下，材料选择基于半导体激光器的期望发射波长来进行。基体5基于优选地将被外延生长的半导体层序列来选择，并且特别地，可以是GaAs、GaN或硅基体。
有源层3可以由多个单独的层组成、特别是由单个量子阱结构或多个量子阱结构组成。在这种情况下，指定的量子阱结构包括其中电荷载流子由于限制而经历其能态量化的任何结构。特别地，指定的量子阱结构不包括关于量化的维数的任何指示。因此，其尤其包括量子阱、量子线和量子点以及这些结构的任何组合。
在图2B所示的中间步骤中，结构化区域7已经通过已被蚀刻到盖层2中的沟槽6而在盖层2中产生。例如，沟槽6可以如在图1A和图1B所示的示例性实施例的情况中那样地形成。
如在图1所示的示例性实施例的情况下，沟槽6是同心的图案、例如是同心环。沟槽6从半导体芯片的发射表面的外部区域延伸到半导体芯片的发射表面的内部，并且具有相同的形心，但具有不同的直径。同心环的直径从结构化区域7的外部区域至结构化区域7减小。
图3B示出了沿着图3A中的半导体芯片的发射表面的外部区域中的线C-D穿过半导体盘形芯片的表面的剖面。该剖面图与图3A一起示出了激光辐射沿发射方向在半导体芯片的发射表面的外部区域中传播时必须穿过多个沟槽6。
如图3C所示的沿着线E-F的剖面与图3A一起示出了相比之下激光辐射在半导体芯片的发射表面的内部区域中传播时仅必须穿过一个沟槽6。如在图3A的平面图中可以看出的，半导体芯片的发射表面的中央甚至没有沟槽6。由于激光辐射必须穿过的沟槽6的数量从半导体芯片的发射表面的外部朝向内部减小，因此较高的激光模式在发射方向上传播时经历比激光辐射的横基模高的损耗。沟槽6的数量、横向长度和深度可以例如通过模拟计算来优化，从而获得激光辐射的期望模式分布。
图4A至图4B示出了盖层2中的结构化区域7的另一示例性实施例。与前面示出的示例性实施例相比，在该示例性实施例中，仅单个沟槽6在盖层2中产生。为了获得激光模式在垂直于发射方向的方向上的损耗的局部变化，沟槽6的深度从半导体芯片的发射表面的外部到半导体芯片的发射表面的内部变化。
沟槽6在半导体芯片的发射表面的外部区域中具有较大的深度。
相比之下，沟槽6在半导体芯片的发射表面的内部区域中仅具有较小的深度。
图4B中示出了沟槽6沿着线G-H沿其纵向方向的深度分布。由于沟槽的深度从半导体芯片的发射表面的内部朝向半导体芯片的发射表面的外部增大，因此，激光模式在发射方向上传播时在半导体芯片的发射表面的外部比在半导体芯片的发射表面的内部经历更大的损耗。如在前面的示例性实施例中，以此方式促进在半导体芯片的发射表面的内部中具有最大强度的横基模的传播。特别地，可以以此方式实现半导体盘形激光器的单模操作。
在沟槽6的制造期间的蚀刻深度的局部变化可以例如通过在具有适当的选择性的溅射或蚀刻步骤中成比例地转移光刻胶层来实现。
当然，上面描述的通过沟槽的数量、沟槽的深度或沟槽的侧壁形式的局部变化来局部改变激光模式的损耗的可行方式可以彼此结合。
本发明不受基于示例性实施例的描述的限制。而是，本发明包括任何新颖的特征以及特征的任何组合，即使该特征或该组合本身在专利权利要求或示例性实施例中没有明确说明，特别是本发明包括专利权利要求中的特征的任何组合。
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