技术领域
[0001] 本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种椭圆脊型波导激光器及其制备方法。
相关背景技术
[0002] 半导体激光器具有高的功率和转换效率、低的阈值以及体积小、质量轻、易集成等优点，近几十年成为研究热点。其中，氮化镓(GaN)基脊型波导激光器是大功率激光显三基色中蓝、绿光源的最优选择，在激光照明和显示、光信息存储、量子技术、水下通信、金属焊接和激光增材制造等领域具有重要应用价值和广阔市场前景。在半导体激光器中脊型波导起到限制光场和电流注入的作用。脊型波导的几何尺寸直接影响激光器的光电特性，是半导体激光器重点研究的结构。传统脊型激光器的脊型形状多是矩形，其中脊型的长度定义为激光器腔长，沿垂直腔长方向解理后形成的两个平行面是激光器的一对反射面，即激光器腔面，由腔长和平行腔面组成了激光器的谐振腔，称为法布里‑珀罗谐振腔(F‑P腔)。电流通过矩形顶部接触面垂直注入到量子阱中产生自发辐射发光，经腔面多次反射后形成自激振荡，最终在垂直腔面的纵向形成激光出射，获得脊型波导半导体激光器。
[0003] 脊型波导激光器的脊型结构决定了激光器的光学性能，高的光输出功率要求宽的脊型，但宽脊会导致激光器阈值电流增加和激射模式增多等问题，降低激光器的光电性能。阈值电流表征激光器的光腔损耗(包括内部损耗和腔面损耗)的情况，阈值电流小表明光腔损耗低，低光腔损耗高品质因子的光学腔是大功率激光器追求更高输出功率和稳定性的必然要求。单模大功率半导体激光器，因高光束质量、能量集中、转换效率高、易于耦合等优势受到关注。依据半导体激光器本身的物理特性，其高温下折射率降低，导致光场限制因子减小，需要增大注入电流提高输出功率，激光器增益增加导致基模与高阶模式同时振荡，产生光束质量劣化。目前主要通过器件外延材料生长和脊型结构设计等方式解决大功率边发射激光器输出功率和光束质量兼顾的难题。传统III‑V族单横模半导体激光器采用的是窄脊形波导(脊宽约1.5um‑3um)，利于输出单横模光斑，提高光束耦合的效率。然而，窄脊波导由于注入电流密度大、散热差和腔面光学灾变(COD)阈值低，无法实现高功率激光输出。多模宽波导激光器显著增加了波导的散热面积和COD阈值，较大程度提高输出功率，但由于多横模的存在，限制了激光器的应用范围。此外，在激光显示领域激光高的相干性会导致在激光出射光斑旁边形成亮度不均匀的杂光，称为激光散斑，激光散斑现象会劣化成像效果，阻碍激光显示的发展。
具体实施方式
[0037] 下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 本实施例的椭圆脊型波导边发射半导体激光器的制造方法，具体分为椭圆脊型波导结构的设计及制备。首先，椭圆脊型波导结构的设计，利用椭圆焦点性质，过焦点的光线将在椭圆腔内实现受激振荡，在出光面激射发出。设计要求椭圆脊型波导结构要满足椭圆方程 其中a是半长轴长，b是半短轴长，椭圆两焦点F1、F2间的距离等于激光器的腔长L，即L＝2c，c表示焦距，椭圆短轴B1B2是椭圆脊型的宽度的最大值，即B1B2＝2b，椭圆长轴为A1A2，即A1A2＝2a，激光器出光腔面脊宽W是通过椭圆方程计算获得，即[0039] 实施例1
[0040] 请参阅图1、图2、图3、图4，一种椭圆脊型波导激光器，包括激光器本体，激光器本体的脊型结构为椭圆脊型波导结构，椭圆脊型波导结构的顶面呈椭圆状。
[0041] 本实 施例 中，椭圆 脊型 波导结 构的 顶面 椭圆 状满 足椭 圆方程a＝600.5μm，b＝25μm，c＝600μm，激光器出光腔面端脊宽W＝2.1μm，椭圆脊型波导结构的顶面椭圆两个焦点F1、F2的间距与激光器本体的腔长L相同，即F1F2＝L＝2c＝1200μm，椭圆脊型波导结构的顶面椭圆的短轴B1B2＝2b＝50μm，单激光器本体的宽度为250μm。
[0042] 本发明要解决的另一技术问题是提供一种椭圆脊型波导激光器的制造方法，包括以下步骤：
[0043] 步骤1：在激光器外延片上沉积接触层，并通过光刻和刻蚀工艺制备椭圆形状的接触层并进行退火；
[0044] 步骤2：在激光器外延片的晶圆表面沉积硬掩模并通过光刻和刻蚀方法完成椭圆结构的硬掩模图形，用于激光器脊型波导结构的刻蚀和侧壁修饰过程；
[0045] 步骤3：通过刻蚀方法实现椭圆脊型波导结构，并采用碱性溶液对椭圆脊型刻蚀侧壁进行表面损伤修复；
[0046] 步骤4：在晶圆表面沉积绝缘层，通过光刻和刻蚀方法对椭圆脊型上方的绝缘层实施精准“开窗”，形成电流注入通道；
[0047] 步骤5：制备P面电极、进行晶圆减薄和制备N面电极；
[0048] 步骤6：对晶圆进行腔面解理、腔面镀膜和单管划裂等步骤完成椭圆脊型波导激光器芯片的制备工序。
[0049] 本实施例在使用时，步骤2采用碱性溶液对脊型刻蚀侧壁进行表面损伤修复为碱性溶液浸泡刻蚀，碱性溶液为显影液(THAM)等，浸泡温度为60‑90℃，浸泡时间为30‑120min。
[0050] 本实施例在使用时，步骤1所述接触层的椭圆形状满足椭圆方程，步骤1所述椭圆脊型波导结构的接触层的顶面与步骤3所述椭圆脊型波导结构的顶面以及步骤4所述的绝缘层“窗口”结构相适配。
[0051] 对比例1：相同腔长和出光端脊宽
[0052] 制作腔长1200μm，脊宽2.1μm的传统矩形脊型波导激光器，其它均与实施例1相同。
[0053] 对比实施例1与对比例1，如图5所示，其中实线为椭圆脊型波导，虚线为传统矩形脊型波导，在同腔长同出光面脊宽的情况下，椭圆脊型波导的面积大于传统矩形脊型波导的面积，脊型波导与之对应的也就是接触层的面积，通过采用椭圆脊型结构不仅增加了注入电极的面积，提升了最大可注入电流的水平，还显著提升了激光器的散热能力，解决了温度升高导致的波导限制限制能力下降的问题，利于实现大功率器件的模式抑制并提高器件的稳定性和寿命。
[0054] 对比例2：相同腔长和短轴宽度
[0055] 制作腔长1200μm，脊宽50μm的传统矩形脊型波导激光器，其它均与实施例1相同。
[0056] 通过对比实施例1与对比例2，如图6所示，其中实线为传统矩形脊型波导，虚线为椭圆脊型波导，在同腔长同最大脊宽的情况下，椭圆脊型波导的激光器出光腔面脊宽W＝2.1μm<<50μm(传统矩形脊型波导的脊宽)，利于单模激射和阈值电流降低，可以有效提升激光器的品质因子。
[0057] 实施例2：椭圆脊型波导结构的顶面椭圆状满足椭圆方程 a＝152.4μm，b＝25μm，c＝150μm，激光器出光腔面端脊宽W＝8.2μm，椭圆脊型波导结构的顶面椭圆两个焦点F1、F2的间距与激光器本体的腔长L相同，即F1F2＝L＝2c＝300μm，椭圆脊型波导结构的顶面椭圆的短轴B1B2＝2b＝50μm。
[0058] 对比例3：相同出射端脊宽和电流注入面积
[0059] 制作腔长1456μm，激光出射端脊宽8.2μm的传统矩形脊型波导激光器，其它均与实施例1相同。
[0060] 通过对比实施例1与对比例3，在相同出射端脊宽和电流注入面积的情况下，椭圆脊型波导的激光器腔长L＝300μm小于传统矩形脊型波导激光器腔长1456μm，在满足解理成单器件的基础上，极大程度上降低了单器件面积，利于提升芯片产量，是降低成本的极优方案。
[0061] 激光偏振度调控：传统脊型激光器腔面出射方向存在两种横波振动，横电波(Transverse electric wave,TE)和横磁波(Transverse magnetic wave,TM)，如图7所示。由于脊型的模式选择，TM模式受到结构抑制因此激光器振荡的TE模式强度大于TM的强度，激光器具有高的偏振比，其中偏振比 ITE和ITM分别为TE和TM的光强。相比传统脊型波导激光器结构，椭圆脊型波导激光器过焦点的光线在椭圆腔中形成振荡，其中的TE模式在光线传播方向改变的条件下产生损耗被结构抑制，然而TM振动方向的光线不受影响，如图8所示，这样提高了TM振荡强度，降低了激光器的偏振比，有利于激光器在显示中的应用。
[0062] 对于外延片生长完成退火后的其它工序，例如：形成电极工序、曝光刻蚀工序、形成保护膜工序以及解理工序等等，对于本领域的普通技术人员而言属于公认领域范畴，本文不做过多阐述。
[0063] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
