一種半導體激光器及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及中紅外半導體激光器，特別是指一種單模大功率高亮度GaSb基布拉 格反射器MOPA集成半導體激光器及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 2-5 y m波段包含非常重要的大氣窗口，包含了許多氣體分子的特征譜線，可以廣 泛應用于大氣污染監測、氣體檢測等民用項目；而工作在該波段的大功率激光器可期望在 激光雷達、光電對抗等軍用項目中發揮更好的應用效果。傳統的Si基、GaAs基材料帶隙比 較寬，不能滿足對波長的要求。而GaSb材料相對較窄的帶隙具有先天的優勢，然而普通結 構的F-P腔半導體激光器多為多模工作，在高速調制時會發生光譜展寬效應。隨著高速率 光纖通信系統的發展與環境監測需求精度的提高，都對半導體激光器提出了更高的要求。 研制單模工作、高光束質量、大功率的GaSb激光器成為半導體激光器發展中的一個重要方 向。
[0003] 常見的實現單縱模波長穩定的方法為DFB結構和DBR結構，對于GaSb基材料，其 波導層和限制層中的高鋁組分帶來的容易氧化的問題使得傳統的需要二次外延的掩埋光 柵DFB的制作難度非常大。GaSb基DFB利用外延層中的脊形波導和布拉格光柵來完成對 光的折射率導引和增益導引，然而，為了保證激光器的單模工作，脊形波導的寬度在幾微米 的數量級，其光出射面積很小，光功率密度很大，容易產生腔面的光學災變（Catastrophic optical mirror damage，C0MD)，不利于激光器的穩定工作，其輸出功率也被限制在了較低 的范圍內，提升半導體激光器最有效的方法為增加脊形波導區的條寬，然而條寬的增大會 影響激光器單模的穩定性，無法保證單橫模單縱模工作，在較窄的脊形波導上提高光輸出 功率又容易引起光學災變。
[0004] 實現大功率高亮度單模輸出最有效的方法為主振蕩功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier，M0PA)結構，MOPA結構主要由主振蕩（MO)區和放大（PA)區 構成，主振蕩器主要作用是產生高質量的種子光源，對于功率并沒有過高要求，因而輸出光 較易做到模式的穩定性，從而保持良好的光束質量，功率放大部分主要作用則是對種子光 進行放大，在保證了輸出光的高光束質量的同時又實現了高功率輸出。

【發明內容】

[0005] 有鑒于此，本發明提出了一種單模大功率高亮度GaSb基布拉格反射器MOPA集成 半導體激光器及制備方法。
[0006] 根據本發明一方面，其提供了一種單模大功率高亮度GaSb基布拉格反射器MOPA 集成半導體激光器，其包括：
[0007]襯底，
[0008] 外延結構，其生長所述襯底上，由下至上包括：N型下接觸層、N型下限制層、下波 導層、有源區、上波導層、P型上限制層、P型上接觸層；
[0009] 增益放大區，其位于所述半導體激光器的前部即出光部分，為向下刻蝕所述P型 上接觸層形成的錐形結構；
[0010] 主振蕩區，其位于所述增益放大區后部，為向下刻蝕P型上限制層形成的脊形波 導結構；
[0011] 布拉格反射區，其位于所述主振蕩區后部，為向下刻蝕P型上限制層形成的周期 性布拉格光柵結構；
[0012] 光限制槽，其對稱分布于所述脊形波導兩側，與所述脊形波導傾斜設置。
[0013] 根據本發明另一方面，其提供了一種用于制備如上所述的半導體激光器的方法， 包括如下步驟：
[0014] 步驟1 :在襯底上依次N型下接觸層、N型下限制層、下波導層、有源區、上波導層、 P型上限制層、P型上接觸層；
[0015] 步驟2 :在步驟1所述的材料上制備增益放大區；
[0016] 步驟3 :在步驟2所述的材料上制備主振蕩區和布拉格反射區，其中主振蕩區緊挨 增益區，布拉格反射區位于主振蕩區后部，整個半導體激光器結構從前向后依次為增益放 大區、主振蕩區、布拉格反射區；
[0017] 步驟4 :采用接觸式光刻的方法，在步驟3制備的主振蕩區兩側的P型上限制層上 制備光限制槽的掩膜圖形，并向下刻蝕P型上限制層、上波導層、有源區、下波導層、N型下 限制層；
[0018] 步驟5 :在步驟4所得的結構的整個表面上用等離子體增強化學汽相沉積法沉積 SiNx作為絕緣層和光柵填充層；
[0019] 步驟6 :在步驟6所得結構的基礎上利用光刻，在主振蕩區區和增益放大區制備電 流注入窗口，然后刻蝕所述絕緣層使得P型上接觸層暴露出來，用于完成與金屬電極的歐 姆接觸。
[0020] 其中，所述步驟2具體包括：
[0021] 步驟2-1 :在P型上接觸層上旋涂光刻膠，用光刻板做掩膜，制備出增益放大區的 錐形掩膜圖形，所述增益放大區位于整個器件的最前部；
[0022] 步驟2-2 :用光刻膠做掩膜，用電感耦合等離子體方法刻蝕P型上接觸層，從而得 到增益放大區。
[0023] 其中，所述步驟3具體包括：
[0024] 步驟3-1 :在步驟2所得的結構上用光刻板做掩膜，刻出脊形波導和布拉格光柵的 掩膜圖形；
[0025] 步驟3-2 :用光刻膠掩膜，用電感耦合等離子體方法進行刻蝕，依次刻蝕P型上接 觸層，P型上限制層。
[0026] 本發明中，所述的單模大功率高亮度GaSb基布拉格反射器MOPA集成半導體激光 器通過將振蕩器（脊形波導區，MO區）和功率放大器（錐形增益區，PA區）集成在同一芯 片上，形成了帶有增益區的脊形波導半導體激光器。窄脊形波導區提供模式質量較好的單 橫模低功率激光，脊形波導區后部的布拉格反射區提供了縱模模式篩選，保證了激光器的 單縱模激射，錐形增益區實現了脊形區注入的單模激光在功率上的放大，同時保證了原有 的模式激射。光限制槽的引入避免了 FP模式光的振蕩反饋，使得激光器工作模式更加穩 定。錐形激光器的出光面為錐形區端面，其出光面積較大，這樣就有效的減少了出射激光的 功率密度，從而增加了腔面光學災變的閾值光功率，保證激光器大功率穩定工作。錐形半導 體激光器的總輸出功率與錐形增益區長度呈線性關系，由于在錐形激光器內部載流子呈現 出不均勻的分布狀態以及受到熱效應的影響，這種線性關系很難維持，放大區的增益物質 起到了球透鏡的作用，錐形半導體激光器的輸出呈遠場單瓣。
[0027] 在本發明中脊形波導結構的寬度為3 ym-10 ym，長度為800 ym-2mm，刻蝕深度為 250nm-2. 5 y m。較長的激光器腔長有利于增大輸出功率，較窄的脊形波導可以起到對光的 模式篩選作用。
[0028] 其中分布在脊形波導后部的周期型光柵周期為2240nm-8960nm，光柵區總長度為 500nm-2mm，寬度為3 y m-10 y m光柵深度為250nm-2. 5 y m，光柵占空比為0? 3-0. 8。
[0029] 其中錐形增益區為等腰梯形，等腰梯形的下邊對應為光出射面，上邊靠近脊形波 導區，上邊的長度為3 ym-30 ym，等腰梯形的高為500 ym-2mm，等腰梯形的底角度數為 45° -87°，錐形增益區刻蝕深度為250nm-500nm。
[0030] 其中光限制槽為等腰梯形，腰長15-40 y m，上邊長100 y m-150 y m，下邊長 160 ym-300 ym。上邊長靠近布拉格反射區，下邊長靠近增益放大區，等腰梯形靠近脊形 波導的腰與脊形波導平行，光限制槽軸對稱的分布于脊形波導兩側，光限制槽的傾斜角 度為30° -60°，光限制槽距離脊形波導的最近處距離為10iim-40iim，光柵限制槽距離 增益放大區最近處距離為l〇y m-300 iim，光柵限制槽距離布拉格反射區的最近處距離為 10 y m-300 y m光限制槽的刻蝕深度為500nm-l. 5 y m。
[0031] 本發明提出的半導體激光器結構采用了主振蕩功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier，M0PA)結構，MOPA結構，其主要由主振蕩（MO)區和放大（PA)區構成，主 振蕩器主要作用是產生高質量的種子光源，對于功率并沒有過高要求，因而輸出光較易做 到模式的穩定性，從而保持良好的光束質量，功率放大部分主要作用則是對種子光進行放 大，在保證了輸出光的高光束質量的同時又實現了高功率輸出。在GaSb基外延上集成布拉 格和MOPA結構，既有效的利用了 GaSb基材料禁帶寬度較窄的優勢，激射出GaAs和InP基 材料較難覆蓋的2-5 y m波段激光，又利用了布拉格反射器對激光的縱模進行選擇，保證激 光器的單縱模激射，而較窄的主振蕩放大區（條形波導）又對激光的橫模進行了有效的限 制，保證了激光器的單橫模單縱模工作，錐形的增益放大區則將單模激光的功率進行了放 大，可以實現激光器的高功率輸出。