一种半导体激光器芯片的制作方法

本发明涉及半导体光电器件的，尤其涉及一种半导体激光器芯片。

背景技术：

1、激光器广泛应用于激光显示、激光电视、激光投影仪、通讯、医疗、武器、制导、测距、光谱分析、切割、精密焊接、高密度光存储等领域。激光器的各类很多，分类方式也多样，主要有固体、气体、液体、半导体和染料等类型激光器；与其他类型激光器相比，全固态半导体紫外激光器具有体积小、效率高、重量轻、稳定性好、寿命长、结构简单紧凑、小型化等优点。

2、激光器与氮化物半导体发光二极管存在较大的区别，

3、1)激光是由载流子发生受激辐射产生，光谱半高宽较小，亮度很高，单颗激光器输出功率可在w级，而氮化物半导体发光二极管则是自发辐射，单颗发光二极管的输出功率在mw级；

4、2)激光器的使用电流密度达ka/cm2，比氮化物发光二极管高2个数量级以上，从而引起更强的电子泄漏、更严重的俄歇复合、极化效应更强、电子空穴不匹配更严重，导致更严重的效率衰减droop效应；

5、3)发光二极管自发跃迁辐射，无外界作用，从高能级跃迁到低能级的非相干光，而激光器为受激跃迁辐射，感应光子能量应等于电子跃迁的能级之差，产生光子与感应光子的全同相干光；

6、4)原理不同：发光二极管为在外界电压作用下，电子空穴跃迁到有源层或p-n结产生辐射复合发光，而激光器需要激射条件满足才可激射，必须满足有源区载流子反转分布，受激辐射光在谐振腔内来回振荡，在增益介质中的传播使光放大，满足阈值条件使增益大于损耗，并最终输出激光。

7、氮化物半导体紫外激光器存在以下问题：光波在侧和横向的导引机制及模式调控复杂，限制光束质量提升。脊波导刻蚀、谐振腔解理、腔面镀膜等工艺技术难度大，导致波导损耗和谐振腔光吸收损耗严重。

技术实现思路

1、本发明提出一种半导体激光器芯片，通过设计减反射增透膜层和高反射膜层的折射率和反射率，减少光波导层的激光模数，加快受激辐射超过自发辐射，降低激光器的阈值电流密度并提升斜率效率。

2、本发明提供了一种半导体激光器芯片，包括衬底、外延层，其中沿激光出射方向的外延层截面为第一端面，逆激光出射方向的外延层截面为第二端面，所述第一端面上具有减反射增透膜层,所述第二端面上具有高反射膜层,所述减反射增透膜层的反射率小于高反射膜层；所述外延层的折射率大于等于减反射增透膜层的折射率；所述外延层的折射率大于等于高反射膜层的折射率。

3、优选地，所述高反射膜层和减反射增透膜层形成光学谐振腔；所述高反射膜层的反射率为85～100％；所述减反射增透膜层的反射率为10～95％；所述外延层的折射率为2～5，所述减反射增透膜层的折射率为1～3，所述高反射膜层的折射率1～3。

4、优选地，所述减反射增透膜层包括第一连接层、第一dbr周期性结构、第一终止层；所述高反射膜层包括第二连接层、第二dbr周期性结构、第二终止层。

5、优选地，所述第一连接层包括al2o3、al2o3/ta2o5、al 2o3/sinz、al2o3/sio2、al2o3/nb2o5、al2o3/tio2、alon、alon/sinz、alon/sio2、alon/nb2o5、alon/tio2、alon/ta2o5、hfo2、tio2、ti2o3、ti3o5、tio、zro2、nb2o5、y2o3、ceo2、ta2o5、sio2、sinz中的任意一种或任意组合，其中z≥1；所述第一dbr周期性结构包括(ta2o5/al2o3)m、(sinz/sio2)m、(sio2/tio2)m、(nb2o5/sio2)m、(ta2o5/sio2)m、(al 2o3/ta2o5)m、(sio2/sinz)m、(tio2/sio2)m、(sio2/nb2o5)m、(sio2/ta2o5)m(nb2o5/ta2o5)m、(ta2o5/nb2o5)m、(ta2o5/tio2)m、(nb2o5/tio2)m、(tio2/ta2o5)m、(tio2/nb2o5)m中的任意一种或任意组合，其中dbr周期数m：20≥m≥1；第一终止层包括ta2o5、alon、al2o3、sio2、sinz、alon/sinz、al2o3/ta2o5、al2o3/sinz、al2o3/sio2、al2o3/nb2o5、al2o3/tio2、alon/sio2、alon/nb2o5、alon/tio2、alon/ta2o5、hfo2、tio2、ti2o3、ti3o5、tio、zro2、nb2o5、y2o3、ceo2中的任意一种或任意组合，其中z≥1。

6、优选地，所述第二连接层包括al2o3、al 2o3/ta2o5、al2o3/sinz、al2o3/sio2、al2o3/nb2o5、al2o3/tio2、alon、alon/sinz、alon/sio2、alon/nb2o5、alon/tio2、alon/ta2o5、hfo2、tio2、ti2o3、ti3o5、tio、zro2、nb2o5、y2o3、ceo2、ta2o5、sio2、sinz中的任意一种或任意组合，其中z≥1；所述第二dbr周期性结构包括(ta2o5/al2o3)n、(sinz/sio2)n、(sio2/tio2)n、(nb2o5/sio2)n、(ta2o5/sio2)n、(al 2o3/ta2o5)n、(sio2/sinz)n、(tio2/sio2)m、(sio2/nb2o5)n、(sio2/ta2o5)n、(nb2o5/ta2o5)n、(ta2o5/nb2o5)n、(ta2o5/tio2)n、(nb2o5/tio2)n、(tio2/ta2o5)n、(tio2/nb2o5)n中的任意一种或任意组合，其中dbr周期数n：40≥n≥1；第二终止层包括ta2o5、alon、al2o3、sio2、sinz、alon/sinz、al2o3/ta2o5、al 2o3/sinz、al2o3/sio2、al2o3/nb2o5、al 2o3/tio2、alon/sio2、alon/nb2o5、alon/tio2、alon/ta2o5、hfo2、tio2、ti2o3、ti3o5、tio、zro2、nb2o5、y2o3、ceo2中的任意一种或任意组合，其中z≥1；且所述第二dbr周期性结构的周期数大于等于第一dbr周期性结构的周期数。

7、优选地，所述第一连接层为al 2o3,第一dbr周期性结构为(ta2o5/al2o3)m、第一终止层为ta2o5；所述第二连接层为al2o3、第二dbr周期性结构为(ta2o5/al2o3)n、第二终止层为ta2o5；所述第一连接层的折射率≤第二连接层的折射率≤第一终止层的折射率≤第二终止层的折射率≤外延层的折射率；所述外延层的密度≤第一连接层的密度≤第二连接层的密度≤第一终止层的密度≤第二终止层的密度；所述外延层的晶格常数≤第一连接层的晶格常数≤第二连接层的晶格常数≤第一终止层的晶格常数≤第二终止层的晶格常数。

8、优选地，所述第一连接层为alon,第一dbr周期性结构为(sinz/sio2)m、第一终止层为alon；所述第二连接层为alon/sinz、第二dbr周期性结构为(sio2/tio2)n、第二终止层为sio2；所述第二终止层的折射率≤第二连接层的折射率≤第一连接层的折射率≤第一终止层的折射率≤外延层的折射率；所述第二终止层的密度≤第二连接层的密度≤第一终止层的密度≤第一连接层的密度≤外延层的密度；第二连接层的晶格常数≤第一终止层的晶格常数≤第一连接层的晶格常数≤外延层的晶格常数≤所述第二终止层的晶格常数。

9、优选地，所述第一连接层为alon/sinz,第一dbr周期性结构为(sio2/tio2)m、第一终止层为sio2；所述第一dbr周期性结构的折射率≤第一连接层的折射率≤外延层的折射率≤第一终止层的折射率；

10、或所述第一连接层为alon,第一dbr周期性结构为(sinz/sio2)m、第一终止层为alon/sinz；所述第一dbr周期性结构的折射率≤第一终止层的折射率≤第一连接层的折射率≤外延层的折射率；

11、或所述第一连接层为alon,第一dbr周期性结构为(sinz/sio2)m、第一终止层(102c)为alon；所述第一dbr周期性结构的折射率≤第一终止层的折射率≤第一连接层的折射率≤外延层的折射率；

12、或所述第一连接层为alon,第一dbr周期性结构为(sio2/tio2)m、第一终止层为sio2；所述第一终止层的折射率≤第一dbr周期性结构的折射率≤第一连接层的折射率≤外延层的折射率。

13、优选地，所述第一dbr周期性结构和第二dbr周期性结构的o元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/p*sin(p*x))(p≥1的奇数)曲线分布；所述第一dbr周期性结构和第二dbr周期性结构的al元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/q*sin(q*x))(q≥1的奇数)曲线分布；所述第一dbr周期性结构和第二dbr周期性结构的ta元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/r*sin(r*x))(r≥1的奇数)曲线分布；所述第一dbr周期性结构和第二dbr周期性结构的si元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/s*sin(s*x))(s≥1的奇数)曲线分布；所述第一dbr周期性结构和第二dbr周期性结构的n元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/t*sin(t*x))(t≥1的奇数)曲线分布；所述第一dbr周期性结构和第二dbr周期性结构的ti元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/u*sin(u*x))(u≥1的奇数)曲线分布。

14、优选地，所述第一连接层的o元素分布具有函数y＝lnx/x曲线分布；所述第一连接层的al元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/v*sin(v*x))(v≥1的奇数)曲线分布；所述第一终止层的o元素分布具有函数y＝sinx/x2第三象限曲线分布；所述第一终止层的ta元素分布具有函数y＝4/π(sinx+1/3sin3x+1/5sin5x+…+1/w*sin(w*x))(w≥1的奇数)曲线分布；所述第二连接层的o元素分布具有函数y＝ex/x第三象限曲线分布；所述第二连接层的al元素分布具有函数y＝cscx第四象限曲线分布；所述第二终止层的o元素分布具有函数y＝lnx/ex曲线分布；所述第二终止层的ta元素分布具有函数y＝ax2+bx+c(a＜0)曲线分布。

15、相比于现有技术，本发明提供的一种半导体激光器芯片，其有益效果在于：本发明通过设计减反射增透膜层和高反射膜层的折射率和反射率，减少光波导层的激光模数，提升光子的简并度，加快受激辐射超过自发辐射，降低激光器的阈值电流密度并提升斜率效率；同时，设计减反射增透膜层和高反射膜层的元素分布，优化光波导的光场分布，降低光吸收损耗和波导损耗，并调控光波在侧向和横向的导引及模式变化，提升光束质量因子和远场ffp图像质量。