一种集成半导体激光器的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及中红外半导体激光器，特别是指一种2 μπι单模大功率GaSb基金属光 栅主振荡功率放大器（ΜΟΡΑ)集成半导体激光器的制备方法。
【背景技术】
[0002] 2-5 μ m波段包含非常重要的大气窗口，包含了许多气体分子的特征谱线，可以广 泛应用于大气污染监测、气体检测等民用项目；而工作在该波段的大功率激光器可期望在 激光雷达、光电对抗等军用项目中发挥更好的应用效果。传统的Si基、GaAs基材料带隙比 较宽，不能满足对波长的要求。而GaSb材料相对较窄的带隙具有先天的优势，然而普通结 构的F-P腔半导体激光器多为多模工作，在高速调制时会发生光谱展宽效应。随着高速率 光纤通信系统的发展与环境监测需求精度的提高，都对半导体激光器提出了更高的要求。 研制单模工作、高光束质量、大功率的GaSb激光器成为半导体激光器发展中的一个重要方 向。
[0003] 常见的实现单纵模波长稳定的方法为DFB结构和DBR结构，对于GaSb基材料，其 波导层和限制层中的高铝组分带来的容易氧化的问题使得传统的需要二次外延的掩埋光 栅DFB的制作难度非常大。GaSb基DFB利用外延层中的脊形波导和布拉格光栅来完成对 光的折射率导引和增益导引，然而，为了保证激光器的单模工作，脊形波导的宽度在几微米 的数量级，其光出射面积很小，光功率密度很大，容易产生腔面的光学灾变（Catastrophic optical mirror damage，C0MD)，不利于激光器的稳定工作，其输出功率也被限制在了较低 的范围内，提升半导体激光器输出功率最有效的方法为增加脊形波导区的条宽，然而条宽 的增大会影响激光器单模的稳定性，无法保证单横模单纵模工作，在较窄的脊形波导上提 高光输出功率又容易引起光学灾变，大功率单模激光器的研究是一个热点问题。
[0004] 实现大功率高亮度单模输出最有效的方法为主振荡功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier，ΜΟΡΑ)结构，ΜΟΡΑ 主要由主振荡（MO)区和放大（PA)区构 成，主振荡区主要作用是产生高质量的种子光源，对于功率并没有过高要求，因而输出光较 易做到模式的稳定性，保持良好的光束质量，功率放大部分主要作用则是对种子光进行放 大，在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率输出。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提出了一种半导体激光器及其制备方法，以实现大功率单模激 光器。
[0006] 根据本发明一方面，其提供了一种半导体激光器，其包括：
[0007] 衬底，
[0008] 外延结构，其生长所述衬底上，由下至上包括：N型下接触层、N型下限制层、下波 导层、有源区、上波导层、P型上限制层、P型上接触层；
[0009] 增益放大区，其位于所述半导体激光器的前部即出光部分，为向下刻蚀所述P型 上接触层形成的等腰梯形结构；
[0010] 主振荡区，其位于所述增益放大区后部，为向下刻蚀所述P型上接触层和P型上限 制层形成的脊形波导结构；
[0011] 金属光栅区，其位于所述主振荡区后部，为形成在所述上波导层表面的周期型布 拉格金属光栅结构；
[0012] 光限制槽，其对称分布于所述脊形波导结构的两侧，与所述脊形波导结构倾斜设 置。
[0013] 根据本发明另一方面，其提供了一种用于制备如如上所述的半导体激光器的方 法，包括如下步骤：
[0014] 步骤1 :在衬底上依次沉积N型下接触层、N型下限制层、下波导层、有源区、上波导 层、P型上限制层、P型上接触层；
[0015] 步骤2 :在步骤1所述的材料上制备增益放大区；
[0016] 步骤3 :在步骤2所述的材料上制备主振荡区，其中主振荡区紧挨增益放大区；
[0017] 步骤4:在步骤3所述的材料上制备金属光栅区，所述金属光栅区位于主振荡区后 部，整个半导体激光器结构从前向后依次为增益放大区、主振荡区、金属光栅区；
[0018] 步骤5 :在步骤3制备的主振荡区两侧的P型上波导层上制备光限制槽的掩膜图 形，并向下刻蚀P型上限制层、上波导层、有源区、下波导层、N型下限制层；
[0019] 步骤5 :在步骤4所得的结构的整个表面上用等离子体增强化学汽相沉积法沉积 SiNx作为绝缘层和光栅填充层；
[0020] 步骤6 :在步骤6所得结构的基础上利用光刻，在主振荡区和增益放大区制备电流 注入窗口，然后刻蚀所述绝缘层使得P型上接触层暴露出来，用于完成与金属电极的欧姆 接触。
[0021] 本发明提出的所述半导体激光器为2 μm单模大功率GaSb基金属光栅主振荡功率 放大器（ΜΟΡΑ)集成半导体激光器，其通过将振荡器（脊形波导区）和功率放大器（锥形增 益区）以及金属光栅集成在同一芯片上，形成了带有增益区的脊形波导布拉格反射器半导 体激光器。窄脊形波导区提供模式质量较好的单横模低功率激光，脊形波导区后部的金属 光栅反射区提供了纵模模式筛选，提高了边模抑制比，保证了激光器的单模激射，锥形增益 区实现了脊形区注入的单模激光在功率上的放大，同时保证了原有的模式激射。光限制槽 的引入避免了 FP模式光的振荡反馈，使得激光器工作模式更加稳定。锥形激光器的出光面 为锥形区端面，其出光面积较大，就有效的减少了出射激光的功率密度，从而增加了腔面光 学灾变的阈值光功率，保证激光器大功率稳定工作。
【附图说明】
[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明，其中：
[0023] 图1是本发明中半导体激光器的结构示意图；
[0024] 图2是本发明中半导体激光器结构的俯视图；
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0026] 需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人 员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切 等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施 例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限 制本发明。
[0027] 本发明提供了一种2 μπι单模大功率GaSb基金属光栅主振荡功率放大器（ΜΟΡΑ) 集成半导体激光器的制备方法，通过将振荡器（脊形波导区）和功率放大器（锥形增益区） 以及金属光栅集成在同一芯片上，形成了带有增益区的脊形波导布拉格反射器半导体激光 器。窄脊形波导区提供模式质量较好的单横模低功率激光，脊形波导区后部的布拉格反射 区提供了纵模模式筛选，提高了边模抑制比保证了激光器的单模激射，锥形增益区降低了 出射面光功率密度的同时由于载流子的不均匀分布和热效应影响使得也使激光器光束质 量更好，制作更加简单。
[0028] 以下分别对本实施例2 μπι单模大功率GaSb基金属光栅主振荡功率放大器（ΜΟΡΑ) 集成半导体激光器的各个部分进行详细的说明。
[0029] 如图1所示，本发明提供了一种2 μπι单模大功率GaSb基金属光栅主振荡功率放 大器MOPA集成半导体激光器，其外延结构如下：
[0030] 衬底1为（100)面N型镓锑材料。
[0031] 外延结构，生长在所述衬底1上，其由下至上包括：N型重掺杂的GaSb下接触层 2 ;Ν型掺杂的AlGaAsSb下限制层3 ;非掺杂的下波导层4 ;非掺杂的有源区5 ;非掺杂的 AlGaAsSb上波导层6 ;Ρ型掺杂的AlGaAsSb上限制层7 ;Ρ型掺杂的GaSb上接触层8 ;其 中所述有源区5可以包括1-3个量子阱，势皇层为非掺杂的AlGaAsSb，势阱层为非掺杂的 InGaSb。其中，在所述上限制层7和上接触层8之间还可以包括上缓冲层（图中未示出）， 在下接触层2与下限制层3之间还可以包括下缓冲层（图中未示出）；
[0032] 增益放大区，其位于所述激光器的前部即出光部分，为向下刻蚀所述上接触层8 形成的等腰梯形结构；
[0033] 主振荡区，其位于所述增益放大区后部，为