[发明专利]一种半导体激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及中红外半导体激光器，特别是指一种单模大功率高亮度GaSb基布拉格反射器MOPA集成半导体激光器及其制备方法。

背景技术

2-5μm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。

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(Catastrophicopticalmirrordamage，COMD)，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。

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(MasterOscillatorPowerAmplifier，MOPA)结构，MOPA结构主要由主振荡(MO)区和放大(PA)区构成，主振荡器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，从而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

有鉴于此，本发明提出了一种单模大功率高亮度GaSb基布拉格反射器MOPA集成半导体激光器及制备方法。

根据本发明一方面，其提供了一种单模大功率高亮度GaSb基布拉格反射器MOPA集成半导体激光器，其包括：

衬底，

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；

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型上接触层形成的锥形结构；

主振荡区，其位于所述增益放大区后部，为向下刻蚀P型上限制层形成的脊形波导结构；

布拉格反射区，其位于所述主振荡区后部，为向下刻蚀P型上限制层形成的周期性布拉格光栅结构；

光限制槽，其对称分布于所述脊形波导两侧，与所述脊形波导倾斜设置。

根据本发明另一方面，其提供了一种用于制备如上所述的半导体激光器的方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次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；

步骤2：在步骤1所述的材料上制备增益放大区；

步骤3：在步骤2所述的材料上制备主振荡区和布拉格反射区，其中主振荡区紧挨增益区，布拉格反射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、布拉格反射区；

步骤4：采用接触式光刻的方法，在步骤3制备的主振荡区两侧的P型上限制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；

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SiN_x作为绝缘层和光栅填充层；

步骤6：在步骤6所得结构的基础上利用光刻，在主振荡区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。

其中，所述步骤2具体包括：

步骤2-1：在P型上接触层上旋涂光刻胶，用光刻板做掩膜，制备出增益放大区的锥形掩膜图形，所述增益放大区位于整个器件的最前部；

步骤2-2：用光刻胶做掩膜，用电感耦合等离子体方法刻蚀P型上接触层，从而得到增益放大区。