本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器，涉及一種橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體激光器具有高的功率和轉(zhuǎn)換效率、低的閾值以及體積小、質(zhì)量輕、易集成等優(yōu)點(diǎn)，近幾十年成為研究熱點(diǎn)。其中，氮化鎵(gan)基脊型波導(dǎo)激光器是大功率激光顯三基色中藍(lán)、綠光源的最優(yōu)選擇，在激光照明和顯示、光信息存儲、量子技術(shù)、水下通信、金屬焊接和激光增材制造等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值和廣闊市場前景。在半導(dǎo)體激光器中脊型波導(dǎo)起到限制光場和電流注入的作用。脊型波導(dǎo)的幾何尺寸直接影響激光器的光電特性，是半導(dǎo)體激光器重點(diǎn)研究的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)脊型激光器的脊型形狀多是矩形，其中脊型的長度定義為激光器腔長，沿垂直腔長方向解理后形成的兩個平行面是激光器的一對反射面，即激光器腔面，由腔長和平行腔面組成了激光器的諧振腔，稱為法布里-珀羅諧振腔(f-p腔)。電流通過矩形頂部接觸面垂直注入到量子阱中產(chǎn)生自發(fā)輻射發(fā)光，經(jīng)腔面多次反射后形成自激振蕩，最終在垂直腔面的縱向形成激光出射，獲得脊型波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器。

2、脊型波導(dǎo)激光器的脊型結(jié)構(gòu)決定了激光器的光學(xué)性能，高的光輸出功率要求寬的脊型，但寬脊會導(dǎo)致激光器閾值電流增加和激射模式增多等問題，降低激光器的光電性能。閾值電流表征激光器的光腔損耗(包括內(nèi)部損耗和腔面損耗)的情況，閾值電流小表明光腔損耗低，低光腔損耗高品質(zhì)因子的光學(xué)腔是大功率激光器追求更高輸出功率和穩(wěn)定性的必然要求。單模大功率半導(dǎo)體激光器，因高光束質(zhì)量、能量集中、轉(zhuǎn)換效率高、易于耦合等優(yōu)勢受到關(guān)注。依據(jù)半導(dǎo)體激光器本身的物理特性，其高溫下折射率降低，導(dǎo)致光場限制因子減小，需要增大注入電流提高輸出功率，激光器增益增加導(dǎo)致基模與高階模式同時振蕩，產(chǎn)生光束質(zhì)量劣化。目前主要通過器件外延材料生長和脊型結(jié)構(gòu)設(shè)計等方式解決大功率邊發(fā)射激光器輸出功率和光束質(zhì)量兼顧的難題。傳統(tǒng)iii-v族單橫模半導(dǎo)體激光器采用的是窄脊形波導(dǎo)(脊寬約1.5um-3um)，利于輸出單橫模光斑，提高光束耦合的效率。然而，窄脊波導(dǎo)由于注入電流密度大、散熱差和腔面光學(xué)災(zāi)變(cod)閾值低，無法實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。多模寬波導(dǎo)激光器顯著增加了波導(dǎo)的散熱面積和cod閾值，較大程度提高輸出功率，但由于多橫模的存在，限制了激光器的應(yīng)用范圍。此外，在激光顯示領(lǐng)域激光高的相干性會導(dǎo)致在激光出射光斑旁邊形成亮度不均勻的雜光，稱為激光散斑，激光散斑現(xiàn)象會劣化成像效果，阻礙激光顯示的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題：

2、本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)難題結(jié)合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)需求創(chuàng)新地發(fā)明一種橢圓脊型波導(dǎo)激光器。本發(fā)明創(chuàng)造性地設(shè)計及制備了gan基橢圓脊型波導(dǎo)邊發(fā)射激光器，利用橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加諧振腔的光學(xué)增益，降低激光器的閾值電流，是實(shí)現(xiàn)寬脊高功率激光器的基礎(chǔ)。針對寬波導(dǎo)脊型激光器存在的多模振蕩，通過橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加光腔的模式選擇能力抑制高階模式振蕩。橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不僅增加了注入電極的面積以實(shí)現(xiàn)大電流工作，還可以改善芯片散熱能力，解決折射率因溫升導(dǎo)致的波導(dǎo)限制能力降低的問題，是實(shí)現(xiàn)單模高功率及長壽命激光器的技術(shù)保障。相比傳統(tǒng)脊型波導(dǎo)激光器高的偏振比，橢圓脊型波導(dǎo)激光器存在兩種振蕩模式，即f-p振蕩和wgm振蕩模式，可以有效削弱激光器偏振特性，即減弱激光的相干性，以此抑制激光散斑的產(chǎn)生，提高顯示效果。此外，橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加了激光器f-p腔中光束振蕩光程，有效減小傳統(tǒng)諧振腔的長度，達(dá)到增加芯片數(shù)量和降低成本的目的。綜上，本發(fā)明為大功率激光器的商業(yè)及工業(yè)應(yīng)用提供了可靠技術(shù)保障。

3、(二)技術(shù)方案：

4、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

5、一種橢圓脊型波導(dǎo)激光器，包括激光器本體，所述激光器本體的脊型結(jié)構(gòu)為橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面呈橢圓狀。

6、進(jìn)一步，所述橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面橢圓狀滿足橢圓方程橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面橢圓的兩個焦點(diǎn)f1、f2的間距與激光器本體的腔長l相同，橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面橢圓的短軸b1b2的長度小于激光器本體外延襯底的頂面的寬。

7、進(jìn)一步，所述橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過光刻和刻蝕形成。

8、本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種橢圓脊型波導(dǎo)激光器的制備方法，包括以下步驟：

9、步驟1：在激光器外延片上沉積接觸層，并通過光刻和刻蝕工藝制備橢圓形狀的接觸層并進(jìn)行退火。其中接觸層的作用是使注入電極與半導(dǎo)體之間形成歐姆接觸，降低接觸電阻。

10、步驟2：在激光器外延片的晶圓表面沉積硬掩模并通過光刻和刻蝕方法完成橢圓結(jié)構(gòu)的硬掩模圖形，用于激光器脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的刻蝕和側(cè)壁修飾過程，步驟1的接觸層位于晶圓和硬掩模之間。

11、步驟3：通過刻蝕方法實(shí)現(xiàn)橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并采用堿性溶液對橢圓脊型刻蝕側(cè)壁(橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的刻蝕側(cè)壁)進(jìn)行表面損傷修復(fù)。

12、步驟4：在晶圓表面沉積絕緣層，通過光刻和刻蝕方法對橢圓脊型上方的絕緣層實(shí)施精準(zhǔn)“開窗”，形成的窗口作為電流注入通道。

13、步驟5：制備p面電極、進(jìn)行晶圓減薄和制備n面電極。

14、步驟6：對晶圓進(jìn)行腔面解理、腔面鍍膜和單管劃裂等步驟完成橢圓脊型波導(dǎo)激光器芯片的制備工序。

15、進(jìn)一步，步驟3所述橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面滿足橢圓方程，橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面橢圓的兩個焦點(diǎn)f1和f2的間距與激光器本體的腔長l相同，橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面橢圓的短軸b1b2小于激光器器件寬度。

16、進(jìn)一步，步驟3所述表面損傷修復(fù)為堿性溶液浸泡刻蝕，堿性溶液為顯影液(tham)等，浸泡溫度為60-90℃，浸泡時間為30-120min。

17、進(jìn)一步，步驟1所述接觸層的橢圓形狀滿足橢圓方程，步驟1所述橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的接觸層的頂面與步驟3所述橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂面以及步驟4所述的絕緣層的“窗口”結(jié)構(gòu)相適配。

18、(三)有益效果：

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法，具備以下有益效果：

20、本方法創(chuàng)造性的設(shè)計并制備了gan基橢圓脊型波導(dǎo)邊發(fā)射激光器，解決了高光腔增益、低閾值電流、單模大功率、低偏振比激光器制造困難的問題，為其在激光顯示照明和金屬焊接及增材制造等民用和工業(yè)領(lǐng)域提供了可靠的技術(shù)支撐。

21、1、該橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法，通過利用橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加諧振腔的光學(xué)增益，其不僅具備了傳統(tǒng)f-p腔的光增益而且變形部分同時提供了新的光學(xué)振蕩增益路徑，提高了光學(xué)諧振腔的品質(zhì)因子，降低了激光器的閾值，有利于提升高功率半導(dǎo)體激光器光電性能。

22、2、該橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法，針對傳統(tǒng)寬波導(dǎo)脊型激光器存在的多模振蕩，通過橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特有的焦點(diǎn)性質(zhì)在光腔內(nèi)形成特定的光學(xué)振蕩模式，即激光器的模式選擇，有利于大功率激光器的模式抑制，獲得高光束質(zhì)量和能量分布更加集中的出射激光，提升光束耦合的效率。

23、3、該橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法，通過橢圓脊型結(jié)構(gòu)不僅增加了注入電極的面積，提升了最大可注入電流的水平，還顯著提升了激光器的散熱能力，解決了溫度升高導(dǎo)致的波導(dǎo)限制限制能力下降的問題，利于實(shí)現(xiàn)大功率器件的模式抑制并提高器件的穩(wěn)定性和壽命。

24、4、該橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法，相比傳統(tǒng)脊型激光器的高偏振比，通過橢圓脊型結(jié)構(gòu)的設(shè)計獲得te或者tm比例可調(diào)的激光，實(shí)現(xiàn)激光器偏振比的控制，利于大功率器件在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用。

25、5、該橢圓脊型波導(dǎo)激光器及其制備方法，橢圓脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增加了激光器f-p腔中光束振蕩光程，可以有效減小傳統(tǒng)諧振腔的長度，提升單晶圓的芯片產(chǎn)出數(shù)量，實(shí)現(xiàn)降本目標(biāo)。