改善光束质量的脊波导结构的制作方法

1.本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及改善光束质量的脊波导结构。


背景技术：

2.在半导体激光器的许多应用中，希望能获得尽可能高的光束质量，而实际上，单模与多模激光器的光束质量远非如此理想的状态。在实际的半导体激光器制造中，快轴方向(材料生长方向)通常可以设计为单模运行，而慢轴方向(与材料生长方向垂直的水平方向)上，波导所支持的模式数量取决于横向波导的设计参数包括波导宽度以及波导的刻蚀深度。对于单横模设计来说，当工作电流较低时，能够确保单模运行，然而当工作电流较高时，由于外延结构的热效应以及其它效应(如载流子效应)导致外延结构的光—电流特性上出现扭折(kink)，光场质量因为多模的出现而恶化(见图1)。对于宽条高功率激光器来说，由于波导支持很多波导模式，这些波导模式叠加的结果就是慢轴方向的近场/远场质量极不理想(见图2)。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供改善光束质量的脊波导结构，通过在沟槽内填充材料增加光的有效折射率，且能降低热透镜的效应，改善光束质量。
4.本发明所采用的技术方案是，改善光束质量的脊波导结构，包括半导体衬底，半导体衬底上生长外延结构，外延结构上刻蚀沟槽，沟槽内填充材料。
5.本发明的特点还在于：
6.半导体衬底上生长外延结构过程为：在半导体衬底上通过mocvd技术外延900-1000nm波长的激光器外延结构。
7.高折射材料折射率范围为2.5-3.8，导热系数范围34w/(m.k)-24w(cm.k)。
8.半导体衬底的折射率范围是3.4-3.6。
9.填充材料为si或者金刚石。
10.本发明的有益效果是：
11.1)本发明中在沟槽内填充材料，外延结构所能支持的模式数会随之减少，从而导致光束质量的提升。填充材料的折射率足够大，还可以形成反波导效应，这时光在外延结构中的传播依赖的是增益波导机制，光束质量也会得到充分提升。
12.2)沟槽填充材料后，外延结构的横向导热能量得到改善，从而降低了波导与其相邻两侧的沟槽区域之间的温度的梯度分布，降低热透镜的效应，光束质量得以改善。
附图说明
13.图1为高电流下光—电流曲线出现扭折(kink)示意图；
14.图2为现有技术近场(a)/远场(b)波导模式叠加的结果示意图；
15.图3是传统脊波导立体结构示意图；
16.图4是典型波导结构结果示意图；
17.图5是本发明改善光束质量的脊波导立体结构示意图；
18.图6是本发明波导结构水平方向分区示意图；
19.图7(a)是硅材料填充后的折射率与光线位置关系示意图；
20.图7(b)是金刚石材料填充后的折射率与光线位置关系示意图；
21.图8是沟槽内无填充、填充硅材料、金刚石材料时温度分布随位置变化示意图；
22.图9是本发明实施例中单波导模式时的近场光斑分布示意图；
23.图10是本发明实施例中双波导模式时的近场光斑分布示意图；
24.图11是本发明实施例中三个波导模式时的近场光斑分布示意图；
25.图12是本发明实施例中四个波导模式时的近场光斑分布示意图；
26.图13是本发明实施例中五个波导模式时的近场光斑分布示意图；
27.图14是本发明实施例中六个波导模式时的近场光斑分布示意图；
28.图15是本发明实施例中九个波导模式时的近场光斑分布示意图；
29.图16是本发明实施例中十个波导模式时的近场光斑分布示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
31.对于单横模设计来说，当工作电流较低时，能够确保单模运行，然而当工作电流较高时，由于外延结构的热效应以及其它效应(如载流子效应)导致外延结构的光—电流特性上出现扭折(kink)，光场质量因为多模的出现而恶化(见图1)。对于宽条高功率激光器来说，由于波导支持很多波导模式，这些波导模式叠加的结果就是慢轴方向的近场/远场质量极不理想(见图2)。为了实现更好的光束质量，本发明从提出了改善光束质量的脊波导结构及光束质量改善方法。
32.本发明改善光束质量的脊波导结构，包括半导体衬底，半导体衬底上生长外延结构，外延结构上刻蚀沟槽，沟槽内填充材料。
33.常规的波导如图3所示，光在横向(水平方向)上的空间限制作用来自于光波导模式的有效折射率差异。在波导两侧区域的沟槽区域，由于半导体材料被刻蚀掉，取而代之的是折射率为1的空气，从而形成波导区域有效折射率高、沟槽区域有效折射率小的典型波导结构如图4所示。为了改善近场与远场的发散角问题，本发明中填充一种兼容高导热与高折射率的材料，此材料对器件的热性能与有效折射率有很大的改善效果。阴影填充示物如图5所示。
34.本发明的实质是，在传统的沟槽半导体激光外延结构结构基础上，在波导两侧的沟槽内填充高热导率、高折射率的材料，从而可以起到改善光束质量的作用如图5所示。
35.光束质量的改善是基于以下物理原理：
36.1)波导结构从水平方向看，可以看作为三个不同区域，即波导左侧区域，波导区域以及波导右侧区域如图6所示。高折射率材料填入沟槽后，会使波导两侧的区域1与区域3内的有效折射率增加，增加量与填充材料的折射率大小以及填充厚度有关，填充材料的折射率越大，区域1与区域3内的有效折射率增加越多；填充材料的厚度越厚，区域1与区域3内的有效折射率增加越多。区域1与区域3内的有效折射率增加进一步会减低波导效应，因为波
导对光波的空间限制能力可以用所谓的波导归一化厚度v参数表征：
[0037][0038]
式中，λ0为光在真空中的波长，w为波导宽度，n2与n
11
分别为波导区域2与沟槽区域(区域1和区域3)的有效折射率。v参数越大，则波导所支持的模式数越多。很显然参数v与波导区域以及沟槽区域的有效折射率差成正相关关系。
[0039]
当沟槽结构内填充材料后，沟槽(区域1和区域3)的折射率降低，波导所能支持的模式数会随之减少，从而导致光束质量的提升。如果填充材料的折射率足够大，那么甚至可以形成反波导效应，这时光在外延结构中的传播依赖的是增益波导机制，光束质量也会得到充分提升。图7(a)与图7(b)所示不同折射率材料填充后的折射率变化。
[0040]
2)沟槽填充材料后，外延结构与衬底形成的芯片结构的横向导热能量得到改善，从而降低了波导与其相邻两侧的沟槽区域之间的温度的梯度分布，降低热透镜的效应，从而导致光束质量的改善(图8)。
[0041]
半导体衬底上生长外延结构过程为：在半导体衬底上通过mocvd技术外延900-1000nm波长的激光器外延结构。
[0042]
高折射率材料折射率为2.5-3.8，外延结构所能支持的模式数会随之减少，从而导致光束质量的提升，导热系数范围34w/(m.k)-24w(cm.k)，能够降低波导与其相邻两侧的沟槽区域之间的温度的梯度分布。
[0043]
半导体衬底的折射率范围是3.4-3.6。
[0044]
填充材料为si或者金刚石。
[0045]
通过改善光束质量的脊波导结构能够改善边发射激光器光束质量，通过填充材料增加脊波导沟槽内有效折射率；同时，通过在沟槽内填充材料改变外延结构的横向导热能力，降低外延结构与其相邻两侧的沟槽区域之间的温度梯度分布，降低热透镜的效应，改善光束质量。
[0046]
实施例
[0047]
对于波导宽度为95μm的高功率976nm激光器，计算出波导所支持的模式数量与折射率差(波导区域的有效折射率与沟槽区域的有效折射率之差)之间的关系，计算结果如表1所示。
[0048]
表1
[0049]
[0050][0051]
根据表1可知，折射率差越大，所支持的波导模式数越多。
[0052]
对于给定的外延材料结构，当刻蚀深度为700nm时，波导与沟槽区域的有效折射率差如表2所示，填充si(n＝3.67)材料后，波导区域与沟槽区域折射率的变化如表3所示。填充金刚石材料(n＝2.3981)材料后，波导区域与沟槽区域折射率的变化。
[0053]
表2
[0054]
刻蚀深度(nm)波导区域与沟槽区域折射率差007002.47e-4
[0055]
表3
[0056][0057][0058]
表4
[0059]
填充厚度(nm)波导区域与沟槽区域折射率差
0(无填充)2.47e-43502.31e-47002.0e-4
[0060]
根据表2，表3和表4可知，分布为在沟槽区域填充si与金刚石材料后的折射率变化。很显然，当有填充物后，折射率差均有一定减小。对于si填充结构来说，上述折射率差甚至可以变为负值，即形成所谓的反波导效应，此时激光器只能依赖所谓的增益波导进行光的传播。
[0061]
根据图9-16仿真了不同波导模式数量时的近场光斑分布。显然，当模式数为1时，近场分布接近理想的高斯光束。对于宽条高功率激光器，单模可以得到理想的高斯光束，即高质量的光斑。
[0062]
通过上述方式，本发明脊波导结构填充高折射、高导热材料能够用于不同波长的激光器中，且能够有效的改善光束的质量。

技术特征：
1.改善光束质量的脊波导结构，包括半导体衬底，所述半导体衬底上生长外延结构，所述外延结构上刻蚀沟槽，其特征在于，所述沟槽内填充材料既有高折射也有高导热性质。2.根据权利要求1所述改善光束质量的脊波导结构，其特征在于，所述半导体衬底上生长外延结构过程为：在半导体衬底上通过mocvd技术外延900-1000nm波长的激光器外延结构。3.根据权利要求1所述改善光束质量的脊波导结构，其特征在于，所述折射材料折射率为2.5-3.8，导热系数范围34w/(m.k)-24w(cm.k)。4.根据权利要求1所述改善光束质量的脊波导结构，其特征在于，所述半导体衬底的折射率范围是3.4-3.6。5.根据权利要求3所述改善光束质量的脊波导结构，其特征在于，所述填充材料为si或者金刚石。

技术总结
本发明改善光束质量的脊波导结构，包括半导体衬底，半导体衬底上生长外延结构，外延结构上刻蚀沟槽，沟槽内填充材料；在沟槽内填充材料，外延结构所能支持的模式数会随之减少，从而导致光束质量的提升。填充材料的折射率足够大，还可以形成反波导效应，这时光在外延结构中的传播依赖的是增益波导机制，光束质量也会得到充分提升。沟槽填充材料后，外延结构的横向导热能量得到改善，从而降低了波导与其相邻两侧的沟槽区域之间的温度的梯度分布，降低热透镜的效应，光束质量得以改善。光束质量得以改善。光束质量得以改善。


技术研发人员：赵涛 付鹏
受保护的技术使用者：广东先导院科技有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/28