一種邊發射半導體激光器件及其制造方法與流程

本發明涉及半導體發光器件領域，尤其涉及邊發射半導體激光器件結構及其制造方法。

背景技術：

激光器的諧振腔用于提供正反饋和控制腔內振蕩光束的特征，是激光器的必要組成部分。諧振腔通常由兩塊與激活介質軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構成。半導體激光器的諧振腔腔面通常通過高真空鍍膜形成高反射的鏡面，以獲得共振所需的受激能量。光子晶體結構，作為一種可具備光子帶隙的材料被廣泛用于光電子器件的設計當中。具有光子帶隙的光子晶體結構本身便是一種完美的反射鏡面結構，在光波導、發光二極管和激光器中得到了應用。例如，專利文獻1公開了一維的光子晶體結構作為量子級聯激光器的諧振腔的后腔面，減少了腔面損耗；專利文獻2和3均公開了一種帶有二維光子晶體反射面的激光器結構。反射鏡面一維光子晶體結構的制作都需要昂貴的真空設備，二維光子晶體的制作也需要電子束光刻或全息光刻或納米壓印等工藝技術，使得激光器的工藝制作成本較高。具體參考中國發明專利，授權號cn100461558c、中國發明專利，授權號cn101867148b和美國專利uspatentno.wo2016062998-a1。

因此，開發一種成本低廉的高質量激光諧振腔的制作工藝具有非常重要的現實意義。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種邊發射半導體激光器件及相應的成本低廉的制備技術。

本發明所采用的技術方案：一種邊發射半導體激光器件，所述激光器件包括襯底(1)、沉積于所述襯底(1)上的半導體外延層及設于所述半導體外延層的側面的反射端面(8)和出射端面(9)；

所述半導體外延層自下而上包括第一導電包覆層(2)、發光層(3)及第二導電包覆層(4)；所述第二導電包覆層(4)一端設置有第二電極(6)，所述襯底(1)底部或所述第一導電包覆層(2)一端設置有第一電極(7)；

所述反射端面(8)上設置有周期介質復合層(10)，所述周期介質復合層(10)由三維的周期性排列介質層(11)和低折射率材料層(12)組成。

優選的，位于所述反射端面(8)上的周期性排列介質層(11)為高折射率介質材料與低折射率介質材料周期排列的三維結構，其周期在亞微米量級，具體為0.1λ～10λ之間，其中λ為器件發光的峰值波長。

優選的，所述高折射率介質材料為iii族氮化物或金屬氧化物介質材料，所述低折射率材料為空氣、金屬氧化物介質材料。

優選的，所述周期性排列介質層(11)的厚度在亞微米量級，具體為10nm～100μm。

優選的，所述低折射率材料層(12)的厚度在亞微米量級，具體為0.1～10μm。

優選的，所述第二電極(6)與第二導電包覆層(4)之間還由下往上依次設有電流阻擋層(5)及加厚電極。

優選的，所述發光層(3)由iii-v族氮化物半導體材料構成，或由algaas類半導體材料構成，或由algainp類半導體材料構成。

一種邊發射半導體激光器件的制造方法，包括如下步驟：

s1:通過外延生長，在襯底(1)上自下而上的生長第一導電包覆層(2)、發光層(3)及第二導電包覆層(4)；通過半導體光刻工藝在外延片上制作器件單元，并鍍上第一電極(7)和第二電極(6)，獲得分立的芯片單元；

s21:使用鍍膜專用夾具將芯片單元排列，露出反射端面(8)；經過化學和物理清洗的芯片單元放置在容器中，并保持反射端面水平向上；將直徑為100～800nm的聚苯乙烯小球放入一定濃度的酒精溶液中超聲，并倒入芯片單元的容器中；在40℃～70℃的空氣環境中靜置8小時～3天，待溶液徹底蒸發后取出芯片單元，反射端面(8)上將形成由聚苯乙烯小球和空氣組成的三維周期性結構，即三維的周期性排列介質層(11)；

s22:或者，形成的三維的周期性排列介質層(11)也可采用以下方式：在步驟s21的基礎上，在溶器中加入含有介質材料，如iii族氮化物或金屬氧化物的溶液或所述介質材料的前驅物溶液，通過物理滲透或化學合成方式，在聚苯乙烯小球的縫隙內填充，靜置蒸發液體后形成聚苯乙烯小球和所述介質材料組成的三維周期性結構，即三維的周期性排列介質層(11)；

s23:或者，形成的三維的周期性排列介質層(11)也可采用以下方式：在s22的基礎上，將激光器在400～600℃空氣或惰性氣體環境中加熱1～5小時，聚苯乙烯小球將去除，留下與s2得到的三維周期性結構互補的三維周期性結構，同樣可做為三維的周期性排列介質層(11)；

s3:在上述步驟的基礎上，三維的周期性排列介質層(11)的表面物理旋涂或物理絲網印刷或化學水熱合成低折射材料薄膜；

s4:使用鍍膜專用夾具將芯片單元排列，露出出射端面(9)；在出射端面(9)鍍上出射腔面膜，最終與反射端面(8)形成邊發射諧振腔，完成邊發射半導體激光器的制作；

上述制備的周期介質復合層，采用非真空鍍膜的方法制作，進一步降低了激光器工藝制作成本。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)本發明所公開的邊發射半導體激光器的反射端面采用了三維光子晶體和低折射率材料的復合結構，具有非常高的反射率，可有效減少諧振腔的腔面損耗；(2)本發明制備的周期介質復合層，采用非真空鍍膜的方法制作，進一步降低了激光器工藝制作成本；(3)本發明所涉及的激光器的反射端面具有非常高的反射率，有效減少腔面損耗；同時，其周期介質復合層采用非真空鍍膜的方法制作，進一步降低激光器工藝制作成本。

附圖說明

圖1是本發明實施例1和實施例2中一種邊發射半導體激光器件的結構側面示意圖；

圖2是本發明實施例1和實施例2中一種邊發射半導體激光器件的結構正面示意圖；

圖3是本發明實施例1中一種邊發射半導體激光器件的反射端面上周期性排列介質層的掃描電鏡示意圖；

圖4是本發明實施例2中一種邊發射半導體激光器件的反射端面上周期性排列介質層的掃描電鏡示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。

如圖1-2所示，一種邊發射半導體激光器件，所述激光器件包括襯底(1)、沉積于所述襯底(1)上的半導體外延層及設于所述半導體外延層的側面的反射端面(8)和出射端面(9)；

所述半導體外延層自下而上包括第一導電包覆層(2)、發光層(3)及第二導電包覆層(4)；所述第二導電包覆層(4)一端設置有第二電極(6)，所述襯底(1)底部或所述第一導電包覆層(2)一端設置有第一電極(7)；

所述反射端面(8)上設置有周期介質復合層(10)，所述周期介質復合層(10)由三維的周期性排列介質層(11)和低折射率材料層(12)組成。

在本發明的具體技術方案中，位于所述反射端面(8)上的周期性排列介質層(11)為高折射率介質材料與低折射率介質材料周期排列的三維結構，其周期在亞微米量級，具體為0.1λ～10λ之間，其中λ為器件發光的峰值波長，所述高折射率介質材料為iii族氮化物或金屬氧化物介質材料，所述低折射率材料為空氣、金屬氧化物介質材料，所述周期性排列介質層(11)的厚度在亞微米量級，具體為10nm～100μm，所述低折射率材料層(12)的厚度在亞微米量級，具體為0.1～10μm，所述第二電極(6)與第二導電包覆層(4)之間還由下往上依次設有電流阻擋層(5)及加厚電極，所述發光層(3)由iii-v族氮化物半導體材料構成，或由algaas類半導體材料構成，或由algainp類半導體材料構成。

一種邊發射半導體激光器件的制造方法，包括如下步驟：

s1:通過外延生長，在襯底(1)上自下而上的生長第一導電包覆層(2)、發光層(3)及第二導電包覆層(4)；通過半導體光刻工藝在外延片上制作器件單元，并鍍上第一電極(7)和第二電極(6)，獲得分立的芯片單元；

s21:使用鍍膜專用夾具將芯片單元排列，露出反射端面(8)；經過化學和物理清洗的芯片單元放置在容器中，并保持反射端面水平向上；將直徑為100～800nm的聚苯乙烯小球放入一定濃度的酒精溶液中超聲，并倒入芯片單元的容器中；在40℃～70℃的空氣環境中靜置8小時～3天，待溶液徹底蒸發后取出芯片單元，反射端面(8)上將形成由聚苯乙烯小球和空氣組成的三維周期性結構，即三維的周期性排列介質層(11)；

s22:或者，形成的三維的周期性排列介質層(11)也可采用以下方式：在步驟s21的基礎上，在溶器中加入含有介質材料，如iii族氮化物或金屬氧化物的溶液或所述介質材料的前驅物溶液，通過物理滲透或化學合成方式，在聚苯乙烯小球的縫隙內填充，靜置蒸發液體后形成聚苯乙烯小球和所述介質材料組成的三維周期性結構，即三維的周期性排列介質層(11)；

s23:或者，形成的三維的周期性排列介質層(11)也可采用以下方式：在s22的基礎上，將激光器在400～600℃空氣或惰性氣體環境中加熱1～5小時，聚苯乙烯小球將去除，留下與s2得到的三維周期性結構互補的三維周期性結構，同樣可做為三維的周期性排列介質層(11)；

s3:在上述步驟的基礎上，三維的周期性排列介質層(11)的表面物理旋涂或物理絲網印刷或化學水熱合成低折射材料薄膜；

s4:使用鍍膜專用夾具將芯片單元排列，露出出射端面(9)；在出射端面(9)鍍上出射腔面膜，最終與反射端面(8)形成邊發射諧振腔，完成邊發射半導體激光器的制作；

上述制備的周期介質復合層，采用非真空鍍膜的方法制作，進一步降低了激光器工藝制作成本。

實施例1

如圖1和圖2所示，一種邊發射半導體激光器件，其包括襯底(1)、沉積于襯底上的半導體外延層及設于半導體外延層表面的反射端面(8)和出射端面(9)，該半導體外延層自下而上包括第一導電包覆層(2)、發光層(3)及第二導電包覆層(4)，第二導電包覆層(4)一端設置有第二電極(6)，襯底(1)底部或第一導電包覆層(2)一端設置有第一電極(7)，反射端面(8)上設置有周期介質復合層(10)。如圖2所示，該周期介質復合層(10)由兩部分組成：三維的周期性排列介質層(11)以及低折射率材料層(12)。

第二電極(6)與第二導電包覆層(4)之間還可以由下往上設有電流阻擋層(5)及加厚電極。

本實施案例中，位于反射端面(8)上的周期性排列介質層(11)為三維周期性排列的聚苯乙烯小球，則聚苯乙烯小球為高折射率介質材料，空氣為低折射率介質材料。如圖3所示，呈三維周期性排列的聚苯乙烯小球直徑約為450nm，周期約為450nm,厚度約為5～7μm。

低折射率材料層采用石英粉(二氧化硅)，厚度為2μm。

該邊發射半導體激光器的發光層為algaas材料。

圖1～3所示的邊發射激光器的制造方法如下：

將多個激光器芯片排列在一起，它們的反射端面在同一水平面上，放置在純水中超聲1小時，并在空氣中用氮氣吹干。使用食人魚溶液(硫酸:雙氧水＝3：1)浸泡激光器2小時，然后用丙酮清洗并用氮氣吹干。將1.2ml的直徑為450nm的聚苯乙烯小球放入90ml的酒精溶液，并超聲1小時。將激光器放在5ml的燒杯中，在激光器反射端面上方加入3.5ml的聚苯乙烯小球溶液。在60℃的空氣環境中靜置16小時，待溶液徹底蒸發后取出。反射端面(8)上將形成由聚苯乙烯小球和空氣組成的三維周期性結構，即三維的周期性排列介質層(11)，如圖3所示。

在完成上述步驟后，在三維的周期性排列介質層(11)的表面進行如下步驟：

將9.6g的terpileno與8.1g的乙醇的混合物一點點滴入到0.9g的乙基纖維素和8g的乙醇的混合物中。100mg的石英粉加入到混合物中充分攪拌和超聲。在50℃的空氣環境中加熱若干時間，去掉乙醇。0.6ml的乙酰丙酮和0.6ml的乳化劑op加入到混合物中，并充分攪拌，得到石英粉漿。通過掩膜覆蓋激光器端面所在的平面，將反射端面露出，將石英粉漿印刷到端面上，在100℃干燥10分鐘獲得一層石英層。重復印刷，增加石英層厚度。最后，在350℃的空氣環境中加熱1小時，得到低折射率材料層(12)。

實施例2

實施例2所采用的基本結構與實施例1相同，不同之處在于三維的周期性排列介質層(11)的形貌與實施例1互補。實現實施例2的關鍵是通過物理滲透或化學合成等方式，在聚苯乙烯小球的縫隙內填充某種材料或合成某種材料，并通過高溫退火將聚苯乙烯小球燒除。具體的實施方案為：sncl4.5h2o(1.4g,4mmol)和乙醇(20ml,0.2m)充分混合。飽和的nh4f溶液(0.5g,5mmol)加入到混合液中，并超聲1小時，直到混合液無色。將實施例1中獲得的樣品放于該混合液中，放進真空箱中放置30分鐘取出。樣品放置于鼓風干燥箱中，以1℃/min的速率升溫到450℃，并保溫2小時。上述過程使得前驅溶液滲透到聚苯乙烯小球的縫隙內，并經過化學合成，生成摻氟的氧化錫，即fto材料；同時，溫度上升至高于180度的過程中，聚苯乙烯小球將熔化、氣化，最終只剩下和實施例1形貌互補的三維的周期性排列介質層(11)，其形貌結構如圖4所示。

低折射率材料層(12)的制作與實施例1相同。

對于本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬于本發明權利要求的保護范圍之內。