CN113140965B - 一种半导体激光器外延结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器外延结构及其制备方法，该结构包括：相对设置的第一波导层和第二波导层、以及位于第一波导层和第二波导层之间的有源层；第一波导层包括：相对设置的第一波导膜层和第二波导膜层；位于第一波导膜层和第二波导膜层之间的横模调制层，第一横模调制层的折射率分别小于第一波导膜层的折射率和第二波导膜层的折射率。通过实施本发明，在第一波导层中设置第一横模调制层，第一横模调制层的折射率小于两侧波导膜层的折射率，由此，设置的横模调制层可以调制基膜及高阶模式分布，使得高阶模限制因子降低，抑制高阶模式激射，从而解决现有技术中半导体激光器件高阶模易激射的问题。

Description

一种半导体激光器外延结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体激光器外延结构及其制备方法。

背景技术

随着半导体光电子器件的迅速发展，半导体激光器应运而生。由于半导体激光器体积小、价格便宜、电光转换效率高以及寿命长等优点，半导体激光器在光电子领域有着非常广泛的应用。同时，半导体激光器在工业加工领域、医学治疗领域、军事领域以及理论研究领域都扮演着重要的角色。

半导体激光器材料层大多分为三部分：单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为可电离产生电子的N区、有源区另一侧为可电离产生空穴的P区。通过施加外加偏压驱动电子和空穴在垂直于结平面的方向上注入到有源区进行复合并产生光。通过对腔两端解理并镀反射膜形成反馈腔，使得电子空穴复合产生的光在腔内不断谐振并且形成波前平行于镜面的驻波。

现有技术中的半导体器件为实现高性能输出而广泛采用了非对称结构，其第一波导层要厚于第二波导层，这导致高电流情况下高阶模易发生激射，使得器件性能降低，光束质量变差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种半导体激光器外延结构及其制备方法，以解决现有技术中半导体器件中光束质量较差的技术问题。

本发明实施例提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种半导体激光器外延结构，包括：相对设置的第一波导层和第二波导层、以及位于第一波导层和第二波导层之间的有源层；所述第一波导层包括：相对设置的第一波导膜层和第二波导膜层；位于所述第一波导膜层和第二波导膜层之间的第一横模调制层，所述第一横模调制层的折射率分别小于所述第一波导膜层的折射率和所述第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布。

可选地，所述第一波导膜层位于所述第一横模调制层背向所述有源层的一侧；所述第二波导层为单层结构。

可选地，所述第一波导膜层的厚度与第二波导膜层、有源层和第二波导层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

可选地，所述第一波导层的厚度大于所述第二波导层的厚度。

可选地，所述第二波导层包括相对设置的第三波导膜层和第四波导膜层；位于所述第三波导膜层和第四波导膜层之间的第二横模调制层；所述第二横模调制层折射率分别小于所述第三波导膜层的折射率和所述第四波导膜层的折射率；所述第一波导膜层位于所述第一横模调制层背向所述有源层的一侧，且所述第三波导膜层位于所述第二横模调制层背向所述有源层的一侧。

可选地，所述第一波导膜层的厚度与所述第二波导膜层、有源层和第四波导膜层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

可选地，所述第二横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布；所述第三波导膜层的厚度与所述第四波导膜层、有源层和第二波导膜层的厚度之和的比值为1：4～1：3。

可选地，所述第二横模调制层适于降低二阶模式光在有源层中的分布；所述第三波导膜层的厚度与所述第四波导膜层、有源层和第二波导膜层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

可选地，所述第一横模调制层的厚度小于工作波长四分之一。

可选地，所述第二横模调制层的厚度小于工作波长四分之一。

可选地，所述第一横模调制层的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。

可选地，所述第二横模调制层的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。

可选地，该半导体器外延结构还包括：半导体衬底层；所述第二波导层位于第一波导层背向所述半导体衬底层的一侧。

可选地，该半导体器外延结构还包括：第一限制层，所述第一限制层位于所述第一波导层背向所述有源层的一侧表面；第二限制层，所述第二限制层位于所述第二波导层背向所述有源层的一侧表面。

本发明还提供一种形成半导体激光器外延结构的方法，包括：形成第一波导层，形成所述第一波导层的步骤包括：形成第一波导膜层；形成第二波导膜层，第二波导膜层与第一波导膜层相对设置；在形成第一波导膜层的步骤和形成第二波导膜层的步骤之间，形成第一横模调制层，第一横模调制层位于所述第一波导膜层和第二波导膜层之间，所述第一横模调制层的折射率分别小于所述第一波导膜层的折射率和所述第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布；形成第二波导层，第二波导层与第一波导层相对设置；在形成第一波导层的步骤和形成第二波导层的步骤之间，形成有源层。

可选地，形成所述第二波导层的步骤包括：形成第三波导膜层；形成第四波导膜层，第四波导膜层与第三波导膜层相对设置；在形成第三波导膜层的步骤和形成第四波导膜层的步骤之间形成第二横模调制层，第二横模调制层位于所述第三波导膜层和第四波导膜层之间，所述第二横模调制层折射率分别小于所述第三波导膜层的折射率和所述第四波导膜层的折射率。

可选地，该半导体激光器外延结构的形成方法还包括：提供半导体衬底；形成第一波导膜层的步骤包括：在所述半导体衬底上形成第一波导膜层；形成第一横模调制层的步骤包括：在第一波导膜层背向所述半导体衬底的一侧形成第一横模调制层；形成第二波导膜层的步骤包括：在所述第一横模调制层背向所述半导体衬底的一侧形成第二波导膜层。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明技术方案提供的半导体激光器外延结构，通过在第一波导层中设置第一横模调制层，并设置第一横模调制层的折射率小于两侧第一波导膜层以及第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布，由此，一阶模式光能够大幅度的穿过第一横模调制层进入第一波导膜层，一阶模式光在有源层内的分布降低。即第一横模调制层能够调制一阶模模式分布，使一阶模限制因子降低，使得一阶模增益降低，一阶模式高电流下更难发生激射。因此，本发明实施例提供的半导体激光器，通过低折射率的第一横模调制层的设置，能够有效抑制高阶模式激射，使得非对称的半导体激光器实现无扭折输出，提升了器件的输出功率及光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种偏移量子阱半导体激光器所产生的扭折现象示意图；

图2为一种偏移量子阱半导体激光器的限制因子变化示意图；

图3为本发明实施例中半导体激光器外延结构的示意图；

图4为本发明实施例中半导体激光器外延结构的模式限制因子随有源层偏移示意图；

图5为本发明实施例中模式限制因子随第一横模调制层的位置变化示意图；

图6为本发明实施例中模式限制因子随第一横模调制层的厚度变化示意图；

图7为本发明实施例中模式限制因子随第一横模调制层折射率变化示意图；

图8为本发明另一实施例中半导体激光器外延结构的示意图；

图9为本发明另一实施例中半导体激光器外延结构的示意图；

图10为本发明另一实施例中半导体激光器外延结构的示意图；

图11为本发明实施例中半导体激光器外延结构的制备方法的流程图；

图12为本发明另一实施例中半导体激光器外延结构的制备方法的流程图。

具体实施方式

正如在背景技术中所述，现有的半导体激光器广泛采用了非对称大光腔结构，这导致器件性能提升的同时使得高阶模易发生激射而产生扭折现象，抑制了激光器性能进一步提升。

一种半导体激光器包括:衬底；位于衬底上依次层叠的第一限制层、第一波导层、有源层、第二波导层、第二限制层。

一方面，随着第一波导层和第二波导层的总厚度增加，半导体激光器的亮度增加。然而过厚的波导层会导致器件电阻增加、P面载流子泄漏增加、器件热阻增加等一系列效应，使得激光器的效率会降低，为了改善激光器的效率和电阻方面的性能，通常设置有源区偏移不对称的结构。但是当有源区偏移时，一阶模光在有源区内的含量增加，这样容易导致一阶模光激射。

具体的，半导体激光器在高电流情况下发生高阶模式激射会产生明显的扭结现象，如图1所示，当半导体激光器注入电流超过阈值后,其P-I特性曲线可能偏离理想的线性区,出现扭结现象,其中，图1中的横轴表示电流(current)，单位为A，图1中的纵轴y1表示功率(Power)，单位为W，纵轴y2表示效率，纵轴y3表示电压(Voltage)，单位为V。

如图2所示，随着有源区的偏移，基模限制因子持续下降，而一阶模限制因子增加。图2中的横轴表示偏移量，单位为um，图2中的纵轴表示限制因子。

由于基模限制因子持续下降，而一阶模限制因子增加，因此导致一阶模的光在有源区中分布的比例增加，使得一阶模易激射，使器件效率及光束质量下降。

基于此，本发明实施例提供一种半导体激光器外延结构，包括：相对设置的第一波导层和第二波导层、以及位于第一波导层和第二波导层之间的有源层；所述第一波导层包括：相对设置的第一波导膜层和第二波导膜层；位于所述第一波导膜层和第二波导膜层之间的第一横模调制层，所述第一横模调制层的折射率分别小于所述第一波导膜层的折射率和所述第二波导膜层的折射率，第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布。

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种半导体激光器外延结构，如图3所示，该外延结构包括：相对设置的第一波导层10和第二波导层20、以及位于第一波导层10和第二波导层20之间的有源层30；第一波导层10包括：相对设置的第一波导膜层11和第二波导膜层12；位于第一波导膜层11和第二波导膜层12之间的第一横模调制层13，第一横模调制层13的折射率分别小于第一波导膜层11的折射率和第二波导膜层12的折射率，第一横模调制层13适于降低一阶模式光在有源层30中的分布。

在一实施例中，如图4所示，图4中的横轴表示半导体激光器外延结构纵向上各层结构的分布，第一纵轴(index)表示外延结构中各层的折射率，第二纵轴(mode0)表示基模模式光的分布，第三纵轴(mode1)表示一阶模式光的分布，其中，图4中标注了第一横模调制层和有源层的对应位置，同时对于基模模式光和一阶模式光，图4中第二纵轴和第三纵轴中包含的实线表示在外延结构中设置第一横模调制层后的分布，虚线表示外延结构中未设置第一横模调制层时的分布。首先，对于基模模式光，在设置第一横模调制层后，基模模式光的分布更加集中，并且有更多的基模模式光分布在了第二波导膜层、有源层和第二波导层内；对于一阶模式光，在设置第一横模调制层之后，有源层中一阶模式光明显减少，而第一波导膜层中的一阶模式光明显增加，即原来有源层中的一阶模式光大幅度穿过了设置的第一横模调制层，使得一阶模式限制因子降低。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，通过在第一波导层中设置第一横模调制层，并设置第一横模调制层的折射率小于两侧第一波导膜层以及第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布，由此，一阶模式光能够大幅度的穿过第一横模调制层进入第一波导膜层，一阶模式光在有源层内的分布降低。即第一横模调制层能够调制一阶模模式分布，使一阶模限制因子降低，使得一阶模增益降低，一阶模式高电流下更难发生激射。因此，本发明实施例提供的半导体激光器，通过低折射率的第一横模调制层的设置，能够有效抑制高阶模式激射，使得非对称的半导体激光器实现无扭折输出，提升了器件的输出功率及光束质量。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，设置的第一横模调制层还能增加基模模式光在有源层中的分布，可以将基模模式光更有效的限制在第二波导膜层、有源层和第二波导层内，使基模限制因子增加。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，由于有源层中的一阶模式减少，有源层中一阶模式的增益减少，也降低了一阶模式在有源层中的分布。由于一阶模式光的吸收损耗相比基膜的损耗吸收大，而本方案中有源层中一阶模式光的分布减少，这样使得该半导体激光器的损耗减少，出光功率增大。其次，由于一阶模光具有双峰而基模光具有单峰，因此基模光的质量比一阶模光的质量好，本方案由于减少了有源层中一阶模式光的分布且增加了有源层中基模式光的分布，因此使得半导体激光器的光束质量提高。

在一实施例中，如图3所示，第一波导膜层11位于第一横模调制层13背向有源层30的一侧；第二波导层20为单层结构。第一波导膜层11、第二波导膜层12、第二波导层20以及第一横模调制层13可以采用相同材料构成，通过对材料中各元素组分的调整，实现第一横模调制层13折射率和第一波导膜层11、第二波导膜层12折射率的不同。其中，第一波导膜层11和第二波导膜层12的材料组分可以相同。在一具体实施方式中，第一横模调制层13的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。

在一实施例中，如图5所示，图5横纵表示第一横模调制层在第一波导层中的位置，单位为um，图5纵轴表示模式限制因子，图5中实线表示基模模式限制因子随位置的变化，虚线表示一阶模限制因子随位置的变化，图5为第一横模调制层13的位置变化与模式限制因子之间的关系，可以看出，随着第一横模调制层13靠近有源层30，即第一波导膜层11的厚度越大越大，基模限制因子呈现先增加后减小的特性，一阶模限制因子呈现先降低后增加的特性，为了使得基模限制因子和一阶模限制因子二者的共同作用效果达到最佳，第一波导膜层11的厚度与第二波导膜层12、有源层30和第二波导层20的厚度之和的比值为1：3～1：2，由此能够使得第一横模调制层13的调制作用达到最大。

在一实施例中，第一横模调制层13的厚度小于工作波长四分之一，该工作波长为采用该半导体激光器外延结构形成的半导体激光器的工作波长，也可以将工作波长称为半导体激光器的峰值波长。具体地，第一横模调制层13的厚度可以是50nm、60nm、70nm、80nm以及90nm等。如图6所示，图6横纵表示第一横模调制层的厚度，单位为um，图6中纵轴表示模式限制因子，图6中实线表示基模模式限制因子随第一横模调制层厚度的变化，虚线表示一阶模限制因子随第一横模调制层厚度的变化，可以看出，随着第一横模调制层13厚度的增加，基模限制因子增加，一阶模限制因子降低，在第一横模调制层的厚度达到一定值时，基模限制因子和一阶模限制因子的变化趋于平缓，而过大的第一横模调制层的厚度会使得第一波导层的厚度增加，激光器的效率会降低。

在一实施例中，第一横模调制层13的折射率低于第一波导膜层11的折射率。具体地，第一横模调制层13的折射率可以低于第一波导膜层11的折射率的95％。例如，第一波导膜层11的折射率为3.5，第一横模调制层13的折射率可以是3.45、3.4、3.35、3.3等。

如图7所示，图7横轴表示为第一横模调制层的折射率，图7纵轴表示模式限制因子，图7中实线表示基模模式限制因子随第一横模调制层折射率的变化，虚线表示一阶模限制因子随第一横模调制层折射率的变化，可以看出，随着第一横模调制层13折射率的降低，基模限制因子增加，一阶模限制因子降低，同时，由于制备较低折射率的第一横模调制层13时会增加其成本，因此，根据第一横模调制层13对模式限制因子的调制作用以及工艺成本，第一横模调制层13的折射率与第一波导膜层11以及第二波导膜层12的关系可以按照上述关系进行设置。

在一实施例中，如图8所示，该半导体激光器外延结构还包括：半导体衬底层40；第二波导层20位于第一波导层10背向半导体衬底层40的一侧。具体地，第一波导层10可以设置在半导体衬底层40和有源层30之间。

在一实施例中，如图8所示，该半导体激光器外延结构还包括：第一限制层50，第一限制层50位于第一波导层10背向有源层30的一侧表面；第二限制层60，第二限制层60位于第二波导层20背向有源层30的一侧表面。具体地，第一限制层50和第一波导层10位于有源层30的一侧表面，即第一限制层50和第一波导层10设置在有源层30的同侧；第二限制层60和第二波导层20设置在有源层30的另一侧表面，即第二限制层60和第二波导层20设置在有源层30的同侧。

在一实施例中，第一波导层10为N型波导层，第二波导层20为P型波导层，此时可以设置第一波导层10的厚度大于第二波导层20的厚度，即有源层30向第二波导层20的方向偏移。当有源层30采用量子阱结构时，设置有源层30向第二波导层20方向即P型波导层偏移，能够有效降低吸收损耗和器件电阻。当第一波导层10为N型波导层，第二波导层20为P型波导层时，第一波导层10可以设置在半导体衬底层40和有源层30之间。同时，由于第一波导层的厚度大于第二波导层的厚度，将第一横模调制层设置在第一波导层中，可以更容易设置第一横模调制层两侧的第一波导膜层和第二波导膜层，从而更容易使得第一波导膜层的厚度与第二波导膜层、有源层和第二波导层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

实施例2

本发明实施例提供一种半导体激光器外延结构，如图9所示，该外延结构包括：相对设置的第一波导层10和第二波导层20、以及位于第一波导层10和第二波导层20之间的有源层30；第一波导层10包括：相对设置的第一波导膜层11和第二波导膜层12；位于第一波导膜层11和第二波导膜层12之间的第一横模调制层13，第一横模调制层13的折射率分别小于第一波导膜层11的折射率和第二波导膜层12的折射率，第二波导层20包括相对设置的第三波导膜层21和第四波导膜层22；位于第三波导膜层21和第四波导膜层22之间的第二横模调制层23；第二横模调制层23折射率分别小于第三波导膜层21的折射率和第四波导膜层22的折射率。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，通过在第一波导层10中设置第一横模调制层13，在第二波导层20中设置第二横模调制层23，并设置第一横模调制层13的折射率小于两侧第一波导膜层11以及第二波导膜层12的折射率，第二横模调制层23折射率分别小于第三波导膜层21的折射率和第四波导膜层22的折射率，由此，一阶模式能够大幅度的穿过第一横模调制层和第二横模调制层进入第一波导膜层和第三波导膜层，一阶模式光在有源层内的分布降低，即第一横模调制层13和第二横模调制层23能够调制一阶模模式分布，使一阶模限制因子降低。因此，本发明实施例提供的半导体激光器，通过低折射率的第一横模调制层和第二横模调制层的设置，有效抑制了一阶模式的激射，提升了器件的输出功率及光束质量。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，设置的第一横模调制层还能增加基模模式光在有源层中的分布，可以将基模模式光更有效的限制在第二波导膜层、有源层和第二波导层内，使基模限制因子增加。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，在设置第一横模调制层13的基础上，在第二波导层20中设置第二横模调制层23，由此一阶模式不仅能穿过第一横模调制层13，还能够在另一方向上穿过第二横模调制层23，可以进一步减少有源层30中的一阶模式。

在一实施例中，第一波导膜层11位于第一横模调制层13背向有源层30的一侧，且第三波导膜层21位于第二横模调制层23背向有源层30的一侧；第一波导层10和第二波导层20可以采用相同材料构成，通过对材料中各元素组分的调整，实现第一横模调制层13和第二横模调制层23折射率其他波导膜层折射率的不同。其中，第一波导层10和第二波导层20的材料组分可以相同。在一具体实施方式中，第一横模调制层13的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。第二横模调制层23的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。

在一实施例中，第一波导膜层11的厚度与第二波导膜层12、有源层30和第四波导膜层22的厚度之和的比值为1：3～1：2。第二横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布，此时，第三波导膜层21的厚度与第四波导膜层22、有源层30和第二波导膜层12的厚度之和的比值为1：3～1：2。第二横模调制层还适于降低二阶模式光在有源层中的分布；此时，第三波导膜层的厚度与第四波导膜层、有源层和第二波导膜层的厚度之和的比值为1：4～1：3。

具体地，第二横模调制层的设置不仅能使得一阶模式光穿过，同时还能够使得二阶模式光穿过，但是当不同模式的光穿过第二横模调制层时，对第二横模调制层在第二波导层中的位置要求不同，因此，可以根据需要降低一阶模式光分布还是需要降低二阶模式光在有源层中的部分，设置第二横模调制层在第二波导层的厚度。

此外，由于在有源层30两侧的第一波导层10和第二波导层20中均设置了横模调制层，且两个横模调制层均对基模模式和一阶模式起到了调制作用，因此，在基于横模调制层的位置与模式限制因子之间的关系确定第一横模调制层13及第二横模调制层23的位置时，可以只考虑第一波导膜层11的厚度与第一横模调制层13、第二波导膜层12、有源层30和第四波导膜层22的厚度之和的比值，而无需考虑二横模调制层23外侧的第三波导膜层21的厚度，同理，确定第三波导膜层21的厚度与第二横模调制层23、第四波导膜层22、有源层30和第二波导膜层12的厚度之和的比值时，也无需考虑第一横模调制层13外侧的第一波导膜层11的厚度。

在一实施例中，第一横模调制层13的厚度小于工作波长四分之一。具体地，第一横模调制层13的厚度可以是50nm、60nm、70nm、80nm以及90nm等。第二横模调制层23的厚度小于工作波长四分之一。具体地，第二横模调制层23的厚度可以是50nm、60nm、70nm、80nm以及90nm等。该工作波长为采用该半导体激光器外延结构形成的半导体激光器的工作波长，也可以将工作波长称为半导体激光器的峰值波长。

在一实施例中，第一横模调制层13的折射率低于第一波导膜层11的折射率。具体地，第一横模调制层13的折射率低于第一波导膜层11的折射率的95％。例如，第一波导膜层11的折射率为3.5，第一横模调制层13的折射率可以是3.45、3.4、3.35、3.3等。第二横模调制层23的折射率低于第三波导膜层的折射率。具体地，第二横模调制层23的折射率低于第三波导膜层的折射率的95％。例如，第三波导膜层的折射率为3.5，第二横模调制层23的折射率可以是3.45、3.4、3.35、3.3等。

在一实施例中，第一横模调制层13及第二横模调制层23的折射率与模式限制因子之间也存在一定关系，因此，根据第一横模调制层13和第二横模调制层23的折射率不同对模式限制因子的调制作用以及工艺成本，第一横模调制层13和第二横模调制层23的折射率在具体实施中会根据器件结构进行相应调整。

在一实施例中，如图10所示，该半导体激光器外延结构还包括：半导体衬底层40；第二波导层20位于第一波导层10背向半导体衬底层40的一侧。具体地，第一波导层10可以设置在半导体衬底层40和有源层30之间。

在一实施例中，如图10所示，该半导体激光器外延结构还包括：第一限制层50，第一限制层50位于第一波导层10背向有源层30的一侧表面；第二限制层60，第二限制层60位于第二波导层20背向有源层30的一侧表面。具体地，第一限制层50和第一波导层10位于有源层30的一侧表面，即第一限制层50和第一波导层10设置在有源层30的同侧；第二限制层60和第二波导层20设置在有源层30的另一侧表面，即第二限制层60和第二波导层20设置在有源层30的同侧。

在一实施例中，第一波导层10为N型波导层，第二波导层20为P型波导层，此时可以设置第一波导层10的厚度大于第二波导层20的厚度，即有源层30向第二波导层20的方向偏移。当有源层30采用量子阱结构时，设置有源层30向第二波导层20方向即P型波导层偏移，能够有效降低吸收损耗和器件电阻。当第一波导层10为N型波导层，第二波导层20为P型波导层时，第一波导层10可以设置在半导体衬底层40和有源层30之间。

具体地，当第二波导层为P型波导层且有源层30向P型波导层偏移时，第三波导膜层的厚度与第四波导膜层、有源层和第一波导层的厚度之和的比值在1：3～1：2或1：4～1：3之间，因此，第三波导膜层需要达到一定厚度，若第三波导膜层厚度较小，导致第二波导层厚度较小，第二调模调制层无法设置在第三波导膜层和第四波导膜层之间，则第二横模调制层23可能会设置在第二波导层与有源层30或第二波导层与第二限制层的界面处，而第二横模调制层设置界面处时，会导致基模限制因子与一阶模限制因子都增加，一阶模限制因子增加则无法解决高阶模式激射产生扭结现象的问题。因此，当第二波导层为P型波导层且有源层30向P型波导层偏移时，需要设置第三波导膜层需要达到一定厚度。

实施例3

本发明实施例提供一种形成上述实施例1所述的半导体激光器外延结构的方法，如图11所示，该方法包括：

步骤S101：形成第一波导层，形成所第一波导层的步骤包括：形成第一波导膜层；形成第二波导膜层，第二波导膜层与第一波导膜层相对设置；在形成第一波导膜层的步骤和形成第二波导膜层的步骤之间，形成第一横模调制层，第一横模调制层位于第一波导膜层和第二波导膜层之间，第一横模调制层的折射率分别小于第一波导膜层的折射率和第二波导膜层的折射率，第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布。在一具体实施方式中，第一波导层可以采用外延生长的方式制备，例如可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)等外延设备实现。此外，也可以选择其他外延设备，本发明对此不作限定。

步骤S102：形成第二波导层，第二波导层与第一波导层相对设置。其中，第二波导层可以是单层结构，第二波导层也可以采用外延生长的方式制备。

步骤S103：在形成第一波导层的步骤和形成第二波导层的步骤之间，形成有源层。其中，该有源层可以是量子阱结构，也可以是其他结构，本发明实施例对此不做限定。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构的制备方法，通过在第一波导层中设置第一横模调制层，并设置第一横模调制层的折射率小于两侧第一波导膜层以及第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布，由此，一阶模式光能够大幅度的穿过第一横模调制层进入第一波导膜层，一阶模式光在有源层内的分布降低。即第一横模调制层能够调制一阶模模式分布，使一阶模限制因子降低。因此，本发明实施例提供的半导体激光器，通过低折射率的第一横模调制层的设置，能够抑制一阶模式的激射，使得非对称的激光器实现无扭折的输出。

在一实施例中，该半导体激光器外延结构的形成方法，还包括：提供半导体衬底；形成第一波导膜层的步骤包括：在半导体衬底上形成第一波导层；形成第一横模调制层的步骤包括：在第一波导层背向所述半导体衬底的一侧形成第一横模调制层；形成第二波导膜层的步骤包括：在所述第一横模调制层背向所述半导体衬底的一侧形成第二波导膜层。

实施例4

本发明实施例提供一种形成上述实施例1所述的半导体激光器外延结构的方法，如图12所示，该方法包括：

步骤S101：形成第一波导层，形成所第一波导层的步骤包括：形成第一波导膜层；形成第二波导膜层，第二波导膜层与第一波导膜层相对设置；在形成第一波导膜层的步骤和形成第二波导膜层的步骤之间，形成第一横模调制层，第一横模调制层位于第一波导膜层和第二波导膜层之间，第一横模调制层的折射率分别小于第一波导膜层的折射率和第二波导膜层的折射率。在一具体实施方式中，第一波导层可以采用外延生长的方式制备，例如可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)等外延设备实现。此外，也可以选择其他外延设备，本发明对此不作限定。

步骤S102：形成第二波导层，第二波导层与第一波导层相对设置。形成第二波导层的步骤包括：形成第三波导膜层；形成第四波导膜层，第四波导膜层与第三波导膜层相对设置；在形成第三波导膜层的步骤和形成第四波导膜层的步骤之间形成第二横模调制层，第二横模调制层位于第三波导膜层和第四波导膜层之间，第二横模调制层折射率分别小于第三波导膜层的折射率和第四波导膜层的折射率。第二波导层也可以采用外延生长的方式制备。

步骤S103：在形成第一波导层的步骤和形成第二波导层的步骤之间，形成有源层。其中，该有源层可以是量子阱结构，也可以是其他结构，本发明实施例对此不做限定。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构的制备方法，通过在第一波导层中设置第一横模调制层，在第二波导层中设置第二横模调制层，并设置第一横模调制层的折射率小于两侧第一波导膜层以及第二波导膜层的折射率，第二横模调制层折射率分别小于第三波导膜层的折射率和第四波导膜层的折射率，由此，一阶模式能够大幅度的穿过第一横模调制层和第二横模调制层进入第一波导膜层和第三波导膜层，一阶模式光在有源层内的分布降低，即第一横模调制层和第二横模调制层能够调制一阶模模式分布，使一阶模限制因子降低。由于有源层中的一阶模式减少，有源层中一阶模式的增益减少，也降低了一阶模式在有源层中的分布，抑制一阶模激射，使得非对称的激光器实现无扭折的输出。

本发明实施例提供的半导体激光器外延结构的制备方法，在设置第一横模调制层的基础上，在第二波导层中设置第二横模调制层，由此一阶模式不仅能穿过第一横模调制层，还能够在另一方向上穿过第二横模调制层，可以进一步减少有源层中的一阶模式。因此，本发明实施例提供的半导体激光器外延结构，相比设置第一横模调制层的外延结构，进一步抑制了一阶模激射。

在一实施例中，该半导体激光器外延结构的形成方法，还包括：提供半导体衬底；形成第一波导膜层的步骤包括：在半导体衬底上形成第一波导层；形成第一横模调制层的步骤包括：在第一波导层背向所述半导体衬底的一侧形成第一横模调制层；形成第二波导膜层的步骤包括：在所述第一横模调制层背向所述半导体衬底的一侧形成第二波导膜层。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (17)

1.一种半导体激光器外延结构，其特征在于，包括：相对设置的第一波导层和第二波导层、以及位于第一波导层和第二波导层之间的有源层；

所述第一波导层包括：相对设置的第一波导膜层和第二波导膜层；位于所述第一波导膜层和第二波导膜层之间的第一横模调制层，所述第一横模调制层的折射率分别小于所述第一波导膜层的折射率和所述第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布；所述第一横模调制层适于增加基模模式光在有源层中的分布。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第一波导膜层位于所述第一横模调制层背向所述有源层的一侧；所述第二波导层为单层结构。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第一波导膜层的厚度与第二波导膜层、有源层和第二波导层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第一波导层的厚度大于所述第二波导层的厚度。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第二波导层包括相对设置的第三波导膜层和第四波导膜层；位于所述第三波导膜层和第四波导膜层之间的第二横模调制层；所述第二横模调制层折射率分别小于所述第三波导膜层的折射率和所述第四波导膜层的折射率；所述第一波导膜层位于所述第一横模调制层背向所述有源层的一侧，且所述第三波导膜层位于所述第二横模调制层背向所述有源层的一侧。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第一波导膜层的厚度与所述第二波导膜层、有源层和第四波导膜层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

7.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第二横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布；所述第三波导膜层的厚度与所述第四波导膜层、有源层和第二波导膜层的厚度之和的比值为1：4～1：3。

8.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第二横模调制层适于降低二阶模式光在有源层中的分布；所述第三波导膜层的厚度与所述第四波导膜层、有源层和第二波导膜层的厚度之和的比值为1：3～1：2。

9.根据权利要求1、2或5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第一横模调制层厚度小于工作波长的四分之一。

10.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第二横模调制层厚度小于工作波长的四分之一。

11.根据权利要求1、2或5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第一横模调制层的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。

12.根据权利要求5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，所述第二横模调制层的材料包括InAlGaAs横模调制层、InGaAsP横模调制层、AlGaInP横模调制层、AlGaAs横模调制层、InGaAs横模调制层以及InGaP横模调制层中的任意一种。

13.根据权利要求1、2或5所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，还包括：半导体衬底层；所述第二波导层位于第一波导层背向所述半导体衬底层的一侧。

14.根据权利要求1所述的半导体激光器外延结构，其特征在于，还包括：第一限制层，所述第一限制层位于所述第一波导层背向所述有源层的一侧表面；第二限制层，所述第二限制层位于所述第二波导层背向所述有源层的一侧表面。

15.一种形成权利要求1至14任意一项所述的半导体激光器外延结构的方法，其特征在于，包括：

形成第一波导层，形成所述第一波导层的步骤包括：形成第一波导膜层；形成第二波导膜层，第二波导膜层与第一波导膜层相对设置；在形成第一波导膜层的步骤和形成第二波导膜层的步骤之间，形成第一横模调制层，第一横模调制层位于所述第一波导膜层和第二波导膜层之间，所述第一横模调制层的折射率分别小于所述第一波导膜层的折射率和所述第二波导膜层的折射率，所述第一横模调制层适于降低一阶模式光在有源层中的分布；

形成第二波导层，第二波导层与第一波导层相对设置；

在形成第一波导层的步骤和形成第二波导层的步骤之间，形成有源层。

16.根据权利要求15所述的半导体激光器外延结构的形成方法，其特征在于，形成所述第二波导层的步骤包括：形成第三波导膜层；形成第四波导膜层，第四波导膜层与第三波导膜层相对设置；在形成第三波导膜层的步骤和形成第四波导膜层的步骤之间形成第二横模调制层，第二横模调制层位于所述第三波导膜层和第四波导膜层之间，所述第二横模调制层折射率分别小于所述第三波导膜层的折射率和所述第四波导膜层的折射率。

17.根据权利要求15或16所述的半导体激光器外延结构的形成方法，其特征在于，还包括：提供半导体衬底；

形成第一波导膜层的步骤包括：在所述半导体衬底上形成第一波导膜层；形成第一横模调制层的步骤包括：在第一波导膜层背向所述半导体衬底的一侧形成第一横模调制层；形成第二波导膜层的步骤包括：在所述第一横模调制层背向所述半导体衬底的一侧形成第二波导膜层。

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