一種發光效率增強的半導體激光器的制作方法

本發明涉及半導體激光器領域，特別涉及一種利用金屬局域表面等離子體激元實現發光效率增強的半導體激光器。

背景技術：

半導體激光器體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長、功耗低等特點，在工業加工、激光醫療、激光光通信、激光測距、工業探測、光存儲和激光打印等軍事和民用領域有著廣泛應用。目前，高質量半導體激光器芯片材料多采用分子束外延(MBE)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)方法外延制備。盡管半導體激光器材料外延技術已經取得很大進展，但半導體激光器器件仍存在發光效率低的問題，嚴重限制了其性能的提高，制約了其在相關領域的應用。其中在半導體激光器器件制備工藝過程中，由于半導體材料表面的界面態、雜質玷污或應變的影響，在諧振腔面附近光吸收產生的電子-空穴對發生非輻射復合，造成較大的能量損耗，降低了器件的發光效率，進而影響器件的輸出性能。

針對半導體激光器發光效率低的問題，可從器件制備工藝進行改善，主要技術手段有：1、對器件諧振腔腔面進行化學硫鈍化，采用(NH₄)₂S_x等進行腔面鈍化，減少材料表面態密度，降低非輻射復合中心；2、真空解理鍍膜技術，在高真空環境下完成外延片的解理和鍍膜過程，防止了氧和碳等雜質對諧振腔面的玷污；3、在諧振腔面處形成非吸收窗技術，應用多次外延技術在端面附近再生長一層寬帶隙材料，形成輸出光的透明窗口，減少光吸收。這些方法可在一定程度提高半導體激光器器件的壽命和可靠性，在提高半導體激光器器件發光效率方面效果有限。

技術實現要素：

本發明提出一種發光效率增強的半導體激光器，可有效提高半導體激光器的發光效率。本發明提出的一種發光效率增強的半導體激光器，通過在半導體激光器諧振腔腔面制備金屬納米粒子(Au、Pt、Ag等貴金屬)，利用金屬局域表面等離子體激元提高半導體激光器器件的發光效率。當發射波長與金屬納米顆粒的共振頻率一致時，金屬納米顆粒的自由電子與入射電磁波耦合，引起自由電子集體震蕩，產生增強的局域電場，提供強大的近場增強效應，增強激光器有源區載流子的輻射復合，實現半導體激光器發光效率的提高。

本發明提出的一種發光效率增強的半導體激光器，所述發光效率增強的半導體激光器包括激光器芯片、金屬納米顆粒、前腔面增透光學膜、后腔面高反光學膜，所述激光器芯片結構包括襯底、下限制層、下波導層、激光器有源區、上波導層、上限制層，所述金屬納米顆粒均勻分布于半導體激光器諧振腔前腔面和后腔面，所述金屬納米顆粒材料為Au、Pt、Ag等貴金屬。

本發明通過在半導體激光器諧振腔腔面制備均勻分布的金屬納米顆粒，利用金屬局域表面等離子體激元產生增強的局域電場，增強激光器有源區載流子的輻射復合，實現半導體激光器器件的發光效率的提高。

附圖說明

圖1為本發明實施例中發光效率增強的半導體激光器的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

本發明提出的一種發光效率增強的半導體激光器，所述發光效率增強的半導體激光器包括激光器芯片、金屬納米顆粒、諧振腔前腔面增透光學膜、諧振腔后腔面高反光學膜，所述激光器芯片結構包括襯底、下限制層、下波導層、激光器有源區、上波導層、上限制層，所述金屬納米顆粒為Ag、Pt、Au等貴金屬材料，金屬納米顆粒均勻分布于半導體激光器諧振腔腔面。下面以激光器芯片為GaAs基半導體激光器，Au納米顆粒為例進行詳細描述。

如圖1所示，該發光效率增強的半導體激光器包括襯底1、下限制層2、下波導層3、激光器有源區4、上波導層5、上限制層6、金屬納米顆粒7、諧振腔前腔面增透光學膜8、諧振腔后腔面高反光學膜9。其中，本實施例中激光器芯片為GaAs基半導體激光器結構，諧振腔前后腔面光學膜分別為增透膜和高反膜，金屬納米顆粒為Au納米顆粒。

具體步驟如下：

步驟一：采用分子束外延(MBE)技術或金屬有機氣相外延沉積(MOCVD)技術，在GaAs襯底上外延生長下限制層、下波導層、激光器有源區、上波導層、上限制層等，獲得激光器結構外延片。

步驟二：對外延制備的激光器外延片進行檢測，對外延片進行電子束曝光或紫外光刻工藝，并采用感應耦合等離子體(ICP)干法刻蝕與濕法刻蝕相結合的工藝對外延片進行刻蝕，完成刻蝕工藝后進行P面電極制備，對N面進行減薄，制備N面電極。

步驟三：在高真空環境中將激光器外延片解理成條，并用濺射儀器在解理面制備金屬納米顆粒。濺射儀器中采用高純(99.9％)金屬Au為濺射靶，基底為激光器芯片，濺射儀器本底真空5×10^-3Pa以下，加熱溫度200℃，濺射氣體為高純氦氣或高純氬氣，濺射時的氣壓為1～2Pa，濺射功率100W～200W，濺射時間10s～30s，濺射靶材與激光器芯片距離為10cm，制備過程中樣品架以3～5r/min的轉速進行旋轉。通過控制濺射功率及濺射時間，在激光器芯片的腔面制備并得到滿足要求的Au納米顆粒。

步驟四：對磁控濺射制備Au納米顆粒的激光器芯片進行退火處理，退火溫度300～500℃，退火時間10～30min，通過退火處理使激光器諧振腔面制備的Au納米顆粒分布更均勻，Au納米顆粒的粒徑及形貌更規則。

步驟五：進一步對激光器諧振腔面進行鈍化處理及光學膜制備，腔面膜制備之前采用模擬軟件設計增透膜和高反膜系，然后采用等離子體輔助電子束蒸發方法或其他光學膜制備儀器進行腔面膜制備，諧振腔前腔面制備增透光學膜，材料為Al₂O₃、ZrO₂、HfO₂/SiO₂等單層膜或雙層膜系材料；諧振腔后腔面制備高反光學膜，材料為ZrO₂/SiO₂、Si/Al₂O₃、HfO₂/SiO₂等膜系材料。

步驟六：對激光器芯片進行解理得到激光器管芯，對管芯進行篩選測試，獲得質量滿足要求的激光器管芯，并進行器件封裝及性能測試等工藝。

通過以上步驟實現本申請所要求保護的發光效率增強的半導體激光器。由于在高真空環境中對激光器外延片進行解理并進行腔面膜制備，降低了由于腔面氧化造成的發光效率低的問題，同時，在激光器芯片諧振腔面制備均勻分布的金屬Au納米顆粒，利用金屬局域表面等離子體激元產生增強的局域電場，增強激光器有源區載流子的輻射復合，實現器件的發光效率的提高，得到一種發光效率增強的半導體激光器。