一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法
2023-06-24 15:30:36
一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法，該雷射器包括襯底、緩衝層、下限制層、下波導層、具有量子阱結構的有源層、上波導層、第二上限制層、刻蝕停止層、第一上限制層、歐姆接觸層、電絕緣介質層、正面電極和背面電極。本發明提高了雷射器COD閾值，從而使其在大功率輸出時具有高可靠性；同時抑制半導體雷射器光束的水平發散角，改善光束質量；使電流注入更集中，轉化效率更高；此外，這種半導體雷射器製作簡單，便於生產。
【專利說明】一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型進腔面電流非注入區結構，屬於半導體雷射器及製造方法領域，尤其涉及一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法。
【背景技術】
[0002]大功率半導體雷射器在泵浦固體雷射器、列印、材料加工、通信等方面都有著廣泛的應用，這主要是由於其高的轉化效率、高的可靠性以及較長的壽命。隨著實際應用的不斷拓展，對大功率半導體雷射器的性能提出了更高的要求，儘可能提高半導體雷射器的輸出功率、延長半導體雷射器的使用壽命，改善半導體雷射器光束質量一直是半導體雷射器研究的重要方向。
[0003]半導體雷射器基本工作原理是通過對半導體雷射器加正向偏壓，使半導體物質(即電子)在能帶間躍遷發光，光子在F-P諧振腔中來回諧振，進行縱模選擇，選擇出非常少數的模式，這些模式在腔中震蕩的同時，與處於激發態的電子空穴相互作用，產生受激發射，實現這些被選擇模式的放大，從腔面輸出雷射。但對於大多數大功率半導體雷射器而言，高光功率密度工作時產生的腔面光學災變損傷(COD)使得器件最大功率受到限制，腔面COD現象也是影響雷射器壽命的最主要的因素之一。引起腔面COD的主要因素是由於半導體雷射器腔面處存在表面態和界面態，這些都是非輻射複合中心，它們的存在同樣會導致光吸收，產生的電子空穴對通過這些非輻射複合中心產生非輻射複合，增加腔面處的溫升，導致腔面附近帶隙收縮，進一步加劇了腔面光吸收，不斷的進行循環，當熱量的積累促使腔面溫度升高到有源區材料的熔點時，就會突然燒壞腔面，出現COD現象導致器件失效。
[0004]提高大功率半導體雷射器COD閾值，就需要減小腔面附近處的電流密度、光吸收和表面複合速率，在製作工藝中通常是採用應變補償量子阱有源區、大光腔結構有源區、非對稱波導結構、優化腔面鍍膜材料以及在腔面處製作各種類型的非吸收窗口等方法來提高器件壽命。腔面非注入區技術主要是通過在前後腔面附近各引入一段電流非注入區，限制載流子注入腔面、減小腔面處的載流子濃度，從而減少腔面處載流子的非輻射複合、提高COD閾值。腔面非注入區採用與腔面附近介質鈍化相結合的方法來實現，這種方法不僅可以提高大功率半導體雷射器的抗COD能力，並且與常規工藝基本相同，沒有增加繁瑣的工藝步驟，但是這種方法使非注入窗口區在側向上缺少對光束的限制，光束在水平方向上的發散比較嚴重。
[0005]為此，本發明提出一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法，由於雷射器的COD主要發生在有光輸出的前腔面，因為其相對於後腔面有更高的光功率密度，本發明所述的新型腔面非注入區窗口結構主要應用在前腔面，然而本發明所公開的相同考慮事項可同樣應用在後腔面。本發明所述的半導體雷射器結構中，歐姆接觸層四周的部分被去掉，從而使腔面附近沒有電流注入，降低腔面附近電流密度，減少腔面產生的熱量。因此本發明有效地抑制了由於腔面處載流子的非輻射複合產生熱量過大導致的腔面損壞，從而保證了半導體雷射器在功率輸出時具有的高可靠性；腔面附近通過刻蝕形成的脊型臺使非注入區在側向上形成弱折射率波導，從而抑制了雷射器光束在水平方向的發散現象。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提出一種具有電流非注入區窗口結構的半導體雷射器及製造方法，該雷射器包括襯底、緩衝層、下限制層、下波導層、具有量子阱結構的有源層、上波導層、第二上限制層、刻蝕停止層、第一上限制層、歐姆接觸層、電絕緣介質層、正面電極和背面電極。本發明提高了雷射器COD閾值，從而使其在大功率輸出時具有高可靠性；同時抑制半導體雷射器光束的水平發散角，改善光束質量；使電流注入更集中，轉化效率更高；此夕卜，這種半導體雷射器製作簡單，便於生產。
[0007]為達到上述目的，本發明所採取的技術方案為一種電流非注入區靠近腔面的半導體雷射器及製造方法，其由下到上排列順序為襯底、緩衝層、下限制層、下波導層、具有量子阱結構的有源層、上波導層、第二上限制層、刻蝕停止層、第一上限制層、歐姆接觸層、電絕緣介質層；四個分別與雷射器兩側腔面相鄰的被暴露出來的凹槽；位於四個凹槽中間的位置並含有一個電流注入區的條形脊型臺；電絕緣介質層覆蓋於除電流注入區之外的歐姆接觸層及凹槽上；歐姆接觸層位於第一上限制層的上方，第一上限制層在刻蝕停止層上方；從半導體雷射器腔面附近的歐姆接觸層開始刻蝕凹槽，由於刻蝕停止層的存在，使脊型臺能夠被精確地刻蝕出來；刻蝕後部分第一上限制層側壁和部分刻蝕停止層被暴露出來；正面電極覆蓋於電絕緣介質層和作為電流注入區的歐姆接觸層之上，背面電極覆蓋在襯底上。
[0008]本發明具體製作方法包括以下步驟:
[0009]步驟一，在襯底上可以採用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)依次生長緩衝層、下限制層、下波導層、具有量子阱結構的有源層、上波導層、第二上限制層、刻蝕停止層、第一上限制層和歐姆接觸層；
[0010]步驟二，腐蝕去掉歐姆接觸層和第一上限制層的四邊，在第一上限制層上表面的中心位置形成包含歐姆接觸層和部分第一上限制層的第一脊型臺，歐姆接觸層上下貫通，第一上限制層上下不貫通；
[0011]步驟三，腐蝕去除掉位於脊型臺兩側的前端與腔面相連的第一上限制層部分區域，使第一上限制層在接近前後腔面的區域分別出現大小一致的兩個凹槽，下面相連的一部分刻蝕停止層被暴露出來，第一上限制層在接近前後腔面的區域形成第二、三脊型臺，第一、二、三脊型臺的水平中心線共面；
[0012]步驟四，在第一上限制層、近腔面的四個凹槽和第一脊型臺的上表面上澱積電絕緣介質；
[0013]步驟五，腐蝕去掉第一脊型臺表面上的電絕緣介質，其餘部分形成電絕緣介質層；
[0014]步驟六，在電絕緣介質層和第一脊型臺的上表面製備正面電極；
[0015]步驟七，對襯底進行減薄拋光後在其上製備背面電極；[0016]步驟二中，採用溼法腐蝕或幹法刻蝕的方法刻蝕第一脊型臺。
[0017]步驟三中，刻蝕出第二、三脊型臺，因為刻蝕停止層的存在，脊型臺可以被精確地刻蝕出來。
[0018]步驟六、七中，正面電極和背面電極可以通過濺射技術、熱蒸發技術、電子束蒸發技術或離子輔助電子束蒸發技術製備。
[0019]在步驟七之後還可以增加工藝:將製作完成的雷射器晶片解尚成Bar條，在雷射器的前後腔面分別鍍上增透膜和高反膜，這樣不僅提高半導體雷射器的輸出功率，也起到保護腔面的作用；最後將Bar條解離成單管，完成封裝。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果。
[0021]1、採用去除腔面附近的高摻雜歐姆接觸層與腔面附近電絕緣介質層鈍化相結合的方法形成腔面非注入區，有效地提高了半導體雷射器COD閾值。
[0022]2、通過在腔面非注入窗口區刻蝕凹槽形成脊型結構，因為側向弱折射率波導的作用使光束在水平方向上的發散現象得到抑制，改善了光束質量。
[0023]3、由於只有靠近前後腔面的少部分第一上限制層被刻蝕掉形成脊型臺，大部分第一上限制層，尤其是第一上限制層四端的部分均保留，使腔面能夠與熱沉有更大的接觸面積，有效地提高了器件的散熱性能；同時雷射器晶片的單管結構與熱沉也有了更大的接觸面積，有效地增加了單管與熱沉接觸的平整度；本發明可以通過只增加一步光刻工藝來實現上述效益，並且製備工藝簡單、成本較低且易於實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器的結構示意圖。
[0025]圖2a_f為具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器工藝步驟示意圖。
[0026]圖中:1、襯底2、緩衝層3、下限制層4、下波導層5、具有量子阱結構的有源層6、上波導層7、第二上限制層8、刻蝕停止層9、第一上限制層10、歐姆接觸層11、電絕緣介質層12、正面電極13、背面電極。
【具體實施方式】
[0027]以下將結合附圖對本發明作進一步說明。
[0028]如圖1所示為具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器的結構示意圖，該具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器包括襯底1、緩衝層2、下限制層3、下波導層4、具有量子阱結構的有源層5、上波導層6、第二上限制層7、刻蝕停止層8、第一上限制層9、歐姆接觸層10、電絕緣介質層U、正面電極12和背面電極13 ;其中襯底1、緩衝層2、下限制層3、下波導層4、具有量子阱結構的有源層5、上波導層6、第二上限制層7、刻蝕停止層8、第一上限制層9、歐姆接觸層10由下到上依次相鄰，腐蝕去掉歐姆接觸層10和第一上限制層9的四邊，在第一上限制層9的中心位置形成第一脊型臺，歐姆接觸層10上下貫通，第一上限制層9上下不貫通；腐蝕去除掉位於脊型臺兩側的前端與腔面相連的第一上限制層9部分區域，使第一上限制層9在接近前後腔面的區域分別出現大小一致的兩個凹槽，下面相連的一部分刻蝕停止層8被暴露出來，第一上限制層9在接近前後腔面的區域形成第二、三脊型臺，第一、二、三脊型臺的水平中心線共面；電絕緣介質層11覆蓋於第一上限制層9的上表面、第一脊型臺側面以及凹槽內被暴露出來的區域包括第一上限制層9側面的部分區域與刻蝕停止層8上表面的部分區域，正面電極12覆蓋於電絕緣介質層11和第一脊型臺上表面,背面電極13覆蓋於襯底I上；電絕緣介質層11由氮化娃、氧化娃、氧化招或氧化鈦組成。
[0029]如圖2a_f為具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器的工藝步驟示意圖。以下以980nm銦鎵砷系量子阱半導體雷射器為例，說明本實施例的具體實施過程，即製作上述雷射器方法具體包括:
[0030]步驟一，襯底I為N型GaAs材料，在襯底I上採用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)依次沉積N型緩衝層2、N型下限制層3、N型下波導層4、具有量子阱結構的有源層5、P型上波導層6、P型第二上限制層7、P型刻蝕停止層8、P型第一上限制層9、P型歐姆接觸層10 ；
[0031]步驟二，在歐姆接觸層10上通過光刻形成光刻膠圖形，採用溼法腐蝕或幹法刻蝕的方法除去歐姆接觸層10和第一上限制層9的四邊，去膠後在第一上限制層9上表面的中心位置形成包含歐姆接觸層10和部分第一上限制層9的第一脊型臺，歐姆接觸層10上下貫通，第一上限制層9上下不貫通；
[0032]步驟三，在第一上限制層9上通過光刻形成光刻膠圖形，採用溼法腐蝕的方法去除位於脊型臺兩側的前端與腔面相連的第一上限制層9部分區域，使部分刻蝕停止層8暴露出來，去膠後第一上限制層9的前腔面形成第二脊型臺，第一上限制層9的後腔面形成第三脊型臺，第一、二、三脊型臺的水平中心線共面；
[0033]步驟四，採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法，在第一上限制層9的上表面、凹槽內被暴露出來的區域包括第一上限制層9側面的部分區域與部分刻蝕停止層8上表面，以及第一脊型臺澱積電絕緣介質；
[0034]步驟五，在電絕緣介質層11上通過光刻形成光刻膠圖形，腐蝕去除第一脊型臺上表面的電絕緣介質，使電絕緣介質層11僅覆蓋於第一上限制層9的上表面、第一脊型臺側面、以及凹槽內被暴露出來的區域包括第一上限制層9側面的部分區域與刻蝕停止層8上表面的部分區域；
[0035]步驟六，採用濺射的方法使正面電極12覆蓋於電絕緣介質層11和第一脊型臺的上表面；
[0036]步驟七，對襯底I進行減薄拋光後採用蒸發的方法製備背面電極13。
[0037]步驟八，將製作完成的雷射器晶片解離成Bar條，應用鍍膜設備在排列的雷射器前後腔面分別鍍上增透膜和高反膜，達到提高半導體雷射器的輸出功率以及保護腔面作用。
[0038]本實施例所述的新型近腔面電流非注入區結構也適用於GaN基、InP基半導體雷射器。
[0039]以上所述僅為本發明可採用的實施例之一，並不用以限制本發明，本發明所提出的新型近腔面電流非注入區結構也可以同樣應用到其它半導體雷射器:單模雷射器、多模雷射器、光纖稱合雷射器、分布反饋式(DFB)雷射器和分布布拉格反射式(DBR)雷射器。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法，其特徵在於:該具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器包括襯底(I)、緩衝層(2)、下限制層(3)、下波導層(4)、具有量子阱結構的有源層(5)、上波導層(6)、第二上限制層(7)、刻蝕停止層(8)、第一上限制層(9)、歐姆接觸層(10)、電絕緣介質層(11)、正面電極(12)和背面電極(13);其中襯底(I)、緩衝層(2)、下限制層(3)、下波導層(4)、具有量子阱結構的有源層(5)、上波導層(6)、第二上限制層(7)、刻蝕停止層(8)、第一上限制層(9)、歐姆接觸層(10)由下到上依次相鄰；腐蝕去掉歐姆接觸層(10)和第一上限制層(9)的四邊，在第一上限制層(9)上表面的中心位置形成包含歐姆接觸層(10)和部分第一上限制層的第一脊型臺；腐蝕去除掉位於脊型臺兩側的前端與腔面相連的第一上限制層(9)部分區域，使第一上限制層(9)在接近前後腔面的區域分別出現大小一致的兩個凹槽，下面相連的一部分刻蝕停止層(8)被暴露出來，第一上限制層(9)在接近前後腔面的區域形成第二、三脊型臺，第一、二、三脊型臺的水平中心線共面；電絕緣介質層(11)覆蓋於第一上限制層(9)的上表面、 第一脊型臺側面、以及被暴露的區域包括第一上限制層(9)側面的部分區域與刻蝕停止層(8)上表面的部分區域，正面電極(12)覆蓋於電絕緣介質層(11)和第一脊型臺上表面，背面電極(13)覆蓋於襯底(I)上。
2.根據權利要求1所述的一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法，其技術特徵在於:雷射器製作方法具體包括以下步驟。 步驟一，在襯底(I)上採用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)依次沉積緩衝層(2)、下限制層(3)、下波導層(4)、具有量子阱結構的有源層(5)、上波導層(6)、第二上限制層(7)、刻蝕停止層(8)、第一上限制層(9)、歐姆接觸層(10); 步驟二，在歐姆接觸層(10)上通過光刻形成光刻膠圖形，採用溼法腐蝕或幹法刻蝕的方法除去歐姆接觸層(10)和第一上限制層(9)的四邊，去膠後在第一上限制層(9)上表面的中心位置形成包含歐姆接觸層(10)和部分第一上限制層的第一脊型臺； 步驟三，在第一上限制層(9)上通過光刻形成光刻膠圖形，採用溼法腐蝕的方法去除位於脊型臺兩側的前端與腔面相連的第一上限制層(9)部分區域，使部分刻蝕停止層(8)暴露出來，去膠後第一上限制層(9)的前腔面形成第二脊型臺，第一上限制層(9)的後腔面形成第三脊型臺，第一、二、三脊型臺的水平中心線共面； 步驟四，採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的方法，在第一上限制層(9)的上表面，因為刻蝕凹槽被暴露區域包括的部分第一上限制層(9)側面與部分刻蝕停止層(8)上表面以及第一脊型臺澱積電絕緣介質； 步驟五，在電絕緣介質層(11)上通過光刻形成光刻膠圖形，腐蝕去除第一脊型臺上表面的電絕緣介質，使電絕緣介質層(11)僅覆蓋於第一上限制層(9)的上表面、第一脊型臺側面、以及因為刻蝕凹槽被暴露的區域包括第一上限制層(9)側面的部分區域與刻蝕停止層(8)上表面的部分區域； 步驟六，採用濺射的方法使正面電極(12)覆蓋於電絕緣介質層(11)和第一脊型臺的上表面； 步驟七，對襯底(I)進行減薄拋光後採用蒸發的方法製備背面電極(13); 步驟八，將製作完成的雷射器晶片解離成Bar條，應用鍍膜設備在排列的雷射器前後腔面分別鍍上增透膜和高反膜，達到提高半導體雷射器的輸出功率以及保護腔面作用。
3.根據權利要求1或2所述的一種具有新型近腔面電流非注入區結構的半導體雷射器及製造方法，其技術特徵在於:電絕緣介質層(11)由氮化矽、氧化矽、氧化鋁或氧化鈦組成；所述新型近腔面電流非注入區結構可以應用到不同半導體雷射器:單模雷射器、多模雷射器、光纖稱合雷射器 、分布反饋式(DFB)雷射器和分布布拉格反射式(DBR)雷射器。
【文檔編號】H01S5/10GK103545714SQ201310493175
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月20日 優先權日:2013年10月20日
【發明者】崔碧峰, 王曉玲, 張松, 凌小涵 申請人:北京工業大學