一種脈衝陽極氧化工藝製作的長波長通訊用GaInNAs半導體雷射器晶片的製作方法

2024-02-15 21:03:15 1

專利名稱：一種脈衝陽極氧化工藝製作的長波長通訊用GaInNAs半導體雷射器晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種製造半導體雷射器晶片絕緣層的技術，屬於半導體器件製造技術領域， 特別指半導體光電子器件的介質膜製造領域。
本發明還涉及一種應用脈衝陽極氧化工藝製作絕緣層的半導體雷射器晶片，專門應用在 無製冷設備長期穩定運轉的光纖通訊設備中，屬於半導體發光器件領域。
背景技術：
在邊發射半導體雷射器製造工藝中，製作歐姆接觸金屬層之前，需要在雷射器晶片材料 的P面上除電流注入區之外的表面區域製作一層絕緣介質膜層，從而形成電流的注入通道。在 傳統工藝中，這一介質膜可由Si02膜或Si3N4膜組成。2005年2月出版的《光纖通信用光電子器 件製作工藝基礎》的第6章6.2.3中介紹了Si02膜和Si3N4膜的製備方法，對於Si02膜，介紹了熱 生長法，CVD法，濺射法應用CVD和濺射法；對於Si3N4膜，介紹了濺射法和CVD法。

發明內容
使用Si02或Si3N4製作邊發射半導體雷射器的絕緣膜層，膜層生成工藝及膜層本身都會為
樣品帶來損傷。在使用等離子CVD的情況下，因為Si02或Si3N4會和AlGaAs上限制層中的Al 反應，其結果為Si原子取代原來樣品中的Al原子從而形成缺陷。在使用離子束濺射的情況下， 成膜過程中會有游離的反射離子轟擊在樣品表面，其能量足以在表面形成缺陷。另外，不論 是Si02還是Si3N4膜，都會在與之接觸的下層樣品之間的界面上形成很大的應力，該應力會令 下層樣品的表面晶格失配的密度增加，從而影響最終成品雷射器晶片的性能表現。
本發明中，為了避免製備Si02或Si3N4的工藝及所生成的膜層對雷射器晶片材料表面的損
傷，採用了脈衝陽極氧化工藝(其英文縮寫為PAO)來製作絕緣層。該工藝採用電化學的原 理，利用樣片中本身含有的各種元素與電解液進行精確的化學反應，生成主要以A1的氧化物 及As的氧化物為主的混合氧化物膜層，該膜層的機械強度高、緻密性好、熱導率高而且電阻 率很大，完全滿足半導體雷射器對絕緣層的要求。該膜層不會與下層晶格之間產生失配也不
會對下層晶格產生應力，所以能夠避免製備Si02或Si3N4的工藝對材料的損傷。
本發明中，採用脈衝陽極氧化工藝製作的半導體雷射器晶片，是一種脊形波導邊發射激 光器晶片，該晶片以單個或多個GalnNAs量子阱為有源區，發射波長範圍為1.21pm至1.31pm， 應用於長波長光纖通信領域，專門對應G,652光纖的第2窗口波長。該雷射器在室溫下連續工 作，發射波長為1.297pm時，三量子阱雷射器晶片的各主要參數的典型值如下注入區尺寸為100pmX150(Him，閾值電流為384mA，閾值電流密度為256A/cm2，斜率效率為0.42W/A，峰 值功率為962mW;該雷射器晶片工作在溫度為20'C-80'C的線性區域內時，特徵溫度為138K.


圖l為本發明涉及的脈衝陽極氧化工藝的裝置示意圖。圖中各數字代表l-真空泵，2-軟 管，3-金屬管吸持頭兼陽極，4-絕緣套管，5-升降支架，6-脈衝電源，7-取樣電阻，阻值為8 歐姆，8-示波器，9-樣品，10-電解液，11-不鏽鋼陰極，12-電解液池。
圖2為本發明涉及的邊發射半導體雷射器晶片的外觀示意圖，主要描述該種晶片的外觀樣 式。圖中各數字代表13-左視圖，14-前視圖，15-俯視圖。
圖3為本發明涉及的邊發射半導體雷射器晶片的內部結構示意圖，圖中各數字代表16-P 面電極層，17-P型GaAs接觸層，18-絕緣層，19-P型AlGaAs包層，20-GaAs波導層，21-GalnNAs 量子阱，22-n型AlGaAs包層，23-GaAs襯底，24-n面電極層。
具體實施方案
本發明涉及的脈衝陽極氧化工藝在室溫環境下實施，其具體步驟如下
(1) 、按圖1安裝設備並連接電路，將不鏽鋼陰極11放入電解液池12底部並倒入適量 體積的電解液IO。電解液的配方為乙二醇水磷酸=40: 20: 1 (體積比)。
(2) 、運行真空泵，將清潔處理後的樣品9的P面向下固定在金屬管吸持頭3的末端。
(3) 、調整升降支架5，逐漸降低樣品9的高度，最終令其P面正好與電解液面形成面接觸。
(4) 、設置脈衝電源6的脈衝寬度為lms，重複頻率為700ps，脈衝電壓為80V，波形為 方波，然後接通電源開始脈衝陽極氧化工藝過程。
(5) 、通過示波器8觀測氧化過程中的波形變化，波幅會逐漸降低，當其接近於零點且 無變化時，斷開脈衝電源6停止陽極氧化。
(6) 、升起升降支架5，使樣品9脫離電解液面。
(7) 、關閉真空泵1的同時妥善取下樣品9，並對其清洗、烘乾後進行後續的工藝。
權利要求
1、一種製作半導體發光器件絕緣層的工藝，稱脈衝陽極氧化工藝(英文縮寫為PAO)。該工藝包括(1)、使用脈衝陽極氧化的方法，在製作邊發射半導體雷射器時，將P型包層靠近表面的一部分均勻轉化為緻密的氧化物薄層，該薄層作為雷射器晶片的絕緣層。(2)、該工藝應用在整個半導體雷射器晶片製作工藝流程中的位置為光刻工藝與剝離光刻膠工藝之間。
2、 權利要求書l中所述的工藝，其所用設備至少包含(1)、外延片樣本真空夾持設備，該 設備與樣品接觸處採用導電的金屬材料，該處兼作電極。(2)、電解液盛放容器及置於容 器內底部的金屬電極。(3)、脈衝電源。(4)、取樣電阻和波形檢測設備。(5)、為設備(1)、(2)、 (3)、 (4)提供電力支持的電源設備。
3、 權利要求書l中所述的工藝中需使用電解液，該電解液成分為乙二醇，水，磷酸。
4、 一種小功率專用半導體雷射器晶片，其絕緣層應用權利要求書1中所述工藝製作的緻密氧 化物薄層。
5、 權利要求書4中所述的雷射器晶片其有源區為單個或多個GalnNAs量子阱。
6、 權利要求書4中所述的雷射器晶片的發射波長範圍為1.2pm至1.31拜，專門對應G. 652 光纖的第2窗口波長。
全文摘要
本發明涉及一種製造半導體雷射器晶片絕緣膜層的技術，該技術屬於半導體發光器件的介質膜製造領域。傳統製造絕緣膜層的技術應用熱蒸發、濺射或各種CVD技術，在器件外延片表面沉積SiO2或Si3N4薄層作為絕緣膜，這些傳統技術及其所產生的膜層會對外延材料表面造成損傷。本發明使用脈衝陽極氧化的方法，以外延材料中的Al、As等元素為原料反應生成絕緣膜層，克服了在傳統製造絕緣層工藝中存在的問題。該發明可應用於半導體發光器件的製造領域。本發明還涉及一種應用脈衝陽極氧化技術製作的，專門應用在無需製冷長期連續穩定運轉的光纖通訊設備中的邊發射型長波長GaInNAs量子阱半導體雷射器晶片，該雷射器的波長專門針對G.652光纖的第2窗口，本器件屬於半導體發光器件領域。
文檔編號H01S5/00GK101478114SQ20091006644
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月16日 優先權日2009年1月16日
發明者喬忠良, 劉國軍, 晶 張, 軼 曲, 梅 李, 輝 李, 李佔國, 王曉華, 王玉霞, 鵬 蘆, 昀 鄧, 欣 高 申請人:長春理工大學