CN101471534B - 一种制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，包括：在外延片P面上淀积介质保护材料，采用标准的光刻工艺进行第一次光刻；去胶清洗，采用标准的光刻工艺进行二次光刻；刻蚀或腐蚀制作脊形模式控制区台面；用介质保护材料作掩膜制作锥形增益区台面；腐蚀剩余介质材料，清洗后重新淀积介质保护材料；采用标准光刻工艺形成掩膜，腐蚀模式控制区和锥形区上的介质保护材料，开出电流注入窗口；在外延片正面溅射或蒸发金属，制作P面电极；减薄、抛光外延片背面的N型GaAs衬底，蒸发N电极；利用激光划片机把制备的芯片划成巴条；对巴条进行腔面镀膜；把镀好腔面膜的巴条切割成单个的管芯；P面向下烧结在热沉上，进行N面电极引线。

Description

一种制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其是指一种制作高亮度锥形半导体激光器/放大器的方法。
背景技术
高亮度的激光光源在非线性的光学倍频和自由空间通信等方面有着广泛的应用。采用共振泄露波耦合的单片列阵(monolithic array)激光器，虽然其光束质量因子仅为衍射极限的1.7倍，但是在连续工作时，最大输出功率为1W左右，而且其制作工艺非常复杂。
普通的脊波导激光器由于条宽只有几个微米，光束质量较好，但是最大出光功率也只能达到几百毫瓦，导致亮度小于1×108Wcm-2sr-1。使用宽条结构虽然能够取得大的功率，但由于条宽太大，容易出现模式不稳，光丝等现象，导致了光束质量较差，而且亮度只有1×107Wcm-2sr-1。
具有锥形增益区和脊型波导的锥形激光器或放大器(是激光器还是放大器取决于腔面膜)，结合了脊形波导激光器和宽条激光器两者的优点，保证了器件具有良好的光束质量和具有较大的输出功率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种高亮度半导体激光器及放大器的制作方法，以得到具有高的输出功率，且光束质量较好的器件，并简化制作工艺，降低成本，实现批量生产。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，该方法包括：
步骤1、在外延片P面上淀积介质保护材料，利用设计好的喇叭形光刻版，采用标准的光刻工艺进行第一次光刻，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，以光刻胶作为掩膜，腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，保留有光刻胶保护的介质保护材料；该保留的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区和锥形增益区；其中，所述外延片由下至上依次包括N型GaAs衬底1、N面限制层2、N面波导层3、量子阱/量子点有源区4、P面波导层5、P面限制层6和欧姆接触层7；
步骤2、去胶清洗，重新甩上一层光刻胶，采用标准的光刻工艺进行二次光刻，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，然后显影，坚膜，用光刻胶作为掩膜保护锥形增益区，用介质材料作为掩膜保护脊形模式控制区；
步骤3、采用干法刻蚀或湿法腐蚀步骤2中没有光刻胶或介质材料保护的欧姆接触层7和部分P面限制层6，腐蚀出脊形模式控制区台面；
步骤4、去胶后，用介质保护材料作为掩膜，采用甲醇∶磷酸∶双氧水体积比为3∶1∶1的腐蚀液腐蚀没有介质材料保护的欧姆接触层7，腐蚀出锥形增益区台面；
步骤5、采用配比为氢氟酸∶氟化胺∶水＝3ml∶6g∶10ml的腐蚀液，腐蚀剩余介质材料，清洗后重新淀积介质保护材料；
步骤6、采用标准光刻工艺形成掩膜，采用配比为氢氟酸∶氟化胺∶水＝3ml∶6g∶10ml的腐蚀液腐蚀脊形模式控制区和锥形区上的介质保护材料，开出电流注入窗口；
步骤7、清洗干净后，在外延片正面溅射或蒸发金属，制作P面电极；
步骤8、减薄、抛光外延片背面的N型GaAs衬底1，并蒸发N电极，然后进行合金化处理；
步骤9、利用激光划片机把制备的芯片划成巴条；
步骤10、对所述巴条进行腔面镀膜；
步骤11、把镀好腔面膜的巴条切割成单个的管芯；
步骤12、P面向下烧结在热沉上，并进行N面电极引线。
上述方案中，步骤1中所述N面限制层2为N型掺杂，所述N面波导层3为非故意掺杂，所述P面波导层5为非故意掺杂，所述P面限制层6为P型掺杂，所述欧姆接触层7采用重掺杂的GaAs材料。
上述方案中，步骤1中所述介质保护材料采用SiO2、SiNx、ZrO2或TiO2。
上述方案中，步骤1中所述进行第一次光刻时采用的版图类似喇叭形状，采用配比为氢氟酸∶氟化胺∶水＝3ml∶6g∶10ml的腐蚀液腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，最后形成的有光刻胶保护的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区a和锥形增益区b。
上述方案中，步骤3中所述刻蚀采用感应耦合等离子体ICP干法刻蚀方法，或采用湿法腐蚀方法，采用湿法腐蚀方法时采用甲醇∶磷酸∶双氧水体积比为3∶1∶1的腐蚀液，在冰点下进行；步骤3中所述在刻蚀或腐蚀非介质保护材料的部分时，P面限制层6并不全部刻蚀掉。
上述方案中，步骤5中所述重新淀积的介质保护材料为SiO2、SiNx、ZrO2或TiO2。
上述方案中，步骤7中所述P面电极采用溅射时为金属Ti/Pt/Au，采用蒸发时为金属Au/Zn/Au或Cr/Au。
上述方案中，步骤8中所述合金化处理的条件为：在氮气和氢气保护下，在450℃下合金1分钟。
上述方案中，步骤10中所述进行腔面镀膜时，对于激光器而言，前腔面镀反射率为1％至5％的增透膜，后腔面镀反射率为95％至99％的高反膜；对于放大器而言，前后腔面均镀上反射率为1％至5％的增透膜。
上述方案中，步骤12中所述P面向下烧结在热沉上是采用In或AuSn作为焊料烧结在热沉上，热沉材料为铜、金刚石或透明立方氮化硼。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种高亮度半导体激光器及放大器的制作方法，由于结合了宽条激光器和窄条激光器的优点，所以能够得到具有高的输出功率，且光束质量较好的器件。同时，由于其制作工艺简单、易重复、成本低，容易实现批量生产。
2、本发明提供的这种高亮度半导体激光器及放大器的制作方法，由于具有锥形增益区，其输出腔面面积较大，所以增加了器件发生灾变形光学损伤的极限。
3、本发明提供的这种高亮度半导体激光器及放大器的制作方法，由于具有锥形增益区和脊形模式控制区，所以器件输出光束的光束质量因子接近衍射极限。
4、本发明提供的这种高亮度半导体激光器及放大器的制作方法，由于结合了宽条激光器和窄条激光器的工艺制作，而脊形波导激光器和宽接触激光器的工艺制作非常成熟，所以其制作工艺简单，重复性高，容易产业化。
附图说明
图1是本发明提供的锥形激光器外延片结构示意图。
图2是第一次光刻形成图形的俯视图。
图3是本发明使用干法刻蚀形成脊形区的扫描电镜图。
图4是本发明提供的锥形激光器在脊型区和锥形增益区交界处的扫描电镜图。
图5是制作出脊形模式控制区和锥形增益区台面后芯片的俯视图。
图6是本发明提供的制作高亮度半导体激光器及放大器的方法流程图。
图7是依照本发明实施例制作高亮度半导体激光器及放大器的工艺流程图；其中，
图7(I)是淀积介质保护材料；
图7(II)是一次光刻，形成直的模式控制区a和锥形增益区b；
图7(III)是二次光刻，光刻胶作掩模保护好锥形增益区；
图7(IV)是干法刻蚀或湿法腐蚀出脊形模式控制区台面；
图7(V)是去胶后，腐蚀出锥形增益区台面；
图7(VI)是重新淀积介质保护材料；
图7(VII)是光刻工艺形成掩膜，制作电流注入窗口；
图7(VIII)是制作P面电极。
图中，1为N型GaAs衬底；2为N面限制层；3为N面波导层，4为量子阱/量子点有源区，5为P面波导层，6为P面限制层；7为GaAs欧姆接触层，a为脊形模式控制区，b为锥形增益区，c为激光器的前腔面，d为激光器的后腔面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的制作高亮度半导体激光器及放大器的方法，主要思想就是要结合宽条激光器和窄条激光器的优点，能够实现高的输出功率，且光束质量较好，同时其制作简单，容易重复，且成本低。
具体制作过程如下：采用的外延片结构如图1所示，首先在该外延片表面采用PECVD方法淀积介质材料如SiO2，第一次光刻腐蚀掉没有光刻胶保护的绝缘层材料，该版图类似喇叭形状，包括直的模式控制区a和锥形增益区b，如图2所示，然后进行二次光刻，使用光刻胶做掩膜保护锥形增益区，使用介质材料保护脊形模式控制区，采用感应耦合等离子体(ICP)等干法刻蚀方法或湿法腐蚀制作脊形模式控制台面，其刻蚀或腐蚀深度停留到P面限制层6，并剩余一部分P面限制层，腐蚀后的管芯的横截面如图3所示；去胶后，接着用介质膜作为保护，腐蚀掉锥形增益区外的GaAs欧姆接触层7，制作锥形增益区台面；形成脊型区和锥形增益区交界处的俯视如图4所示；这时形成的图形的俯视图如图5所示；然后腐蚀剩余介质材料，清洗后重新淀积介质保护材料；采用标准光刻工艺形成掩膜，制作电流注入窗口，这是第3次光刻，接着制作P面电极，P面电极可以采用溅射Ti/Pt/Au，或蒸发Au/Zn/Au、Cr/Au等金属；减薄、抛光N型GaA衬底1，蒸发N电极，然后进行合金化处理；然后利用激光划片机把制备的芯片划层巴条；接着对巴条进行腔面镀膜；然后把镀好腔面膜的巴条切割成单个的管芯；最后P面向下烧结在热沉上，并进行N面电极引线。
再参照图1，该外延片结构由金属化学有机气相沉积方法或分子束外延方法生长得到，由下至上依次包括：N型GaAs衬底1、N面限制层2、N面波导层3、量子阱/量子点有源区4、P面波导层5、P面限制层6和欧姆接触层7；所述N面限制层2为N型掺杂，所述N面波导层3为非故意掺杂，所述P面波导层5为非故意掺杂，所述P面限制层6为P型掺杂，所述欧姆接触层7采用重掺杂的GaAs材料。
图6示出了本发明提供的制作高亮度半导体激光器及放大器的方法流程图，该方法包括：
步骤601：在外延片P面上淀积介质保护材料，利用设计好的喇叭形光刻版，采用标准的光刻工艺进行第一次光刻，以光刻胶作为掩膜，腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，保留有光刻胶保护的介质保护材料；该保留的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区和锥形增益区；
在本步骤中，所述介质保护材料采用SiO2、SiNx、ZrO2或TiO2等，所述进行第一次光刻时采用的版图类似喇叭形状，采用配比为氢氟酸(3ml)∶氟化胺(6g)∶水(10ml)的腐蚀液腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，保留的有光刻胶保护的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区a和锥形增益区b。
步骤602：去胶清洗，重新甩上一层光刻胶，采用标准的光刻工艺进行二次光刻，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，然后显影，坚膜，用光刻胶作为掩膜保护好锥形增益区，用介质材料作为掩膜保护好脊形模式控制区；
步骤603：采用干法刻蚀或湿法腐蚀步骤2中没有光刻胶或介质材料保护的欧姆接触层7和部分P面限制层6，腐蚀出脊形模式控制区台面；
在本步骤中，所述刻蚀采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法，或采用湿法腐蚀方法，采用湿法腐蚀方法时采用体积配比为甲醇∶磷酸∶双氧水＝3∶1∶1的腐蚀液，在冰点下进行；所述在刻蚀或腐蚀非介质保护材料的部分时，P面限制层6并不全部刻蚀掉。
步骤604：去胶后，用介质保护材料作为保护，对锥形增益区使用体积比甲醇∶磷酸∶双氧水＝3∶1∶1的腐蚀液腐蚀欧姆接触层7，制作锥形增益区台面。
步骤605：采用配比为氢氟酸3ml∶氟化胺6g∶水10ml的腐蚀液，腐蚀剩余介质材料，清洗后重新淀积介质保护材料；
在本步骤中，所述重新淀积的介质保护材料为SiO2、SiNx、ZrO2或TiO2。
步骤606：采用标准光刻工艺形成掩膜，采用配比为氢氟酸3ml∶氟化胺6g∶水10ml的腐蚀液腐蚀脊形模式控制区和锥形区上的介质保护材料，开出电流注入窗口。
步骤607：清洗干净后，在外延片正面溅射或蒸发金属，制作P面电极；
在本步骤中，所述P面电极采用溅射时为金属Ti/Pt/Au，采用蒸发时为金属Au/Zn/Au或Cr/Au。
步骤608：减薄、抛光外延片背面的N型GaAs衬底1，并蒸发N电极，然后进行合金化处理；
在本步骤中，所述合金化处理的条件为：在氮气和氢气保护下，在450℃下合金1分钟。
步骤609：利用激光划片机把制备的芯片划成巴条。
步骤610：对所述巴条进行腔面镀膜；
在本步骤中，所述进行腔面镀膜时，对于激光器而言，前腔面镀反射率为1％至5％的增透膜，后腔面镀反射率为95％至99％的高反膜；对于放大器而言，前后腔面均镀上反射率为1％至5％的增透膜。
步骤611：把镀好腔面膜的巴条切割成单个的管芯；
步骤612：P面向下烧结在热沉上，并进行N面电极引线，完成高亮度半导体锥形激光器/放大器的制作。
在本步骤中，所述P面向下烧结在热沉上是采用In或AuSn作为焊料烧结在热沉上，热沉材料可以为铜、金刚石，透明立方氮化硼(T-cBN)等热导率很高的材料。
实施例
下面以GaAs/AlGaAs量子阱锥形激光器的制作为例对本发明进行进一步的说明，但不构成对本发明的限制。
图7示出了依照本发明实施例制作高亮度半导体激光器及放大器的工艺流程图，该制作工艺包括如下步骤：
1)、在外延片P面上采用PECVD方法淀积介质保护材料，介质保护层可以采用SiO2、SiNx、ZrO2、TiO2等，如图7(I)；
2)、利用设计好的光刻版，采用标准的光刻工艺进行第一次光刻，以光刻胶作为掩膜，腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，该保留的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区和锥形增益区；利用光刻胶作为掩膜，采用配比为氢氟酸(3ml)∶氟化胺(6g)∶水(10ml)的腐蚀液腐蚀掉没有光刻胶保护的介质材料，如图7(II)；
3)、去胶清洗，重新甩上一层光刻胶，采用标准的光刻工艺进行二次光刻，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，用光刻胶作为掩膜保护锥形增益区，用介质材料作为掩膜保护脊形模式控制区，如图7(III)；
4)、采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方法刻蚀没有光刻胶或介质材料保护的欧姆接触层7和部分P面限制层6，腐蚀出脊形模式控制区台面；也可以采用配比为∶甲醇(3)∶磷酸(1)∶双氧水(1)的腐蚀液，在冰点下进行湿法腐蚀来代替干法刻蚀，刻蚀或腐蚀深度为1.4～1.6微米，具体深度与外延片结构相关，如图7(IV)；
5)、制作锥形增益区：去胶后，用介质保护材料作为保护，对锥形增益区使用甲醇(3)∶磷酸(1)∶双氧水(1)的腐蚀液腐蚀掉GaAs欧姆接触层7，通常欧姆接触层7的厚度约为0.2微米，腐蚀后停留到P面限制层6上，注意该腐蚀液同时也会腐蚀上步腐蚀模式控制区台面时暴露出的部分P面限制层6，所以在上一步刻蚀出脊形模式控制区台面时，其腐蚀深度要给这步留出0.2微米的余地，也就是说，如果最后脊形模式控制区的脊形台深度要求为1.6微米，上一步骤中的腐蚀深度只能腐蚀到1.4微米，如图7(V)；
6)、采用配比为：氢氟酸(3ml)∶氟化胺(6g)∶水(10ml)的腐蚀液，腐蚀剩余介质材料，清洗后重新淀积介质保护材料，如图7(VI)；
7)、采用标准光刻工艺形成掩膜，采用配比为：氢氟酸(3ml)∶氟化胺(6g)∶水(10ml)的腐蚀液腐蚀脊形模式控制区和锥形区上的介质保护材料SiO2，开出电流注入窗口，如图7(VII)；
8)、清洗干净后，在P面上制作P面电极，P面电极可以采用溅射Ti/Pt/Au，或蒸发Au/Zn/Au、Cr/Au等金属，如图7(VIII)；
9)、减薄、抛光N型GaA衬底1，蒸发N电极，然后进行合金化处理；
10)、利用激光划片机把制备的芯片划层巴条；
11)、对巴条进行腔面镀膜；对于激光器来说，前腔面c镀反射率为5％的增透膜，后腔面镀反射率为95％的高反膜；
12)、把镀好腔面膜的巴条切割成单个的管芯；
13)、P面向下烧结在热沉上，并进行N面电极引线。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1、在外延片P面上淀积介质保护材料，利用设计好的喇叭形光刻版，采用标准的光刻工艺进行第一次光刻，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，以光刻胶作为掩膜，腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，保留有光刻胶保护的介质保护材料；该保留的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区和锥形增益区；其中，所述外延片由下至上依次包括N型GaAs衬底(1)、N面限制层(2)、N面波导层(3)、量子阱/量子点有源区(4)、P面波导层(5)、P面限制层(6)和欧姆接触层(7)；
步骤2、去胶清洗，重新甩上一层光刻胶，采用标准的光刻工艺进行二次光刻，把光刻版上的图形转移到光刻胶上，然后显影，坚膜，用光刻胶作为掩膜保护锥形增益区，用介质材料作为掩膜保护脊形模式控制区；
步骤3、采用干法刻蚀或湿法腐蚀步骤2中没有光刻胶或介质材料保护的欧姆接触层(7)和部分P面限制层(6)，腐蚀出脊形模式控制区台面；
步骤4、去胶后，用介质保护材料作为掩膜，采用甲醇∶磷酸∶双氧水体积比为3∶1∶1的腐蚀液腐蚀没有介质材料保护的欧姆接触层(7)，腐蚀出锥形增益区台面；
步骤5、采用配比为氢氟酸∶氟化胺∶水＝3ml∶6g∶10ml的腐蚀液，腐蚀剩余介质材料，清洗后重新淀积介质保护材料；
步骤6、采用标准光刻工艺形成掩膜，采用配比为氢氟酸∶氟化胺∶水＝3ml∶6g∶10ml的腐蚀液腐蚀脊形模式控制区和锥形区上的介质保护材料，开出电流注入窗口；
步骤7、清洗干净后，在外延片正面溅射或蒸发金属，制作P面电极；
步骤8、减薄、抛光外延片背面的N型GaAs衬底(1)，并蒸发N电极，然后进行合金化处理；
步骤9、利用激光划片机把制备的芯片划成巴条；
步骤10、对所述巴条进行腔面镀膜；
步骤11、把镀好腔面膜的巴条切割成单个的管芯；
步骤12、P面向下烧结在热沉上，并进行N面电极引线。
2.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤1中所述N面限制层(2)为N型掺杂，所述N面波导层(3)为非故意掺杂，所述P面波导层(5)为非故意掺杂，所述P面限制层(6)为P型掺杂，所述欧姆接触层(7)采用重掺杂的GaAs材料。
3.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤1中所述介质保护材料采用SiO2、SiNx、ZrO2或TiO2。
4.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤1中所述进行第一次光刻时采用的版图类似喇叭形状，采用配比为氢氟酸∶氟化胺∶水＝3ml∶6g∶10ml的腐蚀液腐蚀没有光刻胶保护的介质保护材料，最后形成的有光刻胶保护的介质保护材料类似喇叭形状，包括直的模式控制区a和锥形增益区b。
5.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤3中所述刻蚀采用感应耦合等离子体ICP干法刻蚀方法，或采用湿法腐蚀方法，采用湿法腐蚀方法时采用甲醇∶磷酸∶双氧水体积比为3∶1∶1的腐蚀液，在冰点下进行；
步骤3中所述在刻蚀或腐蚀非介质保护材料的部分时，P面限制层(6)并不全部刻蚀掉。
6.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤5中所述重新淀积的介质保护材料为SiO2、SiNx、ZrO2或TiO2。
7.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤7中所述P面电极采用溅射时为金属Ti/Pt/Au，采用蒸发时为金属Au/Zn/Au或Cr/Au。
8.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤8中所述合金化处理的条件为：在氮气和氢气保护下，在450℃下合金1分钟。
9.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤10中所述进行腔面镀膜时，对于激光器而言，前腔面镀反射率为1％至5％的增透膜，后腔面镀反射率为95％至99％的高反膜；对于放大器而言，前后腔面均镀上反射率为1％至5％的增透膜。
10.根据权利要求1所述的制作高亮度半导体锥形激光器/放大器的方法，其特征在于，步骤12中所述P面向下烧结在热沉上是采用In或AuSn作为焊料烧结在热沉上，热沉材料为铜、金刚石或透明立方氮化硼。
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