CN101916963A - 高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方法，公开了一种非矩形谐振腔半导体激光二极管及其制造方法。谐振腔的两端与垂直出光端面靠近部分呈矩形单通道波导结构，谐振腔中间部分包括至少一个通道的波导结构，在保持谐振腔直线总长度不变以及激光二级管体积不变的情况下增加激光二极管的峰值光输出功率，使得在同尺寸衬底上的芯片产品率得到提高，从而降低产品的成本，为高密度集成光路和超小集成空间但要求高光功率的特殊应用提供解决方案。

Description

高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及到一种可实现高功率单模输出的微型半导体激光二极管及其制造方法。

背景技术

半导体激光二极管已经被广泛应用于现代生活的多个领域，包括数据存储、激光测量、传感器、激光打印、光通讯等。根据二极管的PN结材料和结构的不同，可将半导体激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)等激光二极管。半导体激光二极管的输出可分为单模激光和多模激光。单模激光的优点是没有模式竞争，激光的稳定性、相干性和光束质量都很好。

在双异质结激光二极管中采用脊型波导结构，可实现单模激光输出。这种脊型双异质结半导体激光二极管还同时具有临界电流阀值小，发光效率高等特点，所以被广泛应用。

半导体激光二极管的基本结构包括垂直于PN结面的一对平行平面，即法布里——珀罗(Febry-Perot)谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。

图1显示了一个现有的具有脊型波导结构的双异质结半导体激光二极管三维图示意图。图2为该半导体激光二极管的俯视图。图3是沿图2中A-A虚线切割后的剖面图。

图3显示了现有的脊型双异质结半导体激光二极管的横截面剖面。在衬底31上依次沉积有n型缓冲层32，n型包覆层33，发光层34，p型第一包覆层35和刻蚀阻挡层36。脊型结构的p型第二包覆层37，p型接触层38，以及电流阻碍层39形成在刻蚀阻挡层36上。p型电极3a覆盖在p型接触层38和电流阻碍层39之上，而n型电极3b与衬底31形成接触。

如图2所示，在垂直于两个端面11和12的方向，脊型半导体激光二极管构成呈矩形结构的法布里-珀罗(Febry-Perot)谐振腔13，通过泵浦以实现光子增益的正反馈。在谐振腔的两个端面11和12上加以不同反射率的薄膜，来实现主要从一个端面上以激光形式的相干辐射输出。通过控制脊型结构的宽度，可以很容易实现横向单模的激光输出，同时其制造过程也相对简单。同时由于脊型结构对光场的限制，半导体激光二极管的临界电流值低于非脊型结构。

一般来说，用于只读光盘的红光半导体二极管的谐振腔长度大约在200-600μm，其光输出功率在5-10mW，这样低的光输出功率无法达到刻录光盘的功率要求。通过延长谐振腔的长度到800-2500μm以及运行在光脉冲的形式下，红光半导体二极管的稳定峰值光输出功率可以提高到250-350mW，这样就可以达到刻录光盘的功率要求。

常规脊型半导体激光二极管的稳定峰值光输出功率跟谐振腔的长度成正比，通过增加谐振腔长度，可以提高峰值光输出功率。但这样做会增大二极管长度，难以有效应用于一些对激光器尺寸小型化要求严格的行业。并且，由于二极管长度的增加会降低在同尺寸衬底上可以达到的产品数，激光二极管的生产成本也会相应增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高功率单模输出的微型半导体激光二极管，通过改变谐振腔结构，在保持谐振腔直线总长度不变以及二极管体积不变的情况下，可以增加激光二极管的峰值光输出功率，使得在同尺寸衬底上的芯片产品数得到提高，从而降低产品的成本，为高密度集成光路和超小集成空间但要求高光功率的特殊应用提供解决方案。与此同时，本发明还提供这种微型半导体激光二极管的制造方法。

本发明所涉及的半导体激光二极管，与常规的脊型双异质结半导体激光二极管不同，其谐振腔呈非矩形结构。谐振腔两端靠近出光端面的部分呈矩形单通道波导结构，谐振腔中间部分可为单波导通道但横截面增大呈楔形结构。谐振腔中间部分也可一分为二成为双波导通道、或者一分为三成为三波导通道、或者分为更多波导通道，并在与两端单通道波导接触的部分合并。谐振腔中间的双通道或多通道波导部分呈折线或曲线形状。

谐振腔的中间部分包括一个横截面增大的单波导通道，其宽度渐变呈楔形结构，且宽度大于谐振腔两端靠近出光端面的矩形单通道波导结构的宽度；或者谐振腔的中间部分也可以包括两个或多个矩形单通道波导结构，其宽度之和大于谐振腔两端靠近出光端面的矩形单通道波导结构的宽度。

谐振腔两端靠近出光端面的部分呈矩形结构，这两部分的横截面只支持单模传输或者只有靠近激光输出端面的一侧支持单模传输，谐振腔中间部分呈非矩形结构，这部分横截面可为单波导通道但横截面增大，或者一分为二成为双波导通道，或者一分为三成为三波导通道，或者分为更多波导通道。在每个波导通道的横截面上，发光层包夹在n型包覆层和p型包覆层之间，p型包覆层分两层，第二p型包覆层呈脊型结构，之上有p型接触层，电流阻碍层形成在脊型结构以及刻蚀阻挡层上，p型电极覆盖在p型接触层和电流阻碍层之上，而n型电极与衬底形成接触。在双波导通道或多波导通道的横截面结构中，每个波导通道结构和单个波导通道的一致。在两个电极之间加载电压之后，每个波导通道都会引入电流而产生光子，在各自的波导内振荡放大，并在共同的谐振腔波导部分合并从而增大功率输出。通过这种特殊的谐振腔结构设计，在保证激光二极管的输出为单模形式的前提下，同样尺寸的激光二极管可以达到更高的峰值光输出功率，或者在同样的峰值光输出功率的情况下，激光二极管的尺寸可以做得更小。

制造这样具有特殊谐振腔结构的半导体激光二极管包括如下步骤：

(1)在n型衬底上依次沉积生长n型缓冲层，n型包覆层，发光层，p型第一包覆层，刻蚀阻挡层，p型第二包覆层和p型接触层；

(2)在第二包覆层上涂上光刻胶并通过光刻方式形成和谐振腔平面结构一致的掩模图形；

(3)利用掩模图形进行腐蚀加工，腐蚀接触层和第二包覆层至刻蚀阻挡层；

(4)在刻蚀之后的接触层、第二包覆层和已经暴露的刻蚀阻挡层上沉积电流阻碍层，然后除去光刻胶以除掉接触层上的电流阻碍层，最后形成需要的脊型结构；

(5)通过物理沉积或电镀方式在表面沉积p型金属电极，并在衬底面通过物理沉积或电镀方式沉积n型电极。

和传统的脊型半导体激光二极管相比，本发明没有增加额外多余的步骤，所以没有增加生产成本。本发明与以往一般脊型半导体二极管制造过程的主要差别在于光刻的掩模图形没有采用传统的矩形，而是采用非矩形的掩模图形从而在腐蚀之后形成特殊的谐振腔结构。在谐振腔的直线长度保持不变的情况下，谐振腔的有效长度得到增加，因此激光二极管的峰值光输出功率也得到增大，同时可以保证单模输出；或者在保持峰值光输出功率不变的条件下，激光二极管的尺寸可以做得更小，从而提高在同尺寸衬底上的芯片合格产品数。

本发明可选择不同的衬底、包覆层以及发光层材料，以适用于不同波长的半导体激光二极管的设计和制造。比如，要想生成750-900nm的红外激光，衬底材料可采用GaAs，包覆层和发光层采用有不同原子比例和掺杂的AlGaAs以形成满足需要的带隙结构。又比如，要想生成300-450nm的蓝光激光，衬底材料可采用GaN，包覆层和发光层采用有不同原子比例和掺杂的AlGaInN以形成满足需要的带隙结构。再比如，要想生成600-700nm的红光激光，衬底材料可采用GaAs，包覆层采用有不同原子比例和掺杂的AlGaInP，发光层采用GaInP，以形成满足需要的带隙结构。

附图说明

图1为常规矩形谐振腔结构半导体激光二极管的三维示意图；

图2为常规矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图3为常规矩形谐振腔结构半导体激光二极管的横截面剖面图；

图4为实施方案1的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图5为沿图4中A-A虚线切割后的横截面剖面图，显示谐振腔中间部分的双波导通道；

图6为沿图4中B-B虚线切割后的横截面剖面图，显示谐振腔靠近端面部分的单波导通道；

图7为实施方案1的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管制作方法和流程的剖面图；

图8为实施方案1的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管制作方法和流程的剖面图；

图9为用实施方案1的光刻掩模图案；

图10为实施方案1的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管制作方法和流程的剖面图；

图11为实施方案1的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管制作方法和流程的剖面图；

图12为实施方案1的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管制作方法和流程的剖面图；

图13为实施方案1的制作方法和流程形成的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的三维示意图；

图14为实施方案2的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图15为实施方案2的光刻掩模图案；

图16为实施方案3的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图17为实施方案3的光刻掩模图案；

图18为实施方案4的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图19为实施方案4的光刻掩模图案；

图20为实施方案5的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图21为实施方案5的光刻掩模图案；

图22为实施方案6的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图23为实施方案6的光刻掩模图案；

图24为实施方案7的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管的芯片表面俯视图；

图25为实施方案7的光刻掩模图案。

具体实施方式

结合附图对本发明几个实施方案的具有非矩形谐振腔半导体激光二极管及其制造方法进行进一步的说明。

实施方案1：

图4-6描述本发明第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管。参见图4芯片表面俯视图，谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形结构，谐振腔中间部分呈非矩形结构。

图5为沿图4中的A-A虚线的横截剖面显示单通道波导结构，根据波长选择波导通道的宽度可只支持单模传输，比如800nm波长的红外激光，脊型底部571的宽度可以为2.5-4μm。参考图5，从n型GaAs衬底51上起依次包括n型AlGaAs缓冲层52，n型AlGaAs包覆层53，AlGaAs发光层54，第一p型AlGaAs包覆层55，p型InGaP刻蚀阻挡层56，第二p型AlGaAs包覆层57和p型AlGaAs接触层58，第二p型AlGaAs包覆层包57呈脊型结构，周围覆盖电流阻碍层59，p型电极5a覆盖在p型接触层58和电流阻碍层59之上，而n型电极5b与衬底51形成接触。

图6为沿图4中的B-B虚线的横截剖面显示双波导通道结构，每个通道和图5中的单通道波导结构一致。参考图6，第二p型AlGaAs包覆层包67呈双脊型结构，周围覆盖电流阻碍层69，p型电极6a覆盖在p型接触层68和电流阻碍层69之上。

每个通道脊型底部宽度671和672优选和单通道部分脊型底部宽度571选择一致只支持单模传输模式，但也可以选择更大的宽度从而支持多模传输模式。在两个电极之间加载电压之后，每个波导通道都会引入电流而产生光子，在各自的波导内振荡放大，并在共同的谐振腔波导部分合并从而增大功率输出。在双通道波导部分选择更大的宽度而支持多模传输模式时，由于谐振腔两端与垂直端面的靠近并输出光的部分是只支持单模传输的单通道波导结构，最后激光输出仍为单模方式，同时由于横截面增大，峰值光输出功率可以得到进一步提高。

结合图7至图11描述本发明实施方案1的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法。具体制造方法和步骤如下：

(1)参见图7，首先在n型GaAs衬底51上通过金属气相沉积的方法依次沉积n型AlGaAs缓冲层52，n型AlGaAs包覆层53，AlGaAs发光层54，p型AlGaAs第一包覆层55，p型InGaP刻蚀阻挡层56，p型AlGaAs第二包覆层57和p型AlGaAs接触层58；

(2)参见图8，在AlGaAs接触层58上涂上光刻胶5c并通过光刻方式形成和谐振腔平面结构一致如图9所示的掩模图形；

(3)参见图10，利用光刻胶5c掩模图形进行腐蚀，腐蚀接触层58和第二包覆层57直至刻蚀阻挡层56；

(4)参见图11，沉积电流阻碍层59后除去光刻胶5c形成脊型结构；

(5)参见图12，通过物理沉积或电镀方式在芯片表面沉积p型金属电极5a，在衬底面通过物理沉积或电镀方式沉积n型电极5b。通过包括划片，打磨和端面镀膜等后道工序，最后形成的非矩形谐振腔结构半导体激光二极管芯片的三维示意图如图13所示。

实施方案2：

本发明第二个实施方案中半导体激光二极管芯片的谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形的单通道波导结构，谐振腔中间部分呈如图14所示的非矩形单通道波导结构，但选择更大的宽度以增加横截面积从而提高峰值光输出功率。本发明第二个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法与第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法类似，所不同的是选择如图15所示的掩模图形来做光刻和随后的腐蚀过程。

实施方案3：

本发明第三个实施方案中半导体激光二极管芯片的谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形的单通道波导结构，谐振腔中间部分呈如图16所示的非矩形三通道波导结构，每个波导通道在引入电流后而产生光子，在各自的波导内振荡放大，并在共同的单通道波导部分合并从而增大光输出功率。本发明第三个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法与第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法类似，所不同的是选择如图17所示的掩模图形来做光刻和随后的腐蚀过程。

实施方案4：

本发明第四个实施方案中半导体激光二极管芯片的谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形的单通道波导结构，如图18所示，靠近主要出光端面181的波导宽度小于靠近次出光端面182的波导宽度，并支持单模光传输，谐振腔中间部分呈楔形波导结构，最后主要端面的激光输出仍为单模方式，但同时由于部分谐振腔的横截面积增大，峰值光输出功率也可以得到进一步提高。本发明第四个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法与第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法类似，所不同的是选择如图19所示的掩模图形来做光刻和随后的腐蚀过程。

实施方案5：

本发明第五个实施方案中半导体激光二极管芯片的谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形的单通道波导结构，如图20所示，谐振腔中间部分呈圆形的单通道波导结构。本发明第五个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法与第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法类似，所不同的是选择如图21所示的掩模图形来做光刻和随后的腐蚀过程。

实施方案6：

本发明第六个实施方案中半导体激光二极管芯片的谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形的单通道波导结构，谐振腔中间部分呈如图22所示的非矩形双通道波导结构，每个波导通道在引入电流后而产生光子，在各自的波导内振荡放大，并在共同的单通道波导部分合并从而增大光输出功率。本发明第六个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法与第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法类似，所不同的是选择如图23所示的掩模图形来做光刻和随后的腐蚀过程。

实施方案7：

本发明第七个实施方案中半导体激光二极管芯片的谐振腔两端与垂直端面的靠近部分呈矩形的单通道波导结构，谐振腔中间部分呈如图24所示的非矩形三通道波导结构，每个波导通道在引入电流后而产生光子，在各自的波导内振荡放大，并在共同的单通道波导部分合并从而增大光输出功率。本发明第七个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法与第一个实施方案的非矩形谐振腔半导体激光二极管的制造方法类似，所不同的是选择如图25所示的掩模图形来做光刻和随后的腐蚀过程。

Claims (9)

1.一种高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其发光层包夹在n型和p型包覆层之间，p型包覆层分两层，第二p型包覆层和之上的p型接触层呈脊型结构，电流阻碍层形成在脊型壁面以及两个p型包覆层之间的刻蚀阻挡层上，同时p型电极覆盖在p型接触层和电流阻碍层之上，而n型电极与衬底形成接触；其特征在于激光二极管的谐振腔呈非矩形结构。

2.如权利要求1的高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其特征在于：谐振腔两端靠近出光端面的部分呈矩形单通道波导结构，谐振腔中间部分可为单波导通道但横截面增大呈楔形结构；谐振腔中间部分也可一分为二成为双波导通道、或者一分为三成为三波导通道、或者分为更多波导通道，并在与两端单通道波导接触的部分合并，双通道或多通道波导部分呈折线或曲线形状。

3.如权利要求1的高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其特征在于：谐振腔的中间部分包括一个横截面增大的单波导通道，其宽度渐变呈楔形结构，且宽度大于谐振腔两端靠近出光端面的矩形单通道波导结构的宽度；或者谐振腔的中间部分也可以包括两个或多个矩形单通道波导结构，其宽度之和大于谐振腔两端靠近出光端面的矩形单通道波导结构的宽度。

4.如权利要求1的高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其特征在于：衬底为GaAs，所述半导体叠层由A1GaAs材料形成，发光波长在750-900nm之间。

5.如权利要求1的高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其特征在于：衬底为GaN，所述半导体叠层由InGaAlN材料形成，发光波长在300-450nm之间。

6.如权利要求1的高功率单模输出的微型半导体激光二极管，其特征在于：衬底为GaAs，所述半导体叠层由AlGaInP和GaInP材料形成，发光波长在600-700nm之间。

7.如权利要求1所述的高功率单模输出的微型半导体激光二极管的制造方法，包括以下步骤：在外延n型衬底上通过金属气相沉积的方法依次沉积形成发光的半导体叠层，包括n型缓冲层，n型包覆层，发光层，p型第一包覆层，p型刻蚀阻挡层，p型第二包覆层和p型接触层；在接触层上涂上光刻胶并通过光刻方式形成和谐振腔平面结构一致的非矩形掩模图形；利用光刻胶的掩模图形进行腐蚀接触层和第二包覆层至刻蚀阻挡层；沉积电流阻碍层后除去光刻胶形成脊型结构；通过物理沉积或电镀方式在芯片表面沉积p型金属电极，在衬底面通过物理沉积或电镀方式沉积n型电极，最后通过包括划片，打磨和端面镀膜等后道工序完成半导体激光二极管芯片的制作。

8.如权利要求7所述的高功率单模输出的微型半导体激光二极管的制造方法，其特征在于：在光刻时用的掩模图形采用非矩形形状，通过光刻和腐蚀形成如权利要求2所述的中间呈楔形的单通道、或者呈折线或曲线形状的双通道或多通道波导，并且两端呈矩形单通道波导结构的谐振腔。

9.如权利要求7所述的高功率单模输出的微型半导体激光二极管的制造方法，其特征在于：在光刻时用的掩模图形采用非矩形形状，通过光刻和腐蚀形成如权利要求3所述的谐振腔，其中间呈楔形的单通道波导宽度大于两端呈矩形单通道波导宽度，或中间双通道或多通道波导宽度之和大于两端呈矩形单通道波导宽度。

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