CN103401140A

CN103401140A - 一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器

Info

Publication number: CN103401140A
Application number: CN2013103037075A
Authority: CN
Inventors: 崔碧峰; 张松; 计伟; 陈京湘; 王晓玲; 苏道军
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: CN103401140B

Abstract

本发明提出了一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，腐蚀除去欧姆接触层和上限制层的四边，在欧姆接触层的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层上下贯通，上限制层上下不贯通；腐蚀去除上限制层未贯通部分的四角，腐蚀后上限制层的四角不贯通；电绝缘介质层覆盖于上限制层的上表面及第一脊型台的侧面，正面电极覆盖在电绝缘介质层和第一脊型台的上表面，背面电极生长在衬底上。本发明形成腔面非注入区，有效地提高了半导体激光器的COD阈值，通过在非注入窗口区刻蚀脊型结构，形成侧向弱折射率波导结构，有效地抑制了光束在水平方向上的发散。

Description

一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器

发明领域

本发明涉及一种半导体激光器，特别涉及一种大功率半导体激光器。

背景技术

大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、覆盖的波段范围广、易集成等优点，在激光存储、激光显示、激光打标、机械加工、生物医学和军事等领域有着广泛的应用。随着实际应用的不断拓展，对大功率半导体激光器的性能提出了更高的要求，尽可能提高半导体激光器的输出功率、改善半导体激光器的光束质量一直是半导体激光器研究的重要方向。

腔面光学灾变损伤（COD）是限制大功率半导体激光器输出功率的主要原因之一，COD的产生主要是由于半导体激光器腔面处存在表面态或界面态，这些都是非辐射复合中心，在腔面附近由光吸收产生的电子空穴对通过这些非辐射复合中心产生非辐射复合,使腔面处温度升高，导致腔面附近带隙收缩,进一步加剧了腔面光吸收,这样形成恶性循环,当温度足够高时,导致腔面烧毁，器件失效。抑制腔面光学灾变损伤的发生，一般有以下几种途径：减少腔面处表面态或界面态形成的非辐射复合中心的密度；抑制腔面处的带隙收缩，减少光的吸收；减小腔面附近的载流子注入，减少注入电流在腔面处的非辐射复合。

采用腔面非注入区技术能够有效地提高大功率半导体激光器的COD阈值。腔面非注入区技术主要是通过在前后腔面附近各引入一段电流非注入区，限制载流子注入腔面，减小腔面处的载流子浓度，从而减少腔面处载流子的非辐射复合，提高COD阈值。腔面非注入区的实现方法主要包括腔面附近介质钝化、离子注入形成高阻区、去除腔面附近的高掺杂欧姆接触层等。采用腔面附近介质钝化的方法虽然可以限制电流直接流过腔面，但是由于高掺杂的欧姆接触层的存在，电极窗口处的电流可以扩散到腔面处，电流阻挡效果不好；离子注入的方法会在有源区上方造成晶体损伤，产生缺陷，影响器件的长期可靠性。采用去除腔面附近的高掺杂层与腔面附近介质钝化相结合的方法形成腔面非注入区，能够显著地提高大功率半导体激光器的抗COD能力，且该方法工艺过程简单，基本与常规工艺相同。但是，现有技术采用去除腔面附近的高掺杂层与腔面附近介质钝化相结合形成腔面非注入区的方法，非注入窗口区在侧向上缺少对光束的限制，使光束在水平方向上的发散比较严重。

发明内容

本发明的目的在于提高半导体激光器的COD阈值，同时抑制半导体激光器光束的水平发散角，改善光束质量。

为了达到上述目的，本发明提出了一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器。采用去除腔面附近高掺杂欧姆接触层与腔面附近电绝缘介质层钝化相结合的方法形成腔面非注入区，以提高半导体激光器的COD阈值；通过在非注入窗口区引入脊型结构，形成侧向弱折射率波导结构，以限制光束的水平发散角。

本发明的技术解决方案如下：一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，包括：衬底（1）；下限制层（2）；下波导层（3）；具有量子阱结构的有源层（4）；上波导层（5）；上限制层（6）；欧姆接触层（7）；电绝缘介质层（8）；正面电极（9）；背面电极（10）。衬底（1）、下限制层（2）、下波导层（3）、具有量子阱结构的有源层（4）、上波导层（5）、上限制层（6）、欧姆接触层（7）从下至上依次相邻，腐蚀除去欧姆接触层（7）和上限制层（6）的四边，在欧姆接触层（7）的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层（7）上下贯通，上限制层（6）上下不贯通；腐蚀去除上限制层（6）未贯通部分的四角，上限制层（6）的左侧形成第二脊型台，上限制层（6）的右侧形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面，腐蚀后上限制层（6）的四角不贯通；电绝缘介质层（8）覆盖于上限制层（6）的上表面以及第一脊型台的侧面，正面电极（9）覆盖在电绝缘介质层（8）和第一脊型台的上表面，背面电极（10）生长在衬底（1）上。电流注入区位于第一脊型台上，用来提供激光器工作所需的电流。腔面附近高掺杂欧姆接触层被完全腐蚀，有效地抑制了电流注入腔面，减小腔面处的载流子浓度，从而减少腔面处载流子的非辐射复合，提高COD阈值；第二、三脊型台的引入使腔面非注入区在侧向上形成弱折射率波导结构，能够有效抑制激光器光束在水平方向上的发散，改善光束质量。

本发明具体制作方法包括以下步骤：

步骤1，在衬底（1）上依次生长下限制层（2）、下波导层（3）、具有量子阱结构的有源层（4）、上波导层（5）、上限制层（6）、欧姆接触层（7），参见图3a；

步骤2，腐蚀除去欧姆接触层（7）和上限制层（6）的四边，在欧姆接触层（7）的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层（7）上下贯通，上限制层（6）上下不贯通，参见图3b；

步骤3，腐蚀去除上限制层（6）未贯通部分的四角，上限制层（6）的左侧形成第二脊型台，上限制层（6）的右侧形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面，腐蚀后上限制层（6）的四角不贯通，参见图3c；

步骤4，在上限制层（6）和第一脊型台的上表面上淀积电绝缘介质；

步骤5，腐蚀去除第一脊型台表面上的电绝缘介质，形成覆盖于上限制层（6）的上表面及第一脊型台的侧面的电绝缘介质层（8），参见图3d；

步骤6，在电绝缘介质层（8）和第一脊型台的上表面上制备正面电极（9），参见图3e；

步骤7，对衬底（1）进行减薄抛光后在其上制备背面电极（10），参见图3f；。

所述步骤1中，生长下限制层（2）、下波导层（3）、具有量子阱结构的有源层（4）、上波导层（5）、上限制层（6）、欧姆接触层（7）可以采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）。

所述步骤2中，可以采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀第一脊型台。

所述步骤3中，可以采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀出第二、三脊型台。

所述的正面电极（9）和背面电极（10）可以通过溅射技术、热蒸发技术、电子束蒸发技术或离子辅助电子束蒸发技术制备。

在步骤7之后还可以进一步包括：将制作完成的激光器芯片解离成Bar条，在激光器的前后腔面分别镀上增透膜和高反膜，这样既可以提高半导体激光器的输出功率，亦可以起到保护腔面的作用；之后将Bar条解离成单管，完成最后的封装。

本发明的有益效果是：采用去除腔面附近的高掺杂欧姆接触层与腔面附近电绝缘介质层钝化相结合的方法形成腔面非注入区，有效地提高了半导体激光器的COD阈值。同时，通过在腔面非注入窗口区刻蚀脊型结构，形成侧向弱折射率波导，有效地抑制了光束在水平方向上的发散，改善了光束质量。本发明提出的这种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，其制作方法在现有的脊型波导半导体激光器制备工艺的基础上只增加了一步光刻工艺，制备工艺简单，易于实现，成本低。

由于激光器的COD主要发生在有光输出的前腔面，因为其相对于后腔面有更高的光功率密度，本发明所述的新型腔面非注入区窗口结构主要应用在前腔面，然而本发明所公开的相同考虑事项可同样应用在后腔面。

附图说明：

图1：本发明所述的具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器的结构示意图。

图2：仅在前腔面制备新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器的结构示意图。

图3a-f：本发明所述的具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器的工艺步骤示意图。

图4：常规腔面非注入区结构半导体激光器的水平发散角。

图5：本发明提供的具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器的水平发散角。

图中：1—衬底，2—下限制层，3—下波导层，4—具有量子阱结构的有源层，5—上波导层，6—上限制层，7—欧姆接触层，8—电绝缘介质层，9—正面电极，10—背面电极。

具体实施方案：

以下结合附图对本发明的作进一步详细说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本实施例给出了一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，包括：衬底（1）；下限制层（2）；下波导层（3）；具有量子阱结构的有源层（4）；上波导层（5）；上限制层（6）；欧姆接触层（7）；电绝缘介质层（8）；正面电极（9）；背面电极（10）。衬底（1）、下限制层（2）、下波导层（3）、具有量子阱结构的有源层（4）、上波导层（5）、上限制层（6）、欧姆接触层（7）从下至上依次相邻，腐蚀除去欧姆接触层（7）和上限制层（6）的四边，在欧姆接触层（7）的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层（7）上下贯通，上限制层（6）上下不贯通；腐蚀去除上限制层（6）未贯通部分的四角，上限制层（6）的左侧形成第二脊型台，上限制层（6）的右侧形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面，腐蚀后上限制层（6）的四角不贯通；电绝缘介质层（8）覆盖于上限制层（6）的上表面及第一脊型台的侧面，正面电极（9）覆盖在电绝缘介质层（8）和第一脊型台的上表面，背面电极（10）生长在衬底（1）上。

所述电绝缘介质层（2）是氮化硅、氧化硅、氧化铝或氧化钛。

下面以980nm铟镓砷系量子阱半导体激光器为例，说明本实施例的具体实施过程，即制作上述激光器的方法，具体包括：

步骤1，衬底（1）为N型GaAs材料，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在衬底（1）上依次生长N型下限制层（2）、N型下波导层（3）、具有量子阱结构的有源层（4）、P型上波导层（5）、P型上限制层（6）、P型欧姆接触层（7）；

步骤2，采用光刻的方法，腐蚀除去欧姆接触层（7）和上限制层（6）的四边，在欧姆接触层（7）的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层（7）上下贯通，上限制层（6）上下不贯通；

步骤3，采用光刻的方法，腐蚀去除上限制层（6）未贯通部分的四角，上限制层（6）的左侧形成第二脊型台，上限制层（6）的右侧形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面，腐蚀后上限制层（6）的四角不贯通；

步骤4，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法在上限制层（6）和第一脊型台的上表面上淀积电绝缘介质；

步骤5，采用光刻的方法，腐蚀去除第一脊型台表面上的电绝缘介质，形成仅覆盖于上限制层（6）的上表面及第一脊型台的侧面的电绝缘介质层（8）；

步骤6，采用溅射的方法在电绝缘介质层（8）和第一脊型台的上表面上制备正面电极（9）；

步骤7，对衬底（1）进行减薄抛光后采用蒸发的方法制备背面电极（10）。

在步骤7之后还可以进一步包括：将制作完成的激光器芯片解离成Bar条，在激光器的前后腔面分别镀上增透膜和高反膜，这样既可以提高半导体激光器的输出功率，亦可以起到保护腔面的作用。

通过上述步骤制备的半导体激光器外延片，对其解离后进行封装测试，得到如图5的光束水平发散角，图4为常规腔面非注入区结构半导体激光器的水平发散角。采用新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，其光束水平发散角为10°，而常规腔面非注入区结构半导体激光器的水平发散角为15°，新型腔面非注入区窗口结构很好的抑制了光束在水平方向上的扩散，改善了光束质量。

需要说明的是：

本实施例所述的新型腔面非注入区窗口结构也适用于GaN基、InP基半导体激光器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明所提出的新型腔面非注入区窗口结构可应用到任何激光波长的包括但不限于单模激光器、多模激光器、光纤耦合激光器、分布反馈式（DFB）激光器和分布布拉格反射式（DBR）激光器的任何半导体激光器，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，包括：衬底（1），下限制层（2），下波导层（3），具有量子阱结构的有源层（4），上波导层（5），上限制层（6），欧姆接触层（7），电绝缘介质层（8），正面电极（9），背面电极（10）；衬底（1）、下限制层（2）、下波导层（3）、具有量子阱结构的有源层（4）、上波导层（5）、上限制层（6）、欧姆接触层（7）从下至上依次相邻，腐蚀除去欧姆接触层（7）和上限制层（6）的四边，在欧姆接触层（7）的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层（7）上下贯通，上限制层（6）上下不贯通；腐蚀去除上限制层（6）未贯通部分的四角，上限制层（6）的左侧形成第二脊型台，上限制层（6）的右侧形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面，腐蚀后上限制层（6）的四角不贯通；电绝缘介质层（8）覆盖于上限制层（6）的上表面以及第一脊型台的侧面，正面电极（9）覆盖在电绝缘介质层（8）和第一脊型台的上表面，背面电极（10）生长在衬底（1）上。

2.根据权利要求1所述，其特征在于，所述电绝缘介质层（8）是氮化硅、氧化硅、氧化铝或氧化钛。