CN103545714A - 一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法，该激光器包括衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、第二上限制层、刻蚀停止层、第一上限制层、欧姆接触层、电绝缘介质层、正面电极和背面电极。本发明提高了激光器COD阈值，从而使其在大功率输出时具有高可靠性；同时抑制半导体激光器光束的水平发散角，改善光束质量；使电流注入更集中，转化效率更高；此外，这种半导体激光器制作简单，便于生产。

Description

一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法

技术领域

本发明涉及一种新型进腔面电流非注入区结构，属于半导体激光器及制造方法领域，尤其涉及一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法。

背景技术

大功率半导体激光器在泵浦固体激光器、打印、材料加工、通信等方面都有着广泛的应用，这主要是由于其高的转化效率、高的可靠性以及较长的寿命。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、延长半导体激光器的使用寿命，改善半导体激光器光束质量一直是半导体激光器研究的重要方向。

半导体激光器基本工作原理是通过对半导体激光器加正向偏压，使半导体物质（即电子）在能带间跃迁发光，光子在F-P谐振腔中来回谐振，进行纵模选择，选择出非常少数的模式，这些模式在腔中震荡的同时，与处于激发态的电子空穴相互作用，产生受激发射，实现这些被选择模式的放大，从腔面输出激光。但对于大多数大功率半导体激光器而言,高光功率密度工作时产生的腔面光学灾变损伤（COD）使得器件最大功率受到限制，腔面COD现象也是影响激光器寿命的最主要的因素之一。引起腔面COD的主要因素是由于半导体激光器腔面处存在表面态和界面态,这些都是非辐射复合中心,它们的存在同样会导致光吸收,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,增加腔面处的温升,导致腔面附近带隙收缩,进一步加剧了腔面光吸收,不断的进行循环,当热量的积累促使腔面温度升高到有源区材料的熔点时,就会突然烧坏腔面,出现COD现象导致器件失效。

提高大功率半导体激光器COD阈值,就需要减小腔面附近处的电流密度、光吸收和表面复合速率，在制作工艺中通常是采用应变补偿量子阱有源区、大光腔结构有源区、非对称波导结构、优化腔面镀膜材料以及在腔面处制作各种类型的非吸收窗口等方法来提高器件寿命。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。腔面非注入区采用与腔面附近介质钝化相结合的方法来实现，这种方法不仅可以提高大功率半导体激光器的抗COD能力，并且与常规工艺基本相同，没有增加繁琐的工艺步骤，但是这种方法使非注入窗口区在侧向上缺少对光束的限制，光束在水平方向上的发散比较严重。

为此，本发明提出一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法，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。本发明所述的半导体激光器结构中，欧姆接触层四周的部分被去掉，从而使腔面附近没有电流注入，降低腔面附近电流密度，减少腔面产生的热量。因此本发明有效地抑制了由于腔面处载流子的非辐射复合产生热量过大导致的腔面损坏，从而保证了半导体激光器在功率输出时具有的高可靠性；腔面附近通过刻蚀形成的脊型台使非注入区在侧向上形成弱折射率波导，从而抑制了激光器光束在水平方向的发散现象。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有电流非注入区窗口结构的半导体激光器及制造方法，该激光器包括衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、第二上限制层、刻蚀停止层、第一上限制层、欧姆接触层、电绝缘介质层、正面电极和背面电极。本发明提高了激光器COD阈值，从而使其在大功率输出时具有高可靠性；同时抑制半导体激光器光束的水平发散角，改善光束质量；使电流注入更集中，转化效率更高；此外，这种半导体激光器制作简单，便于生产。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为一种电流非注入区靠近腔面的半导体激光器及制造方法，其由下到上排列顺序为衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、第二上限制层、刻蚀停止层、第一上限制层、欧姆接触层、电绝缘介质层；四个分别与激光器两侧腔面相邻的被暴露出来的凹槽；位于四个凹槽中间的位置并含有一个电流注入区的条形脊型台；电绝缘介质层覆盖于除电流注入区之外的欧姆接触层及凹槽上；欧姆接触层位于第一上限制层的上方，第一上限制层在刻蚀停止层上方；从半导体激光器腔面附近的欧姆接触层开始刻蚀凹槽，由于刻蚀停止层的存在，使脊型台能够被精确地刻蚀出来；刻蚀后部分第一上限制层侧壁和部分刻蚀停止层被暴露出来；正面电极覆盖于电绝缘介质层和作为电流注入区的欧姆接触层之上，背面电极覆盖在衬底上。

本发明具体制作方法包括以下步骤：

步骤一，在衬底上可以采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）依次生长缓冲层、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、第二上限制层、刻蚀停止层、第一上限制层和欧姆接触层；

步骤二，腐蚀去掉欧姆接触层和第一上限制层的四边，在第一上限制层上表面的中心位置形成包含欧姆接触层和部分第一上限制层的第一脊型台，欧姆接触层上下贯通，第一上限制层上下不贯通；

步骤三，腐蚀去除掉位于脊型台两侧的前端与腔面相连的第一上限制层部分区域，使第一上限制层在接近前后腔面的区域分别出现大小一致的两个凹槽，下面相连的一部分刻蚀停止层被暴露出来，第一上限制层在接近前后腔面的区域形成第二、三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面；

步骤四，在第一上限制层、近腔面的四个凹槽和第一脊型台的上表面上淀积电绝缘介质；

步骤五，腐蚀去掉第一脊型台表面上的电绝缘介质，其余部分形成电绝缘介质层；

步骤六，在电绝缘介质层和第一脊型台的上表面制备正面电极；

步骤七，对衬底进行减薄抛光后在其上制备背面电极；

步骤二中，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法刻蚀第一脊型台。

步骤三中，刻蚀出第二、三脊型台，因为刻蚀停止层的存在，脊型台可以被精确地刻蚀出来。

步骤六、七中，正面电极和背面电极可以通过溅射技术、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。

在步骤七之后还可以增加工艺：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，这样不仅提高半导体激光器的输出功率，也起到保护腔面的作用；最后将Bar条解离成单管，完成封装。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、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COD阈值。

2、通过在腔面非注入窗口区刻蚀凹槽形成脊型结构，因为侧向弱折射率波导的作用使光束在水平方向上的发散现象得到抑制，改善了光束质量。

3、由于只有靠近前后腔面的少部分第一上限制层被刻蚀掉形成脊型台，大部分第一上限制层，尤其是第一上限制层四端的部分均保留，使腔面能够与热沉有更大的接触面积，有效地提高了器件的散热性能；同时激光器芯片的单管结构与热沉也有了更大的接触面积，有效地增加了单管与热沉接触的平整度；本发明可以通过只增加一步光刻工艺来实现上述效益，并且制备工艺简单、成本较低且易于实现。

附图说明

图1为具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器的结构示意图。

图2a-f为具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器工艺步骤示意图。

图中：1、衬底2、缓冲层3、下限制层4、下波导层5、具有量子阱结构的有源层6、上波导层7、第二上限制层8、刻蚀停止层9、第一上限制层10、欧姆接触层11、电绝缘介质层12、正面电极13、背面电极。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示为具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器的结构示意图，该具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器包括衬底1、缓冲层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、第二上限制层7、刻蚀停止层8、第一上限制层9、欧姆接触层10、电绝缘介质层11、正面电极12和背面电极13；其中衬底1、缓冲层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、第二上限制层7、刻蚀停止层8、第一上限制层9、欧姆接触层10由下到上依次相邻，腐蚀去掉欧姆接触层10和第一上限制层9的四边，在第一上限制层9的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层10上下贯通，第一上限制层9上下不贯通；腐蚀去除掉位于脊型台两侧的前端与腔面相连的第一上限制层9部分区域，使第一上限制层9在接近前后腔面的区域分别出现大小一致的两个凹槽，下面相连的一部分刻蚀停止层8被暴露出来，第一上限制层9在接近前后腔面的区域形成第二、三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面；电绝缘介质层11覆盖于第一上限制层9的上表面、第一脊型台侧面以及凹槽内被暴露出来的区域包括第一上限制层9侧面的部分区域与刻蚀停止层8上表面的部分区域，正面电极12覆盖于电绝缘介质层11和第一脊型台上表面，背面电极13覆盖于衬底1上；电绝缘介质层11由氮化硅、氧化硅、氧化铝或氧化钛组成。

如图2a-f为具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器的工艺步骤示意图。以下以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，即制作上述激光器方法具体包括：

步骤一，衬底1为N型GaAs材料，在衬底1上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次沉积N型缓冲层2、N型下限制层3、N型下波导层4、具有量子阱结构的有源层5、P型上波导层6、P型第二上限制层7、P型刻蚀停止层8、P型第一上限制层9、P型欧姆接触层10；

步骤二，在欧姆接触层10上通过光刻形成光刻胶图形，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法除去欧姆接触层10和第一上限制层9的四边，去胶后在第一上限制层9上表面的中心位置形成包含欧姆接触层10和部分第一上限制层9的第一脊型台，欧姆接触层10上下贯通，第一上限制层9上下不贯通；

步骤三，在第一上限制层9上通过光刻形成光刻胶图形，采用湿法腐蚀的方法去除位于脊型台两侧的前端与腔面相连的第一上限制层9部分区域，使部分刻蚀停止层8暴露出来，去胶后第一上限制层9的前腔面形成第二脊型台，第一上限制层9的后腔面形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面；

步骤四，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法，在第一上限制层9的上表面、凹槽内被暴露出来的区域包括第一上限制层9侧面的部分区域与部分刻蚀停止层8上表面，以及第一脊型台淀积电绝缘介质；

步骤五，在电绝缘介质层11上通过光刻形成光刻胶图形，腐蚀去除第一脊型台上表面的电绝缘介质，使电绝缘介质层11仅覆盖于第一上限制层9的上表面、第一脊型台侧面、以及凹槽内被暴露出来的区域包括第一上限制层9侧面的部分区域与刻蚀停止层8上表面的部分区域；

步骤六，采用溅射的方法使正面电极12覆盖于电绝缘介质层11和第一脊型台的上表面；

步骤七，对衬底1进行减薄抛光后采用蒸发的方法制备背面电极13。

步骤八，将制作完成的激光器芯片解离成Bar条，应用镀膜设备在排列的激光器前后腔面分别镀上增透膜和高反膜，达到提高半导体激光器的输出功率以及保护腔面作用。

本实施例所述的新型近腔面电流非注入区结构也适用于GaN基、InP基半导体激光器。

以上所述仅为本发明可采用的实施例之一，并不用以限制本发明，本发明所提出的新型近腔面电流非注入区结构也可以同样应用到其它半导体激光器：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。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，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法，其特征在于：该具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器包括衬底（1）、缓冲层（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）、第二上限制层（7）、刻蚀停止层（8）、第一上限制层（9）、欧姆接触层（10）、电绝缘介质层（11）、正面电极（12）和背面电极（13）；其中衬底（1）、缓冲层（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）、第二上限制层（7）、刻蚀停止层（8）、第一上限制层（9）、欧姆接触层（10）由下到上依次相邻；腐蚀去掉欧姆接触层（10）和第一上限制层（9）的四边，在第一上限制层（9）上表面的中心位置形成包含欧姆接触层（10）和部分第一上限制层的第一脊型台；腐蚀去除掉位于脊型台两侧的前端与腔面相连的第一上限制层（9）部分区域，使第一上限制层（9）在接近前后腔面的区域分别出现大小一致的两个凹槽，下面相连的一部分刻蚀停止层（8）被暴露出来，第一上限制层（9）在接近前后腔面的区域形成第二、三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面；电绝缘介质层（11）覆盖于第一上限制层（9）的上表面、第一脊型台侧面、以及被暴露的区域包括第一上限制层（9）侧面的部分区域与刻蚀停止层（8）上表面的部分区域，正面电极（12）覆盖于电绝缘介质层（11）和第一脊型台上表面，背面电极（13）覆盖于衬底（1）上。

2.根据权利要求1所述的一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法，其技术特征在于：激光器制作方法具体包括以下步骤。

步骤一，在衬底（1）上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）依次沉积缓冲层（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）、第二上限制层（7）、刻蚀停止层（8）、第一上限制层（9）、欧姆接触层（10）；

步骤二，在欧姆接触层（10）上通过光刻形成光刻胶图形，采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法除去欧姆接触层（10）和第一上限制层（9）的四边，去胶后在第一上限制层（9）上表面的中心位置形成包含欧姆接触层（10）和部分第一上限制层的第一脊型台；

步骤三，在第一上限制层（9）上通过光刻形成光刻胶图形，采用湿法腐蚀的方法去除位于脊型台两侧的前端与腔面相连的第一上限制层（9）部分区域，使部分刻蚀停止层（8）暴露出来，去胶后第一上限制层（9）的前腔面形成第二脊型台，第一上限制层（9）的后腔面形成第三脊型台，第一、二、三脊型台的水平中心线共面；

步骤四，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）的方法，在第一上限制层（9）的上表面，因为刻蚀凹槽被暴露区域包括的部分第一上限制层（9）侧面与部分刻蚀停止层（8）上表面以及第一脊型台淀积电绝缘介质；

步骤五，在电绝缘介质层（11）上通过光刻形成光刻胶图形，腐蚀去除第一脊型台上表面的电绝缘介质，使电绝缘介质层（11）仅覆盖于第一上限制层（9）的上表面、第一脊型台侧面、以及因为刻蚀凹槽被暴露的区域包括第一上限制层（9）侧面的部分区域与刻蚀停止层（8）上表面的部分区域；

步骤六，采用溅射的方法使正面电极（12）覆盖于电绝缘介质层（11）和第一脊型台的上表面；

步骤七，对衬底（1）进行减薄抛光后采用蒸发的方法制备背面电极（13）；

步骤八，将制作完成的激光器芯片解离成Bar条，应用镀膜设备在排列的激光器前后腔面分别镀上增透膜和高反膜，达到提高半导体激光器的输出功率以及保护腔面作用。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法，其技术特征在于：电绝缘介质层（11）由氮化硅、氧化硅、氧化铝或氧化钛组成；所述新型近腔面电流非注入区结构可以应用到不同半导体激光器：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。

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