CN1036822C - 钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种半导体激光器。
本发明为一种垂直腔表面发射出光的半导体激光器，它是在GaAs单晶片上外延生长成有源区和多层异质外延薄膜以形成上、下反射镜，由两次钨丝做掩膜垂直交叉质子轰击、蒸金形成出光窗口和限制电流的高阻区。
Description
本发明为一种半导体激光器
由于垂直腔面发射激光器可以制成高密度二维阵列，适合单片集成和二位光互联；有大的纵模间距，可以动态单模工作；有发散角小的圆形光束，易于光纤耦合等优良特性，世界先进国家近年来争先研制。现有的较好的几种垂直腔面发射激光器从下向上有这几个主要部分构成一下电极，n-GaAs衬底，在衬底上外延生长形成多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x为0.05-0.2，y为0.5-1)异质薄膜下反射镜，n-AlzGa1-zAs(z为0.3-0.5)下限制层，GaAs有源层，P-AlzGa1-zAs上限制层，多层1/4波长P-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜，上电极。为了把电流限制在面积较小的电流注入有源区，有的将GaAs衬底以外的外延层刻蚀成直径几微米至几十微米的小圆柱结构，有的将上镜面刻成小圆台结构，其中和本发明最接近的已有技术是用光刻胶做掩膜质子轰击形成隔离电流高阻区结构(见Appl.Phys.Lett.，Vol.57，No.18，P1855，1990)。但是这种光刻胶做掩膜工艺太复杂，均匀性差和成品率低。另外这种器件结构电流是漏斗状地注入到有源区，电流要流经质子轰击过的区域，虽然经过退火质子轰击过的区域(不是质子停留的区域)可以导电，但电阻仍较大。所以这种器件结构串联电阻较大。
本发明的目的就在于克服这些困难，简化工艺，提高均匀性和成品率，降低器件串联电阻。
本发明所设计的垂直腔面发射激光器(见附图和附图说明)，由下电极1，n-GaAs衬底2，多层1/4波长n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x为0.05-2，y为0.5-1)异质薄膜下反射镜3，n-AlzGa1-zAs(z为0.3-0.5)下限制层4，GaAs有源层5，P-AlzGa1-zAs上限制层6，多层1/4波长P-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜7和上电极8等部件构成，其特征是上电极8分为出光窗口部分9和非出光加厚部分10两部分，出光窗口部分上电极9是由半透明半反射的金属薄膜构成的，即可以有激光透出，又可以导电，还可以反射一部分光以补充上反射镜7反射率的不足，在非出光部分上电极10下面是阻止电流通过的质子轰击的高阻区11，非出光加厚部分上电极10和质子轰击高阻区11是由钨丝做掩膜垂直交叉两次蒸金和质子轰击形成的。
本发明和现有的垂直腔面发射激光器相比减少了制版、光刻、刻蚀等许多工艺，且钨丝做掩膜均匀性一致性好，可提高成品率，有利于制成二维阵列激光器，同时具有串联电阻低等优良特性。
附图说明：
图1是金属反射镜式钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器示意图。图2是扩锌式钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器示意图。图1中，部件1为下电极，2为n-GaAs衬底，3为多层1/4波长n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜，4为n-AlzGa1-zAs下限制层，5为GaAs有源层，6为P-AlzGa1-zAs上限制层，7为多层1/4波长P-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜上反射镜，8为上电极，9为出光窗口部分上电极，10为非出光窗口加厚部分上电极，11为质子轰击高阻区，12为电流注入有源区。图2中，部件1.2.3.4.5.6.7.8.11.12均和图1相同，部件13为扩锌导电区，14为出光窗口。
本发明的实施例分别描述如下：
1.金属反射镜式钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器。
这种激光器的结构如图1所示。实施工艺简述如下：选用n-GaAs做为衬底2，在GaAs衬底2上用薄层外延技术(如分子束外延技术，有机金属化合物气相沉积技术等)依次生长上多层1/4波长n-A1xGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜3，n-AlzGa1-zAs下限制层4，GaAs有源层5，P-AlzGa1-zAs上限制层6，多层P-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜7，外延片制备好后上面蒸发一层半透明半反射的金属薄膜上电极8，然后用钨丝做掩膜进行第一次质子轰击和蒸金，取下钨丝掩膜后再用钨丝做掩膜进第二次质子轰击和蒸金，这次的钨丝方向和第一次的方向垂直并交叉，其交叉点没有再蒸上金，只有开始蒸的半透明半反射的金属膜即形成出光窗口部分上电极9，其余部分又蒸上一层或两层金加厚不透明，但便于键合引线，形成非出光部分上电极10，它的下面被质子轰击一次或两次形成高阻区11，电流被高阻区限制在小的电流注入区12内，最后蒸下电极1。
2.扩锌式钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器
这种器件结构如图2所示。实施工艺简述如下：选用n-GaAs做为衬底2，用薄层材料生长外延技术在GaAs衬底2上依次生长上多层n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜3，n-AlzGa1-zAs下限制层4，GaAs有源层5，P-AlzGa1-zAs/AlyGa1-yAs上反射镜7。外延片制备好后上面淀积一层Si3N4膜，光刻，刻蚀保留40×40μm2(或30×30μm2)方块的Si3N4膜，然后进行锌扩散以形成扩锌导电区13；扩锌后去除Si3N4方块膜，再用钨丝做掩膜两次垂直交叉蒸金和深质子轰击，以在扩锌导电区13下面形成高阻区11，钨丝的交叉点要对准Si3N4膜方块中心；最后蒸下电极1并合金退火。由于钨丝的交叉点蒸不上金和质子轰击没轰击到而形成出光窗口14和小的电流注入有源区12，电流可以通过高阻区11上面的锌扩散导电区13漏斗状地注入到有源区12。
3.有源区为GaAs量子阱结构。这种结构只是有源层5生长成GaAs量子阱结构，其余的工艺同1或同2。
4.有源区为InGaAs量子阱结构。这种结构也只是改变有源层材料和结构，把有源层5生长成InGaAs量子阱结构，其余工艺同1或同2。
Claims (6)
1.一种垂直腔面发射半导体激光器，由电极(1)、n-GaA3衬底(2)、多层1/4波长n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜(3)、n-AlzGa1-zAs下限制层(4)、GaAs有源层(5)、p-AlzGa1-zAs上限制层(6)、多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜(7)和上电极(8)等构成，本发明的特征在于所说的上电极(8)分为出光窗口部分上电极(9)和非出光窗口加厚部分上电极(10)两部分；出光窗口部分上电极(9)是由半透明半反射的金属薄膜构成的，在非出光窗口加厚部分上电极(10)的下面是质子轰击高阻区(11)，在有源层(5)内被质子轰击高阻区(11)包围的位置形成有电流注入有源区(12)。
2.按照权利要求1所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于质子轰击高阻区(11)上面有一个扩锌导电区(13)，电流可以通过扩锌导电区(13)漏斗状地注入到电流注入有源区(12)。
3.按照权利要求1或2所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于有源层(5)生长成GaAs量子阱结构。
4.按照权利要求1或2所述的一种垂直腔面发射半导体激光器，其特征在于有源层(5)生长成InGaAs量子阱结构。
5.一种垂直腔面发射半导体激光器的工艺方法，选用n-GaAs做衬底(2)，在衬底(2)上用薄层外延技术依次生长异质薄膜下反射镜(3)、下限制层(4)、有源层(5)、上限制层(6)、上反射镜(7)，制备出外延片之后再蒸一层半透明半反射的金属薄膜的上电极(8)，用质子轰击的方法形成隔离电流的质子轰击高阻区(11)，本发明的特征在于，所说的形成质子轰击高阻区(11)是用钨丝做掩膜的，第一次用钨丝做掩膜进行质子轰击和蒸金后取下钨丝掩膜，再用钨丝做掩膜进行第二次质子轰击和蒸金，第二次的钨丝方向跟第一次的方向垂直并交叉；最后蒸下电极(1)。
6.按照权利要求5所述的一种垂直腔面发射半导体激光器的工艺方法，其特征在于，在制备出外延片之后进行锌扩散过程，锌扩散过程的具体方法是：先淀积一层Si3N4膜，光刻，刻蚀保留40×40μm2或30×30μm2方块的Si3N4膜，进行锌扩散形成扩锌导电区(13)，扩锌后去除Si3N4方块膜，再进行两次钨丝做掩膜的质子轰击和蒸金，钨丝的交叉点要对准Si3N4方块膜的中心。
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