CN104051960A - 一种具有光栅结构的边发射半导体激光器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有光栅结构的边发射半导体激光器及制作方法，包括以下步骤：在砷化镓衬底上依次制备N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层和P型欧姆接触层；在P型欧姆接触层的上表面光刻出脊形台面；在P型限制层的上方及两侧淀积二氧化硅绝缘层；在二氧化硅绝缘层的上表面光刻出引线孔，在脊形台面中间的脊形结构的上表面光刻出光栅结构；在二氧化硅绝缘层及带有光栅结构的脊形台面的上表面制备上层P型电极；在砷化镓衬底的下底面制备下层N型电极。本发明能够减少有源区的载流子泄露，降低激光器的阈值电流，消除载流子复合后光斑的移动，稳定半导体激光器的测向模式，制备工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种具有光栅结构的边发射半导体激光器及制作方法。
背景技术
半导体激光器以其体积小、重量轻、价格便宜等优点广泛用于光纤通信、光盘存取、光谱分析和光信息处理等重要领域。而且特别适用于激光夜视、激光引信、激光雷达等军事领域。边发射半导体激光器是半导体激光器领域的重要组成部分，它是直接利用半导体材料的自然解理面来做谐振腔面，工艺简单、晶面完美。边发射半导体激光器具有以下优点：
1.由于有源层侧向尺寸减小，光场对称性增加，因而能提高光源与光纤的耦合效率。
2.因为在侧向对电子和光场有限制，有利于降低激光器的阈值电流。
3.由于有源区面积小，容易获得缺陷尽可能少或无缺陷的有源层，同时除用作谐振腔的解理面外，整个有源区与外界隔离，有利于提高器件的稳定性和可靠性。
由于边发射半导体激光器是将注入电流加在一条形电极上，这样注入到有源层的非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度使其不可避免的会发生侧向扩散，这样就会对有源区载流子分布的均匀性产生影响，从而对边发射激光器的阈值特性、输出模式、输出功率都产生了不良影响。
本发明的用于改善有源区载流子分布均匀性的边发射半导体激光器的制作方法是在传统边发射半导体激光器工艺的基础上增加了一步光刻工艺，因此它的制作工艺简单、成本低、重复性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够改善有源区载流子分布均匀性、减少有源区的载流子泄露、从而降低激光器的阈值电流的具有光栅结构的边发射半导体激光器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有光栅结构的边发射半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在砷化镓衬底上依次制备N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区和P型波导层，在P型波导层的上表面制备中央带有长条状凸起的P型限制层，在P型限制层的长条状凸起的上表面制备P型欧姆接触层，所述砷化镓衬底、N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层和P型欧姆接触层组成分离异质结构；
步骤2：在P型欧姆接触层的上表面光刻出脊形台面；
步骤3：在P型限制层的长条状凸起两侧的平台、长条状凸起的侧壁及脊形台面上表面的边缘淀积二氧化硅绝缘层；
步骤4：在二氧化硅绝缘层的上表面光刻出引线孔，在脊形台面中间的脊形结构的上表面光刻出光栅结构；
步骤5：在二氧化硅绝缘层及带有光栅结构的脊形台面的上表面制备上层P型电极；
步骤6：对带有上层P型电极的分离异质结构进行减薄抛光，减薄抛光后，在砷化镓衬底的下底面制备下层N型电极。
本发明的有益效果是：本发明能够减少有源区的载流子泄露，从而降低激光器的阈值电流，消除了载流子复合后光斑的移动，从而稳定了半导体激光器的测向模式，在传统边发射半导体激光器工艺的基础上增加了一步光刻工艺，与现有的边发射半导体激光器制备工艺完全兼容，制备工艺简单，成本低，广泛适用于各种材料系的边发射半导体激光器。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，步骤1中所述的砷化镓衬底为{100}面偏<111>方向15°N型偏角砷化镓衬底。
进一步，所述步骤2具体为，将分离异质结构上旋涂满光刻胶，通过显影将脊形台面以外区域的光刻胶去除，再利用湿法腐蚀方法腐蚀出脊形台面。
进一步，所述步骤3具体为，在分离异质结构上采用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层二氧化硅绝缘层。
进一步，所述步骤4中光刻出引线孔的过程具体为，在长好二氧化硅绝缘层的分离异质结构的脊形台面上利用湿法刻蚀法光刻出引线孔，所述引线孔的宽度小于脊形台面的宽度。
进一步，所述步骤4中光刻出光栅结构的过程具体为，在引线孔上利用湿法腐蚀法光刻出具有周期结构的光栅结构。
进一步，所述上层P型电极和下层N型电极为与镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料。
进一步，所述上层P型电极采用溅射的方法制备，下层N型电极采用蒸发的方法制备。
进一步，在步骤6之后，将具有电极的分离异质结构解理成条，在激光器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜。
进一步，一种具有光栅结构的边发射半导体激光器，包括砷化镓衬底、N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层、P型欧姆接触层，二氧化硅绝缘层、上层P型电极和下层N型电极；
所述N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层和P型限制层依次设置于所述砷化镓衬底的顶部，所述P型限制层的中央带有长条状凸起，P型欧姆接触层设置于P型限制层的长条状凸起的上表面，所述砷化镓衬底、N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层、P型限制层和P型欧姆接触层组成分离异质结构，所述P型欧姆接触层的上表面设置有脊形台面，二氧化硅绝缘层设置于P型限制层的长条状凸起两侧的平台、长条状凸起的侧壁及脊形台面上表面的边缘，在二氧化硅绝缘层的上表面设置有引线孔，脊形台面中间的脊形结构的上表面设置有光栅结构，所述上层P型电极设置于二氧化硅绝缘层及带有光栅结构的脊形台面的上表面，在砷化镓衬底的下底面设置有下层N型电极。
附图说明
图1为本发明方法步骤流程图；
图2为本发明边发射半导体激光器的侧向剖面图；
图3为本发明边发射半导体激光器的立体结构图；
图4为本发明边发射半导体激光器的封装结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、多量子阱有源区，2、P型波导层，3、N型波导层，4、P型限制层，5、N型限制层，6、P型欧姆接触层，7、砷化镓衬底，8、二氧化硅绝缘层，9、上层P型电极，10、下层N型电极，11边发射半导体激光器、12、铟层，13、铜热沉，14、金线，15、金层，16、铜带，17、陶瓷片，18、脊形台面，19、引线孔，20、光栅结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，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，为本发明方法步骤流程图；图2为本发明边发射半导体激光器的侧向剖面图；图3为本发明边发射半导体激光器的立体结构图；图4为本发明边发射半导体激光器的封装结构图。
实施例1
一种具有光栅结构的边发射半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在砷化镓衬底7上依次制备N型限制层5、N型波导层3、多量子阱有源区1和P型波导层2，在P型波导层2的上表面制备中央带有长条状凸起的P型限制层4，在P型限制层4的长条状凸起的上表面制备P型欧姆接触层6，所述砷化镓衬底7、N型限制层5、N型波导层3、多量子阱有源区1、P型波导层2、P型限制层4和P型欧姆接触层6组成分离异质结构；
步骤2：在P型欧姆接触层6的上表面光刻出脊形台面18；
步骤3：在P型限制层4的长条状凸起两侧的平台、长条状凸起的侧壁及脊形台面18上表面的边缘淀积二氧化硅绝缘层8；
步骤4：在二氧化硅绝缘层8的上表面光刻出引线孔，在脊形台面18中间的脊形结构的上表面光刻出光栅结构20；
步骤5：在二氧化硅绝缘层8及带有光栅结构20的脊形台面18的上表面制备上层P型电极9；
步骤6：对带有上层P型电极9的分离异质结构进行减薄抛光，减薄抛光后，在砷化镓衬底7的下底面制备下层N型电极10。
步骤1中所述的砷化镓衬底7为{100}面偏<111>方向15°N型偏角砷化镓衬底7。
所述步骤2具体为，将分离异质结构上旋涂满光刻胶，通过显影将脊形台面以外区域的光刻胶去除，再利用湿法腐蚀方法腐蚀出脊形台面。
所述步骤3具体为，在分离异质结构上采用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层二氧化硅绝缘层8。
所述步骤4中光刻出引线孔的过程具体为，在长好二氧化硅绝缘层8的分离异质结构的脊形台面上利用湿法刻蚀法光刻出引线孔，所述引线孔的宽度小于脊形台面的宽度。
所述步骤4中光刻出光栅结构的过程具体为，在引线孔上利用湿法腐蚀法光刻出具有周期结构的光栅结构。
所述上层P型电极9和下层N型电极10为与镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料。
所述上层P型电极9采用溅射的方法制备，下层N型电极10采用蒸发的方法制备。
在步骤6之后，将具有电极的分离异质结构解理成条，在激光器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜。
一种具有光栅结构的边发射半导体激光器，包括砷化镓衬底7、N型限制层5、N型波导层3、多量子阱有源区1、P型波导层2、P型限制层4、P型欧姆接触层6，二氧化硅绝缘层8、上层P型电极9和下层N型电极10；
所述N型限制层5、N型波导层3、多量子阱有源区1、P型波导层2和P型限制层4依次设置于所述砷化镓衬底7的顶部，所述P型限制层4的中央带有长条状凸起，P型欧姆接触层6设置于P型限制层4的长条状凸起的上表面，所述砷化镓衬底7、N型限制层5、N型波导层3、多量子阱有源区1、P型波导层2、P型限制层4和P型欧姆接触层6组成分离异质结构，所述P型欧姆接触层6的上表面设置有脊形台面18，二氧化硅绝缘层8设置于P型限制层4的长条状凸起两侧的平台、长条状凸起的侧壁及脊形台面18上表面的边缘，在二氧化硅绝缘层8的上表面设置有引线孔19，脊形台面18中间的脊形结构的上表面设置有光栅结构20，所述上层P型电极9设置于二氧化硅绝缘层8及带有光栅结构20的脊形台面18的上表面，在砷化镓衬底7的下底面设置有下层N型电极10。
在封装时，边发射半导体激光器11的上层P型电极9通过铟层12与铜热沉13相连接到电源正极，边发射半导体激光器6通过金线14接到陶瓷片17上的金层15，再用铜带16引出接到电源负极，完成封装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)
1.一种具有光栅结构的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在砷化镓衬底(7)上依次制备N型限制层(5)、N型波导层(3)、多量子阱有源区(1)和P型波导层(2)，在P型波导层(2)的上表面制备中央带有长条状凸起的P型限制层(4)，在P型限制层(4)的长条状凸起的上表面制备P型欧姆接触层(6)，所述砷化镓衬底(7)、N型限制层(5)、N型波导层(3)、多量子阱有源区(1)、P型波导层(2)、P型限制层(4)和P型欧姆接触层(6)组成分离异质结构；
步骤2：在P型欧姆接触层(6)的上表面光刻出脊形台面(18)；
步骤3：在P型限制层(4)的长条状凸起两侧的平台、长条状凸起的侧壁及脊形台面(18)上表面的边缘淀积二氧化硅绝缘层(8)；
步骤4：在二氧化硅绝缘层(8)的上表面光刻出引线孔(19)，在脊形台面(18)中间的脊形结构的上表面光刻出光栅结构(20)；
步骤5：在二氧化硅绝缘层(8)及带有光栅结构(20)的脊形台面(18)的上表面制备上层P型电极(9)；
步骤6：对带有上层P型电极(9)的分离异质结构进行减薄抛光，减薄抛光后，在砷化镓衬底(7)的下底面制备下层N型电极(10)。
2.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：步骤1中所述的砷化镓衬底(7)为{100}面偏<111>方向15°N型偏角砷化镓衬底(7)。
3.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：所述步骤2具体为，将分离异质结构上旋涂满光刻胶，通过显影将脊形台面以外区域的光刻胶去除，再利用湿法腐蚀方法腐蚀出脊形台面(18)。
4.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：所述步骤3具体为，在分离异质结构上采用等离子体增强化学气相沉积法淀积一层二氧化硅绝缘层(8)。
5.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：所述步骤4中光刻出引线孔的过程具体为，在长好二氧化硅绝缘层(8)的分离异质结构的脊形台面上利用湿法刻蚀法光刻出引线孔，所述引线孔的宽度小于脊形台面的宽度。
6.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：所述步骤4中光刻出光栅结构的过程具体为，在引线孔上利用湿法腐蚀法光刻出具有周期结构的光栅结构。
7.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：所述上层P型电极(9)和下层N型电极(10)为与镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料。
8.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：所述上层P型电极(9)采用溅射的方法制备，下层N型电极(10)采用蒸发的方法制备。
9.根据权利要求1所述的边发射半导体激光器的制作方法，其特征在于：在步骤6之后，将具有电极的分离异质结构解理成条，在激光器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜。
10.一种具有光栅结构的边发射半导体激光器，其特征在于：包括砷化镓衬底(7)、N型限制层(5)、N型波导层(3)、多量子阱有源区(1)、P型波导层(2)、P型限制层(4)、P型欧姆接触层(6)，二氧化硅绝缘层(8)、上层P型电极(9)和下层N型电极(10)；
所述N型限制层(5)、N型波导层(3)、多量子阱有源区(1)、P型波导层(2)和P型限制层(4)依次设置于所述砷化镓衬底(7)的顶部，所述P型限制层(4)的中央带有长条状凸起，P型欧姆接触层(6)设置于P型限制层(4)的长条状凸起的上表面，所述砷化镓衬底(7)、N型限制层(5)、N型波导层(3)、多量子阱有源区(1)、P型波导层(2)、P型限制层(4)和P型欧姆接触层(6)组成分离异质结构，所述P型欧姆接触层(6)的上表面设置有脊形台面(18)，二氧化硅绝缘层(8)设置于P型限制层(4)的长条状凸起两侧的平台、长条状凸起的侧壁及脊形台面(18)上表面的边缘，在二氧化硅绝缘层(8)的上表面设置有引线孔(19)，脊形台面(18)中间的脊形结构的上表面设置有光栅结构(20)，所述上层P型电极(9)设置于二氧化硅绝缘层(8)及带有光栅结构(20)的脊形台面(18)的上表面，在砷化镓衬底(7)的下底面设置有下层N型电极(10)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140917 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |