CN104300367B

CN104300367B - 抑制GaAs基激光器高阶模的方法

Info

Publication number: CN104300367B
Application number: CN201410564609.1A
Authority: CN
Inventors: 李翔; 赵德刚; 江德生; 刘宗顺; 陈平; 朱建军
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2034-10-21
Also published as: CN104300367A

Abstract

一种抑制GaAs基激光器高阶模的方法，包括以下步骤：步骤1：在砷化镓衬底上依次制作n型限制层、n型高折射率插入层、n型低折射率插入层、n型波导层、量子阱有源区、p型波导层、p型低折射率插入层、p型高折射率插入层、p型限制层和p型接触层；步骤2：将P型接触层和P型限制层湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型；步骤3：在制作成脊型的上面生长一层氧化模，并采用光刻的方法在p型接触层的上表面制作p型欧姆电极；步骤4：将砷化镓衬底减薄、清洗，并在砷化镓衬底的背面制作n型欧姆电极，形成激光器；步骤5：进行解理，在激光器的腔面镀膜，最后封装在管壳上，完成制备。本发明通过对高折射率层合适的掺杂来增加高阶模的光学损耗，提高高阶模的激射阈值。

Description

抑制GaAs基激光器高阶模的方法

技术领域

本发明涉及到半导体光电子器件技术领域，特别是一种抑制GaAs基激光器高阶模的激光器的设计和制作方法。

背景技术

随着半导体光电子器件的迅速发展，大功率半导体激光器应运而生。由于半导体激光器体积小、价格便宜、电光转换效率高以及寿命长等优点，半导体激光器在光电子领域有着非常广泛的应用。半导体激光器在工业加工领域、医学治疗领域、军事领域以及理论研究领域都扮演着重要的角色。目前为止，与其它半导体III-V族材料相比，对砷化镓材料的研究是最成熟的。因而，人们对砷化镓激光器的性能要求也是最高的，这表现在砷化镓激光器可以有很低的阈值电流、很低的垂直发散角、较高的电光转换效率等等其它半导体激光器不可比拟的优点。

砷化镓激光器材料层主要分为三部分：单量子阱或多量子阱形成的有源区、有源区一侧为有源区提供电子的N区、有源区另一侧为有源区提供空穴的P区。通过施加外加偏压驱动电子和空穴在垂直于结平面的方向上注入到有源区进行复合并产生光。通过侧面两端的理解镜面形成反馈腔，使得电子空穴复合产生的光在腔内不断谐振并且形成波前平行于镜面的驻波。如果有源区内的光增益超过了激光器结构里的光损耗，就会产生放大的受激辐射，激光便会从镜面端面发射出来。

为了提高激光器的灾变光学损伤阈值、降低内部损耗以及改善光束质量，使用超大厚度的波导层是一种常用的方法。但超大厚度的波导层会使波动方程的解存在高阶模，即超大厚度的波导层会使激光器的谐振器中存在高阶模。为了保证激光器的单模激射特性，可以通过提高高阶模的阈值让其难以激射。针对这个问题，有一些解决方案。比如，改变波导层和限制层的厚度来增大基模与高阶模的光学限制因子的差值，还有通过引入低折射率插入层把高阶模的光场移入高掺杂的限制层，提高高阶模的损耗。但是，这些方法提高基模与高阶模的差值是有一定限制的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种抑制GaAs基激光器高阶模的方法。该方法是在波导层和限制层之间对称插入相应掺杂类型的高低折射率层。低折射率层的引入是为了阻挡电子或空穴进入紧邻的高折射率层形成的势阱。另外，之所以对低折射率分别掺杂为n型和p型是为了避免阻挡电子和空穴注入到有源区。高折射率层的引入是为了将附近较强的高阶模限制在该区域。另外，通过对高折射率层合适的掺杂来增加高阶模的光学损耗，提高高阶模的激射阈值。

本发明提供一种抑制GaAs基激光器高阶模的方法，包括以下步骤：

步骤1：在砷化镓衬底上依次制作n型限制层、n型高折射率插入层、n型低折射率插入层、n型波导层、量子阱有源区、p型波导层、p型低折射率插入层、p型高折射率插入层、p型限制层和p型接触层；

步骤2：将P型接触层和P型限制层湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型；

步骤3：在制作成脊型的上面生长一层氧化模，并采用光刻的方法在p型接触层的上表面制作p型欧姆电极；

步骤4：将砷化镓衬底减薄、清洗，并在砷化镓衬底的背面制作n型欧姆电极，形成激光器；

步骤5：进行解理，在激光器的腔面镀膜，最后封装在管壳上，完成制备。

本发明的有益效果为：第一，对低折射率插入层分别进行n型和p型掺杂，尽量减小n(p)型插入层对电子(空穴)注入的影响。第二，选择合适的高低折射率插入层的位置。在该位置，基模的光场强度远小于高阶模的光场强度。因此，在掺杂的高折射率区域，高阶模的光学损耗远大于基模的光学损耗，从而高阶模的激射阈值远大于基模的激射阈值，保证了激光器的单模激射特性。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明一种抑制高阶模的激光器结构示意图。

图2是激光器结构在生长方向的导带示意图，在掺杂的高折射率区域导带较低，以此限制高阶模到该区域。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种抑制GaAs基激光器高阶模的方法，包括以下步骤：

步骤1：在砷化镓衬底10上依次制作n型限制层11、n型高折射率插入层12、n型低折射率插入层13、n型波导层14、量子阱有源区15、p型波导层16、p型低折射率插入层17、p型高折射率插入层18、p型限制层19和p型接触层20；

步骤2：将p型接触层20和p型限制层19湿法腐蚀或干法刻蚀脊型，该脊型刻蚀的深度到达p型限制层19内。湿法腐蚀操作比较简单，当腐蚀深度不是很深时可以采用，但是容易造成钻蚀，对器件的影响比较大。如果腐蚀深度很深，最好采用ICP等干法腐蚀。

步骤3：在制作成脊型的上面生长一层氧化模，并采用光刻的方法在p型接触层20的上表面制作p型欧姆电极21。首先，利用PECVD淀积的SiO₂薄膜与原GaAs表面粘附特性较好及SiO₂薄膜良好的电绝缘特性，与光刻工艺有效配合，可将SiO₂层覆盖在除引线孔以外的所有上表面上。其次，用腐蚀液腐蚀氧化硅。该腐蚀液是由氢氟酸∶氟化铵∶去离子水＝3ml∶6g∶10ml配比而成。最后，溅射Ti/Pt/Au做正面电极，溅射Ti-Au时衬底要保持足够高的温度(80度)，使得表面吸附的水分及其无用物质挥发干净，形成完全洁净的表面，保证溅射时的金属层，能够牢固的粘附在片子表面。溅射时要保证足够高的真空度，使溅射时的金属原子，氩离子在加速场运动时有足够的自由程，使之能够有力的打到靶上，和金属原子有力的打到片子上，形成牢固的金属膜，同时防止金属及表面氧化。

步骤4：将砷化镓衬底10减薄、清洗，并在砷化镓衬底10的背面制作n型欧姆电极22，形成激光器。抛光后厚度一定要控制在80-100um之间，太厚不易解理，管芯易碎，易破坏腔面；太薄了使片子损伤层接近结构区造成损伤，影响器件寿命。大于100um不易解理，解理时破坏腔面。磨抛过程中要保证不要碎片。粘片，起片时一定要充分熔化蜡。磨抛片子清洗时，加热温度不易过高，否则易碎片。

步骤5：进行解理，在激光器的腔面镀膜，最后封装在管壳上，完成制备。在激光器的腔面镀上增透膜和增反膜，可以减少激光器阈值电流，和峰值半宽。增强激光器的选模能力。

其中砷化镓衬底10的厚度为500-1000μm。

其中n型高折射率插入层12的材料为n型铝镓砷或铟镓砷材料，厚度为0.1-0.8μm，其中n型铝镓砷中的铝组分为0.1-0.4，铟镓砷材料中的铟组分为0.3-0.7，其带隙宽度低于n型波导层14的带隙宽度。

其中n型低折射率插入层13的材料为n型铝镓砷或铟镓砷材料，厚度为0.1-0.6μm，n型铝镓砷中的铝组分为0.7-1，铟镓砷材料中的铟组分为0.1-0.3，其带隙宽度高于n型波导层14的带隙宽度。

其中n型波导层14的材料为不掺杂或轻掺杂的砷化镓或者铟镓砷材料，厚度为0.2-2μm。

其中量子阱有源区的15量子阱的个数为1-5个，每一量子阱的材料为砷化镓、镓砷磷以及铟镓砷，每一量子阱的厚度为1-10nm，量子垒材料分别对应为铝镓砷、铟镓磷以及镓砷磷。

其中p型波导层16的材料为不掺杂或轻掺杂的砷化镓或者铟镓砷，厚度为0.2-2μm。

其中p型低折射率插入层17的材料为p型铝镓砷或铟镓砷，厚度为0.1-0.6μm，p型铝镓砷中的铝组分为0.7-1，铟镓砷中的铟组分为0.1-0.3，其带隙宽度高于p型波导层16的带隙宽度。

其中p型高折射率插入层18的材料为p型铝镓砷或铟镓砷，厚度为0.1-0.8μm，p型铝镓砷中的铝组分为0.1-0.4，铟镓砷中的铟组分为0.3-0.7，其带隙宽度低于p型波导层16的带隙宽度。

请参阅图2所示，该图是对应激光器结构在生长方向的导带示意图。n型和p型低折射率插入层的导带较高，用来阻挡载流子进入对侧的掺杂高折射率层。n型和p型高折射率插入层用来限制高阶模光场，增加高阶模的损耗。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抑制GaAs基激光器高阶模的方法，包括以下步骤：

步骤5：进行解理，在激光器的腔面镀膜，最后封装在管壳上，完成制备；

其中n型高折射率插入层的材料为n型铝镓砷或铟镓砷材料，厚度为0.1-0.8μm，其中n型铝镓砷中的铝组分为0.1-0.4，铟镓砷材料中的铟组分为0.3-0.7，其带隙宽度低于n型波导层的带隙宽度。

2.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中砷化镓衬底的厚度为500-1000μm。

3.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中n型低折射率插入层的材料为n型铝镓砷或铟镓砷材料，厚度为0.1-0.6μm，n型铝镓砷中的铝组分为0.7-1，铟镓砷材料中的铟组分为0.1-0.3，其带隙宽度高于n型波导层的带隙宽度。

4.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中n型波导层的材料为不掺杂或轻掺杂的砷化镓或者铟镓砷材料，厚度为0.2-2μm。

5.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中量子阱有源区的量子阱的个数为1-5个，每一量子阱的材料为砷化镓、镓砷磷以及铟镓砷，每一量子阱的厚度为1-10nm，量子垒材料分别对应为铝镓砷、铟镓磷以及镓砷磷。

6.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中p型波导层的材料为不掺杂或轻掺杂的砷化镓或者铟镓砷，厚度为0.2-2μm。

7.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中p型低折射率插入层的材料为p型铝镓砷或铟镓砷，厚度为0.1-0.6μm，p型铝镓砷中的铝组分为0.7-1，铟镓砷中的铟组分为0.1-0.3，其带隙宽度高于p型波导层的带隙宽度。

8.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中p型高折射率插入层的材料为p型铝镓砷或铟镓砷，厚度为0.1-0.8μm，p型铝镓砷中的铝组分为0.1-0.4，铟镓砷中的铟组分为0.3-0.7，其带隙宽度低于p型波导层的带隙宽度。

9.根据权利要求1所述的抑制GaAs基激光器高阶模的方法，其中脊型刻蚀的深度到达p型限制层内。