CN104577712A - 提高激光器量子阱载流子限制能力的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在衬底上依次制作n型限制层、下波导层、下n型掺杂层、量子阱有源区、上n型掺杂层、上波导层、p型限制层和p型接触层；步骤2：将p型接触层和部分p型限制层采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，制作成脊型；步骤3：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：将衬底减薄、清洗；步骤5：在衬底的背面制作n型欧姆电极，形成激光器；步骤6：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。本发明可减小载流子的泄露，改善激光器性能。

Description

提高激光器量子阱载流子限制能力的制备方法

技术领域

本发明涉及到半导体光电子器件技术领域，特别是一种提高激光器量子阱载流子限制能力的制备方法。

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。通过侧面两端的解理镜面形成反馈腔，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。载流子输运过程中，载流子从限制层注入，然后通过扩散和漂移输运到量子阱有源区边缘上方，然后被量子阱捕获进行复合并产生光。然而载流子能否被量子阱有效捕获和量子阱对载流子的限制能力密切相关。如果量子阱对载流子的限制能力较弱，激光器会有严重的电子泄露。具体表现在被捕获到量子阱的载流子由于量子阱限制能力较弱，逃逸到对面的限制区，与p区的空穴或n区的电子发生复合造成了载流子泄露。载流子泄露造成了载流子的损耗，从而影响了激光器的阈值电流、效率等性能。

综上，提高量子阱的限制能力可以改善激光器的性能。提高量子阱载流子限制能力的传统做法是在激光器引入载流子阻挡层。例如，在量子垒和p型波导层之间引入电子阻挡层。一般说来，阻挡层是高铝组分的材料，但含有高铝组分的材料在激光器工作时容易被氧化，进而降低激光器尤其是大功率激光器的可靠性等特性。本发明在有源区两侧的非常薄的区域对称地进行n型掺杂，提高量子阱的载流子限制能力，进而改善激光器的性能。

本发明是在有源区两侧很薄的区域(几纳米到几十纳米)内对称地进行n型掺杂。n型掺杂的引入是使量子阱有源区附近的导带下降，原来未掺杂的上波导层和下波导层的导带上升。这样载流子更容易地被输运到有源区被量子阱捕获，提高了载流子的限制能力。提高载流子限制能力可减小载流子泄露，降低激光器的阈值电流，进而提高激光器的转换效率等性能。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种提高量子阱载流子限制能力的激光器制备方法，该方法可以使量子阱有源区附近的导带下降，原来未掺杂的上波导层和下波导层的导带上升，等效地形成一个更大的“势阱”，使载流子很难逃逸到外面的限制区。因此，这可减小载流子的泄露，改善激光器性能。

本发明提供一种提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上依次制作n型限制层、下波导层、下n型掺杂层、量子阱有源区、上n型掺杂层、上波导层、p型限制层和p型接触层；

步骤2：将p型接触层和部分p型限制层采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，制作成脊型；

步骤3：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：将衬底减薄、清洗；

步骤5：在衬底的背面制作n型欧姆电极，形成激光器；

步骤6：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。

本发明的有益效果是，与传统方法相比，避免了高铝组分阻挡层的生长，只要在有源区两侧很薄的区域内进行n型掺杂，激光器载流子限制能力就可以提高。

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是本发明的制备方法流程图。

图2是本发明的提高量子阱载流子限制能力的激光器结构示意图。

图3、图4是本发明的提高量子阱载流子限制能力的激光器能带示意图。图3是普通的激光器能带示意图。类似于p-i-n结构，重掺杂的n型和p型限制层能带是水平的，而未掺杂的上下波导层能带是从下波导层到上波导层线性倾斜，上下波导层之间突变的区域时量子阱区域。图4是在有源区两侧附近很薄的区域内进行n型掺杂的激光器能带示意图。与图3相比，在有源区附近的上下波导层导带都会向下弯曲。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明提供一种提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，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、下波导层12、n型掺杂层13、量子阱有源区14、n型掺杂层15、上波导层16、p型限制层17和p型接触层18；

其中衬底10为砷化镓材料，其厚度为5001000μm。

其中n型限制层11的材料为n型铝镓砷或铝镓铟磷材料，厚度为0.1-3μm，掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3。

其中下波导层12和上波导层16的材料为非故意掺杂的铟镓磷材料，铟组分为0.49，厚度为0.1-2μm。

其中n型掺杂层13和15为对称插入的n型掺杂材料，具体为铟镓磷材料，铟组分为0.49，厚度为2-50nm，掺杂浓度为1×10¹⁶-5×10¹⁸cm^-3。

其中量子阱有源区的14量子阱个数为1-5个，每一量子阱的材料为砷化镓材料、镓砷磷材料以及铟镓砷材料，每一量子阱的厚度为1-20nm，量子垒材料为铟镓磷以及镓砷磷材料。

其中p型波导层15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p型限制层17的材料为p型铝镓砷或铝镓铟磷材料，掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-3μm。

步骤2：将p型接触层18和p型限制层17湿法腐蚀或干法刻蚀成脊型。采用制作好的光刻版，采用光刻工艺流程制备具有一定宽度、高度的脊型。工艺流程为：涂胶(胶厚约1.6μm)，烘烤在紫外汞灯下曝光，再经过显影、烘烤坚膜后进行腐蚀或刻蚀。采用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。其中脊型刻蚀的深度到达p型限制层17内。腐蚀完毕后用丙酮和异丙醇等有机溶剂清洗剩余的光刻胶。

步骤3：腐蚀结束后，在外延片表面生长一层约200-300nm的二氧化硅氧化模，并采用光刻的方法在脊型的上方制作p型欧姆电极19。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20，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。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。

步骤6：腔面镀膜以后，将bar条解理成单个管芯进行初测和筛选，将合格的管芯P面朝下和AlN绝缘陶瓷片摆放在已经蒸发In层的单管热沉上，进行烧结、金丝压焊、引线焊接和TO管壳封装后就可以进行各种测试。

请参阅图3、图4，图3、图4是本发明的提高量子阱载流子限制能力的激光器能带示意图。图3是普通的激光器能带示意图。类似于p-i-n结构，重掺杂的n型和p型限制层能带是水平的，而未掺杂的上下波导层能带是从下波导层到上波导层线性倾斜，上下波导层之间突变的区域时量子阱区域。图4是在有源区两侧附近很薄的区域内进行n型掺杂的激光器能带示意图。与图3相比，在有源区附近的上下波导层导带都会向下弯曲。

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 (9)

1.一种提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上依次制作n型限制层、下波导层、下n型掺杂层、量子阱有源区、上n型掺杂层、上波导层、p型限制层和p型接触层；

步骤2：将p型接触层和部分p型限制层采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法，制作成脊型；

步骤3：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：将衬底减薄、清洗；

步骤5：在衬底的背面制作n型欧姆电极，形成激光器；

步骤6：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。

2.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中衬底的材料为砷化镓，厚度为500-1000μm。

3.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中n型限制层的材料为n型铝镓砷或铝镓铟磷，厚度为0.1-3μm，掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3。

4.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中下波导层和上波导层的材料为非故意掺杂的铟镓磷，铟组分为0.49，厚度为0.1-2μm。

5.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中下n型掺杂层和上n型掺杂层为对称插入的n型掺杂材料，n型掺杂材料为铟镓磷，铟组分为0.49，厚度为2-50nm，掺杂浓度为1×10¹⁶-5×10¹⁸cm^-3。

6.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中量子阱有源区的量子阱个数为1-5个，每一量子阱的材料为砷化镓、镓砷磷或铟镓砷，每一量子阱的厚度为1-20nm，量子垒的材料为铟镓磷或镓砷磷。

7.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中上波导层的材料为不掺杂或轻掺杂的砷化镓或铟镓砷，厚度为0.2-2μm。

8.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中p型限制层的材料为p型铝镓砷或铝镓铟磷，掺杂浓度为1×10¹⁷-5×10¹⁹cm^-3，厚度为0.1-3μm。

9.根据权利要求1所述的提高量子阱载流子限制能力的激光器的制备方法，其中脊型刻蚀的深度到达p型限制层内。