CN104795730B - 一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，激光器所用外延片结构由从下至上依次设置的衬底，缓冲层，下限制层，下波导层，量子阱和量子垒区，上波导层，上限制层和上欧姆接触层组成；基模半导体激光器结构的上欧姆接触层的上表面设置有脊型波导，脊型波导位于基模半导体激光器的纵向中心线上，脊型波导的两端均设置有非吸收窗口，非吸收窗口与激光器的出腔面重合，脊型波导的两侧还设置有隔离沟槽，非吸收窗口和隔离沟槽下量子阱中形成禁带宽度变宽的区域，本发明的利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，具有更好的光场限制效果。本发明还公开了一种制作上述基模半导体激光器的方法，制作工艺简单，且具有更好的光场限制效果。

Description

一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器及制作方法

技术领域

本发明属于半导体激光器制备工艺技术领域，涉及一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，还涉及一种基模半导体激光器的制作方法。

背景技术

对于应用在光信息存储和光通信领域的半导体激光器，一般要求半导体激光器具有小的发散角，小的色散，高的光谱纯度，为满足这些要求，半导体激光器必须是垂直基横模或水平基横模工作。为了实现垂直基横模工作，半导体激光器的外延结构多采用分离限制异质结或量子阱结构，这样的折射率分布使得量子阱有源区有着很好的光波导作用，能在垂直于结区的方向上实现基模工作；为了实现水平基横模工作，半导体激光器常采用增益导引结构或折射率导引结构，增益导引结构的载流子浓度在条形区域最高，电子空穴对复合发的光被限制在条形区域内，对光模场的侧向约束是依靠发光区的增益导引机制来实现；折射率导引结构是在有源区发光处的侧向改变材料结构，引入折射率差，使用发光区侧向的折射率差来实现对光约束，达到限制光场的作用。

折射率导引激光器按折射率变化的大小分为弱折射率导引和强折射率导引结构。作为弱折射率导引条形激光器的代表，由于脊型波导结构的条形激光器具有结构简单，只需要一次外延生长，因而至今仍是基模半导体激光器的主流结构之一。但脊型波导激光器的有源区平面延伸到脊型区域以外，通过其与空气的折射率差来对光场进行限制，而由于要保护有源区，因此，隔离沟槽的腐蚀仅进行到上限制层内，这样，就会造成对光场的限制效果不理想。强折射率导引激光器通常采用掩埋异质结结构来实现较大的折射率差，以达到对光场更好的限制。其中具有高折射率的条形有源区四周都被低折射率材料所包围，平行于结平面形成的侧向折射率台阶比由载流子引起的折射率差大两个数量级，使得该类激光器具有很好的光场特性和电学特性。虽然掩埋结构的条形半导体激光器已得到广泛应用，但是掩埋结构也具有其不利之处，例如制作工艺，需要三次外延生长，层厚控制严格，工艺成本较高，成品率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，且具有更好的光场限制效果。

本发明的另一目的是提供一种基模半导体激光器的制作方法，制作工艺简单，且具有更好的光场限制效果。

本发明所采用的一种技术方案是，一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，激光器所用的外延片结构由从下至上依次设置的衬底，缓冲层，下限制层，下波导层，量子阱和量子垒区，上波导层，上限制层和上欧姆接触层组成；

所述的基模半导体激光器结构的上欧姆接触层的上表面设置有脊型波导，脊型波导位于所述的基模半导体激光器的纵向中心线上，脊型波导的宽度为2～6微米，脊型波导的两端均设置有非吸收窗口，非吸收窗口与激光器的出腔面重合，脊型波导的两侧还设置有隔离沟槽，隔离沟槽的深度等于上欧姆接触层的厚度与上限制层的一部分之和，上限制层的一部分为100～1000微米，隔离沟槽的宽度为5～50微米；隔离沟槽的侧面为保护台面，其宽度为50～150微米，非吸收窗口、隔离沟槽和保护台面上均生长了50～250微米厚的氮化硅或氧化硅介质薄膜；

衬底的底面上设置有N面电极，脊型波导、非吸收窗口、隔离沟槽、保护台面上同时设置有P面电极。

本发明的另一种技术方案是，一种利用量子阱混杂制作基模半导体激光器的方法按照以下步骤实施：

步骤1，采用MOCVD或MBE技术制作得到半导体激光器的外延片结构；

步骤2，确定进行量子阱混杂工艺的区域并进行量子阱混杂；具体为：

步骤2.1，在外延片的上表面生长一层氮化硅或氧化硅介质薄膜；

步骤2.2，利用光刻技术形成光刻胶掩蔽膜来覆盖脊型波导和台面的上表面，脊型波导位于基模半导体激光器结构中上欧姆接触层的纵向中心线上，脊型波导的宽度为2～6微米，脊型波导的长度为200～900微米，台面为基模半导体激光器的一部分；

步骤2.3，用氢氟酸溶液腐蚀掉上脊型波导两端长度为10～50微米处，上欧姆接触层上表面的氮化硅或氧化硅介质薄膜，形成非吸收窗口所在位置；

用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导两侧宽度为5～50微米的部分处的氮化硅或氧化硅介质薄膜，形成预制隔离沟槽所在位置；

步骤2.4，继续采用湿法腐蚀的方法往下腐蚀掉预制隔离沟槽和非吸收窗口下方的上欧姆接触层；

步骤2.5，去掉脊型波导和保护台面上表面的光刻胶后在非吸收窗口、预制隔离沟槽上进行量子阱混杂；预制隔离沟槽两侧宽度为5～50微米的台面为保护台面；

步骤3，腐蚀出脊型波导结构激光器的隔离沟槽；

步骤4，采用脊型波导结构半导体激光器的制作工艺流程制作电极。

步骤1具体为：

步骤1.1，选取砷化镓材料作为衬底；

步骤1.2，采用金属有机化学气相沉积法在衬底上表面依次生长缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱和量子垒区、上波导层、上限制层、上欧姆接触层，经过以上外延生长形成半导体激光器的外延片结构。

步骤2中量子阱混杂是通过杂质扩散诱导或离子注入或激光诱导来实现。

步骤3具体为：

步骤3.1，采用氢氟酸溶液腐蚀掉剩余的氮化硅或氧化硅介质薄膜；

步骤3.2，采用光刻套刻技术，用光刻胶掩蔽膜保护脊型波导、非吸收窗口、保护台面，仅露出预制隔离沟槽的部分；

步骤3.3，采用湿法化学法继续往下腐蚀掉预制隔离沟槽下方的上限制层，腐蚀后上限制层保留的厚度为10～300微米，完成此步骤后去掉光刻胶，即形成隔离沟槽。

步骤3中具体为采用硫酸系或溴酸系腐蚀液进行腐蚀。

步骤4具体为：在外延片上表面再次生长一层二氧化硅介质薄膜，采用光刻技术套刻后在脊型波导以外的其他区域形成光刻胶掩蔽膜，用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导上表面的二氧化硅介质薄膜，去掉光刻胶后在外延片表面制作P面电极，该结构激光器仅能在脊型波导的上表面形成欧姆接触，在减薄抛光后的衬底的底面制作N面电极，最终得到基模半导体激光器。

本发明的有益效果是：

1)半导体激光器脊型波导两侧生长的材料结构在进行量子阱混杂后，其下有源区带隙进行展宽，这使得发光区域侧面的折射率变小，会形成导波效果更好的折射率波导，提高光学限制因子，改善光场模式，增加发光效率。

2)由量子阱混杂所引起的禁带宽度展宽也会抑制脊型区以外其他地方的复合发光，使得注入的电子空穴对在禁带宽度更窄的脊型下的量子阱内进行复合发光，进而又能改善激光器的光电特性。

3)本发明的基模半导体激光器主体结构采用脊型波导结构，该结构减小了电流的横向扩散作用，降低了激光器的阈值电流，较大的驱动电流和较高的工作温度下其激射波长漂移比较小。

4)由量子阱混杂所引起的折射率差来对光场限制，无需多次外延生长工艺，避免了因为工艺误差造成掩埋结构的电流穿通，降低了漏电流，提高器件的成品率。

5)利用量子阱混杂制作的非吸收窗口降低了激光器腔面处对内部激发光的吸收，避免了光输出腔面局部温度过高导致的激光器的腔面融化和快速重结晶，有效地提高了激光器的最大输出功率，改善了器件的可靠性。

6)量子阱混杂可通过多种方法实现，因而本发明的利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，制作工艺简单易行，和现有工艺兼容性好，不会增加额外成本，具有规模化生产特征。

附图说明

图1是本发明一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器的结构示意图。

图中，1.衬底，2.缓冲层，3.下限制层，4.下波导层，5.量子阱和量子垒区，6.上波导层，7.上限制层，8.上欧姆接触层，9.脊型波导，10.非吸收窗口，11.隔离沟槽，12.保护台面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，其结构如图1所示，激光器所用的外延片结构由从下至上依次设置的衬底1，缓冲层2，下限制层3，下波导层4，量子阱和量子垒区5，上波导层6，上限制层7和上欧姆接触层8组成。基模半导体激光器的上欧姆接触层8的上表面设置有脊型波导9，脊型波导9位于基模半导体激光器的纵向中心线上，脊型波导9的宽度为2～6微米，脊型波导9的两端均设置有非吸收窗口10，非吸收窗口10与激光器的出腔面重合，脊型波导9的两侧还设置有隔离沟槽11，隔离沟槽11的深度等于上欧姆接触层8的厚度与上限制层7的一部分之和，上限制层7的一部分为100～1000微米，隔离沟槽11的宽度为5～50微米。隔离沟槽11的侧面为保护台面12，保护台面12的宽度为50～150微米；非吸收窗口10、隔离沟槽11和保护台面12上均生长了50～250微米厚的氮化硅或氧化硅介质薄膜。衬底1的底面上设置有N面电极，脊型波导9、非吸收窗口10、隔离沟槽11、保护台面12上同时设置有P面电极。

本发明一种利用量子阱混杂制作基模半导体激光器的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用MOCVD或MBE技术制作得到半导体激光器的外延片结构；具体为：

步骤1.1，选取砷化镓材料作为衬底1；

步骤1.2，采用金属有机化学气相沉积法在衬底1上表面依次生长缓冲层2、下限制层3、下波导层4、量子阱和量子垒区5、上波导层6、上限制层7、上欧姆接触层8，经过以上外延生长形成半导体激光器的外延片结构；

步骤2，确定半导体激光器结构中进行量子阱混杂工艺的区域并进行量子阱混杂；具体为：

步骤2.1，在外延片的上表面生长一层氮化硅或氧化硅介质薄膜；

步骤2.2，利用光刻技术形成光刻胶掩蔽膜来覆盖脊型波导9和台面的上表面，脊型波导9位于基模半导体激光器结构中上欧姆接触层8的纵向中心线上，脊型波导9的宽度为2～6微米，脊型波导9的长度为200～900微米，台面为基模半导体激光器的一部分；

步骤2.3，用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导9两端长度为10～50微米处，上欧姆接触层8上表面的氮化硅或氧化硅介质薄膜，形成非吸收窗口10所在位置；

用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导两侧宽度为5～50微米的部分处的氮化硅或氧化硅介质薄膜，形成预制隔离沟槽所在位置；

步骤2.4，继续采用湿法腐蚀的方法往下腐蚀掉预制隔离沟槽下方的上欧姆接触层(8)；

和采用湿法腐蚀的方法往下腐蚀掉非吸收窗口(10)所在位置下方的上欧姆接触层(8)，形成非吸收窗口(10)；

步骤2.5，去掉脊型波导9和保护台面12上表面的光刻胶后在非吸收窗口10、预制隔离沟槽上进行量子阱混杂；预制隔离沟槽两侧宽度为5～50微米的台面为保护台面12；

其中，量子阱混杂可通过杂质扩散诱导、离子注入或激光诱导来实现；

经过量子阱混杂工艺后，在非吸收窗口10、预制隔离沟槽处下面的量子阱和量子垒区5的量子阱中形成禁带宽度变宽的区域，禁带宽度变化量对应的波长蓝移为5～100纳米，该禁带宽度变宽的区域起到降低腔面处光吸收和增加侧面光场限制的作用；

步骤3，腐蚀出脊型波导结构激光器的隔离沟槽11；

步骤3.1，完成步骤2中量子阱混杂后采用氢氟酸溶液腐蚀掉剩余的氮化硅或氧化硅介质薄膜；

步骤3.2，采用光刻套刻技术，用光刻胶掩蔽膜保护脊型波导9、非吸收窗口10、保护台面12，仅露出预制隔离沟槽的部分；

步骤3.3，采用湿法化学法继续往下腐蚀掉预制隔离沟槽下方的上限制层7，腐蚀后上限制层7保留的厚度为10～300微米，并去掉光刻胶，则形成隔离沟槽(11)；

具体为采用硫酸系或溴酸系腐蚀液进行腐蚀；

步骤4，采用脊型波导结构半导体激光器的制作工艺流程制作电极；

具体为：在外延片上表面再次生长一层二氧化硅介质薄膜，采用光刻技术套刻后在脊型波导9以外的其他区域形成光刻胶掩蔽膜，用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导9上表面的二氧化硅介质薄膜，去掉光刻胶后在外延片表面制作P面电极，该结构激光器仅能在脊型波导9的上表面形成欧姆接触，在减薄抛光后的衬底1的底面制作N面电极，最终得到基模半导体激光器。

下面通过原理对本发明的效果进行说明：

本发明的一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，该激光器结合了脊型波导结构和非吸收窗口结构，同时具备了脊型波导结构的简化工艺流程、掩埋异质结结构的改善光场限制、非吸收窗口结构的提升输出功率的优势。利用量子阱混杂技术在脊型发光区侧面制作的宽禁带宽度区域形成的折射率差分布将使得发光区的侧面得到很好的光场限制，改善了激光器的水平横模，能获得更好的光斑尺寸和近场图形，同时脊型发光区侧面的宽禁带宽度也会抑制脊型发光区以外其他地方的复合发光，进而又能改善激光器的光电转换效率；脊型波导结构的电流注入，减小了电流的横向扩散作用，降低了激光器的阈值电流，改善了温度特性；利用量子阱混杂技术制作的非吸收窗口提高了激光器的最大输出功率，改善了器件的可靠性。本发明的利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器结构精巧，制作工艺中仅需加入简单的量子阱混杂工艺，无需复杂的多次外延生长工艺，和现有工艺兼容，适合规模化生产。

本发明的利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器外延片是在砷化镓衬底材料上生长制作而成，该半导体激光器外延片的材料还可以选用砷化镓系材料、磷化铟系材料、氮化镓系材料或锑化镓系材料，以及有机半导体、纳米材料或低维材料。

Claims (4)

1.一种利用量子阱混杂制作的基模半导体激光器，其特征在于，激光器所用的外延片结构由从下至上依次设置的衬底(1)、缓冲层(2)、下限制层(3)、下波导层(4)、量子阱和量子垒区(5)、上波导层(6)、上限制层(7)和上欧姆接触层(8)组成；

基模半导体激光器结构的纵向中心线上设置有脊型波导(9)，脊型波导(9)的宽度为2～6微米，脊型波导(9)的两端均设置有非吸收窗口(10)，非吸收窗口(10)与激光器的出腔面重合，脊型波导(9)的两侧还设置有隔离沟槽(11)，隔离沟槽(11)的深度等于上欧姆接触层(8)的厚度与上限制层(7)的一部分之和，上限制层(7)的一部分为100～1000微米，隔离沟槽(11)的宽度为5～50微米；隔离沟槽(11)的侧面为保护台面(12)，保护台面(12)宽度为50～150微米，非吸收窗口(10)、隔离沟槽(11)和保护台面(12)上均生长了50～250微米厚的氮化硅或氧化硅介质薄膜，非吸收窗口(10)和隔离沟槽(11)下的量子阱和量子垒区(5)的量子阱中形成禁带宽度变宽的区域；

衬底(1)的底面上设置有N面电极，脊型波导(9)、非吸收窗口(10)、隔离沟槽(11)、保护台面(12)上同时设置有P面电极。

2.一种利用量子阱混杂制作基模半导体激光器的方法制作如权利要求1所述的一种基模半导体激光器，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1，采用MOCVD或MBE技术制作得到半导体激光器的外延片结构；

步骤2，确定进行量子阱混杂工艺的区域并进行量子阱混杂；具体为：

步骤2.1，在外延片的上表面生长一层氮化硅或氧化硅介质薄膜；

步骤2.2，利用光刻技术形成光刻胶掩蔽膜来覆盖脊型波导(9)和台面的上表面，脊型波导(9)位于基模半导体激光器结构中上欧姆接触层(8)的纵向中心线上，脊型波导(9)的宽度为2～6微米，脊型波导(9)的长度为200～900微米，台面为基模半导体激光器的一部分；

步骤2.3，用氢氟酸溶液腐蚀掉上脊型波导(9)两端长度为10～50微米处，上欧姆接触层(8)上表面的氮化硅或氧化硅介质薄膜，形成非吸收窗口(10)所在位置；

用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导两侧宽度为5～50微米的部分处的氮化硅或氧化硅介质薄膜，形成预制隔离沟槽所在位置；

步骤2.4，继续采用湿法腐蚀的方法往下腐蚀掉预制隔离沟槽下方的上欧姆接触层(8)；

采用湿法腐蚀的方法往下腐蚀掉非吸收窗口(10)所在位置下方的上欧姆接触层(8)，形成非吸收窗口(10)；

步骤2.5，去掉脊型波导(9)和保护台面(12)上表面的光刻胶后在非吸收窗口(10)、预制隔离沟槽上进行量子阱混杂；预制隔离沟槽两侧宽度为5～50微米的台面为保护台面(12)；

步骤3，腐蚀出脊型波导结构激光器的隔离沟槽(11)；

步骤4，采用脊型波导结构半导体激光器的制作工艺流程制作电极；

所述步骤3具体为：

步骤3.1，采用氢氟酸溶液腐蚀掉剩余的氮化硅或氧化硅介质薄膜；

步骤3.2，采用光刻套刻技术，用光刻胶掩蔽膜保护脊型波导(9)、非吸收窗口(10)、保护台面(12)，仅露出预制隔离沟槽的部分；

步骤3.3，采用湿法化学法继续往下腐蚀掉预制隔离沟槽下方的上限制层(7)，腐蚀后上限制层(7)保留的厚度为10～300微米，完成此步骤后去掉光刻胶，即形成隔离沟槽(11)；

步骤3中具体为采用硫酸系或溴酸系腐蚀液进行腐蚀；

所述步骤4具体为：在外延片上表面再次生长一层二氧化硅介质薄膜，采用光刻技术套刻后在脊型波导(9)以外的其他区域形成光刻胶掩蔽膜，用氢氟酸溶液腐蚀掉脊型波导(9)上表面的二氧化硅介质薄膜，去掉光刻胶后在外延片表面制作P面电极，该结构激光器仅能在脊型波导(9)的上表面形成欧姆接触，在减薄抛光后的衬底(1)的底面制作N面电极，最终得到基模半导体激光器。

3.根据权利要求2所述的一种利用量子阱混杂制作基模半导体激光器的方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

步骤1.1，选取砷化镓材料作为衬底1；

步骤1.2，采用金属有机化学气相沉积法在衬底(1)上表面依次生长缓冲层(2)、下限制层(3)、下波导层(4)、量子阱和量子垒区(5)、上波导层(6)、上限制层(7)、上欧姆接触层(8)，经过以上外延生长形成半导体激光器的外延片结构。

4.根据权利要求2所述的一种利用量子阱混杂制作基模半导体激光器的方法，其特征在于，所述步骤2中量子阱混杂是通过杂质扩散诱导或离子注入或激光诱导来实现。