CN105990790B - 一种提高半导体激光器可靠性的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，采用一次刻蚀同时去除半导体激光器脊形台面以外的欧姆接触层，并引入非注入区窗口结构。本发明基于P电极与芯片外延层的肖特基接触原理，通过一次刻蚀工艺同时去除脊形台面以外的欧姆接触层和去除腔面处的欧姆接触层引入非注入区窗口结构，形成肖特基接触层，达到防止激光器中双沟区两侧漏电、提器件可靠性以及提高COD阈值的目的。本发明只采用一次光刻工艺，制备工艺简单，适用范围广泛且兼容性强，可以与其它特殊工艺相结合，以进一步提高半导体激光器的性能。

Description

一种提高半导体激光器可靠性的制备方法

技术领域

本发明公开了一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，属于半导体激光器制作的技术领域。

技术背景

自十九世纪六十年代问世以来，半导体激光器已经得到了举世瞩目的迅猛发展。如今，大功率半导体激光器以其高效率、大功率和高可靠性等优点在泵浦固体激光器、光纤通信、材料加工、医疗、激光打印等方面获得了广泛的应用。同时，随着新应用的不断扩展，对于大功率半导体激光器的要求也日益提高。

其中，如何实现高功率的同时，保证或甚至提高可靠性已经成为当前进一步发展大功率半导体激光器技术产业和市场应用所面临的关键问题。

对于脊波导边发射半导体激光器，腔面光学灾变损伤(COD-CatastrophicOptical Damage)是限制功率提高的主要因素之一。COD是腔面因附近光功率密度过高导致其发生了不可逆转的物理性损坏。在半导体激光器的腔面区域，由于解理、氧化等因素存在大量的缺陷，这些缺陷成为光吸收中心和非辐射复合中心。一方面，在腔面附近的高光功率密度使腔面附近光吸收增大，而腔面缺陷的存在使光的吸收更为严重。光吸收产生的热量使腔面温度升高，温度升高则带隙减小，因而在腔面区域与激光器内部区域之间形成了一个电势梯度，引导载流子向腔面区域注入，更重要的是带隙减小后带间光吸收增强，两者都会使腔面区域的载流子浓度升高，增强非辐射复合，使腔面温度进一步升高。另一方面，大功率半导体激光器较大的注入电流也增强了腔面非辐射复合。正是光吸收、非辐射复合、温度升高和带隙减小的正反馈过程使腔面区域的温度在大功率下快速升高，最终腔面烧毁，即发生COD。COD会严重影响大功率半导体激光器的性能，限制激光器的最大输出功率，降低可靠性，缩短使用寿命。如果能提高激光器的腔面光学灾变阈值，也就提高了激光器的最大输出功率，其中一个有效提高器件的COD阈值方法是在腔面引入非注入区窗口结构，即将窗口区重掺杂的欧姆接触层去掉，这可以避免注入电流侧向扩展到端面处的有源区，降低激光器端面处的非辐射复合速率和温度。

影响到半导体激光器可靠性因素之一是激光器件漏电。脊波导半导体激光器采用电流约束结构，获得低阈值和高输出功率，如果漏电流增加，这导致器件阈值电流增大、外微分量子效率降低。漏电流的增大通常伴有I-V特性的软开启，显著特点是在IdV/dI-I曲线上小电流处有一拐点(尖峰)，这表示存在一并联电阻通道。在双沟脊波导激光器中，除了脊形台面上方是直接与P电极相接触的，其余部分均需要淀积SiO2或SiOxNy膜薄膜与电极绝缘，当设备长出的SiO2或SiOxNy薄膜绝缘性不够好时，造成激光器严重漏电。原因是常规工艺制程中激光器中双沟区两侧的GaAs上方覆盖SiO2，而GaAs本身是高掺的，因此如果SiO2的绝缘性不够好，则重掺杂的GaAs与电极间会形成泄漏电流通道，使激光器的阈值电流升高。为防止激光器中双沟区两侧漏电，一个有效的方法是将激光器中双沟区两侧重掺杂的GaAs层去掉，形成肖特基接触层。

中国专利文献CN101841124A公布了一种高功率基横模平板耦合光波导半导体激光器结构，提到通过光刻腐蚀制备光刻腐蚀出双沟形成脊型台面。

中国专利文献CN101316027A公布了一种量子阱边发射半导体激光器的制作方法，提到通过一次光刻腐蚀脊形台面以外的砷化镓欧姆接触层，形成双沟区的外边缘。

中国专利文献CN103647216A公布了一种具有非对称腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，提出采用去除腔面附近高掺杂欧姆接触层与腔面附近电绝缘介质层钝化相结合的方法形成腔面非注入区，以提高半导体激光器的COD阈值。但该专利中提出的“腐蚀除去欧姆接触层和上限制层的四边，在欧姆接触层的中心位置形成脊型台”，非注入区窗口结构同时去除了欧姆接触层和上限制层，这样会引起窗口区的脊波导厚度相对于其它区域的脊波导薄很多，导致脊形波导的折射率的变化，使得半导体激光器的侧向光模式发生紊乱，造成激光器横模和纵模的改变。

中国专利文献CN103401140A公开了一种具有新型腔面非注入区窗口结构的半导体激光器，从下至上依次包括衬底、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、上限制层、欧姆接触层，腐蚀除去欧姆接触层和上限制层的四边，在欧姆接触层的中心位置形成第一脊型台，欧姆接触层上下贯通，上限制层上下不贯通；腐蚀去除上限制层未贯通部分的四角，腐蚀后上限制层的四角不贯通；电绝缘介质层覆盖于上限制层的上表面及第一脊型台的侧面，正面电极覆盖在电绝缘介质层和第一脊型台的上表面，背面电极生长在衬底上。本专利为“腐蚀除去欧姆接触层和上限制层的四边”，会引起窗口区的脊形波导的折射率的变化。

中国专利文献CN103545714A公开了一种具有新型近腔面电流非注入区结构的半导体激光器及制造方法，本发明所采取的技术方案为一种电流非注入区靠近腔面的半导体激光器及制造方法，其由下到上排列顺序为衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源层、上波导层、第二上限制层、刻蚀停止层、第一上限制层、欧姆接触层、电绝缘介质层；四个分别与激光器两侧腔面相邻的被暴露出来的凹槽；位于四个凹槽中间的位置并含有一个电流注入区的条形脊型台；电绝缘介质层覆盖于除电流注入区之外的欧姆接触层及凹槽上；欧姆接触层位于第一上限制层的上方，第一上限制层在刻蚀停止层上方；从半导体激光器腔面附近的欧姆接触层开始刻蚀凹槽，由于刻蚀停止层的存在，使脊型台能够被精确地刻蚀出来；刻蚀后部分第一上限制层侧壁和部分刻蚀停止层被暴露出来；正面电极覆盖于电绝缘介质层和作为电流注入区的欧姆接触层之上，背面电极覆盖在衬底上。本专利的非注入区窗口结构为“腐蚀除去欧姆接触层和上限制层的四边”，会引起窗口区的脊形波导的折射率的变化。

以上文献中部分专利仅给出去除脊形台面以外的砷化镓欧姆接触层和非注入区窗口结构的其中的一种方法，另外的专利给出的引入非注入区窗口结构的方法会导致脊形波导的折射率的变化，使得半导体激光器的侧向光模式发生紊乱，造成激光器横模和纵模的改变。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种提高半导体激光器可靠性的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，采用一次刻蚀同时去除半导体激光器脊形台面以外的欧姆接触层，并引入非注入区窗口结构。

根据本发明优选的，所述提高半导体激光器可靠性的制备方法包括具体步骤如下：

(1)在衬底上依次生长N型下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源区、上波导层、P型上限制层和欧姆接触层，形成半导体外延片；所述欧姆接触层为GaAs层；

(2)在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，去除掉长方形图形以外的欧姆接触层，暴露出P型上限制层；以达到去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构的目的；

(3)在欧姆接触层上光刻双沟脊波导图形，制备脊形台面；

(4)在外延片表面上淀积电绝缘介质层；

(5)腐蚀去除对应于脊形台面上的电绝缘介质层，露出脊形台面；

(6)在所述脊形台面和电绝缘介质层上制备P面电极；

(7)对衬底进行减薄抛光后在其上制备N面电极，即制作成激光器芯片。

将制作完成的激光器芯片，沿非注入区窗口区的中间位置解离，形成Bar条，之后再镀膜、解离成管芯，这样便在半导体激光器的腔面形成了非注入区窗口结构。

本发明通过一次刻蚀工艺同时去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构的方法。该方法能在提高半导体激光器COD阈值的同时，防止激光器中双沟区两侧漏电，提高器件可靠性。本发明所述的制备方法简单易实现，并且能够应用于非选择性刻蚀外延层材料结构中。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，利用湿法腐蚀法或干法刻蚀法去除欧姆接触层。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中，在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，其横向排布周期T1等于半导体激光器芯片的宽度，纵向排布周期T2等于半导体激光器芯片的谐振腔长。本发明所述步骤(2)中，长方形图形的尺寸依据半导体激光器芯片的特征尺寸、芯片的外延层结构以及工艺需求而设计的。

根据本发明优选的，当所述欧姆接触层和P型上限制层两层结构为非选择性刻蚀，或者对脊形台面直接通过干法刻蚀制备时，则长方形图形的尺寸为：长方形图形的宽度L1≤半导体激光器的脊形台面宽度，长方形图形的长度L2＝(半导体激光器芯片的谐振腔长-非注入区窗口结构的宽度)。其中，所述两层结构非选择性刻蚀是指无法用不同的腐蚀液分别腐蚀欧姆接触层和P型上限制层。

根据本发明优选的，当所述欧姆接触层和P型上限制层两层结构为选择性刻蚀，且脊形台面通过湿法腐蚀，或者湿法腐蚀与干法刻蚀两者相结合的方法制备，则长方形图形的尺寸为：长方形图形的宽度L1≤(半导体激光器的脊形台面宽度+脊形台面两侧双沟的宽度)，长方形图形的长度L2＝(半导体激光器芯片的谐振腔长-非注入区窗口结构的宽度)。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中，采用湿法腐蚀或干法刻蚀制备脊形台面。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中的光刻双沟脊波导图形，其脊波导图形光刻在步骤(2)刻蚀出的长方形图形的欧姆接触层中心位置。

根据本发明优选的，在步骤(1)-(2)中，在外延片上制备量子阱混杂区域的窗口，通过扩锌或其它方式对该窗口区的有源区混杂；其中非注入区窗口结构套刻在量子阱混杂区域的窗口中的中心位置上。

本发明的优点如下：

本发明通过一次刻蚀工艺同时去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构，制备工艺简单、易操作。引入非注入区窗口结构，用于提高半导体激光器COD阈值；去除脊形台面以外的欧姆接触层，用于防止激光器中双沟区两侧漏电，提高器件可靠性。

本发明所述的引入非注入区窗口结构，仅去除窗口区的欧姆接触层，不对其它地方造成破坏，保证了半导体激光器的出光模式。

本发明所提供的技术方案适用范围广泛，既可以用于非选择性腐蚀的外延材料又适用于选择性腐蚀的材料。

本发明工艺兼容性强，可以与其它特殊工艺相结合(如腔面附近电绝缘介质层钝化)，以进一步提高半导体激光器的性能。

附图说明

图1为本发明中所述双沟脊波导半导体激光器剖面结构示意图；

图2为本发明中所述双沟脊波导半导体激光器正面结构示意图；

图3为本发明中所述在外延片上光刻出周期性排布的长方形图形结构示意图；

图4为本发明所述的在制备出的周期性排布的长方形图形欧姆接触层上中心位置光刻双沟脊波导图形的示意图；

图1-4中，1、P面电极；2、电绝缘介质层；3、欧姆接触层；4、P型上限制层；5、上波导层；6、有源区；7、下波导层；8、N型下限制层；9、衬底；10、N面电极；11、非注入区窗口结构；12、脊波导；13、脊两侧的双沟；14、长方形图形欧姆接触层；15、非注入区窗口区的中间位置；T1、长方形图形的横向排布周期；T2、长方形图形的纵向排布周期；L1、长方形图形的宽度；L2、长方形图形的长度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

在图1-4中。

实施例1、

所选芯片外延层为GaAs/GaInP选择性腐蚀材料结构的，半导体激光器管芯谐振腔长为1500μm、宽度为500μm，脊波导宽度为100μm，脊条两侧为双沟宽度均为20μm，通过湿法腐蚀的方法制双沟形脊波导。

一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，采用一次刻蚀同时去除半导体激光器脊形台面以外的欧姆接触层，并引入非注入区窗口结构；所述提高半导体激光器可靠性的制备方法包括具体步骤如下：

(1)在衬底9上依次生长N型下限制层8、下波导层7、具有量子阱结构的有源区6、上波导层5、P型上限制层4和欧姆接触层3，形成半导体外延片；所述欧姆接触层3为GaAs层；

(2)在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，去除掉长方形图形以外的欧姆接触层，暴露出P型上限制层4；以达到去除脊形台面以外的欧姆接触层3和引入非注入区窗口结构的目的；其中长方形图形的长L1为1450μm、宽L2为120μm，T2纵向周期为1500μm、T1横向周期为500μm；

(3)在欧姆接触层3上光刻双沟脊波导图形，制备脊形台面；在欧姆接触层3上中心位置光刻双沟脊波导图形，其中脊波导12宽度为100μm、脊条两侧为双沟宽度均为20μm；先用磷酸：双氧水湿法腐蚀脊波导两侧多余的欧姆接触层，然后再用溴水湿法腐蚀P型上限制层,达到目的深度；

(4)在外延片表面上淀积电绝缘介质层2：即在外延片表面上PECVD生长SiO2电绝缘薄膜；

(5)腐蚀去除对应于脊形台面上的电绝缘介质层2，露出脊形台面；

(6)在所述脊形台面和电绝缘介质层2上制备P面电极1：在电绝缘介薄膜和脊型台的上表面上蒸发TiAu；

(7)对衬底9进行减薄抛光后在其上制备N面电极10：对衬底9进行减薄抛光后，在其上蒸镀GeNiAu。

将制作完成的激光器芯片，沿非注入区窗口区的中间位置15解离，形成Bar条，之后再镀膜、解离成管芯，这样便在半导体激光器的腔面形成了25μm的非注入区窗口结构11。

本发明通过一次刻蚀工艺同时去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构的方法。该方法能在提高半导体激光器COD阈值的同时，防止激光器中双沟区两侧漏电，提高器件可靠性。本发明所述的制备方法简单易实现，并且能够应用于非选择性刻蚀外延层材料结构中。

所述步骤(2)中，利用湿法腐蚀法或干法刻蚀法去除欧姆接触层3。

所述步骤(2)中，在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，其横向排布周期T1等于半导体激光器芯片的宽度，纵向排布周期T2等于半导体激光器芯片的谐振腔长。

实施例2、

如实施例1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其区别在于，

在步骤(1)-(2)中，在外延片上制备量子阱混杂区域的窗口，通过扩锌或其它方式对该窗口区的有源区混杂；其中非注入区窗口结构11套刻在量子阱混杂区域的窗口中的中心位置上。

在外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，其中长方形图形的长L2为1450μm、宽L1为120μm，纵向周期T2为1500μm、横向周期T1为500μm；腐蚀去除掉长方形图形以外的欧姆接触层，暴露出P型上限制层，去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构11；其中非注入区窗口结构11套刻在步骤(1)量子阱混杂窗口中的中心位置上。

实施例3、

如实施例1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其区别在于，所选芯片外延层为GaAs/AlGaAs的非选择性腐蚀材料结构的，当所述欧姆接触层和P型上限制层两层结构为非选择性刻蚀，或对脊形台面直接通过干法刻蚀制备，则长方形图形的尺寸为：长方形图形的宽度L1≤半导体激光器的脊形台面宽度，长方形图形的长度L2＝(半导体激光器芯片的谐振腔长-非注入区窗口结构的宽度)。半导体激光器管芯谐振腔长为2000μm、宽度为500μm，脊波导宽度为200μm，脊条两侧为双沟宽度均为30μm，通过湿法腐蚀的方法制双沟形脊波导。

(1)在衬底9上依次生长N型下限制层8、下波导层7、具有量子阱结构的有源区6、上波导层5、P型上限制层4和欧姆接触层3，形成半导体外延片；所述欧姆接触层3为GaAs层；

(2)在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，去除掉长方形图形以外的欧姆接触层，暴露出P型上限制层；以达到去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构的目的；其中长方形的长L2为1900μm、宽L1为180μm，纵向周期T2为2000μm、横向周期T1为500μm；

(3)在欧姆接触层3上光刻双沟脊波导图形，制备脊形台面；在欧姆接触层上中心位置光刻双沟脊波导图形，在欧姆接触层上中心位置光刻双沟脊波导图形，其中脊波导宽度为200um、脊条两侧为双沟宽度均为30um；使用ICP刻蚀或湿法腐蚀P型限制层达到目的深度；

(4)在外延片表面上淀积电绝缘介质层2：即在外延片表面上PECVD生长SixNy电绝缘薄膜；

(5)腐蚀去除对应于脊形台面上的电绝缘介质层2，露出脊形台面；

(6)在所述脊形台面和电绝缘介质层2上制备P面电极1：在电绝缘介薄膜和脊型台的上表面上蒸发TiPtAu；

(7)对衬底进行减薄抛光后在其上制备N面电极10：对衬底9进行减薄抛光后，在其上蒸镀GeNiAu。

将制作完成的激光器芯片，沿非注入区窗口区的中间位置15解离，形成Bar条，之后再镀膜、解离成管芯，这样便在半导体激光器的腔面形成了50μm的非注入区窗口结构11。

实施例4、

如实施例1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其区别在于，所选芯片外延层为GaAs/GaInP选择性腐蚀材料结构的，当所述欧姆接触层和P型上限制层两层结构为选择性刻蚀，且脊形台面通过湿法腐蚀，或湿法腐蚀与干法刻蚀两者相结合的方法制备，则长方形图形的尺寸为：长方形图形的宽度L1≤(半导体激光器的脊形台面宽度+脊形台面两侧双沟的宽度)，长方形图形的长度L2＝(半导体激光器芯片的谐振腔长-非注入区窗口结构的宽度)。半导体激光器管芯谐振腔长为1500μm、宽度为500μm，脊波导宽度为100μm，脊条两侧为双沟宽度均为20μm，通过湿法腐蚀的方法制双沟形脊波导。

(1)在衬底9上依次生长N型下限制层8、下波导层7、具有量子阱结构的有源区6、上波导层5、P型上限制层4和欧姆接触层3，形成半导体外延片；所述欧姆接触层为GaAs层；

(2)在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，去除掉长方形图形以外的欧姆接触层3，暴露出P型上限制层4；以达到去除脊形台面以外的欧姆接触层和引入非注入区窗口结构的目的；其中长方形的长L2为1450μm、宽L1为110μm，纵向周期T2为1500μm、横向周期T1为500μm；

(3)在欧姆接触层3上光刻双沟脊波导图形，制备脊形台面；在欧姆接触层上中心位置光刻双沟脊波导图形，在欧姆接触层上中心位置光刻双沟脊波导图形，其中脊波导宽度为100μm、脊条两侧为双沟宽度均为20μm；使用ICP刻蚀P型限制层达到目的深度；

(4)在外延片表面上淀积电绝缘介质层2：即在外延片表面上PECVD生长SiO2电绝缘薄膜；

(5)腐蚀去除对应于脊形台面上的电绝缘介质层，露出脊形台面；

(6)在所述脊形台面和电绝缘介质层2上制备P面电极1：在电绝缘介薄膜和脊型台的上表面上蒸发TiPtAu；

(7)对衬底进行减薄抛光后在其上制备N面电极10，即制作成激光器芯片：制备N面电极：对衬底9进行减薄抛光后，在其上蒸镀GeNiAu。

将制作完成的激光器芯片，沿非注入区窗口区的中间位置15解离，形成Bar条，之后再镀膜、解离成管芯，这样便在半导体激光器的腔面形成了25μm的非注入区窗口结构11。

Claims (7)

1.一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，采用一次刻蚀同时去除半导体激光器脊形台面以外的欧姆接触层，并引入非注入区窗口结构；

所述提高半导体激光器可靠性的制备方法包括具体步骤如下：

(1)在衬底上依次生长N型下限制层、下波导层、具有量子阱结构的有源区、上波导层、P型上限制层和欧姆接触层，形成半导体外延片；所述欧姆接触层为GaAs层；

(2)在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，去除掉长方形图形以外的欧姆接触层，暴露出P型上限制层；

(3)在欧姆接触层上光刻双沟脊波导图形，制备脊形台面；

(4)在外延片表面上淀积电绝缘介质层；

(5)腐蚀去除对应于脊形台面上的电绝缘介质层，露出脊形台面；

(6)在所述脊形台面和电绝缘介质层上制备P面电极；

(7)对衬底进行减薄抛光后在其上制备N面电极，即制作成激光器芯片；

将制作完成的激光器芯片，沿非注入区窗口区的中间位置解离，形成Bar条，之后再镀膜、解离成管芯，这样便在半导体激光器的腔面形成了非注入区窗口结构。

2.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用湿法腐蚀法或干法刻蚀法去除欧姆接触层。

3.根据权利要求2所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在所述外延片上光刻出周期性排布的长方形图形，其横向排布周期T1等于半导体激光器芯片的宽度，纵向排布周期T2等于半导体激光器芯片的谐振腔长。

4.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，当所述欧姆接触层和P型上限制层两层结构为非选择性刻蚀，或者对脊形台面直接通过干法刻蚀制备时，则长方形图形的尺寸为：长方形图形的宽度L1≤半导体激光器的脊形台面宽度，长方形图形的长度L2＝(半导体激光器芯片的谐振腔长-非注入区窗口结构的宽度)。

5.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，当所述欧姆接触层和P型上限制层两层结构为选择性刻蚀，且脊形台面通过湿法腐蚀，或者湿法腐蚀与干法刻蚀两者相结合的方法制备，则长方形图形的尺寸为：长方形图形的宽度L1≤(半导体激光器的脊形台面宽度+脊形台面两侧双沟的宽度)，长方形图形的长度L2＝(半导体激光器芯片的谐振腔长-非注入区窗口结构的宽度)。

6.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，采用湿法腐蚀或干法刻蚀制备脊形台面。

7.根据权利要求1所述的一种提高半导体激光器可靠性的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的光刻双沟脊波导图形，其脊波导图形光刻在步骤(2)刻蚀出的长方形图形的欧姆接触层中心位置。