CN106887789B - 半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体激光器及其制作方法，所述半导体激光器包括衬底、设置于所述衬底上的下限制层及设置于所述下限制层上的下波导层、第一掩膜波导、第二掩膜波导，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导分别位于所述下波导层的两侧，所述半导体激光器还包括依次叠层设置于所述下波导层上的有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层及接触层，所述接触层分别延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。本发明提供的半导体激光器，能够增加接触层的接触面积，减小接触电阻，降低热损耗，提升半导体激光器的性能。

Description

半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体激光器及其制作方法。

背景技术

作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到红外全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。GaN基激光器是一种非常重要的GaN基光电子器件，由于其发射的光波在可见光波段，GaN基激光器在高密度光信息存储、投影显示、激光打印、水下通信、生物化学试剂的感应和激活以及医疗方面具有重要的应用价值。

传统的氮化镓基半导体激光器主要包括衬底、下N型限制层、下N型波导层、有源区、上P型波导层、P型电子阻挡层、上P型限制层和P型接触层的脊形波导结构。传统的氮化镓基半导体激光器采用脊形波导结构设计主要是为了降低阈值电流密度，增加横向光场限制，而脊形波导结构P型接触层的接触面积小，又接触电阻与接触面积成反比，故P型层具有较大接触电阻。在这种情况下，P型层会产生大的热损耗。大的热损耗会恶化氮化物激光器的性能，使得激光器阈值电流密度增大、斜率效率降低、寿命降低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种半导体激光器及其制作方法，能够减小接触电阻，降低热损耗，提升性能。

本发明提出的具体技术方案为：提供一种半导体激光器，包括衬底、设置于所述衬底上的下限制层及设置于所述下限制层上的下波导层、第一掩膜波导、第二掩膜波导，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导分别位于所述下波导层的两侧，所述半导体激光器还包括依次叠层设置于所述下波导层上的有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层及接触层，所述接触层分别延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

进一步地，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导为条形掩膜波导。

进一步地，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的材质为氮化硅；和/或所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导之间的间隔为2～10μm。

进一步地，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的厚度均为200～500nm；和/或所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的宽度均为100μm。

进一步地，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导对称设置于所述下波导层的两侧。

进一步地，所述下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层均延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

进一步地，还包括设置于所述下波导层与所述下限制层之间的第一缓冲层，所述第一缓冲层位于所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导之间并延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

进一步地，还包括设置于所述掩膜层与所述下限制层之间的过渡层及设置于所述下限制层与所述衬底之间的第二缓冲层。

进一步地，所述衬底的材质为N型氮化镓，所述第二缓冲层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述下限制层的材质为N型掺杂的氮化铝镓，所述过渡层的材质为N型氮化镓，所述第一缓冲层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述下波导层的材质为N型掺杂的氮化铟镓，所述上波导层的材质为P型掺杂的氮化铟镓，所述电子阻挡层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述上限制层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述接触层的材质为P型掺杂的氮化镓，所述有源层为量子阱，其包括交替生长的掺杂的氮化镓量子垒层和掺杂的氮化铟镓量子阱层。

本发明还提供了一种如上所述的半导体激光器的制作方法，包括步骤：

提供一衬底并在所述衬底的顶部依次叠层生长形成下限制层和掩膜层；

应用刻蚀工艺刻蚀所述掩膜层，以在所述下限制层上形成第一掩膜波导和第二掩膜波导；

在所述下限制层上依次叠层生长形成下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层及接触层，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导分别位于所述下波导层的两侧，所述接触层分别延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

本发明提供的半导体激光器及其制作方法，在下限制层上设置有第一掩膜波导和第二掩膜波导，第一掩膜波导和第二掩膜波导分别位于下波导层的两侧，接触层可以延伸至第一掩膜波导和第二掩膜波导的上表面，从而增加了接触层的接触面积，减小了接触电阻，降低了热损耗，提升了半导体激光器的性能。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1为实施例一的半导体激光器的结构示意图；

图2a至图2c为实施例一中半导体激光器的制作流程图；

图3为实施例二的半导体激光器的结构示意图；

图4为实施例三的半导体激光器的结构示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

将理解的是，当诸如层、膜、区域或基底的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。可选择地，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。

实施例一

参照图1，本实施例提供的半导体激光器包括衬底1、下限制层2、下波导层3、掩膜层4、有源层5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8及接触层9。下限制层2设置于衬底1上，掩膜层4设置于下限制层2上，其包括沿平行于下限制层2的方向间隔设置的第一掩膜波导41和第二掩膜波导42。下波导层3、有源层5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8依次叠层设置于第一掩膜波导41和第二掩膜波导42之间。接触层9设置于上限制层8上并完全覆盖上限制层8，其中，上限制层8的折射率小于上波导层6的折射率，下限制层2的折射率小于下波导层3的折射率。

由于在下限制层2的表面设置有掩膜层4，使得接触层9可以分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，从而增加了接触层9与P型电极(图未标)的接触面积，减小了接触电阻，降低了热损耗，提升了半导体激光器的性能。

优选的，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42为条形掩膜波导。为了起到隔离作用，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的材质为氮化硅。当然，在其他实施例中，掩膜层4可以包括阵列设置的多个第一掩膜波导41和第二掩膜波导42，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的材质也可以为其他绝缘材料。

第一掩膜波导41和第二掩膜波导42之间的间隔为2～10μm，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的厚度均为200～500nm，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的宽度均为100μm。

本实施例中，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42对称设置于下波导层3、有源层5、上波导层6、电子阻挡层7和上限制层8的两侧。当然，在其他实施例中，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42也可以不对称设置。

具体的，衬底1的材质为氮化镓、蓝宝石、碳化硅、硅或尖晶石，本实施例中衬底1的材质为N型氮化镓。下限制层2的材质为N型掺杂的氮化铝镓，其厚度为1300nm，在其他实施例中，下限制层2的材质也可以为N型氮化铝镓或N型氮化镓超晶格。下波导层3的材质为N型掺杂的氮化铟镓，其厚度为100nm左右，在其他实施例中，下波导层3的材质也可以选为N型氮化镓或N型氮化铝镓。

上波导层6的材质为P型掺杂的氮化铟镓，其厚度为100nm，在其他实施例中，上波导层6的材质也可以选为P型氮化镓或P型氮化铝镓。电子阻挡层7的材质为P型掺杂的氮化铝镓，其厚度为20nm。上限制层8的材质为P型掺杂的氮化铝镓，其厚度为500nm，在其他实施例中，上限制层8也可以用透明导电氧化物代替，例如，二元金属氧化物中的氧化锌、氧化镁、氧化锡、氧化镉或氧化铟，或者选自三元金属氧化物中的氧化铟锡、氧化铝锌、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化镁锌或铟镓锌氧化物。接触层9的材质为P型掺杂的氮化镓，其中，接触层9也可以用透明导电氧化物代替。

有源层5为量子阱，其包括交替生长的n+1个量子垒层和n个量子阱层，n为大于0的整数，优选的，1≤n≤4。量子垒层具有比量子阱层更大的带隙能量，下波导层3和上波导层6具有比量子阱层更大的带隙能量。量子垒层的材料为氮化镓，量子阱层的材料为氮化铟镓。本实施例中的有源层5包括3个氮化镓量子垒层和2个氮化铟镓量子阱层，这3个氮化镓量子垒层和2个氮化铟镓量子阱层依次交替堆叠设置，其中，量子阱的最底层和最顶层均为氮化镓量子垒层。氮化镓量子垒层的厚度为15nm，氮化铟镓量子阱层的厚度为15nm。当然，在其他实施例中，量子垒层的材质还可以为氮化铟镓或氮化铝镓。

参照图2a至图2c，本实施例还提供了一种上述半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供一衬底1并在衬底1的顶部依次叠层生长形成下限制层2和掩膜层4。

具体的，在步骤S1中，利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺在衬底1的顶部生长形成下限制层2。其中，下限制层2的材质为N型掺杂的氮化铝镓，掺杂剂为硅，掺杂浓度为2×10¹⁸/cm³，生长温度控制在1000-1100℃之间，生长压力在100-300Mbar之间。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺在下限制层2上沉积掩膜层4，掩膜层4的材质为氮化硅。

步骤S2、应用刻蚀工艺刻蚀掩膜层4，以形成沿平行于下限制层2的方向间隔设置的第一掩膜波导41和第二掩膜波导42。其中，刻蚀工艺包括光刻、反应离子刻蚀(RIE)工艺。

步骤S3、在第一掩膜波导41和第二掩膜波导42之间依次叠层生长形成下波导层3、有源层5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8及接触层9，接触层9完全覆盖上限制层8并分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42分别位于下波导层3的两侧。

具体的，在步骤S3中，利用MOCVD工艺在第一掩膜波导41和第二掩膜波导42之间依次叠层生长形成下波导层3、有源层5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8及接触层9。其中，下波导层3的材质为N型掺杂的氮化铟镓，掺杂方式为非故意掺杂，铟组分为3％，生长温度控制在700-900℃之间，生长压力在300-500Mbar之间。有源层5的各层所采用的掺杂方式为非故意掺杂，生长温度控制在600-900℃之间，生长压力在200-500Mbar之间。上波导层6的材质为P型掺杂的氮化铟镓，掺杂方式为非故意掺杂，铟组分为2％，生长温度控制在700-900℃之间，生长压力在200-500Mbar之间。电子阻挡层7的材质为P型掺杂的氮化铝镓，掺杂剂为镁，掺杂浓度为2×10¹⁹/cm³，生长温度控制在800-1000℃之间，生长压力控制在100-300Mbar之间。上限制层8的材质为P型掺杂的氮化铝镓，掺杂剂为镁，掺杂浓度为1.0×10¹⁹/cm³，生长温度控制在700-900℃之间，生长压力控制在200-400Mbar之间。接触层9的材质为P型掺杂的氮化镓，掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1.0×10²⁰/cm³。这里，上限制层8和接触层9也可以用透明导电氧化物代替，透明导电氧化物使用磁控溅射法沉积。

本实施例中MOCVD工艺也可以替换为分子束外延生长工艺或原子层沉积工艺，透明导电氧化物也可以采用电子束蒸发沉积工艺或脉冲激光沉积工艺。本实施例中所列举的工艺仅仅作为示例示出并不作限定。

实施例二

参照图3，本实施例提供的半导体激光器与实施例一不同之处在于，本实施例中，第一掩膜波导41和第二掩膜波导42位于下波导层3的两侧且下波导层3延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面。有源层5完全覆盖下波导层3并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，上波导层6完全覆盖有源层5并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，电子阻挡层7完全覆盖上波导层6并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，上限制层8完全覆盖电子阻挡层7并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，接触层9完全覆盖上限制层8并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面。

实施例二中有源层5、上波导层6、电子阻挡层7及上限制层8依次覆盖位于其下面的外延层并分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，从而进一步地增加了接触层9与P型电极(图未标)的接触面积。

实施例三

参照图4，本实施例提供的半导体激光器与实施例二不同之处在于，本实施例中的半导体激光器还包括第一缓冲层10、过渡层11及第二缓冲层12。第一缓冲层10设置于下波导层3与下限制层2之间，第一缓冲层10位于第一掩膜波导41和第二掩膜波导42之间并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的表面，下波导层3完全覆盖第一缓冲层10并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面。过渡层11设置于掩膜层4与下限制层2之间。第二缓冲层12设置于下限制层2与衬底1之间。第一缓冲层10、过渡层11和第二缓冲层12用于缓冲晶格失配产生的应力，以利于其余外延层的生长。

具体的，第二缓冲层12的材质为N型掺杂的氮化镓，其厚度为2000nm。过渡层11的材质为N型氮化镓，其厚度小于100nm。第一缓冲层10的材质为N型掺杂的氮化镓，其厚度与掩膜层4的厚度接近。

实施例三中的半导体激光器还包括第一缓冲层10、过渡层11及第二缓冲层12，第一缓冲层10、过渡层11和第二缓冲层12能够缓冲晶格失配产生的应力，以利于其余外延层的生长，提升半导体激光器的性能和寿命。

本实施例还提供了一种上述半导体激光器的制作方法，其中，本实施例提供的制作方法与实施例一中的制作方法的不同之处在于：

在步骤S1中，在衬底1的顶部利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺依次叠层生长形成第二缓冲层12、下限制层2、过渡层11。第二缓冲层12的材质为N型掺杂的氮化镓，掺杂剂为硅，掺杂浓度为2×10¹⁸/cm³，生长温度控制在900-1100℃之间，生长压力在200-400Mbar之间。过渡层11的材质为N型氮化镓，生长温度控制在900-1100℃之间，生长压力在200-400Mbar之间。利用等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺在过渡层11上沉积掩膜层4。

在步骤S3中，首先利用MOCVD工艺在第一掩膜波导41和第二掩膜波导42之间生长形成第一缓冲层10，第一缓冲层10的材质为N型掺杂的氮化镓，掺杂方式为非故意掺杂。然后利用MOCVD工艺在第一缓冲层10上依次生长形成下波导层3、有源层5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8及接触层9，以使得下波导层3完全覆盖第一缓冲层10并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，有源层5完全覆盖下波导层3并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，上波导层6完全覆盖有源层5并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，电子阻挡层7完全覆盖上波导层6并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，上限制层8完全覆盖电子阻挡层7并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，接触层9完全覆盖上限制层8并延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面。

在其他实施例中，上限制层8也可以分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，此时，接触层9分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面并完全覆盖上限制层8，或者，电子阻挡层7、上限制层8、接触层9均分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，或者，上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8及接触层9均分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，或者，有源层5、上波导层6、电子阻挡层7、上限制层8及接触层9均分别延伸至第一掩膜波导41和第二掩膜波导42的上表面，只要保证上一层外延层完全覆盖下一层的外延层即可。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括衬底、设置于所述衬底上的下限制层及设置于所述下限制层上的下波导层、第一掩膜波导、第二掩膜波导，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导分别位于所述下波导层的两侧，所述半导体激光器还包括依次叠层设置于所述下波导层上的有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层及接触层，所述接触层分别延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导为条形掩膜波导。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的材质为氮化硅；和/或所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导之间的间隔为2～10μm。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的厚度均为200～500nm；和/或所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的宽度均为100μm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导对称设置于所述下波导层的两侧。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层均延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

7.一种半导体激光器，其特征在于，包括衬底、设置于所述衬底上的下限制层及设置于所述下限制层上的下波导层、第一掩膜波导、第二掩膜波导、第一缓冲层；所述第一缓冲层位于所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导之间并延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面，所述第一缓冲层设置于所述下波导层与所述下限制层之间且所述下波导层完全覆盖所述第一缓冲层；所述半导体激光器还包括依次叠层设置于所述下波导层上的有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层及接触层，所述接触层分别延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面；所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导对称设置于所述第一缓冲层的两侧；所述下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层均延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。

8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导为条形掩膜波导。

9.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的材质为氮化硅；和/或所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导之间的间隔为2～10μm。

10.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的厚度均为200～500nm；和/或所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的宽度均为100μm。

11.根据权利要求7～10任一所述的半导体激光器，其特征在于，还包括设置于所述掩膜层与所述下限制层之间的过渡层及设置于所述下限制层与所述衬底之间的第二缓冲层。

12.根据权利要求11所述的半导体激光器，其特征在于，所述衬底的材质为N型氮化镓，所述第二缓冲层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述下限制层的材质为N型掺杂的氮化铝镓，所述过渡层的材质为N型氮化镓，所述第一缓冲层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述下波导层的材质为N型掺杂的氮化铟镓，所述上波导层的材质为P型掺杂的氮化铟镓，所述电子阻挡层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述上限制层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述接触层的材质为P型掺杂的氮化镓，所述有源层为量子阱，其包括交替生长的掺杂的氮化镓量子垒层和掺杂的氮化铟镓量子阱层。

13.一种如权利要求1所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括步骤：

提供一衬底并在所述衬底上依次叠层生长形成下限制层和掩膜层；

应用刻蚀工艺刻蚀所述掩膜层，以在所述下限制层上形成第一掩膜波导和第二掩膜波导；

在所述下限制层上依次叠层生长形成下波导层、有源层、上波导层、电子阻挡层、上限制层及接触层，所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导分别位于所述下波导层的两侧，所述接触层分别延伸至所述第一掩膜波导和所述第二掩膜波导的上表面。