CN107732650A - 砷化镓激光巴条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种砷化镓激光巴条及其制备方法，属于半导体激光器领域。包括：由下至上依次包括GaAs衬底、n‑GaAs缓冲层、n‑AlGaAs限制层、n‑AlGaAs波导层、有源区层、p‑AlGaAs波导层、p‑AlGaAs限制层、p‑GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层的外延片；多个从p‑GaAs顶层刻蚀至GaAs衬底上表面的沟道；设于p‑GaAs顶层上的SiO2介质膜；制备于p型高掺杂电极接触层和SiO2介质膜上的p电极层和GaAs衬底背面的n电极层；蒸镀于外延片、p电极层和n电极层左右两侧的厚度为的硅薄膜，硅薄膜为在温度为100～150℃条件下以/秒的生长速度蒸镀后，对硅薄膜循环退火3‑5次形成的，循环退火时低温为100～150℃高温为400～500℃；蒸镀于硅薄膜外侧的硅钝化膜和分别制备于硅钝化膜两侧的高反膜和增透膜。本发明提高了激光器的抗光学灾变能力。

Description

砷化镓激光巴条及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种砷化镓激光巴条及其制备方法。
背景技术
砷化镓激光器具有近红外高重复频率和峰值功率较高的特点，还具有体积小、耗能少和寿命长等优点，因此，砷化镓激光器是很常用的半导体激光器。然而，由于砷化镓激光芯片的外延结构材料中含有的Al元素，因此，在砷化镓激光芯片制备过程中解理成巴(bar)条后，巴条的腔面易发生氧化，进而容易导致砷化镓激光芯片的抗光学灾变能力下降，严重影响了砷化镓激光器的输出功率和寿命。
为了避免上述问题，目前规模化生产中常用的方法是在高真空环境下，采用分子束外延的方法在解理的巴条腔面上蒸镀硅薄膜，以起到钝化砷化镓激光巴条腔面的作用。
然而，目前采用分子束外延的方法在解理的巴条腔面上蒸镀硅薄膜的方法，仅仅解决了激光芯片制作过程中腔面裸露的氧化问题，并未使硅粒子与巴条腔面的未饱和化学键充分结合，并且硅薄膜的致密性也较差。另外，因为硅与砷化镓的晶格失配度虽然仅有4.1％，但热失配度高达59％，在砷化镓激光器工作过程中会产生大量的热而容易导致缺陷的产生，因此，降低了砷化镓激光芯片的抗光学灾变的能力，影响了砷化镓激光芯片的输出功率及使用寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种砷化镓激光巴条及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种砷化镓激光巴条，所述砷化镓激光巴条包括：
外延片，所述外延片由下至上依次包括GaAs衬底、n-GaAs缓冲层、 n-AlGaAs限制层、n-AlGaAs波导层、有源区层、p-AlGaAs波导层、 p-AlGaAs限制层、p-GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层；
多个从p-GaAs顶层刻蚀至GaAs衬底上表面的沟道，所述沟道的两侧及底面镀有SiO2钝化层；
设置于p-GaAs顶层上面的SiO2介质膜；
制备于p型高掺杂电极接触层和SiO2介质膜上面的p电极层和制备于 GaAs衬底背面的n电极层；
蒸镀于外延片、p电极层和n电极层左右两侧的厚度为的硅薄膜，所述厚度为的硅薄膜为在温度为100～150℃条件下，以 的生长速度蒸镀后，对该厚度为的硅薄膜循环退火3-5次形成的，循环退火时低温为100～150℃、高温为400～500℃；
蒸镀于厚度为的硅薄膜外侧的厚度为的硅钝化膜和分别制备于硅钝化膜两侧的高反膜和增透膜。
可选地，所述p-GaAs顶层的厚度为所述沟道的深度为所述p电极层的厚度为所述n电极层的厚度为
可选地，所述p-GaAs顶层的厚度为
可选地，所述p电极层的材料为Ti/Pt/Au；所述n电极层的材料为 Au/Ge/Ni和Au；所述高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3；所述增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2。
可选地，所述高反膜的周期数为2～4个，透射率为为94％～98％；所述增透膜的周期数1～2个，透射率为90％～95％。
一种上述砷化镓激光巴条的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
S1，制作并清洗外延片，所述外延片由下至上依次包括GaAs衬底、n-GaAs缓冲层、n-AlGaAs限制层、n-AlGaAs波导层、有源区层、 p-AlGaAs波导层、p-AlGaAs限制层、p-GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层；
S2，对外延片进行光刻，形成周期性分布的平台图形，得到激光芯片预设的尺寸和形状，然后对p型高掺杂电极接触层两侧进行刻蚀，至 p-GaAs顶层；
S3，从经过步骤S2刻蚀掉p型高掺杂电极接触层的p-GaAs顶层开始刻蚀沟道，将沟道刻蚀至GaAs衬底上表面，并在沟道的两侧镀上SiO2钝化层；
S4，在经过步骤S2处理后的p-GaAs顶层上沉积SiO2介质膜；
S5，在p型高掺杂电极接触层上制备p电极层，将GaAs衬底减薄，并在减薄后的GaAs衬底背面制备n电极层；
S6，手动解理经步骤S5处理后的芯片结构，解理成长条，然后把长条放入高真空解理设备中进行腔面解理，解理成所需的巴条；
S7，通过循环退火工艺在巴条腔面制备硅钝化膜：首先在温度为 100～150℃条件下，以的生长速度在巴条腔面两侧分别蒸镀一层厚度为的硅薄膜；然后对该厚度为的硅薄膜循环退火3-5 次，循环退火时低温为100～150℃、高温为400～500℃；最后再在厚度为的硅薄膜外侧蒸镀一层厚度为的硅钝化膜；
S8，在硅钝化膜两侧分别制备高反膜和增透膜；
S9，砷化镓激光巴条制备完成，对砷化镓激光巴条进行数据测试。
可选地，步骤S2中对p型高掺杂电极接触层两侧进行刻蚀的深度为步骤S3中刻蚀沟道的深度为
可选地，所述p电极层的厚度为所述GaAs衬底减薄后的厚度为所述n电极层的厚度为
可选地，所述p电极层的材料为Ti/Pt/Au；所述n电极层的材料为Au/Ge/Ni和Au；所述高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3；所述增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2。
可选地，所述高反膜的周期数为2～4个，透射率为为94％～98％；所述增透膜的周期数1～2个，透射率为90％～95％。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
通过采用热循环退火工艺在外延片、p电极层和n电极层左右两侧蒸镀上一层厚度为的硅薄膜，使解理的巴条腔面的悬挂键与硅原子充分键合，硅原子不仅与未饱和键充分结合，而且在循环退火还可以使硅原子与腔面的晶体缺陷断键结合，避免晶体缺陷断键与空气中的氧原子结合。因为硅原子较小，循环退火工艺中的高温退火时腔面的原子扩散速度增加，晶体膨胀，缺陷也会增大，这时硅原子会被晶体缺陷的未饱和键所捕获，从而使晶体的完整性增加。因此，本发明不仅解决了在制作激光芯片过程中腔面暴露空气中被氧化的问题，而且还尽量减少腔面的晶体缺陷密度，从而提高了激光器的抗光学灾变的能力，提高了砷化镓激光器工作的可靠性和工作寿命，适合于高功率高寿命激光器的制作。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明实施例1的立体结构示意图。
图2为图1的主视图。
图3为本发明实施例2的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例提供一种砷化镓激光巴条，该砷化镓激光巴条包括：
外延片，其中，外延片由下至上依次包括GaAs衬底、n-GaAs缓冲层、 n-AlGaAs限制层、n-AlGaAs波导层、有源区层、p-AlGaAs波导层、p-AlGaAs 限制层、p-GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层；多个从p-GaAs顶层刻蚀至GaAs衬底上表面的沟道，沟道的两侧及底面镀有SiO2钝化层；设置于 p-GaAs顶层上面的SiO2介质膜；制备于p型高掺杂电极接触层和SiO2介质膜上面的p电极层和制备于GaAs衬底背面的n电极层；蒸镀于外延片、 p电极层和n电极层左右两侧的厚度为的硅薄膜，厚度为的硅薄膜为在温度为100～150℃条件下，以的生长速度蒸镀后，对该厚度为的硅薄膜循环退火3-5次形成的，循环退火时低温为 100～150℃、高温为400～500℃；蒸镀于厚度为的硅薄膜外侧的厚度为的硅钝化膜和分别制备于硅钝化膜两侧的高反膜和增透膜。
本发明实施例提供的砷化镓激光巴条，通过采用热循环退火工艺在外延片、p电极层和n电极层左右两侧蒸镀上一层厚度为的硅薄膜，使解理的巴条腔面的悬挂键与硅原子充分键合，硅原子不仅与未饱和键充分结合，而且在循环退火还可以使硅原子与腔面的晶体缺陷断键结合，避免晶体缺陷断键与空气中的氧原子结合。因为硅原子较小，循环退火工艺中的高温退火时腔面的原子扩散速度增加，晶体膨胀，缺陷也会增大，这时硅原子会被晶体缺陷的未饱和键所捕获，从而使晶体的完整性增加。因此，本发明不仅解决了在制作激光芯片过程中腔面暴露空气中被氧化的问题，而且还尽量减少腔面的晶体缺陷密度，从而提高了激光器的抗光学灾变的能力，提高了砷化镓激光器工作的可靠性和工作寿命，适合于高功率高寿命激光器的制作。
可选地，p-GaAs顶层的厚度为沟道的深度为p电极层的厚度为n电极层的厚度为其中，与“nm”之间的关系为
可选地，p-GaAs顶层的厚度为
可选地，p电极层的材料为Ti/Pt/Au。n电极层的材料为Au/Ge/Ni和 Au。高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3。增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2。
可选地，高反膜的周期数为2～4个，透射率为为94％～98％；增透膜的周期数1～2个，透射率为90％～95％。
关于该砷化镓激光巴条的制备方法及其它相关内容，可以具体参见下述实施例2中的内容，此次暂不叙述。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种砷化镓激光巴条的制备方法，该制备方法用于制备实施例1所述的砷化镓激光巴条。该制备方法包括如下步骤 S1至步骤S9：
S1，制作并清洗外延片，外延片由下至上依次包括GaAs衬底、n-GaAs 缓冲层、n-AlGaAs限制层、n-AlGaAs波导层、有源区层、p-AlGaAs波导层、p-AlGaAs限制层、p-GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层。
其中，n-GaAs缓冲层用于缓冲GaAs衬底与n-AlGaAs限制层之间的晶格失配；n-AlGaAs限制层用于提供电子并限制光场分布；n-AlGaAs波导层与p-AlGaAs波导层用于提供光子的反射传播；有源区层是发光层； p-AlGaAs限制层用于提供空穴，并限制光子进入p-AlGaAs限制层以外的外延层，降低光的损失；p-GaAs顶层用于起到电流扩散的作用；p型高掺杂电极接触层用于与p电极层形成欧姆接触。
S2，对外延片进行光刻，形成周期性分布的平台图形，得到激光芯片预设的尺寸和形状，然后对p型高掺杂电极接触层两侧进行刻蚀，至p-GaAs 顶层，如图2所示。
其中，刻蚀面积依据砷化镓激光芯片的占空比而定，未刻蚀区域用于制备p电极层。激光芯片预设的尺寸和形状就是要制作的产品的尺寸和形状。
步骤S2中对p型高掺杂电极接触层两侧进行刻蚀的深度即为p型高掺杂电极接触层的厚度，该p型高掺杂电极接触层的厚度可以为 优选为
S3，从经过步骤S2刻蚀掉p型高掺杂电极接触层的p-GaAs顶层开始刻蚀沟道，将沟道刻蚀至GaAs衬底上表面，并在沟道的两侧镀上SiO2钝化层。
其中，沟道的数量为多个。步骤S3中可以采用ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)干法刻蚀法实现。由于激光巴条是一定数量的芯片并列在一起的，因此，沟道用于阻止激光芯片之间电和光的相互影响，以进行光隔离和电隔离。
深刻蚀沟道至GaAs衬底上表面的主要目的是把n-GaAs的侧壁全部镀上SiO2钝化层，以避免后续倒装封装后形成漏电通道。
可选地，该步骤S3中深刻蚀沟道的深度为该深度为从p-GaAs顶层至GaAs衬底上表面的厚度。
S4，在经过步骤S2处理后的p-GaAs顶层上沉积SiO2介质膜。
其中，该步骤S4可以通过ICP-CVD(感应耦合等离子体-化学气相沉积)法沉积SiO2介质膜。SiO2介质膜用于起到保护和限流的作用，通过设置SiO2介质膜可以有效提高激光芯片的特性参数。
S5，在p型高掺杂电极接触层上制备p电极层，将GaAs衬底减薄，并在减薄后的GaAs衬底背面制备n电极层。
其中，p电极层的材料可以为Ti/Pt/Au，即p电极层的材料包括Ti层、镀在Ti层上的Pt层和镀在Pt层上的Au层。可选地，p电极层的厚度为
n电极层的材料可以为Au/Ge/Ni和Au，即n电极层的材料可以包括为 Au层、镀在Au层上的Ge层和镀在Ge层上的Ni层，还可以仅包括Au层。 n电极层的厚度为将n电极层的厚度设置在这个范围，可以提高压焊的合格率。
GaAs衬底减薄时是对GaAs衬底远离n-GaAs缓冲层的一侧进行操作， GaAs衬底减薄后的厚度为通过减薄GaAs衬底，可以提高巴条的散热效果，以保证巴条的稳定性和提高巴条的使用寿命。
S6，手动解理经步骤S5处理后的芯片结构，解理成长条，然后把长条放入高真空解理设备中进行腔面解理，解理成所需的巴条。
S7，通过循环退火工艺在巴条腔面制备硅钝化膜：首先在温度为 100～150℃条件下，以的生长速度在巴条腔面两侧分别蒸镀一层厚度为的硅薄膜；然后对该厚度为的硅薄膜循环退火3-5次，循环退火时低温为100～150℃、高温为400～500℃；最后再在厚度为的硅薄膜外侧蒸镀一层厚度为的硅钝化膜。
其中，一次循环退火的具体操作为：先将厚度为的硅薄膜加热至100～150℃中的任一温度，然后继续加热，将厚度为的硅薄膜加热至400～500℃中的任一温度，然后进行退火，将厚度为的硅薄膜先冷却至100～150℃中的任一温度，然后继续冷却至常温。循环退火即为多次进行该过程。
通过循环退火工艺后，不仅可以使腔面的硅粒子与腔面的外延层的悬空键结合，而且可以使硅粒子扩散到有晶体缺陷的表面，保证巴条腔面及附件的表面的晶体都具有较完整性。
另外，在厚度为的硅薄膜外侧蒸镀一层厚度为的硅钝化膜时，采用常规硅钝化膜蒸镀工艺即可，如在高真空环境下，采用分子束外延的方法蒸镀硅钝化膜。
S8，在硅钝化膜两侧分别制备高反膜和增透膜。
可选地，高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3，即高反膜的材料包括Si 层和SiO2层，或者高反膜的材料包括Si层和Al2O3层。高反膜的周期数为 2～4个，透射率为为94％～98％。每个周期的高反膜的厚度根据砷化镓激光器的波长而定。通过设置高反膜，可以尽量减少光子在谐振腔中的光损耗，提高砷化镓激光器的输出功率。
可选地，增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2，即增透膜的材料包括Si 层和ZnSe层，或者增透膜的材料包括Si层和SiO2层。增透膜的周期数1～2 个，透射率为90％～95％。通过设置增透膜，可以尽量减少光子在谐振腔中的光损耗，提高砷化镓激光器的输出功率。
S9，砷化镓激光巴条制备完成，对砷化镓激光巴条进行数据测试。
本发明实施例提供的制备方法，通过采用热循环退火工艺在外延片、p 电极层和n电极层左右两侧蒸镀一层厚度为的硅薄膜，使解理的巴条腔面的悬挂键与硅原子充分键合，硅原子不仅与未饱和键充分结合，而且在循环退火还可以使硅原子与腔面的晶体缺陷断键结合，避免晶体缺陷断键与空气中的氧原子结合。因为硅原子较小，循环退火工艺中的高温退火时腔面的原子扩散速度增加，晶体膨胀，缺陷也会增大，这时硅原子会被晶体缺陷的未饱和键所捕获，从而使晶体的完整性增加。因此，本发明不仅解决了在制作激光芯片过程中腔面暴露空气中被氧化的问题，而且还尽量减少腔面的晶体缺陷密度，从而提高了激光器的抗光学灾变的能力，提高了砷化镓激光器工作的可靠性和工作寿命，适合于高功率高寿命激光器的制作。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种砷化镓激光巴条，其特征在于，所述砷化镓激光巴条包括：
外延片，所述外延片由下至上依次包括GaAs衬底、n-GaAs缓冲层、n-AlGaAs限制层、n-AlGaAs波导层、有源区层、p-AlGaAs波导层、p-AlGaAs限制层、p-GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层；
多个从p-GaAs顶层刻蚀至GaAs衬底上表面的沟道，所述沟道的两侧及底面镀有SiO2钝化层；
设置于p-GaAs顶层上面的SiO2介质膜；
制备于p型高掺杂电极接触层和SiO2介质膜上面的p电极层和制备于GaAs衬底背面的n电极层；
蒸镀于外延片、p电极层和n电极层左右两侧的厚度为的硅薄膜，所述厚度为的硅薄膜为在温度为100～150℃条件下，以 的生长速度蒸镀后，对该厚度为的硅薄膜循环退火3-5次形成的，循环退火时低温为100～150℃、高温为400～500℃；
蒸镀于厚度为的硅薄膜外侧的厚度为的硅钝化膜和分别制备于硅钝化膜两侧的高反膜和增透膜。
2.根据权利要求1所述的砷化镓激光巴条，其特征在于，所述p-GaAs顶层的厚度为；所述沟道的深度为，所述p电极层的厚度为；所述n电极层的厚度为。
3.根据权利要求1或2所述的砷化镓激光巴条，其特征在于，所述p-GaAs顶层的厚度为。
4.根据权利要求1所述的砷化镓激光巴条，其特征在于，所述p电极层的材料为Ti/Pt/Au；所述n电极层的材料为Au/Ge/Ni和Au；所述高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3；所述增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2。
5.根据权利要求1所述的砷化镓激光巴条，其特征在于，所述高反膜的周期数为2～4个，透射率为为94％～98％；所述增透膜的周期数1～2个，透射率为90％～95％。
6.一种权利要求1至5中任一权利要求所述的砷化镓激光巴条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制作并清洗外延片，所述外延片由下至上依次包括GaAs衬底、n-GaAs缓冲层、n-AlGaAs限制层、n-AlGaAs波导层、有源区层、p-AlGaAs波导层、p-AlGaAs限制层、p-GaAs顶层和p型高掺杂电极接触层；
S2，对外延片进行光刻，形成周期性分布的平台图形，得到激光芯片预设的尺寸和形状，然后对p型高掺杂电极接触层两侧进行刻蚀，至p-GaAs顶层；
S3，从经过步骤S2刻蚀掉p型高掺杂电极接触层的p-GaAs顶层开始刻蚀沟道，将沟道刻蚀至GaAs衬底上表面，并在沟道的两侧镀上SiO2钝化层；
S4，在经过步骤S2处理后的p-GaAs顶层上沉积SiO2介质膜；
S5，在p型高掺杂电极接触层上制备p电极层，将GaAs衬底减薄，并在减薄后的GaAs衬底背面制备n电极层；
S6，手动解理经步骤S5处理后的芯片结构，解理成长条，然后把长条放入高真空解理设备中进行腔面解理，解理成所需的巴条；
S7，通过循环退火工艺在巴条腔面制备硅钝化膜：首先在温度为100～150℃条件下，以的生长速度在巴条腔面两侧分别蒸镀一层厚度为的硅薄膜；然后对该厚度为的硅薄膜循环退火3-5次，循环退火时低温为100～150℃、高温为400～500℃；最后再在厚度为的硅薄膜外侧蒸镀一层厚度为的硅钝化膜；
S8，在硅钝化膜两侧分别制备高反膜和增透膜；
S9，砷化镓激光巴条制备完成，对砷化镓激光巴条进行数据测试。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
步骤S2中对p型高掺杂电极接触层两侧进行刻蚀的深度为
步骤S3中刻蚀沟道的深度为
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述p电极层的厚度为所述GaAs衬底减薄后的厚度为所述n电极层的厚度为
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述p电极层的材料为Ti/Pt/Au；所述n电极层的材料为Au/Ge/Ni和Au；所述高反膜的材料为Si/SiO2或Si/Al2O3；所述增透膜的材料为Si/ZnSe或Si/SiO2。
10.根据权利要求6或9所述的制备方法，其特征在于，所述高反膜的周期数为2～4个，透射率为为94％～98％；所述增透膜的周期数1～2个，透射率为90％～95％。
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