CN108847575A - 半导体激光器非吸收窗口的制备方法及半导体激光器 - Google Patents

半导体激光器非吸收窗口的制备方法及半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种半导体激光器非吸收窗口的制备方法及半导体激光器。所述方法包括：在外延片的非吸收窗口区域覆盖光刻胶掩膜进行保护；采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面；去除所述外延片表面覆盖的光刻胶；在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜；将所述外延片进行热退火处理；去除所述外延片表面生长的氧化硅薄膜。用感应耦合等离子体刻蚀方法替代了生长介质膜形成保护的步骤，简化了制备过程，降低了工艺难度，减少了制备过程中的危险性。

Description

半导体激光器非吸收窗口的制备方法及半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种半导体激光器非吸收窗口的制备方法及半导体激光器。
背景技术
半导体激光器在军事领域的应用包括半导体激光雷达、激光测距、激光引信、激光制导、半导体激光瞄准和告警以及武器模拟等，不同的应用对半导体激光器的性能有不同的要求和侧重点。当前，高能激光武器已经成为激光器在军事方面的新应用，半导体激光器泵浦的固体激光(DPSL)成为研究的热点。泵浦固体激光器等器件需要体积小、重量轻、大功率、高可靠性的大功率半导体激光器，而腔面的灾变性光学损伤(catastrophic opticaldamage,COD)是影响高功率密度半导体激光器输出功率和可靠性的重要因素之一。为抑制或延缓大功率激光器中COD的发生，需对腔面处的光吸收进行遏制，降低表面态密度，减少表面处复合中心。
为此，研究人员发展了多种解决方法，其中一些技术方法在实用化器件中已获取了一定的效果，例如采用宽波导、大光腔等芯片外延结构技术；采用腔面非注入区技术，减少腔面附近的电流注入；采用真空解理镀膜技术、腔面钝化技术，降低材料表面态密度。通过采用非吸收窗口技术，使腔面附近量子阱带隙宽度增加，从而对激射波长透明，是抑制腔面光吸收，减少腔面处光生载流子的有效方法。为了在腔面处形成非吸收窗口，需要增大腔面附近量子阱等效带隙，目前常用的方法有两种：一为通过二次外延；二为采用量子阱混杂(QWI-Quantum Well Intermixing)。其中，量子阱混杂技术工艺简单、成本低廉，且容易控制、效果明显，常被用于制作大功率半导体激光器的腔面非吸收窗口，可以很好的抑制腔面COD的发生，从而提高大功率半导体激光器的输出功率和可靠性。量子阱混杂技术主要有六种方法，分别是高温快速退火诱导(RAT)、杂质诱导量子阱混杂(Impurity InducedDisordering,IID)、离子注入诱导量阱混(Ion-Implantation Induced Disordering,IIID)和无杂质空位诱导量子阱混合，(Impurity Free Vacancy Diffusion,IFVD)，光吸收诱导无序(PAID)，阳极氧化诱导内扩散技术。
上述各种方法中，从光电子器件制作工艺的要求和成本来看，无杂质空位扩散诱导量子阱混杂方法更具优势。无杂质空位诱导量子阱混杂在工艺过程中没有杂质扩散诱导量子阱混杂所引入的杂质；也没有离子注入诱导量子阱混杂带来的辐照损伤，使得晶体在混杂后仍能保持较高的晶格品质，同时也可以减少杂质所带来的自由载流子吸收，混杂速率也远大于高温退火诱导量子阱混杂，且工艺简单、成本低廉。具体地，无杂质空位扩散诱导量子阱混杂通过沉积一层介质膜，再对外延片进行高温快速退火诱导实现量子阱和垒区组分混杂。
上述无杂质空位扩散诱导量子阱混杂的方法为了抑制增益区的蓝移,需要生长介质膜进行保护,从而增加了更多的工艺程序，例如加入的带胶剥离工序中胶由于温度过高而出现变性，从而不易进行剥离；介质膜SixNy在快速热退火工艺后，极难完全清洗干净，需要采用干法刻蚀手段，或者浓度较大的HF酸连续腐蚀30分钟以上，导致工艺难度和危险性增加。
因此现有技术的问题在于需要预先对增益区域沉积一层介质膜，即需要抑制蓝移的区域进行保护，但由于介质膜的引入使得具有非吸收窗口的半导体激光器的制备工艺复杂，工艺难度和危险性增加。
发明内容
(一)要解决的技术问题
现有技术存在需要对增益区域沉积一层介质膜，即对需要抑制蓝移的区域进行保护，但由于介质膜的引入使得具有非吸收窗口的半导体激光器的制备工艺复杂，工艺难度和危险性增加的问题。
(二)技术方案
一种半导体激光器非吸收窗口的制备方法，包括：在外延片的非吸收窗口区域覆盖光刻胶掩膜进行保护；采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面；去除所述外延片表面覆盖的光刻胶；在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜；将所述外延片进行热退火处理；去除所述外延片表面生长的氧化硅薄膜。
可选地，所述非吸收窗口区域的宽度为40-50nm。所述非吸收窗口区域的宽度可为40nm、41nm、42nm、43nm、44nm、45nm、46nm、47nm、48nm、49nm、50nm。所述非吸收窗口区域的宽度过小会导致非吸收窗口的保护效果不足，过大则会影响增益区的发光。
可选地，所述通入气体包括氧气、氢气、氩气中的一种。优选地，所述通入气体为氧气。
可选地，所述通入气体流量为40-60sccm。
优选地，所述通入气体流量为50sccm。
可选地，所述采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面的过程中，反应压强为0.8-1.2mtorr,射频功率为150-250W，感应耦合功率为150-250W，轰击时间为8-12s。
优选地，所述反应压强为1mtorr,所述射频功率为200W，所述感应耦合功率为200W，所述轰击时间为10s。
可选地，在热退火过程中使用盖片，其中，所述盖片及外延片的材料为砷化镓。采用砷化镓盖片可以有效防止砷化镓外延片表面As析出。
可选地，在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜,具体为利用等离子体增强化学的气相沉积法，反应气体为氮气、氩气、甲硅烷、一氧化二氮的混合气体，其中氮气气体流量为180-220sccm，氩气气体流量为240-250sccm，甲硅烷气体流量为6-10sccm，一氧化二氮气体流量为510-530sccm，反应压强为0.8-1.2mtorr，温度为260-300℃。优选地，N2的气体流量为200sccm，Ar的气体流量为247sccm，SiH4的气体流量为8sccm，N2O的气体流量为520sccm，可以达到最佳促进蓝移的效果。其中，Ar气为辅助气体，一方面利用其物理轰击作用，减少反应过程中聚合物的沉积，另一方面提升样品表面平整度。调整SiH4和N2O的比例，可以改变SiO2薄膜折射率，折射率越低，其多孔性越好。
一种半导体激光器，包含由上述的方法获得的非吸收窗口。
(三)有益效果
本发明的技术方案首先能够实现量子阱混杂，减少腔面光吸收，有效抑制或延缓激光器中COD的发生，提高半导体激光器输出功率，延长半导体激光器的使用寿命和可靠性。并且能同时实现对不需要进行量子阱混杂的区域蓝移的抑制。用感应耦合等离子体刻蚀方法替代了现有技术中生长介质膜形成保护的步骤，简化了制备过程，降低了工艺难度，减少了制备过程中的危险性。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1是本发明半导体激光器外延片结构示意图；
图2是本发明涂覆光刻胶的半导体激光器外延片结构示意图；
图3是本发明去除光刻胶的半导体激光器外延片结构示意图；
图4是本发明在已去除光刻胶的半导体激光器外延片上生长一层SiO2薄膜结构示意图；
图5是本发明对已生长SiO2薄膜的半导体激光器外延片进行热退火处理时，盖上盖片后的结构示意图。
其中，附图标记为：d，非吸收窗口区域的宽度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明公开了一种半导体激光器非吸收窗口的制备方法，包括：参见图1和图2，首先在外延片的非吸收窗口区域覆盖光刻胶掩膜进行保护；采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面。半导体激光器外延片非吸收窗口区域覆盖光刻胶掩膜进行保护，当通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面时，覆盖光刻胶掩膜的非吸收窗口区域不会受到等离子体轰击，未覆盖光刻胶区域在等离子体轰击下表面结构和GaAs盖层厚度发生变化，高能量的氧离子使外延片表面Ga-As键断裂而生成Ga氧化物和As氧化物，新形成的稳定的氧化层在SiO2薄膜与外延片之间。其次去除所述外延片表面覆盖的光刻胶(参见图3)；在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜(参见图4)；将所述外延片进行热退火处理，热退火过程实现了非吸收窗口区域的量子阱混杂，并且由于在ICP轰击过程中未覆盖光刻胶区域的表面结构变化，SiO2薄膜与外延片之间形成的稳定的氧化层，阻止Ga原子扩散到SiO2薄膜中，从而抑制了量子阱混杂。最后去除所述外延片表面生长的氧化硅薄膜。
可选地，所述非吸收窗口区域的宽度为40-50nm。参见图2，非吸收窗口区域的宽度通过d表示。所述非吸收窗口区域的宽度可为40nm、41nm、42nm、43nm、44nm、45nm、46nm、47nm、48nm、49nm、50nm。所述非吸收窗口区域的宽度过小会导致非吸收窗口的保护效果不足，过大则会影响增益区的发光。
可选地，所述通入气体包括氧气、氢气、氩气中的一种。优选地，所述通入气体为氧气。
可选地，所述通入气体流量为40-60sccm。
优选地，所述通入气体流量为50sccm。
可选地，所述采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面的过程中，反应压强为0.8-1.2mtorr,射频功率为150-250W，感应耦合功率为150-250W，轰击时间为8-12s。
优选地，所述反应压强为1mtorr,所述射频功率为200W，所述感应耦合功率为200W，所述轰击时间为10s。
可选地，在热退火过程中使用盖片(参见图5)，其中，所述盖片及外延片的材料为砷化镓。采用砷化镓盖片可以有效防止砷化镓外延片表面As析出。本领域技术人员可以理解的是，半导体激光器外延片可以采用不同的材料，例如:GaAs基、InP基、GaN基、GaSb基等，本发明以砷化镓外延片为例进行说明，但本发明并不局限于该例，并且当外延片的材料不同时，盖片的材料也应相应地改变。
可选地，在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜,具体为利用等离子体增强化学的气相沉积法，反应气体为氮气、氩气、甲硅烷、一氧化二氮的混合气体，其中氮气气体流量为180-220sccm，氩气气体流量为240-250sccm，甲硅烷气体流量为6-10sccm，一氧化二氮气体流量为510-530sccm，反应压强为0.8-1.2mtorr，温度为260-300℃。优选地，N2的气体流量为200sccm，Ar的气体流量为247sccm，SiH4的气体流量为8sccm，N2O的气体流量为520sccm，可以达到最佳促进蓝移的效果。其中，Ar气为辅助气体，一方面利用其物理轰击作用，减少反应过程中聚合物的沉积，另一方面提升样品表面平整度。调整SiH4和N2O的比例，可以改变SiO2薄膜折射率，折射率越低，其多孔性越好。
一种半导体激光器，包含由上述的方法获得的非吸收窗口。
其中，本文所涉及的单位：
SCCM(Standard Cubic Centimeter per Minute)标准毫升/每分钟
mTorr毫托，为毫米汞柱压强的千分之一，1mTorr等于0.133Pa。
下面，通过具体实施例对本发明的技术特征进行进一步说明：
实施例1：
将砷化镓外延片放入丙酮溶液中进行清洗，清洗完成后，在其表面涂覆厚度为1.6μm的光刻胶，在85℃下烘烤15min，在紫外汞灯下曝光，显影后在112℃下烘烤20min坚膜，在激光器的前后腔面引入宽度为40nm的非吸收窗口区域。
将带有光刻胶掩膜的砷化镓外延片放入感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)的感应耦合等离子体反应室中，通入气体流量为50sccm的O2，反应室中的压强为1mTorr，射频功率为200W，感应耦合功率为200W，轰击时间为10s。把砷化镓外延片放入装有负胶去膜剂的聚四氟容器中，加热至冒白烟，保温60min，去除砷化镓外延片表面附着的光刻胶。待外延片降至室温，利用流动去离子水冲洗砷化镓外延片50-70次，用异丙酮对砷化镓外延片进行脱水处理，最后用氮气枪将砷化镓外延片吹至干燥状态。
利用PECVD在外延片表面生长一层SiO2薄膜，向感应耦合等离子体反应室中充入反应气体为N2/Ar/SiH4/N2O的混合气体，其中N2的气体流量为200sccm，Ar的气体流量为247sccm，SiH4的气体流量为8sccm，N2O的气体流量为520sccm；反应室中的压强设定为1mTorr，温度为280℃。设定生长时间为337.5s。
使用砷化镓衬底片作为砷化镓外延片的盖片，进行高温快速热退火处理，退火温度875℃，退火时间90s。退火完成后，温度降至100℃，将砷化镓外延片取出。
使用氢氟酸溶液浸泡砷化镓外延片，并晃动容器，直到去除砷化镓外延片表面SiO2薄膜裸露出光亮的砷化镓外延片本底，然后用去离子水清洗砷化镓外延片表面的氟酸残夜。
通过实施例1制备得到的半导体激光器非吸收窗口具有能够实现量子阱混杂，有效抑制或延缓激光器中COD的发生。并且能同时实现对不需要进行量子阱混杂的区域蓝移的抑制。用感应耦合等离子体刻蚀方法替代了现有技术中生长介质膜形成保护的步骤，简化了制备过程，降低了工艺难度，减少了制备过程中的危险性。
实施例2：
一种半导体激光器，包含通过采用实施例1制备得到的半导体激光器非吸收窗口。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
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，所应理解的是，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 (10)

1.一种半导体激光器非吸收窗口的制备方法，包括：
在外延片的非吸收窗口区域覆盖光刻胶掩膜进行保护；
采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面；
去除所述外延片表面覆盖的光刻胶；
在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜；
将所述外延片进行热退火处理；
去除所述外延片表面生长的氧化硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，所述非吸收窗口区域的宽度为40-50nm。
3.根据权利要求1所述的方法，所述通入气体包括氧气、氢气、氩气中的一种。
4.根据权利要求3所述的方法，所述通入气体流量为40-60sccm。
5.根据权利要求4所述的方法，所述通入气体流量为50sccm。
6.根据权利要求1所述的方法，所述采用感应耦合等离子体刻蚀方法，通入气体产生的等离子体轰击所述外延片表面的过程中，反应压强为0.8-1.2mtorr,射频功率为150-250W，感应耦合功率为150-250W，轰击时间为8-12s。
7.根据权利要求6所述的方法，所述反应压强为1mtorr,所述射频功率为200W，所述感应耦合功率为200W，所述轰击时间为10s。
8.根据权利要求1所述的方法，在热退火过程中使用盖片，其中，所述盖片及外延片的材料为砷化镓。
9.根据权利要求1所述的方法，在所述外延片表面生长一层氧化硅薄膜,具体为利用等离子体增强化学的气相沉积法，反应气体为氮气、氩气、甲硅烷、一氧化二氮的混合气体，其中氮气气体流量为180-220sccm，氩气气体流量为240-250sccm，甲硅烷气体流量为6-10sccm，一氧化二氮气体流量为510-530sccm，反应压强为0.8-1.2mtorr，温度为260-300℃。
10.一种半导体激光器，包含由通过权利要求1-9任一项所述的方法获得的非吸收窗口。
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