CN109309343B - 用于制作半导体激光二极管的方法以及激光二极管 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于制作半导体激光二极管的方法以及激光二极管。一种在具有稳定波长的半导体激光器的平面部分中制作具有分布式光栅反射器(RT)的激光二极管的方法，包括：提供由基板、布置在基板上的第一包覆层、布置在第一包覆层上并适于发射辐射的有源层和布置在有源层上的第二包覆层以及接触层形成的二极管，所述包覆层适于形成异质结以允许电流到有源层中的有效注入和光学限制。制造方法提供以在器件的第一部分上产生波导以用于光学辐射的限制，并且在器件的其余部分上产生用于光反射和限制的两种不同光栅。通过光刻和随后的蚀刻来实现用于限制光学辐射的波导，而光栅的制作需要高分辨率光刻和从平面区域起的浅蚀刻。

Description

用于制作半导体激光二极管的方法以及激光二极管
技术领域
本发明涉及光源，具体而言涉及半导体激光二极管及其制作方法。
更详细地说，本发明涉及一种在具有稳定波长的激光器的平面部分中制作具有分布式光栅反射器(DBR，分布式布拉格反射器)的激光二极管的方法。
背景技术
布拉格光栅是窄光谱带中的反射器，其特征在于具有高折射率和低折射率的元件的周期性交替。
激光二极管是半导体二极管，其由p-i-n异质结组成的有源材料允许在由有源材料构成的半导体材料的合金的外延结构确定的波长范围内获得光学增益，并且这种异质结(光学介质)插入到对于光场谐振的腔体中。
因此，激光二极管通常具有多层结构，其从底部起包括基板、至少一个第一包覆层、有源层、至少一个第二包覆层以及最后的接触层。
通过将电流注入到结本身中来获得激光发射所需的极化反转。
激光二极管是极其有效的相干光源，具有高密度的功率和亮度，并且广泛用于光电器件中。
由半导体二极管发射的功率可以从几十或几百毫瓦(在信息传输应用中)到超过十瓦(在高功率二极管中)变化。
最常用于稳定发射波长的技术需要使用外部体积稳定器(晶体或薄膜上的布拉格光栅)。
通常，DBR激光二极管包括在有源腔体外部的波导布拉格光栅。
DBR激光二极管在例如电信之类的数个应用领域中广泛使用。
通常借助于在非平面结构上的不同制造处理来获得波导和光栅，导致许多技术复杂性。
借助于高功率激光器中的DBR光栅的波长稳定是同一申请人的现有意大利专利申请No.102016000018622(UB2016A000994)的目标。在这种解决方案中，在第二包覆层内产生限定布拉格光栅的周期性结构。
如上所述，在高功率激光器中具有分布式光栅反射器(DBR，分布式布拉格反射器)的结构提供了对发射光束的波长的精确控制，因此允许例如由不同激光二极管发射的光束的光谱组合，同时保持所得到的组合光束的质量。
允许例如通过借助光刻掩模的光刻和单个蚀刻处理来产生均匀光栅的简单处理对于该目的将是特别有效的。
然而，均匀光栅将不允许横向光学限制(在与传播方向正交的方向上)，因此意味着光束的发散，这将导致光学插入损耗。
一种可能的传统解决方案是直接在波导上实现光栅的蚀刻。然而，从技术角度来看，这样的解决方案可能变得特别困难，例如，因为它需要在非平面表面上深蚀刻具有大纵横比的光栅。蚀刻应该发生在限定波导的脊和其已经蚀刻的侧面两者上，因此已经蚀刻的侧面将位于较低的水平。
因此，在非平面表面上的光栅的深蚀刻将意味着根据被蚀刻的区域的蚀刻深度变化，需要在形成波导的脊处进行较深的蚀刻并且在其余区域中进行较浅(或没有)的蚀刻。这种解决方案非常难以实施并且在经济上不利。
这是因为器件的各个平面之间的高度差可能很大(例如，一微米附近或更大)并且例如使制造处理严重复杂化。
另一方面，在脊处制作较浅的蚀刻可能不足以确保光栅的正确操作(因为它可能导致在有源层中引导的光束与光栅之间的光耦合不良)。
最后，在不同时间制作不同深度的两种不同蚀刻的可能替代方案在技术上是复杂的，导致制造处理的效率低，这将变得缓慢且不优化的。
发明内容
因此，本发明的目标是提出一种通过在引导区域的侧面处的区中建模光栅而在半导体激光器的平面部分中制作光栅的方法，以提供感兴趣的波长附近的光谱反射和横向光学限制两者。
这种方法特别适用于但不限于高功率DBR(分布式布拉格反射器)半导体激光器，高功率DBR半导体激光器利用用于需要高亮度的材料处理应用的发射波长的控制和稳定。
所提出的方法允许利用半导体的单个光刻和蚀刻，制备具有所需特征的布拉格反射器，从而显着简化技术处理。
通过使用例如电子束光刻(EBL)之类的适当的纳米光刻技术，通过在光栅限定期间横向建模光栅，实现了光学限制。
本发明涉及借助于简化的制造处理在平面区中产生波导和布拉格光栅的可能性。
虽然没有添加新的功能，但是与其中工作区不是平面的情况相比，以更有效的方式获得相同的功能。
本发明的一些实施例涉及激光二极管器件及其制作方法，其可以克服现有技术的缺点。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在以下详细描述中说明，该详细描述仅通过参考附图的非限制性示例的方式来提供，在附图中：
-图1a示出了根据本发明的激光二极管器件的示意性俯视图，其中外部光栅R2(m2、DC2)的建模不同于内部光栅R1(m1、DC1)的建模，其中mi表示光栅的级数，并且DCi表示占空比，即在光栅的一个周期中填充空间和空白空间之间的比率；
-图1b、图1c、图1d示出了其上已经获得了根据本发明的激光二极管器件的芯片的一些俯视图，它们具有外部光栅的不同建模。所示的不同建模指的是更高的级数和低占空比(图1b)、相同级数和低占空比(图1c)，以及零占空比，即没有外部光栅(图1d)。外部光栅的建模允许控制横向光学限制，这是设计激光二极管时的重要参数，并且在具有零占空比(图1d)的配置中达到其最大值；
-图2示出了在应用根据本发明的获得激光二极管器件的方法之前的半导体外延结构的截面图；
-图3a、图3b、图3c和图3d具体而言是根据本发明的激光二极管器件的俯视图、波导中心处的截面图(Sect.P1)以及两个替代实施例的外部区(Sect.P2)中的两个截面图；
-图4示出了根据本发明制作的激光二极管器件的布拉格光栅的用扫描电子显微镜获得的图像；
-图5示出了根据本发明的激光二极管器件的光谱反射率；
-图6(a、b)、7(a、b)、8(a、b)、9(a、b)和10(a、b)示出了根据本发明的用于获得激光二极管器件的方法的后续步骤；具体而言，图“a”是波导处的纵向截面，而图“b”是俯视图；以及
-图11至图16示出了根据本发明的用于制作激光二极管器件的方法的另外步骤。
具体实施方式
以下描述将说明用于深入理解一个或多个实施例的一些示例的各种具体细节。可以在没有这些具体细节中的一个或多个或者具有其它方法、组件、材料等的情况下实施这些实施例。在其它情况下，将不会详细示出或描述一些已知的结构、材料或操作以避免混淆实施例的各个方面。本说明书中对“实施例”的任何引用将指示特定配置、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，可能存在于本说明书的不同部分中的短语“在实施例中”和其它类似短语不一定全部与同一实施例相关。此外，任何特定配置、结构或特征可以酌情组合在一个或多个实施例中。
因此，下面的引用仅仅是为了简化起见而使用，并不限制各种实施例的保护范围或扩展。
简而言之，根据本发明的激光二极管集成了例如布拉格反射镜之类的周期性结构或光栅，以稳定二极管本身发射的波长，并允许获得有效的波长复用，特别是用于直接二极管材料处理应用。
在图1a中的示意性俯视图中示出了本文中提出的结构。
这是DBR激光器，其中可以辨别指示为GO的限定有源区的波导，而附图标记RT整体指定限定DBR的无源区域的周期性光栅结构。
这种周期性结构RT用于波长选择和稳定以及用于横向光限制。
限定光栅RT的无源区域包括两种不同的布拉格光栅，其在无源区域中分别限定指定为R1和R2的两种区域。
具体而言，区域R1旨在用于并专用于波长选择和稳定，而两个横向区域R2主要用于并专用于横向光限制，但是它们与区域R1中的光栅在相同的光谱范围内反射。
例如，在图1b中所示的示例性实施例中，存在低级数(例如，级数1)和高占空比(例如，1/2)的光栅R1，以及高级数(例如，级数3)和低占空比(例如，1/6)的光栅R2。
已经分析了几种解决方案，并且上述的解决方案似乎是制备结构的最佳解决方案。具体而言，上述解决方案允许通过使用低占空比和不同级数的布拉格光栅在区域R1中进行光限制。
然而，仍然可以设想一些替代方案，并且具体而言可以产生区域R2：
a)具有低占空比和与区域R1的光栅相同的级数，参见图1c；或者
b)具有零占空比，参见图1d。在这种情况下，光栅仅存在于区域R1中，并且区域R2仅执行光学限制功能，而不执行反射功能。
情况a)提供了在反射方面更有效并且在横向光限制方面不太有效的解决方案。
情况b)提供了在横向光限制方面更有效并且在反射方面不太有效的解决方案。
在有源波导的理想延续部分之外的区域(由附图标记R2指示的区域)中减小的半导体材料体积允许横向限制光，这要归功于由不同的或甚至零的占空比并且可能还有相对于区域R1的光栅的不同级数而生成的较低的有效折射率。
传统的解决方案可能存在需要复杂的晶片上光刻的缺点，具有非平面形态(例如，用于产生有源波导的脊或埋脊结构)或者具有难以获得的纵横比的深蚀刻，与传统的解决方案不同，所提出的解决方案被证明是特别有利的，因为它仅需要一个高分辨率光刻和从平面区域起的仅一次浅蚀刻。
参考图2，通过处理半成品晶片获得根据本发明的激光二极管器件，半成品晶片包括从底部起的基板S、布置在基板S上的至少一个第一包覆层CL1、布置在第一包覆层CL1上并适于发射激光辐射的有源层A、布置在有源层A上的至少一个第二包覆层CL2和接触层C。
包覆层CL1和CL2适于形成异质结，从而允许在有源层A中的电流的有效注入和垂直光学限制。
在一个实施例中，图2中其截面图中所示的二极管包括例如由砷化镓(GaAs)制成的基板S，其上的例如第一包覆层CL1、有源层A和第二包覆层CL2通过本领域技术人员已知的沉积技术逐渐沉积。
有源层A优选地是适于在宽波长范围内生成光学增益的量子阱结构。包覆层CL1和CL2是例如砷化铝镓AlGaAs之类的半导体材料层，其结合量子阱结构并且适于形成异质结(在p或n掺杂之后，本领域技术人员本身已知)，从而允许电流到量子阱结构中的有效注入和垂直光学限制。
具体而言，在下文将详细描述的制造方法中，从类似图2中所示的半成品晶片起，产生如图3a、图3b、图3c和图3d中所示的结构。
参考图3a，可以识别包括在上层CL2和C中获得的波导GO的有源区域ZA，以及包括在包覆层CL2中产生的光栅RT的无源区域ZP。
更详细地，图3a是要获得的器件的俯视图，图3b是截面P1处的侧视图，并且图3c、图3d是截面P2处的侧视图。截面P1和P2在图3a中示出。
具体地，在图3a中，波导GO是通过光学光刻和化学蚀刻，通过去除区GO附近的接触层C和包覆层C2的一部分形成的脊。
还存在脊-在该非限制性示例中，指示了其中五个：C1、C2、C3、C4和C5-它们形成光栅RT。这五个脊C1、C2、C3、C4和C5位于与限定波导的脊GO的侧面处的横向部分PL2相同的平面中。最后，其余部分PL3位于比横向部分PL2和形成光栅RT的脊C1、C2、C3、C4和C5的水平低的水平处。
实质上，由此获得的器件在三个不同的平面中延伸，并且具体而言，最高平面PL1是形成波导GO的脊之一，中间平面PL2由形成光栅RT的脊C1、C2、C3、C4和C5以及由波导的横向部分限定，并且最低平面PL3由光栅RT附近的区域表示。
然而，可以设想该器件具有另外的平面或水平；例如，可以设想形成光栅的脊处于如图3d中的PL4所示的较低水平处，而不是脊GO的横向区域的水平PL2。
当然，术语“较低”指的是图中所示的表示中低于另一个水平的水平。例如，可以说在图3b的结构中，包覆层CL1处于比包覆层CL2低的水平处。
因此，参考图3a和图3b，脊C1、C2、C3、C4和C5限定了与空的部分交替的具有高折射率的半导体材料的元件，以便产生布拉格光栅，即折射率的周期性变化的结构。
在本文中提出的解决方案中，在图1a中通过附图标记R2指示的布拉格光栅的横向部分(具有低占空比和可选地，较高的光栅级数)充当横向光学包覆层，提供光束限制并克服光学损耗的问题。
可以通过使用例如纳米压印或电子束光刻之类的适当的纳米光刻技术来实现这种光栅建模，纳米压印或电子束光刻是用于制备在半导体晶片上限定的光栅的常规技术。
在图1a中示意性地示出了所提出的解决方案，其中
Figure BSA0000168162160000081
是光栅的周期，“λB”是布拉格波长，“n”是波导的有效折射率，“mi”是光栅的级数，并且DCi是占空比(i＝1用于引导区，i＝2用于外部区)。
基于传递矩阵方法的计算示出，对于高功率量子阱激光器结构，以低占空比和可选的较高光栅级数获得的横向光学限制(区域R2)可能变得类似于用例如广域脊结构之类的标准波导结构获得的横向光学限制：
-引导区中的光栅：m＝1，v＝0.5
-外部区中的光栅：m＝3，v＝1/6
横向限制＝Δnlat＝1.8＊10-3。
输出光束的波长以本身已知的方式与周期性结构的光栅或光栅RT的间距相关。
图4示出了DBR的在扫描电子显微镜下获得的图像，其中在波导区中用一级且DC＝1/2的光栅以及在横向区中用三级且DC＝1/6的光栅制备DBR以实现光学限制。
该DBR的参数是：
光栅R1(一级)：
-λ＝0.92μm
-m1＝1
-Λ1＝130nm
-DC＝1/2
-65nm宽脊，65nm宽沟槽
光栅R2(三级)：
-m2＝3
-Λ2＝m2＊Λ1＝3＊130nm＝390nm
-DC＝1/6
-65nm宽脊，325nm宽沟槽。
图5示出了λ＝0.92μm的DBR光栅的光谱反射率，其中可以注意到，光栅仅在非常窄的波长范围(λ＝0.92μm附近约15nm)内具有高反射性。
下面将描述根据本发明的制作激光二极管的可能方法的示例。
图6a示出了具有有源层A以及两个包覆层CL1和CL2、基板S和接触层C的起始器件的侧视图。
图6b示出了器件的俯视图，其中只有接触层C是可见的。
制造方法的第一步骤是形成波导GO。
具体而言，如图7a和图7b中所示，在接触层C上沉积合适的抗蚀剂层，然后进行光刻和蚀刻以限定有源波导GO。
图7a和图7b示出了由光刻得到的抗蚀剂掩模，用于保护下面部分。因此，通过抗蚀剂掩模蚀刻半导体的下一步骤，在上晶片层C、CL2中建模波导GO。
在下一步骤中，去除抗蚀剂掩模，并获得图8a和图8b中所示的结构。具体而言，在波导GO(其成形为从晶片的其余部分凸起的脊)附近的上层已被蚀刻并部分地去除。
在图9a和图9b中，形成光栅。具体而言，在另外的制造步骤期间，沉积合适的抗蚀剂层以限定光栅RT的脊CR。
之后，下一高分辨率光刻步骤用于限定光栅的两种不同部位(区域R1和R2)。第一种部位(区域R1)具有低级数(例如，1)和高DC的光栅，第二种部位(区域R2)具有低DC和等于或大于区域R1的光栅级数的光栅级数，或者没有光栅(参见图1d)。
最后，进行对未被抗蚀剂覆盖的包覆层干蚀刻的步骤，从而获得图10a和图10b中所示的器件。
蚀刻具有适当的深度，例如150nm。
在图10a中，可以看到限定波导的凸起区域和限定光栅的脊CR。
具体而言，如图10b中可以看到的，存在三种不同深度的水平。从顶部起，首先在水平PL1处遇到限定波导GO的脊；然后，在相同的水平PL2处，存在波导的横向部分和光栅的脊；最后，光栅的蚀刻部分处于最低水平PL3处。
现在将参考图11至图16描述根据本发明的处理激光二极管器件的另外的步骤。
图11说明了通过上述方法获得的根据本发明的激光二极管器件。
在图12中，在各种实施例中，沉积具有合适的厚度(例如，150-500nm)的电介质材料DI(例如，氧化硅或氮化硅)层。可以通过使用例如PECVD(等离子体增强化学气相沉积)之类的等离子体辅助技术或溅射技术来实现沉积。
图13示出了在电介质材料DI上沉积合适的抗蚀剂层的步骤，在已经产生波导GO的部分中将抗蚀剂层进行光刻和开口。
随后，参见图14，蚀刻电介质以便在有源波导GO上限定电注入区域PE，并去除抗蚀剂掩模。
图15说明了在晶片的顶侧(即，已经产生波导GO和光栅RT的一侧)上沉积金属化层MT2的下一步骤，以便在二极管的p侧获得欧姆接触。典型的p型金属化层是Ti-Pt-Au(钛-铂-金)。
然后使基板S减薄以使其达到适合于分裂处理的厚度(典型的厚度值范围为80至150μm)。
最后，进行将金属化层MT1沉积到基板S的减薄侧上的另外的步骤，以便在二极管的n侧上获得欧姆接触。典型的n型金属化层是Au-Ge-Ni-Au(金-锗-镍-金)。
图16示出了通过上述制造方法的步骤获得的最终器件。
所提出的解决方案的特征和优点：
-将DBR集成到高功率半导体激光器中，设计有效的镜面反射率，例如通过将大部分功率导向前发射刻面而允许由激光刻面发射的光学功率不平衡；
-窄发射光谱；实际上，只有那些具有在光栅的反射率范围内的波长的腔体模式才能参与激光发射；
-可以通过利用通过DBR获得的波长控制，组合来自不同激光二极管的以不同波长发射的光束；以这种方式，由不同激光束之和得到的组合光束的质量可以变得非常接近于各个构成光束的质量(保持光束参数积(Beam Product Parameter))；
-通过单个光刻和单个蚀刻在平面区中制备DBR光栅；
-通过纳米光刻技术对光栅进行建模，将波导集成到布拉格光栅中，从而减少DBR中的插入损耗。
当然，在不损害本发明原理的情况下，在不脱离如所附权利要求所述的本发明的保护范围的情况下，可以从仅通过非限制性示例描述和说明的实施例广泛地变化实施例的形式和实现细节。

Claims (14)

1.一种用于在具有稳定波长的半导体激光器的平面部分中制作具有分布式光栅反射器的分布式布拉格反射器DBR激光二极管的方法，包括以下步骤：
-提供由基板、布置在基板上的至少一个第一包覆层、布置在第一包覆层上并且适于发射光学辐射的有源层、布置在有源层上的至少一个第二包覆层、以及接触层形成的二极管，所述包覆层适于形成异质结以允许电流到有源层中的有效注入和光学限制，
-在DBR激光二极管的第一有源部分上产生波导以提供光学辐射的限制，以及
-在DBR激光二极管的其余无源部分上产生用于光反射和限制的两种不同的光栅，其中：
所述两种光栅沿着所述DBR激光二极管的光轴彼此横向相邻并且限定两种不同的区域，
第一区域包括低级数的光栅并且用于反射，
第二区域包括与第一区域相同低级数的光栅或比第一区域更高级数的光栅，
第一区域的占空比高于第二区域的占空比，并且
第二区域与第一区域横向相邻并且沿着所述光轴在第一区域的两侧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过光刻和随后的蚀刻来实现用于限制光学辐射的波导。
3.根据权利要求1所述的方法，其中制作第一区域的光栅或第二区域的光栅中的一个需要高分辨率光刻和从平面区域起的浅蚀刻。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在未被抗蚀剂覆盖的部分上的半导体的蚀刻是干蚀刻。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，有源层为量子阱结构，所述量子阱结构被布置成在宽波长光谱上生成光学增益。
6.根据权利要求1所述的方法，其中包覆层是半导体材料层。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述半导体材料层包括在砷化镓基板上的砷化铝镓。
8.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用纳米光刻技术来制作第一区域的光栅或第二区域的光栅中的一个。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述纳米光刻技术为纳米压印或电子束光刻。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在DBR激光二极管上沉积电介质材料层，其中通过使用等离子体辅助技术或溅射技术来实现沉积。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电介质材料层为氧化硅或氮化硅。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述等离子体辅助技术为PECVD。
13.根据权利要求1所述的方法，其中在二极管上沉积多个金属化层，以获得二极管的欧姆接触。
14.一种在具有稳定波长的半导体激光器的平面部分中具有分布式光栅反射器的分布式布拉格反射器DBR激光二极管，DBR激光二极管包括：
基板、布置在基板上的至少一个第一包覆层、布置在第一包覆层上并且适于发射光学辐射的有源层、布置在有源层上的至少一个第二包覆层、以及接触层，所述包覆层适于形成异质结以允许电流到有源层中的有效注入和光学限制；
布置在DBR激光二极管的第一有源部分上以提供光学辐射的限制的波导；以及
布置在DBR激光二极管的其余无源部分上的用于光反射和限制的两种不同的光栅，其中：
所述两种光栅沿着所述DBR激光二极管的光轴彼此横向相邻并且限定两种不同的区域，
第一区域包括低级数的光栅并且用于反射，
第二区域包括与第一区域相同低级数的光栅或比第一区域更高级数的光栅，
第一区域的占空比高于第二区域的占空比，并且
第二区域沿着所述光轴在第一区域的两侧与第一区域横向相邻。
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