CN109921277A - 消除半导体激光器comd的方法及半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除半导体激光器COMD的方法及半导体激光器，其中，消除半导体激光器COMD的方法包括如下步骤：在衬底上形成外延层；在外延层上形成非吸收窗口结构；在非吸收窗口结构处进行解理；在解理面上形成钝化层。采用本发明提供的消除半导体激光器COMD的方法，非吸收窗口结构禁带宽度大，不会吸收光子，且由于在非吸收窗口结构进行了真空解理镀膜钝化，因而非吸收窗口结构表面态密度也比较低，有效抑制了载流子的非辐射复合，因此，腔面位置的发热量极低，COMD得以被完全消除。并且，对非吸收窗口结构进行真空解理钝化时，即使真空度适度减小，在激光器工作状态下腔面位置的非辐射复合仍然可以忽略不计，不会影响激光器的COMD阈值。

Description

消除半导体激光器COMD的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，具体涉及一种消除半导体激光器COMD的方法及半导体激光器。

背景技术

提高光输出功率、寿命与可靠性一直是半导体激光器领域的研究重点，其中灾变性光学镜面损伤(Catastrophic Optical mirror Degradation，简称COMD)是影响半导体激光器光输出功率和可靠性的重要因素。COMD是激光器腔面区域吸收谐振腔内部较高的光辐射后，导致该处温度超过其熔点，从而发生腔面熔化的一种灾变性破坏。为了解决这个问题，现有技术通常采用两种方法：1、真空解理镀膜技术，在高真空环境下完成外延片的解理和镀膜过程，防止了氧和碳等杂质对出光腔面的玷污；2、在出光腔面处形成非吸收窗口技术，应用多次外延技术或者量子阱混杂技术在端面附近形成一层宽带隙材料，形成输出光的透明窗口，减少光吸收。这些方法可在一定程度提高半导体激光器器件的寿命和可靠性，但是仍会出现灾变性光学镜面损伤现象。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中对COMD阈值提升有限以及真空解理钝化成本高的缺点，从而提供一种消除半导体激光器COMD的方法及装置。

本发明一方面提供了一种消除半导体激光器COMD的方法，包括如下步骤：在衬底上形成外延层；在外延层上形成非吸收窗口结构；在非吸收窗口结构处进行解理；在解理面上形成钝化层。

可选地，在外延层上形成非吸收窗口结构，包括：在外延层的表面制备掩膜；图形化掩膜暴露外延层的待扩散区域；至少在待扩散区域表面生长扩散源；将扩散源向衬底方向扩散，形成窗口结构。

可选地，图形化掩膜暴露晶圆外延层的待扩散区域包括：将待扩散区域的掩膜刻蚀；刻蚀未被掩膜覆盖的晶圆的外延层。

可选地，将扩散源向晶圆方向扩散，形成窗口结构之前，还包括如下步骤：在扩散源上方形成保护层。

可选地，在非吸收窗口结构处进行解理之前，还包括如下步骤：去除晶圆外延层的掩膜、扩散源和保护层。

可选地，解理位置为窗口结构中间位置。

可选地，在解理面上形成钝化层的真空环境气压小于或等于1×10^-4Torr。

可选地，掩膜和保护层的材料为SiN；扩散源通过气相沉积法或气相外延生长技术生长，扩散源的材料为Si或Zn中的一种；钝化镀膜使用的材料包括ZnS、ZnTe、ZnSe、CdS、SiN和Si中的至少之一。

本发明另一方面提供一种半导体激光器，其特征在于，包括：衬底；位于衬底上的外延层；非吸收窗口，位于外延层上，非吸收窗口的出光腔面为解理面；钝化层形成在解理面上。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的消除半导体激光器COMD的方法，在制作半导体激光器的过程中，通过在外延层上形成非吸收窗口结构,并在该非吸收窗口结构位置处进行解理，对解理面钝化。一方面，在半导体激光器工作时，尤其是出光波长较短时，腔面位置具有较大的光功率密度，由于非吸收窗口层禁带宽度大，不会吸收腔面位置处的光子，同时，非吸收窗口层的出光腔面进行了真空解理钝化，非吸收窗口层的出光腔面表面态密度比较低,可以有效的缓解由于非吸收窗口层的出光腔面仍然存在表面态，随着器件的使用时长的增加，非吸收窗口层非辐射复合的程度会不断增强的现象。因此，非吸收窗口层出光腔面位置的发热量极低，甚至非吸收窗口的COMD得以被完全消除。另一方面，由于增加了禁带宽度较大的非吸收窗口结构，非吸收窗口结构几乎不吸收光子，内部的载流子密度低，即使在较小的真空度，如压力小于1×10^-4Torr时，对非吸收窗口结构进行真空解理钝化，腔面的表面态密度有所提高，但是在激光器工作状态下腔面位置的非辐射复合仍然可以忽略不计，不会影响激光器的COMD阈值。

2.真空环境气压达到1×10^-4Torr，便可提高半导体激光器COMD阈值，甚至消除COMD，极大的降低了真空解理钝化工艺的成本，解决了高真空环境下环境压力的微小波动对半导体激光器的影响。

3.钝化镀膜使用非氧化物钝化材料，该类材料可以直接进行热蒸发，无需通入其他气体，避免通入的气体对清洗后的材料造成二次污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例消除半导体激光器COMD的方法的流程图；

图2为本发明实施例消除半导体激光器COMD的方法的流程图；

图3至图11为本发明实施例消除半导体激光器COMD的方法所得到的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

正如背景技术所述，现有技术中通常采用在外延层上制作非吸收窗口减少光子的吸收，或者采用高真空解理钝化，减小氧和碳等杂质对出光腔面的玷污，采用上述技术在激光波长较长时，例如：900nm以上波长，均可以很好提高COMD阈值，然而，在波长较短时，无论采用非吸收窗口结构还是高真空解理钝化，均存在腔面熔化的不良现象，发明人经研究发现，使用真空解理镀膜虽然能够抑制腔面的氧化，但无法阻止腔面位置的光吸收，当半导体激光器达到比较高的光输出功率时，腔面仍能大量吸收光子，引起COMD；使用非吸收窗口结构时虽然能阻止腔面位置的光吸收，但腔面位置仍然存在表面态，会产生非辐射复合，且随着器件的使用，非辐射复合的程度会不断增强，引起COMD。基于上述发现，发明人提供了一种消除半导体激光器COMD的方法。在本实施例中，消除半导体激光器COMD的方法可以用于提高半导体激光器COMD阈值甚至完全消除COMD，具体的，如图1所示，该方法可以包括如下步骤：

S1.在衬底上形成外延层100；

S2.在外延层100上形成非吸收窗口结构104；

S3.在非吸收窗口结构104处进行解理；

S4.在解理面上形成钝化层105。

本发明实施例提供的消除半导体激光器COMD的方法，在制作半导体激光器的过程中，通过在外延层上形成非吸收窗口结构,并在该非吸收窗口结构位置处进行解理，对解理面钝化。一方面，在半导体激光器工作时，尤其是出光波长较短时，腔面位置具有较大的光功率密度，由于非吸收窗口层禁带宽度大，不会吸收腔面位置处的光子，同时，非吸收窗口结构的出光腔面进行了真空解理钝化，非吸收窗口结构的出光腔面表面态密度比较低,可以有效的缓解由于非吸收窗口结构的出光腔面仍然存在表面态，随着器件的使用时长的增加，非吸收窗口结构非辐射复合的程度会断增强的现象。因此，非吸收窗口结构出光腔面位置的发热量极低，甚至非吸收窗口结构的COMD得以被完全消除。另一方面，由于增加了禁带宽度较大的非吸收窗口结构，非吸收窗口结构几乎不吸收光子，内部的载流子密度低，对非吸收窗口结构进行真空解理钝化时，即使真空度适度减小(压力小于1×10^-4Torr)，腔面的表面态密度适度提高，在激光器工作状态下腔面位置的非辐射复合仍然可以忽略不计，不会影响激光器的COMD阈值。

在一实施例中，如图2所示，在外延层100上形成非吸收窗口结构104(步骤S2)，包括：

S21：在晶圆外延层100制备掩膜101。在一具体实施例中，制备掩膜101所用的材料为SiN，掩膜101的厚度为50-200nm之间。

S22：图形化掩膜101，暴露外延层100的待扩散区域。在一具体实施例中，形成待扩散区域包括：将待扩散区域的掩膜101刻蚀，所称待扩散区域可以为外延层100的中间位置，刻蚀宽度为4000-5000nm；刻蚀未被掩膜101覆盖的外延层100，即在刻蚀过掩膜101的位置刻蚀晶圆的外延层100，形成深度为0-1000nm的凹槽，此时的凹槽便为上述待扩散区域。

S23：至少在所述待扩散区域表面生长扩散源102。在一具体实施例中，在待扩散区域生长的扩散源102可以使用气相沉积法，也可以使用新型气相外延生长技术等，扩散源102可以是含硅的材料，也可以是含锌的材料，本申请对此不做具体限定。

S24：将所述扩散源102向衬底方向扩散，形成非吸收窗口结构104。在一具体实施例中，扩散方式为将晶圆置于扩散炉中，进行高温扩散，利用杂质扩散制备非吸收窗口结构104，具体的，扩散深度可以扩散至有源层，在本实施例中，扩散深度可以为1000-2000nm，具体的深度可以根据实际有源层位置确定，在本实施例中不做限定。杂质扩散到有源区后引起量子阱混杂效应，增加有源区的禁带宽度，非吸收窗口结构104不会吸收半导体激光器发光区域产生的光子。

下面通过图3-11表示在使用消除半导体激光器COMD的方法的过程中外延层100的结构，对本实施例的消除半导体激光器COMD的方法进行详细说明，具体的，可以包括如下步骤：

S10.在晶圆外延层100表面制备掩膜101，制备掩膜101所用的材料为SiN，掩膜101的厚度为50-200nm之间，制备掩膜101时可以在温度为200-500摄氏度之间进行。通过执行步骤S10形成图3所示的结构。

S20.图形化掩膜101，将待扩散区域的掩膜101刻蚀，所称待扩散区域可以为外延层100的中间位置，刻蚀宽度为4000-5000nm。通过执行步骤S20形成图4所示的结构。

S30.刻蚀未被掩膜101覆盖的外延层100，即在刻蚀过掩膜101的位置刻蚀外延层100，形成深度为0-1000nm的凹槽。通过执行步骤S30形成图5所示的结构。

S40.至少在所述待扩散区域表面生长扩散源102，如图5所示，在待扩散区域生长的扩散源102可以使用气相沉积法，也可以使用新型气相外延生长技术等，扩散源102可以是含硅的材料，也可以是含锌的材料，本申请对此不做具体限定。通过执行步骤S40形成图6所示的结构。

S50.在扩散源102上方形成保护层103，如图6所示，沉积保护层103的环境温度在200-500摄氏度之间，保护层103的厚度在20-200nm之间，保护层103的材料可以使用SiN，本申请对此不做限定。通过执行步骤S50形成图7所示的结构。

S60.将扩散源102向衬底方向扩散，如图7所示，形成非吸收窗口结构104。扩散方式为将晶圆置于扩散炉中，进行高温扩散，扩散到有源区，产生量子阱混杂效应，增加了有源区的禁带宽度，由于禁带宽度大，非吸收窗口结构104不会吸收在激光器芯片区域产生的光子，扩散深度为1000-2000nm，扩散区域的宽度为4000-5000nm，由于扩散区域的宽度远大于扩散深度，所以扩散时出现的发散现象可忽略不计。通过执行步骤S60形成图8所示的结构。

S70.去除外延层100表面的掩膜101、扩散源102和保护层103。通过执行步骤S70形成图9所示的结构。

S80.在所述非吸收窗口结构104位置将所述晶圆进行解理。由于扩散之后形成了非吸收窗口结构104，非吸收窗口结构几乎不吸收光子，内部的载流子密度低，腔面的表面态密度适度提高，对非吸收窗口结构进行真空解理钝化时，即使真空度适度减小(压力小于1×10^-4Torr)，在激光器工作状态下腔面位置的非辐射复合仍然可以忽略不计，不会影响激光器的COMD阈值。解理位置优选非吸收窗口结构104的中间位置，使解理后形成的两个部件的非吸收窗口结构104厚度均衡。通过执行步骤S80形成图10所示的结构。

S90.在外延层100解理面形成钝化层105。通过执行步骤S90形成图11所示的结构。钝化镀膜105使用非氧化物钝化材料，例如可以是ZnS、ZnTe、ZnSe、CdS、SiN和Si中的至少之一，常规度钝化层采用AlON、SiAlON、Al₂O₃以及MgO、Ga₂O₃、TiO₂、CrO₂、BeO等氧化物钝化材料，该类材料在镀膜沉积时需要高温加热蒸发，而高温会导致材料氧分离，造成含氧量偏低，镀膜质量差，所以需要在镀膜过程中对腔体通入一定量的氧气或者其他气体以保证材料含氧量平衡，而氧气会导致清洗后的芯片腔面再次氧化，降低器件的可靠性，而非氧化物钝化材料可以直接进行热蒸发，无需通入其他气体，避免通入的气体对清洗后的材料造成二次污染。且由于非吸收窗口结构104不吸收光子，非吸收窗口结构的发热量极低，与之相邻的钝化层位置的温度不会升高，保持了钝化层105的稳定性。相较于现有技术中在没有非吸收窗口结构的情况下对晶圆直接进行真空解理钝化，采用本实施例提出的消除半导体激光器COMD的方法所需的真空环境比较容易达到，减少投入成本，减小了可能因环境压力的微小波动影响产品良率等风险。

本施例提供一种半导体激光器，图11示出了形成在半导体激光器出光腔面的示意图，该半导体激光器的制作采用上述实施例提供的消除半导体激光器COMD的方法。采用本发明实施例提供的消除半导体激光器COMD的方法制备的半导体激光器，在衬底的外延层100表面形成了非吸收窗口结构104和钝化层105，非吸收窗口结构104增加了有源区的禁带宽度，由于禁带宽度大，非吸收窗口结构104不会吸收在半导体激光器出光腔面的光子，同时，非吸收窗口结构104的出光腔面进行了真空解理钝化，非吸收窗口结构104的出光腔面表面态密度比较低,可以有效的缓解由于非吸收窗口结构104的出光腔面仍然存在表面态，随着器件的使用时长的增加，非吸收窗口结构非辐射复合的程度会断增强的现象。因此，非吸收窗口结构出光腔面位置的发热量极低，甚至非吸收窗口结构的COMD得以被完全消除，且非吸收窗口结构几乎不吸收光子，内部的载流子密度低，即使真空度适度减小(压力小于1×10^-4Torr)，腔面的表面态密度适度提高，在激光器工作状态下腔面位置的非辐射复合仍然可以忽略不计，不会影响激光器的COMD阈值。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，包括如下步骤：

在衬底上形成外延层；

在所述外延层上形成非吸收窗口结构；

在所述非吸收窗口结构处进行解理；

在解理面上形成钝化层。

2.根据权利要求1所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，所述在所述外延层上形成非吸收窗口结构，包括：

在所述外延层的表面制备掩膜；

图形化所述掩膜暴露所述外延层的待扩散区域；

至少在所述待扩散区域表面生长扩散源；

将所述扩散源向所述衬底方向扩散，形成窗口结构。

3.根据权利要求2所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，所述图形化所述掩膜暴露所述外延层的待扩散区域，包括：

将待扩散区域处的所述掩膜刻蚀；

刻蚀未被所述掩膜覆盖的所述外延层。

4.根据权利要求2所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，所述将所述扩散源向所述衬底方向扩散，形成窗口结构之前，还包括如下步骤：

在所述扩散源上方形成保护层。

5.根据权利要求4所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，所述在所述非吸收窗口结构处进行解理之前，还包括如下步骤：

去除所述外延层上方的所述掩膜、所述扩散源和所述保护层。

6.根据权利要求2所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，

解理位置为所述非吸收窗口结构的中间位置。

7.根据权利要求1所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，

所述在解理面上形成钝化层的真空环境气压小于或等于1×10^-4Torr。

8.根据权利要求4或5所述的消除半导体激光器COMD的方法，其特征在于，

所述掩膜和所述保护层的材料为SiN；

所述扩散源通过气相沉积法或新型气相外延生长技术生长，所述扩散源的材料为Si或Zn中的一种。

9.一种半导体激光器，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述衬底上的外延层；

非吸收窗口，位于所述外延层上，所述非吸收窗口的出光腔面为解理面；

钝化层形成在所述解理面上。

10.根据权利要求9所述的半导体激光器，其特征在于，

所述钝化层使用的材料为非氧化物钝化材料。