CN110086080B - 半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器 - Google Patents

半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器，该制备方法包括：在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源；对生长有扩散源的晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口。通过实施本发明，在射频电场的作用下，轰击离子会轰击晶圆片表面，在无保护层的扩散源内部产生空位缺陷，富As的环境有利于外延层中的Ga、Al原子向扩散源中扩散，并在扩散源内部同As原子相结合，同时在外延层中留下空位。外延层中空位的增多能够促进杂质向下扩散，提高杂质向下扩散的浓度与深度，减小扩散温度和扩散时间，提高器件的可靠性，降低生产成本。

Description

半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器。
背景技术
半导体激光器灾变性光学镜面损伤(COMD，Catastrophic optical mirrordamage)是限制半导体激光器功率输出及影响器件寿命的主要因素，COMD是因为腔面上的杂质或位错等缺陷会吸收激光，造成局部的能量过高，温度的升高会导致半导体材料的带隙收缩，光子吸收更强烈，当温度继续升高后会形成恶性循环，最终导致COMD的产生。非吸收窗口结构是利用比衬底材料能带间隙更宽的材料在腔面形成一个窗口区，这样在激光器工作时由于宽带隙效应大大降低了腔面的光吸收从而减少热量产生，以达到消除COMD发生的可能。
杂质诱导无序化扩散是制备非吸收窗口区的一种常用方法，其主要技术特征是通过先沉积扩散源、随后高温扩散的方式，使杂质离子向半导体激光器内部扩散，实现量子阱区域材料的混杂，从而制备出非吸收窗口。硅扩散源是一种有广阔应用前景的扩散源，其扩散完成后，能一次性实现窗口结构、电学隔离和光学限制的作用。但常规的硅扩散源扩散条件苛刻，需要在800摄氏度以上的高温下、扩散10个小时以上才能得到非吸收窗口。而扩散温度高、扩散时间长，会降低器件的可靠性，同时增加生产的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器，以解决非吸收窗口制备时扩散温度高、扩散时间长，会降低器件的可靠性，同时增加生产成本的问题。
本发明提出的技术方案如下：
本发明实施例第一方面提供一种半导体激光器非吸收窗口的制作方法，该方法包括：在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源；对生长有扩散源的所述晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口。
进一步地，所述对生长有扩散源的所述晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口包括：将生长有扩散源的所述晶圆置于包含射频电场的扩散炉中；在所述扩散炉中通入包含砷及轰击离子的混合气氛；以预设压力和预设温度对所述晶圆进行退火，形成所述非吸收窗口。
进一步地，所述预设压力为10－1000Pa，所述预设温度为350℃－600℃。
进一步地，所述在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源包括：在半导体激光器晶圆片的上表面形成第一保护层；图形化所述第一保护层，形成所述待扩散区域；在所述待扩散区域和所述第一保护层表面生长所述扩散源。
进一步地，所述图形化所述第一保护层，形成所述待扩散区域包括：采用光刻和刻蚀工艺，在所述晶圆片上表面形成条形所述第一保护层；采用刻蚀工艺，去除晶圆片上表面未覆盖所述第一保护层的部分晶圆片。
进一步地，在所述待扩散区域和所述第一保护层表面生长所述扩散源之后，还包括：在生长扩散源表面上沉积第二保护层；采用刻蚀工艺，去除待扩散区域表面的第二保护层。
进一步地，在所述对生长有扩散源的所述晶圆在射频电场中退火，形成非吸收窗口之后，还包括：去除晶圆片表面的第一保护层、未扩散的扩散源和第二保护层。
进一步地，所述在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源包括：在砷气氛中进行生长所述扩散源。
本发明实施例第二方面提供一种半导体激光器非吸收窗口，所述非吸收窗口采用本发明实施例第一方面任一项所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法制备。
本发明实施例第三方面提供一种半导体激光器，该激光器包括如本发明实施例第二方面所述的半导体激光器非吸收窗口。
本发明提出的技术方案，具有如下效果：
本发明实施例提供的半导体激光器非吸收窗口及其制备方法和半导体激光器，采用了量子阱混杂技术中的杂质诱导无序化扩散的方式，通过先沉积扩散源，随后通过高温扩散的方式，使得杂质离子扩散到半导体激光器晶圆中，但是现有的扩散源扩散时需要在800摄氏度以上的高温下、扩散10个小时以上才能取得所需的扩散效果。扩散温度高、扩散时间长，会降低器件的可靠性，同时增加生产的成本；本发明实施例通过将生长有扩散源的晶圆在射频电场中退火，在射频电场的辅助下，轰击离子会轰击晶圆片表面，在无保护层的扩散源内部产生空位缺陷，富As的环境有利于外延层中的Ga、Al原子向扩散源中扩散，并在扩散源内部同As原子相结合，同时在外延层中留下空位。外延层中Ga、Al空位的增多能够促进杂质向下扩散，提高杂质向下扩散的浓度与深度，减少扩散温度和扩散时间，提高器件的可靠性，降低生产成本。
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是根据本发明实施例的半导体激光器非吸收窗口的制作方法的流程图；
图2是根据本发明另一实施例的半导体激光器非吸收窗口的制作方法的流程图；
图3是根据本发明另一实施例的半导体激光器非吸收窗口的制作方法的流程图；
图4A至图4H是根据本发明实施例的半导体激光器非吸收窗口的制作方法所得到的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
本发明实施例提供一种半导体激光器非吸收窗口的制作方法，如图1所示，该制作方法包括如下步骤：
S101：在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源。具体地，半导体激光器晶圆的结构可以是包括从上至下依次设置的衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱和量子阱垒区、上波导层、上限制层及欧姆接触层；在带扩散区域生长的扩散源可以是含硅的扩散源。在生成扩散源时，可以在含砷的气氛中进行，砷的含量可以在0％－20％，砷气氛可以增加晶圆中点缺陷的含量，从而提高杂质离子的扩散速率，减小扩散时间。
S102：对生长有扩散源的晶圆在包含射频电场、砷气氛和轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口。具体地，将生长扩散源的晶圆在射频电场中退火，扩散源可以在射频电场、砷气氛和轰击离子的作用下扩散到晶圆中，形成非吸收窗口，当扩散源为含硅扩散源时，形成的非吸收窗口还可以起到电学隔离和光学限制的作用。
通过上述步骤S101至步骤S102，本发明实施例提供的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，采用了量子阱混杂技术中的杂质诱导无序化扩散的方式，通过先沉积扩散源，随后通过高温扩散的方式，使得杂质离子扩散到半导体激光器晶圆中，但是现有的扩散源扩散时需要在800摄氏度以上的高温下、扩散10个小时以上才能取得所需的扩散效果。扩散温度高、扩散时间长，会降低器件的可靠性，同时增加生产的成本；本发明实施例通过将生长有扩散源的晶圆在射频电场中退火，而在射频电场的作用下，轰击离子会轰击晶圆片表面，在无保护层的扩散源内部产生空位缺陷。富As的环境有利于外延层中的Ga、Al原子向扩散源中扩散，并在扩散源内部同As原子相结合，同时在外延层中留下空位。外延层中Ga、Al空位的增多能够促进杂质向下扩散，提高杂质向下扩散的浓度与深度，减少扩散温度和扩散时间，提高器件的可靠性，降低生产成本。
作为可选的实施例，射频频率可以选择较为常见的13.56MHz频段或者是2.45GHz等频段。
作为可选的实施例，对生长有扩散源的晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口可以采用如下工艺进行：将生长有扩散源的晶圆置于包含射频电场的扩散炉中；在扩散炉中通入包含砷及轰击离子的混合气氛；以预设压力和预设温度对晶圆进行退火，形成非吸收窗口。具体地，预设温度可以是350℃－600℃，优选地，可以采用450摄氏度的温度进行退火，退火六个小时即可达到所需要的扩散效果。退火时，可以将生长有扩散源的晶圆置于扩散炉中，扩散炉内的压力为10－1000Pa，以使杂质离子更容易的扩散到晶圆中。
具体地，可以将晶圆置于氩和砷化氢的混合气氛中，氩气可以作为轰击离子。因为在射频电场的作用下，Ar+离子会轰击晶圆片表面，在无保护层保护的扩散源内部产生空位缺陷。AsH3在射频电场的作用下会大量分解，使晶圆片表面呈现出富As的状态。大量空位以及富As的状态，有利于GaAs、AlGaAs外延层中的Ga、Al原子向扩散源中扩散，并在扩散源内部同As原子相结合，同时在外延层中留下Ga、Al空位。外延层中Ga、Al空位的增多能够促进杂质向下扩散，提高杂质向下扩散的浓度与深度。因此，在本发明实施例提供的半导体激光器非吸收窗口的制作方法中，所需的扩散温度在350－600摄氏度之间，所需的扩散时间在4－8小时之间。同常规扩散条件相比，扩散温度与扩散时间出现了大幅度的下降。
作为可选的实施例，如图2所示，在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源可以包括以下步骤：
S111：在半导体激光器晶圆片的上表面形成第一保护层。具体地，在半导体激光器晶圆片的欧姆接触层上形成第一保护层，第一保护层可以是氮化硅薄膜或氧化硅薄膜，第一保护层的厚度可以控制在50－200nm之间，第一保护层的生长温度控制在200－500摄氏度之间，本发明对此不做限定。
S112：图形化第一保护层，形成待扩散区域。具体地，可以采用光刻和刻蚀工艺，在晶圆片上表面形成条形的第一保护层，之后采用刻蚀工艺，去除晶圆片上表面未覆盖第一保护层的部分晶圆片，去除的部分晶圆片的深度可以控制在0—1000nm之间，本申请对此不做限定。
S113：在待扩散区域和第一保护层表面生长扩散源。具体地，生长扩散源时，可以采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)或有机金属化学气相沉积法(MOCVD，Metal－organic Chemical VaporDeposition)，本申请对此不做限定。
作为可选的实施例，在待扩散区域和第一保护层表面生长所述扩散源之后，还包括：在生长扩散源表面上沉积第二保护层；采用刻蚀工艺，去除待扩散区域表面的第二保护层。第二保护层可以是氮化硅薄膜或氧化硅薄膜，第二保护层的厚度可以控制在1um左右，沉积温度控制在300摄氏度。本发明对此不做限定。去除待扩散区域表面的第二保护层，可以使得扩散源在射频电场作用下扩散时，轰击离子能够轰击到扩散源表面，而剩余的保护层可以保护不需要扩散的区域不受轰击离子的轰击。
作为可选的实施例，在对生长有扩散源的晶圆在射频电场中退火，形成非吸收窗口之后，还包括：去除晶圆片表面的第一保护层、未扩散的扩散源和第二保护层。在去除时，可以采用一些酸溶液使用清洗的工艺去除。
作为可选的实施例，如图3所示，半导体激光器非吸收窗口的制备方法可以采用以下步骤进行：
S201：在半导体激光器晶圆片10的上表面形成氮化硅薄膜20；经过S201后的结构如图4A所示。
S202：采用光刻和刻蚀工艺，在晶圆片10上表面形成条形氮化硅薄膜21；经过S202后的结构如图4B所示。
S203：采用刻蚀工艺，去除晶圆片10上表面未覆盖氮化硅薄膜的部分晶圆片，生成条形晶圆片上表面11；经过S203后的结构如图4C所示。
S204：在待扩散区域和氮化硅薄膜表面20生长含硅扩散源30；经过S204后的结构如图4D所示。
S205：在生长扩散源30表面上沉积氮化硅薄膜保护层40；经过S205后的结构如图4E所示。
S206：采用刻蚀工艺，去除待扩散区域表面的氮化硅薄膜保护层40；经过S206后的结构如图4F所示。
S207：对生长有扩散源的晶圆在射频电场中退火，形成非吸收窗口12；经过S207后的结构如图4G所示。
S208：去除晶圆片10表面的氮化硅薄膜20、未扩散的扩散源和氮化硅薄膜保护层40。经过S208后的结构如图4H所示。
本发明实施例还提供一种半导体激光器非吸收窗口，该非吸收窗口采用上述实施例提供的半导体激光器非吸收窗口的制作方法制备。
本发明实施例提供的半导体激光器非吸收窗口，采用了量子阱混杂技术中的杂质诱导无序化扩散的方式，通过先沉积扩散源，随后通过高温扩散的方式，使得杂质离子扩散到半导体激光器晶圆中，但是现有的扩散源扩散时需要在800摄氏度以上的高温下、扩散10个小时以上才能取得所需的扩散效果。扩散温度高、扩散时间长，会降低器件的可靠性，同时增加生产的成本；本发明实施例通过将生长有扩散源的晶圆在射频电场中退火，而在射频电场的作用下，轰击离子会轰击晶圆片表面，在无保护层的扩散源内部产生空位缺陷。富As的环境有利于外延层中的Ga、Al原子向扩散源中扩散，并在扩散源内部同As原子相结合，同时在外延层中留下空位。外延层中Ga、Al空位的增多能够促进杂质向下扩散，提高杂质向下扩散的浓度与深度，减少扩散温度和扩散时间，提高器件的可靠性，降低生产成本。
本发明实施例还提供一种半导体激光器，该半导体激光器包括上述实施例提供的半导体激光器非吸收窗口。
本发明实施例提供的半导体激光器，包括非吸收窗口区，可以消除半导体激光器灾变性光学腔面损伤，而非吸收窗口的制备采用了量子阱混杂技术中的杂质诱导无序化扩散的方式，通过先沉积扩散源，随后通过高温扩散的方式，使得杂质离子扩散到半导体激光器晶圆中，但是现有的扩散源扩散时需要在800摄氏度以上的高温下、扩散10个小时以上才能取得所需的扩散效果。扩散温度高、扩散时间长，会降低器件的可靠性，同时增加生产的成本；本发明实施例通过将生长有扩散源的晶圆在射频电场中退火，而在射频电场的作用下，轰击离子会轰击晶圆片表面，在无保护层的扩散源内部产生空位缺陷。富As的环境有利于外延层中的Ga、Al原子向扩散源中扩散，并在扩散源内部同As原子相结合，同时在外延层中留下空位。外延层中Ga、Al空位的增多能够促进杂质向下扩散，提高杂质向下扩散的浓度与深度，减少扩散温度和扩散时间，提高器件的可靠性，降低生产成本。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，包括：
在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源；
对生长有扩散源的所述晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，所述对生长有扩散源的所述晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口包括：
将生长有扩散源的所述晶圆置于包含射频电场的扩散炉中；
在所述扩散炉中通入包含砷及轰击离子的混合气氛；
以预设压力和预设温度对所述晶圆进行退火，形成所述非吸收窗口。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，所述预设压力为10－1000Pa，所述预设温度为350℃－600℃。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，所述在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源包括：
在半导体激光器晶圆片的上表面形成第一保护层；
图形化所述第一保护层，形成所述待扩散区域；
在所述待扩散区域和所述第一保护层表面生长所述扩散源。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，所述图形化所述第一保护层，形成所述待扩散区域包括：
采用光刻和刻蚀工艺，在所述晶圆片上表面形成条形所述第一保护层；
采用刻蚀工艺，去除晶圆片上表面未覆盖所述第一保护层的部分晶圆片。
6.根据权利要求4所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，在所述待扩散区域和所述第一保护层表面生长所述扩散源之后，还包括：
在生长扩散源表面上沉积第二保护层；
采用刻蚀工艺，去除待扩散区域表面的第二保护层。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，在所述对生长有扩散源的所述晶圆在包含射频电场、砷气氛及轰击离子的环境中退火，形成非吸收窗口之后，还包括：
去除晶圆片表面的第一保护层、未扩散的扩散源和第二保护层。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法，其特征在于，所述在半导体激光器晶圆的待扩散区域生长扩散源包括：
在砷气氛中生长所述扩散源。
9.一种半导体激光器非吸收窗口，其特征在于，所述非吸收窗口采用如权利要求1－8任一项所述的半导体激光器非吸收窗口的制作方法制备。
10.一种半导体激光器，其特征在于，包括如权利要求9所述的半导体激光器非吸收窗口。
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