CN110880676A - 一种半导体激光器的制备方法 - Google Patents

一种半导体激光器的制备方法 Download PDF

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杨国文
李靖
赵卫东
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Abstract

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的制备方法。包括：提供叠层半导体激光器的外延结构；其中，所述外延结构包括含铝外延层；对所述外延结构进行干法刻蚀，以形成侧壁陡直且光滑的条状结构；对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层；其中，所述氧化介质层作为所述叠层半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。通过所述横向电流限制层和横向波导层，可以抑制半导体激光器工作电流的横向扩展，使得每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流，抑制光场横向扩展，实现了尺寸和强度一致的激光光斑。

Description

一种半导体激光器的制备方法
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的制备方法。
背景技术
高功率半导体激光器通常是采用边发射激光器(Edge Emitting Laser,EEL)结构。为了实现低电流阈值、高量子效率和低发散角的高性能的高功率半导体激光器，需要采用包含隧道结和多个量子阱有源区的叠层半导体激光器外延结构，并采用干法或湿法刻蚀工艺形成合理的半导体激光器形状与尺寸，然后采用侧壁钝化或离子注入等方法来限制注入载流子和光场的横向扩展。
利用侧壁钝化技术制作基于隧道结的叠层高功率半导体激光器，首先对边发射激光器外延材料进行湿法深腐蚀形成条形结构巴条，腐蚀深度超过最下面的重掺杂隧道结处；然后在巴条两侧沉积氮化硅(SiNx)或氧化硅(SiO2)或氮化铝(AlN)等绝缘介质层，从而抑制注入电流的横向扩展，有效地降低激光发散角。但是湿法深腐蚀是一种各向同性的化学溶液腐蚀方法，一般得到的是倾斜的圆弧状侧壁，多个量子阱有源区的宽度不一致，而且侧壁钝化技术难以控制叠层高功率半导体激光器中隧道结之下电流的横向扩展，因此，无法在叠层半导体激光器的多个发光量子阱有源区获得整齐一致的发光宽度，激光发散角大，不利于长距离激光雷达和光纤耦合激光器中的应用。
利用离子注入方法可以抑制电流的横向扩展，但是需要高能量离子注入。对于双隧道结叠层半导体激光器，其底部隧道结距离表面9-11μm，离子注入工艺需要800kV左右的加速电压和特殊的光刻胶掩膜以及800℃以上高温退火修复离子注入造成的晶格损伤，这会使得光刻胶在高能离子轰击下变质且很难彻底去除，影响后期器件工艺和性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种半导体激光器的制备方法，以解决基于叠层半导体激光器的电流横向扩展和光斑不一致的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供一种半导体激光器的制备方法，包括：
提供叠层半导体激光器的外延结构；其中，所述外延结构包括含铝外延层；
对所述外延结构进行干法刻蚀，以形成侧壁陡直且光滑的条状结构；
对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层；其中，所述氧化介质层作为所述叠层半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过对所述含铝外延层进行氧化，使得所述含铝外延层中被氧化的部分即所述氧化介质层形成所述叠层半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。所述横向电流限制层和横向波导层可以有效抑制所述叠层半导体激光器工作电流的横向扩散，使得所述叠层半导体激光器的每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流；由于氧化生成的氧化介质层(AlOx)的折射率低于AlGaAs和GaAs等半导体材料，在所述条形结构的两侧形成了横向波导结构，限制了光场发散，抑制了侧壁漏光现象，实现尺寸和强度一致的激光光斑。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所有所述外延结构中，所述含铝外延层中的所述横向电流限制层和横向波导层一致。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过对所述叠层半导体激光器的所述外延结构进行干法刻蚀，以形成侧壁陡直且光滑的条状结构；所述条状结构保证了后续湿法氧化时形成一致的电流横向限制层和横向波导层，从而有效抑制所述半导体激光器工作电流的横向扩散，使得每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流和光场横向扩展，实现了尺寸和强度一致的激光光斑。
结合第一方面或第一方面第一实施例，在第一方面第二实施例中，所述对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层包括：
将所述条状结构置入湿法氧化炉中，并将所述湿法氧化炉的温度升高至第一预设温度；
向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述第一预设温度为400℃至500℃。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过将所述条状结构置入湿法氧化炉并将其温度升高至400℃至500℃，然后向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使所述条状结构中的所述含铝外延层(AlGaAs)氧化形成所述氧化介质层(AlOx)，即横向电流限制层和横向波导层。湿法氧化方法的氧化速率精确可控、氧化深度均匀一致且可以实时监控氧化深度。湿法氧化方法形成氧化介质层的技术成本低、精度高、对半导体激光器外延层晶格无损伤，几乎没有二次污染。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层包括：
将第二预设温度的去离子水与载气鼓泡后形成所述含水蒸气气体；
将所述含水蒸气气体通入湿法氧化炉中，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层。
结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述载气为惰性气体。
结合第一方面第四实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述第二预设温度为80℃至95℃。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过将所述条状结构置入是湿法氧化炉，使所述条状结构中的所述含铝外延层与所述含水蒸气气体进行氧化反应，形成所述横向电流限制层和横向波导层。在湿法氧化炉中对所述条状结构进行氧化，保证了对所述叠层半导体激光器所有的所述含铝外延层的氧化深度均匀、一致，避免了使用离子注入法时，高能离子注入造成的半导体激光器外延材料的晶格损伤和光刻胶变质，从而防止晶格损伤对半导体激光器的工作性能和可靠性的影响，且所述横向电流限制层和横向波导层可以有效抑制所述半导体激光器工作电流和光场的横向扩展，使得每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流和侧壁漏光几率，实现了尺寸和强度一致的激光光斑。
结合第一方面，在第一方面第七实施方式中，所述含铝外延层中的Al组分高于80％。
结合第一方面，在第一方面第八实施方式中，所述半导体激光器的制备方法还包括：
对氧化后的所述条状结构进行横向解理形成半导体激光器巴排；
对所述巴排的出光面镀减反膜并对所述巴排远离所述出光面的表面镀高反射膜，形成光学谐振腔。
结合第一方面，在第一方面第九实施方式中，所述外延结构还包括：至少2个量子阱有源区、至少2对波导层、至少2对限制层和至少1个隧道结。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过对氧化后的所述条状结构进行横向解理形成半导体激光器巴排，并对所述半导体激光器巴排的出光面镀减反(AR)膜，远离所述出光面的表面镀高反射(HR)膜，形成光学谐振腔。该方法减小了所述半导体激光器巴排出光面的反射光与杂散光，从而增强了所述半导体激光器巴排出光面的透光量，在远离所述出光面的表面镀高反射膜，增强了所述远离所述出光面的反射率，从而降低了镜面损耗，提高了所述光学谐振腔的光学增益和内量子效率。
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制备方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的半导体激光器的外延结构的俯视图；
图3是根据本发明实施例的外延结构的剖面示意图；
图4是根据本发明实施例的半导体激光器的外延结构在干法刻蚀后的条形结构示意图；
图5是根据本发明实施例的外延结构干法刻蚀后局部剖面示意图；
图6是根据本发明实施例的外延结构的条形结构湿法氧化示意图；
图7是根据本发明实施例的半导体激光器制备的完整流程图；
图8是根据本发明实施例的多个半导体激光器排列示意图；
图9是根据本发明实施例的半导体激光器局部示意图；
图10是根据本发明实施例的半导体激光器的完整结构示意图。
附图标记：
1-衬底；2-GaAs缓冲层；3-N-AlyGa1-yAs限制层；4-AlzGa1-zAs下波导层；5-InxGa1- xAs量子阱层；6-AlzGa1-zAs上波导层；7-AlnGa1-nAs含铝外延层；8-P-AlyGa1-yAs限制层；9-隧道结；10-P+-GaAs层；11-N型金属电极；12-P型金属电极；71-氧化介质层。
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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1是根据本发明实施例的半导体激光器制备方法的流程图，如图1所示，该流程包括以下步骤：
S11，提供叠层半导体激光器的外延结构。
所述外延结构可以根据不同的设计需求，生长不同的组分层。本发明实施例提供了一种外延结构，具体地，图2是根据本发明实施例的半导体激光器的外延结构的俯视图。所述外延结构的剖面图如图3所示，所述外延结构的生长包括：依次在N型GaAs衬底1上外延生长N型GaAs缓冲层2，N-AlyGa1-yAs限制层3，其中0.3≤y≤0.8，AlzGa1-zAs下波导层4,其中0.0≤z≤0.5，InxGa1-xAs量子阱层5,其中0.0≤x≤0.3，AlzGa1-zAs上波导层6,其中0.0≤z≤0.5，AlnGa1-nAs含铝外延层7，P-AlyGa1-yAs限制层8,其中0.3≤y≤0.8，其中0.3≤y≤0.8，隧道结9，然后重复生长3-9层一次，再重复生长3-8层一次，最后在最上面生长一层P+-GaAs层10。其中，所述含铝外延层7中的Al组分高于80％，优选地，所述含铝外延层7中的Al组分为95％-100％。其中,所述隧道结9由重掺杂的P型和N型GaAs或GaInAs或GaAsSb或者GaInP等组成。
S12，对所述外延结构进行干法刻蚀，以形成侧壁陡直且光滑的条状结构。
在图2所示的半导体激光器外延片表面进行涂胶、曝光、显影和坚膜等工艺，形成条状光刻胶掩膜，然后放入感应耦合等离子体(ICP)刻蚀机中进行干法深刻蚀，刻蚀深度超过最底层的隧道结。ICP刻蚀之后的所述条形结构示意图如图4所示，其中白色为光刻胶保护区域即未被刻蚀的条状结构，黑色区域是干法刻蚀形成的深槽。
图5对所述外延结构进行干法刻蚀后局部的剖面示意图，将经过曝光显影后的所述外延结构中的光刻胶去除，形成了所述条状结构陡直且光滑的侧壁。
S13，对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层。
在进行湿法氧化时，先将所述条状结构置入湿法氧化炉中，并将所述湿法氧化炉的温度升高至第一预设温度，其中，所述第一预设温度为400℃至500℃；再将第二预设温度的去离子水与载气鼓泡后形成所述含水蒸气气体，其中，所述第二预设温度为80℃至95℃，所述载气为惰性气体。最后将所述含水蒸气气体通入湿法氧化炉中，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成如图6所示的氧化介质层71作为所述半导体激光器的所述横向电流限制层和横向波导层。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过对所述含铝外延层进行氧化，使得所述含铝外延层两侧形成所述氧化介质层，所述氧化介质层作为所述层叠半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。所述横向电流限制层和横向波导层可以有效抑制所述半导体激光器工作电流的横向扩散，使得每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流，抑制了光场横向扩展，实现了尺寸和强度一致的激光光斑。
具体地，所述半导体激光器的制备方法除上述步骤外，还可包含如下步骤来完成后续的制备工艺：
(1)利用等离子体辅助化学气相沉积或原子层沉积法在所述条状结构两侧沉积SiNx，SiO2或者AlN钝化层。
(2)利用反应离子刻蚀方法在所述钝化层上暴露出P型电极窗口。
(3)利用物理气相沉积在P型电极窗口上沉积钛铂金(Ti-Pt-Au)等金属层，然后用电镀或化学镀等方法形成所述电极的加厚Au层。
(4)将将半导体激光器晶圆P型金属面固定在硅片、蓝宝石或者玻璃等载片上，用减薄和抛光等设备将GaAs衬底的厚度减少至50-200μm。
(5)在减薄和抛光后的GaAs衬底表面沉积金锗镍金(AuGe-Ni-Au)合金成分的N型金属电极。
(6)电极退火。将半导体激光器晶圆放入H2或者N2或Ar等惰性气体中在380-420℃退火处理30秒至2分钟，使P型金属电极和N型金属电极形成合金并且分别与P+-GaAs层和N型GaAs衬底背面形成欧姆接触。
具体地，所述半导体激光器的N型金属电极、P型金属电极电极示意图如图10所示。
(7)横向解理，形成半导体激光器巴排。
(8)对所述半导体激光器巴排的出光面镀减反(AR)膜并对所述半导体激光器巴排远离所述出光面的表面镀高反射(HR)膜，形成光学谐振腔。
(9)将所述镀膜后的半导体激光器巴排进行预设尺寸的解理，形成半导体激光器单管。如图8所示为所述半导体激光器经解理后的俯视图，其中局部C放大图如图9所示。
具体地，所述S13可以通过如下步骤来实现：
S131，将所述条状结构置入湿法氧化炉中，并将所述湿法氧化炉的温度升高至第一预设温度。
其中，所述第一预设温度为400℃至500℃。
S132，向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层。
通过将所述条状结构置入湿法氧化炉并将其温度升高至400℃至500℃，然后向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使所述条状结构中的所述含铝外延层氧化形成所述横向电流限制层和横向波导层。该方法氧化速率和氧化深度精确可控且成本低，几乎没有二次污染，是所述半导体激光器制备过程中不可缺少的步骤。
具体地，所述S132还可以包括如下步骤：
(1)将第二预设温度的去离子水与载气鼓泡后形成所述含水蒸气气体。
其中，所述第二预设温度为80℃至95℃，所述载气为惰性气体。
(2)将所述含水蒸气气体通入湿法氧化炉中，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层。
通过将所述条状结构置入是湿法氧化炉，使所述条状结构中的所述含铝外延层与所述含水蒸气气体进行氧化反应，形成所述横向电流限制层和横向波导层。在湿法氧化炉中对所述条状结构进行氧化，保证了对所述叠层半导体激光器所有的所述含铝外延层的精确可控氧化，提高了氧化均匀性，避免了使用离子注入法时，高能离子注入造成的外延结构晶格损伤和光刻胶变质，从而影响半导体激光器的性能，且所述横向电流限制层和横向波导层可以有效抑制所述半导体激光器工作电流的横向扩散，使得每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流，抑制了光场横向发散，实现了尺寸和强度一致的激光光斑。
图7是根据本发明实施例的半导体激光器制备的完整流程图，如图7所示，所述方法包括如下步骤：
S21，提供叠层半导体激光器的外延结构。
其中，所述外延结构包括含铝外延层、量子阱有源区、波导层、限制层和隧道结等外延层。
具体详见图1所示的步骤S11，在此不再赘述。
S22，对所述外延结构进行干法刻蚀，以形成侧壁陡直且光滑的条状结构。
具体详见图1所示的步骤S12，在此不再赘述。
S23，对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层。
其中，所述氧化介质层部分作为所述叠层半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。
具体详见图1所示的步骤S13，在此不再赘述。
S24，对氧化后的所述条状结构进行横向解理形成半导体激光器巴排。
具体地，所述S24还包括如下步骤：
S241，在氧化后的所述条状结构两侧沉积钝化层。
利用等离子体辅助化学气相沉积或原子层沉积法在所述条状结构两侧沉积SiNx，SiO2或者AlN钝化层。
S242，利用反应离子刻蚀方法在所述钝化层上暴露出P型金属电极接触区。
S243，利用物理气相沉积钛铂金(Ti-Pt-Au)合金成分的P型金属电极种子层并用电镀或化学镀等方法形成所述P型电极的加厚Au层。
S244，衬底减薄。
将半导体激光器晶圆P型电极金属面固定在硅片、蓝宝石或者玻璃等载片上，用减薄和抛光等设备将GaAs衬底的厚度减少至50-200μm。
S245，在GaAs衬底表面沉积金锗镍金(AuGe-Ni-Au)合金成分的N型金属电极。
S246,电极退火。
将半导体激光器晶圆放入H2或者N2或Ar等惰性气体中在380-420℃退火处理30秒至2分钟，使P型金属电极和N型金属电极形成合金并且分别与P+-GaAs层和N型衬底背面形成欧姆接触。
具体地，所述半导体激光器的N型金属电极、P型金属电极电极示意图如图10所示。
S247，横向解理，形成半导体激光器巴排。
S248，对所述半导体激光器巴排的出光面镀减反(AR)膜并对所述半导体激光器巴排远离所述出光面的表面镀高反射(HR)膜，形成光学谐振腔。
S249，将所述镀膜后的半导体激光器巴排进行预设尺寸的解理，形成半导体激光器单管。
解理后的多个半导体激光器的排列俯视图如图8所示，其中，位置C处的局部放大图如图9所示。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过对所述外延结构中的含铝外延层进行氧化，形成所述氧化介质层(AlOx)，即层叠半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。所述横向电流限制层和横向波导层可以有效抑制所述半导体激光器工作电流的横向扩展，使得每一层量子阱有源区被注入一致的电流强度和密度，降低了激光器的阈值电流，抑制了光场横向扩展，实现了尺寸和强度一致的激光光斑。
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)

1.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供叠层半导体激光器的外延结构；其中，所述外延结构包括含铝外延层；
对所述外延结构进行干法刻蚀，以形成侧壁陡直且光滑的条状结构；
对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层；其中，所述氧化介质层作为所述叠层半导体激光器的横向电流限制层和横向波导层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所有所述外延结构中，所述含铝外延层中的所述横向电流限制层和横向波导层一致。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对所述条状结构进行湿法氧化，在所述含铝外延层两侧形成氧化介质层包括：
将所述条状结构置入湿法氧化炉中，并将所述湿法氧化炉的温度升高至第一预设温度；
向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层即所述横向电流限制层和横向波导层。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一预设温度为400℃至500℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述向所述湿法氧化炉中通入含水蒸气气体，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层包括：
将第二预设温度的去离子水与载气鼓泡后形成所述含水蒸气气体；
将所述含水蒸气气体通入湿法氧化炉中，使其与所述条状结构中的所述含铝外延层反应，形成氧化介质层，即所述横向电流限制层和横向波导层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述载气为惰性气体。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二预设温度为80℃至95℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含铝外延层中的铝组分高于80％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对氧化后的所述条状结构进行横向解理形成半导体激光器巴排；
对所述巴排的出光面镀减反膜并对所述巴排远离所述出光面的表面镀高反射膜，形成光学谐振腔。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延结构还包括：至少2个量子阱有源区、至少2对波导层、至少2对限制层和至少1个隧道结。
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