CN111092366A - 一种具有双面电流限制结构的半导体激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有双面电流限制结构的半导体激光器及制备方法，属于半导体激光器技术领域，激光器从下至上设有下电极层、衬底、缓冲层、下包层、有源层、上包层、接触层，衬底与缓冲层之间水平方向间隔设有掩盖层；在衬底上逐渐生长掩盖层、外延层；接触层上腐蚀出脊型结构，脊型结构包括凸部和凹部，凹部下陷至上包层中；接触层的脊型结构上方生长绝缘层，凸部顶端的绝缘层设有空断间隔，绝缘层上方蒸镀上电极层，在衬底下表面蒸镀下电极层。相比传统的单面电流限制结构，利用本发明的制备方法制备的双面电流限制结构激光器，仅需要一次外延及一次外延层刻蚀工艺，不会增加激光器制作步骤和成本，不会影响激光器的产出率。

Description

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有双面电流限制结构的半导体激光器及制备方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

半导体激光器是利用电注入在半导体中实现电子空穴复合发光并形成谐振放大的光器件。形成激光的必要条件之一是达到粒子数反转，因此需要极高的电流密度。这需要对半导体激光器的注入电流限制在一个微小的区域内，可以有效防止因电流扩展、泄露等问题造成的电流损失，获得较低的阈值电流，提高激光器的增益特性。尤其是大功率激光器，一直在追求高效率、高亮度，从而获得低成本的高功率输出及简易的热处理装置。因此，对电流的限制尤为重要。在半导体激光器中，对注入电流的限制方法包括粒子注入、脊型刻蚀、掩埋异质结、氧化绝缘等，每种方法都有其优缺点，根据器件实际情况都有选择。

掩埋异质结结构是光通讯边射型激光器中电流限制的常用方法，主要是在电流注入区两侧形成pnp的反型异质结进行电流隔绝，从而实现注入电流的有效限制。中国专利CN106785910A公布了一种掩埋结构激光器及其制作方法。激光器包括衬底、台面结构、掩埋结构和电极接触层，台面结构位于衬底上；掩埋结构由至少一层第一材料层和至少一层第二材料层构成，第二材料层覆盖于第一材料层上，并且第二材料层上对应台面结构的台顶区域设置有凹槽结构；电极接触层位于第二材料层上。中国专利CN106300013A也公布一种掩埋异质结结构，它有效结合AlGaInAs/InP材料和掩埋异质结技术的优点,生长出一种高效激光器外延结构,达到避免Al氧化，降低俄歇复合，带间吸收，改善器件高温特性的作用，同时减小激光器阈值电流密度，提高有源层材料的特征温度以及有源区量子阱的外量子效率、内量子效率和转换效率。虽然掩埋异质结结构可以有效限制电流，也有多种优化的实现方式，但是这种结构需要经过多次外延及多次芯片工艺，对环境及生长工艺要求较高，而且增加了工艺步骤，必然会降低产品良率。

在面发射激光器中，由于谐振腔较短，需要更高的增益系数，因此电流注入区的面积更小，对电流限制要求更加严格。中国专利CN106856296A公开了一种长波长垂直腔面发射激光器。它在n型DBR中间设有电流限制层,电流限制层上形成有圆形电流限制孔,衬底和n型DBR为等直径的圆台型结构,其直径大于所述出光孔的直径,小于长波长垂直腔面发射激光器最终解离芯片横向尺寸。该结构能够减小长波长垂直腔面发射激光器内部的串联电阻,增加注入载流子的效率,实现器件的高速特性的改进。其中的电流限制层一般通过湿法氧化，使AlGaAs变为绝缘的Al₂O₃，从而使电流限制在出光孔内。但是湿法氧化过程一直是面发射激光器的一个工艺难点，很难保证多个出光孔的一致性，限制了其在阵列集成方面的高功率应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有双面电流限制结构的半导体激光器。

本发明还提供上述半导体激光器的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，从下至上设有下电极层、衬底、缓冲层、下包层、有源层、上包层、接触层，衬底与缓冲层之间水平方向间隔设有掩盖层；掩盖层在水平方向利用间隔产生空间通道，在空间通道里衬底和缓冲层直接接触、没有掩盖层，这种间隔空间用于电流通过、形成电流通道，衬底和缓冲层之间其他设有掩盖层的地方用于阻挡电流通过、在器件的下方形成电流限制；

接触层上设有脊型结构，脊型结构包括凸部和凹部，凹部下陷至上包层中；即，在接触层开始设有深度甚至上包层的脊型结构；接触层的脊型结构上方设有绝缘层，凸部顶端的绝缘层设有空断间隔，绝缘层上方设有上电极层；绝缘层处的空断间隔用于在器件上方形成电流通道，有空断间隔的地方接触层与上电极层直接接触，从而形成电流通道，而接触层上方其他设有绝缘层的地方在器件上方形成电流限制。

根据本发明优选的，绝缘层的空断间隔与掩盖层的水平方向间隔位于同一竖直方向上。在绝缘层的空断间隔处透过的电流也会顺利穿过下方掩盖层的间隔空间，上下两处电流限制作用在一个竖直方向上，使得电流路径最短。

根据本发明优选的，所述掩盖层为绝缘的SiO₂或者绝缘的Si₃N₄，掩盖层的厚度为50-100nm，掩盖层的水平方向的间隔宽度为50-200um，其水平方向的间隔宽度为激光器下面的电流通道宽度。

根据本发明优选的，缓冲层的厚度为1-2um。在进行外延生长时，掩盖层上方不易结晶，而外延材料是沿着掩盖层间隔开口的位置向上生长并向两侧扩展，最终覆盖掩盖层，因此缓冲层必须具有一定厚度，保证外延层融为一层。

进一步优选的，所述缓冲层与衬底的材料相同。

根据本发明优选的，所述绝缘层的材料为SiO₂或Si₃N₄，厚度为50-200nm。绝缘层的绝缘材料与脊型的结构共同限制激光器上方的电流。

根据本发明优选的，脊型结构凸部顶端的绝缘层空断间隔的宽度为50-200um。为激光器上面的电流通道宽度。

一种上述具有双面电流限制结构的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

(1)在衬底上方生长一层掩盖层，垂直于激光器腔面方向腐蚀出周期分布的掩盖层长条，周期分布即使得掩盖层在水平方向产生间隔；

(2)将带有周期分布掩盖层的衬底放入气相外延炉中，使用气相外延的方法在图形衬底上依次外延生长缓冲层及标准的激光器外延层，外延层包括下包层、有源层、上包层和接触层；

(3)从接触层开始腐蚀出脊型结构，脊型结构的凹部下陷至上包层；

(4)在晶片接触层脊型结构的上方生长一层绝缘层，并去掉脊型结构凸部顶端一定宽度的绝缘层，形成绝缘层的空断间隔；

(5)减薄衬底背面至厚度80-120μm，在绝缘层上表面蒸镀上电极层，在衬底下表面蒸镀下电极层，并进行合金；

(6)经过巴条解理及镀膜，在掩盖层的间隔中心处解离成单颗芯片，形成具有双面电流限制结构的半导体激光器。

根据本发明优选的，步骤(6)中，掩盖层水平方向上的周期宽度与单颗芯片水平方向上的周期宽度一致。这样在切割出单颗芯片时，单颗芯片上的掩盖层只有掩盖层的水平方向间隔能透过电流。

进一步优选的，单颗芯片水平方向上的周期宽度为300-500um。

本发明的有益效果在于：

本发明的双面电流限制结构半导体激光器，通过掩盖层限制激光器下方的电流路径，通过脊型结构及绝缘层限制激光器上方的电流路径，且两种限制结构形成的电流通道位于同一竖直方向，可以有效限制半导体激光器的电流扩展，减小电流流经有源区的面积，使激光器的有源区更容易发生粒子数反转，降低激光器阈值电流，提高激光器的内量子效率，最终增加激光器的转换效率。同时相比传统的单面电流限制结构，本发明的双面电流限制结构，仅需要一次外延及一次外延层刻蚀工艺，不会增加激光器制作步骤和成本，不会影响激光器的产出率。

附图说明

图1是传统的单面电流限制结构的半导体激光器的结构示意图。

图2是本发明具有双面电流限制结构的半导体激光器的结构示意图。

图3是本发明中掩盖层的周期分布俯视示意图。

图4是本发明中掩盖层的周期分布截面示意图。

图5是本发明的实施例同对比例结构激光器的功率测试对比图。

图中：1、下电极层，2、衬底，3、缓冲层，4、下包层，5、有源层，6、上包层，7、接触层，8、上电极层，9、绝缘层，10、掩盖层。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，如图2所示，从下至上设有下电极层、衬底、缓冲层、下包层、有源层、上包层、接触层，衬底与缓冲层之间水平方向间隔设有掩盖层；掩盖层水平方向利用间隔产生空间通道，在空间通道里衬底和缓冲层直接接触、没有掩盖层，这种间隔空间用于电流通过、形成电流通道，衬底和缓冲层之间其他设有掩盖层的地方用于阻挡电流通过、在器件的下方形成电流限制。

接触层上设有脊型结构，脊型结构包括凸部和凹部，凹部下陷至上包层中；即，在接触层开始设有深度甚至上包层的脊型结构；接触层的脊型结构上方设有绝缘层，凸部顶端的绝缘层设有空断间隔，绝缘层上方设有上电极层；绝缘层处的空断间隔用于在器件上方形成电流通道，有空断间隔的地方接触层与上电极层直接接触，从而形成电流通道，而接触层上方其他设有绝缘层的地方在器件上方形成电流限制。

实施例2：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例1所述，所不同的是，绝缘层的空断间隔与掩盖层的水平方向间隔位于同一竖直方向上。在绝缘层的空断间隔处透过的电流也会顺利穿过下方掩盖层的间隔空间，上下两处电流限制作用在一个竖直方向上，使得电流路径最短，如图2中虚线箭头所示的电流路径。

实施例3：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例2所述，所不同的是，所述掩盖层为绝缘的SiO₂或者绝缘的Si₃N₄，掩盖层的厚度为50nm，掩盖层的水平方向的间隔宽度为50um，其水平方向的间隔宽度为激光器下面的电流通道宽度。

实施例4：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例3所述，所不同的是，所述掩盖层为绝缘的SiO₂或者绝缘的Si₃N₄，掩盖层的厚度为100nm，掩盖层的水平方向的间隔宽度为200um，其水平方向的间隔宽度为激光器下面的电流通道宽度。

实施例5：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例3所述，所不同的是，缓冲层的厚度为1um。在进行外延生长时，掩盖层上方不易结晶，而外延材料是沿着掩盖层间隔开口的位置向上生长并向两侧扩展，最终覆盖掩盖层，因此缓冲层必须具有一定厚度，保证外延层融为一层。所述缓冲层与衬底的材料相同。

实施例6：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例5所述，所不同的是，缓冲层的厚度为2um。在进行外延生长时，掩盖层上方不易结晶，而外延材料是沿着掩盖层间隔开口的位置向上生长并向两侧扩展，最终覆盖掩盖层，因此缓冲层必须具有一定厚度，保证外延层融为一层。所述缓冲层与衬底的材料相同。

实施例7：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例5所述，所不同的是，所述绝缘层的材料为SiO₂或Si₃N₄，厚度为50nm。绝缘层的绝缘材料与脊型的结构共同限制激光器上方的电流。

实施例8：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例7所述，所不同的是，所述绝缘层的材料为SiO₂或Si₃N₄，厚度为200nm。绝缘层的绝缘材料与脊型的结构共同限制激光器上方的电流。

实施例9：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例7所述，所不同的是，脊型结构凸部顶端的绝缘层空断间隔的宽度为50um。为激光器上面的电流通道宽度。

实施例10：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其结构如实施例9所述，所不同的是，脊型结构凸部顶端的绝缘层空断间隔的宽度为200um。为激光器上面的电流通道宽度。

实施例11：

一种制备实施例9所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

(1)在衬底上方生长一层掩盖层，垂直于激光器腔面方向腐蚀出周期分布的掩盖层长条；周期分布即使得掩盖层在水平方向产生间隔；

(2)将带有周期分布掩盖层的衬底放入气相外延炉中，使用气相外延的方法在图形衬底上依次外延生长缓冲层及标准的激光器外延层，外延层包括下包层、有源层、上包层和接触层；

(3)从接触层开始腐蚀出脊型结构，脊型结构的凹部下陷至上包层；

(4)在晶片接触层脊型结构的上方生长一层绝缘层，并去掉脊型结构凸部顶端一定宽度的绝缘层，形成绝缘层的空断间隔，绝缘层的空断间隔的宽度为50μm；

(5)减薄衬底背面至厚度为80μm，在绝缘层上表面蒸镀上电极层，在衬底下表面蒸镀下电极层，并进行合金；

(6)经过巴条解理及镀膜，在掩盖层的间隔中心处解离成单颗芯片，形成具有双面电流限制结构的半导体激光器。

实施例12：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器的制备方法，其步骤如实施例11所述，所不同的是，步骤(5)中，减薄衬底背面至120μm，在绝缘层上表面蒸镀上电极层，在衬底下表面蒸镀下电极层，并进行合金。

实施例13：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器的制备方法，其步骤如实施例11所示，所不同的是，步骤(6)中，所述半导体激光器单颗芯片水平方向上的横向周期由掩盖层的周期决定，掩盖层水平方向上的周期宽度与单颗芯片水平方向上的周期宽度一致，这样在切割出单颗芯片时，单颗芯片上的掩盖层只有掩盖层的水平方向间隔能透过电流，单颗芯片水平方向上的周期宽度为300um。

实施例14：

一种具有双面电流限制结构的半导体激光器的制备方法，其步骤如实施例13所示，所不同的是，单颗芯片水平方向上的周期宽度为500um。

对比例1

一种脊型结构电流限制的半导体激光器，如图1所示，从下至上设有下电极层、衬底、缓冲层、下包层、有源层、上包层、接触层。

接触层上设有脊型结构，脊型结构包括凸部和凹部，凹部下陷至上包层中；即在接触层开始设有深度甚至上包层的脊型结构；接触层上方设有绝缘层，凸部顶端的绝缘层设有空断间隔，绝缘层上方设有上电极层；绝缘层处的空断间隔用于在器件上方形成电流通道，有空断间隔的地方接触层与上电极层直接接触，从而形成电流通道，而接触层上方其他设有绝缘层的地方在器件上方形成电流限制。

此种结构的激光器只在有源层上方形成电流限制，而下方没有电流限制，电流在经过有源层时，路径发生扩展，并没有形成很好的电流限制。

实验例

将按照本发明实施例11制备出的激光器和对比例1结构的激光器进行功率测试，如图5所示。对比例中只具有单面脊型电流限制结构，阈值电流为0.52A，而本发明具有双面电流限制结构的激光器阈值电流降至0.47A，降低比例为10％。且随着电流增加，对比例结构的电流扩展越厉害，功率降低明显，在工作电流为3A时，对比例结构的激光器功率为2.50W，而本发明实施例结构的激光器功率为2.82W，功率增加13％。两种结构的最大功率转换效率分别为36％和40％。因此，本发明的具有双面电流限制的激光器可以更好的限制激光器有源区的电流，降低器件的阈值电流，增加光功率及转换效率。

Claims (10)

1.一种具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，从下至上设有下电极层、衬底、缓冲层、下包层、有源层、上包层、接触层，衬底与缓冲层之间水平方向间隔设有掩盖层；

接触层上设有脊型结构，脊型结构包括凸部和凹部，凹部下陷至上包层中；接触层的脊型结构上方设有绝缘层，凸部顶端的绝缘层设有空断间隔，绝缘层上方设有上电极层。

2.根据权利要求1所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，绝缘层的空断间隔与掩盖层的水平方向间隔位于同一竖直方向上。

3.根据权利要求1所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，所述掩盖层为SiO₂或者Si₃N₄，掩盖层的厚度为50-100nm，掩盖层的水平方向的间隔宽度为50-200um。

4.根据权利要求1所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，缓冲层的厚度为1-2um。

5.根据权利要求1所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，所述缓冲层与衬底的材料相同。

6.根据权利要求1所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，所述绝缘层的材料为SiO₂或Si₃N₄，厚度为50-200nm。

7.根据权利要求1所述的具有双面电流限制结构的半导体激光器，其特征在于，脊型结构凸部顶端的绝缘层空断间隔的宽度为50-200um。

8.一种制备权利要求1-7任意一项权利要求所述具有双面电流限制结构的半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

(1)在衬底上方生长一层掩盖层，垂直于激光器腔面方向腐蚀出周期分布的掩盖层长条；

(2)将带有周期分布掩盖层的衬底放入气相外延炉中，使用气相外延的方法在图形衬底上依次外延生长缓冲层及激光器外延层，外延层包括下包层、有源层、上包层和接触层；

(3)从接触层开始腐蚀出脊型结构，脊型结构的凹部下陷至上包层；

(4)在晶片接触层脊型结构的上方生长一层绝缘层，并去掉脊型结构凸部顶端一定宽度的绝缘层，形成绝缘层的空断间隔；

(5)减薄衬底背面至厚度80-120μm，在绝缘层上表面蒸镀上电极层，在衬底下表面蒸镀下电极层，并进行合金；

(6)经过巴条解理及镀膜，在掩盖层的间隔中心处解离成单颗芯片，形成具有双面电流限制结构的半导体激光器。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，掩盖层水平方向上的周期宽度与单颗芯片水平方向上的周期宽度一致。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，单颗芯片水平方向上的周期宽度为300-500um。

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