CN111463653A - 一种半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器及其制备方法，该半导体激光器包括：衬底，衬底的第一表面上排布有多个图形结构，图形结构突出于衬底的第一表面；外延层，外延层沿衬底上形成有图形结构的第一表面外延生长形成；外延层中形成有有源层，图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度；绝缘层，设置于外延层对应图形结构上方的区域；第一电极，设置于外延层及绝缘层上方。通过在衬底的第一表面上制作多个图形结构，利用图形结构上方区域和图形结构之间区域生长速率的差异，形成非吸收窗口，简化了制作非吸收窗口的步骤，并且仅通过一次外延生长即可得到正常生长的激光器结构和作为非吸收窗口的激光器结构，工艺的效率和良率均得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器及其制备方法。
背景技术
灾变性光学镜面损伤(Catastrophic Optical mirror Degradation，简称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，其存在严重影响了半导体激光器的光输出功率和可靠性。在激光器腔面处形成非吸收窗口是抑制COMD的一种重要技术手段，多年来受到人们的广泛关注。
目前，常规的制作非吸收窗口的方式是利用杂质或者空位诱导量子阱混杂，从而制备量子阱混杂非吸收窗口。但是这种制作方法涉及到扩散源沉积、高温扩散、扩散源选择性腐蚀等步骤，使得制作非吸收窗口的步骤繁杂，并且这种制作方法制备的非吸收窗口的良率较低。
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及其制备方法，以解决目前激光器腔面处非吸收窗口的制作方法步骤繁杂且良率较低的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器，包括，衬底，衬底的第一表面上排布有多个图形结构，图形结构突出于衬底的第一表面；外延层，外延层沿衬底上形成有图形结构的第一表面外延生长形成；外延层中形成有有源层，图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度；绝缘层，设置于外延层对应图形结构上方的区域；第一电极，设置于外延层及绝缘层上方。
可选地，外延层包括自下而上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。
可选地，有源层包括自下而上的第一量子垒层、量子阱层、第二量子垒层。
可选地，半导体激光器还包括：第二电极，设置在衬底的第二表面上。
可选地，图形结构的截面形状为长方形、梯形或三角形。
可选地，图形结构之间的距离为100μm－5000μm，图形结构纵向长度为4μm－100μm，图形结构高度为1μm－10μm。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器的制备方法，包括：图形化衬底，在第一表面形成多个图形结构；在衬底的第一表面上形成外延层，外延层中形成有有源层，图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度；在外延层对应图形结构的上方区域形成绝缘层；在外延层及绝缘层上方形成第一电极。
可选地，半导体激光器的制备方法还包括：在衬底的第二表面上形成第二电极。
可选地，图形化衬底，包括：通过光刻、刻蚀的方式在衬底的第一表面上形成图形结构。
可选地，外延层包括自下而上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层，在衬底的第一表面上形成外延层，包括：将图形衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀腔室内，逐层生长缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。
本发明实施例提供的半导体激光器及其制备方法，通过在衬底的第一表面上排布多个图形结构，图形结构突出于衬底的第一表面，由于图形结构上方的区域与图形结构之间的区域存在一定的高度差，因而沿衬底上形成有图形结构的第一表面外延生长形成外延层时，携带MO源、氢化物的载气气流在两个区域运动的气流场会存在一定差异，从而导致两个区域的生长速率存在一定差异，其中图形结构上方区域的生长速率较慢，从而图形结构上方的外延层的厚度要小于图形结构之间的外延层的厚度。在外延层中包括有源层，从而图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度。
由于有源层的发光波长由有源层的材料及厚度决定，当有源层的材料保持不变时，有源层的厚度越小，有源层的发光波长越短，从而图形结构上方的有源层的发光波长小于图形结构之间的发光波长。而又由于在外延层对应图形结构的上方的区域设置绝缘层，在外延层及绝缘层上方设置第一电极，从而使得在外延层上对应图形结构之间的区域形成了电流注入窗口，从而图形结构之间的半导体激光器结构有电流注入，其有源层能够产生特定波长的光子。
当这些光子向左右传播并达到图形结构上方区域时，由于图形结构上方的有源层的发光波长小于图形结构之间的有源层的发光波长，这些光子不会被吸收，因而图形结构上方生长的半导体器件结构相对于图形结构之间的半导体器件结构形成了一个非吸收窗口。
通过这种方法形成非吸收窗口，是通过在衬底的第一表面上制作多个图形结构，利用图形结构上方区域和图形结构之间区域生长速率的差异，形成非吸收窗口，简化了制作非吸收窗口的步骤，不需要沉积扩散源、高温扩散等工艺，工艺简单，并且仅通过一次外延生长即可在一个晶圆片上同时得到正常生长的激光器结构和作为非吸收窗口的激光器结构，工艺的效率和良率均得到提高。
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示出了本发明实施例半导体激光器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例进行外延层生长时衬底表面存在气流场差异的示意图；
图3示出了本发明实施例的衬底示意图；
图4示出了本发明实施例形成的图形化彻底的示意图；
图5示出了本发明实施例形成外延层的示意图；
图6示出了本发明实施例形成绝缘层的示意图；
图7示出了本发明实施例进行解理后的半导体激光器芯片结构示意图。
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作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。
本发明实施例提供了一种半导体激光器，如图1所示，包括，衬底1，衬底1的第一表面上排布有多个图形结构2，图形结构2突出于衬底1的第一表面；外延层3，外延层3沿衬底1上形成有图形结构2的第一表面外延生长形成；外延层3中形成有有源层34，图形结构2上方的有源层31的厚度小于图形结构2之间的有源层31的厚度；绝缘层4，设置于外延层3对应图形结构2上方的区域；第一电极5，设置于外延层3及绝缘层4上方。
具体地，衬底1可以为GaAs单晶片。衬底1的材料也可以为InP、GaN、Al2O3、SiC或Si。衬底1与缓冲层接触的表面上设置有凸起的多个图形结构2，图形结构2可以是长方体、梯形台、椎型体等，因此，图形结构2的截面形状可以为长方形、梯形或三角形等。如图1所示，本实施例仅以图形结构2为长方体为了进行说明。长方体的长度方向平行于衬底的解理面，长方体的宽度方向垂直于衬底的解理面。
外延层3沿衬底1上形成有图形结构2的第一表面外延生长形成。外延层3包括自下而上的缓冲层31、下限制层32、下波导层33、有源层34、上波导层35、上限制层36、接触层37。有源层34包括自下而上的第一量子垒层341、量子阱层342、第二量子垒层343。下限制层32的材料可以为AlGaAs，下波导33层的材料可以为AlGaAs，上波导层35的材料可以为AlGaAs，上限制层36的材料可以为AlGaAs，接触层37的材料可以为GaAs。
发明人经过研究发现，由于图形结构2上方的区域与图形结构2之间的区域存在一定的高度差，因而沿衬底1上形成有图形结构2的第一表面外延生长形成外延层3时，携带MO源、氢化物的载气气流在两个区域运动的气流场会存在一定差异，如图2所示，从而导致两个区域的生长速率存在一定差异，其中图形结构2上方区域的生长速率较慢，从而图形结构2上方的外延层3的厚度要小于图形结构2之间的外延层3的厚度。因此，图形结构2上方的外延层3内各层的厚度小于图形结构2之间的外延层3内各层的厚度，但图形结构上方区域外延层3内各层的材料组分同图形结构之间的区域的外延层内各层的材料组分保持一致。图形结构2上方的有源层34内的各层的厚度小于图形结构2之间的有源层34内的各层的厚度，但图形结构2上方区域的有源层34内各层的材料组分与图形结构2之间区域的有源层34内各层的材料组分一致。
并且，有源层34的发光波长由量子阱层342材料成分、量子垒层(341、343)材料成分以及量子阱层342厚度三个因素决定。当量子阱层342材料组分和量子垒层(341、343)材料组份保持不变时，量子阱层342厚度越小，有源层34的发光波长越短。这意味着，图形结构2之间有源层34发出的光不能够被图形结构2上方的有源层34所吸收，即在图形结构2上方区域形成了非吸收窗口结构。
可选地，在本发明的一些实施例中，两个区域生长速率的差别由图形结构的宽度、高度、图形结构之间的距离三个参数的相对大小决定。图形结构之间的距离优选为100μm－5000μm，图形结构纵向长度(宽度)优选为4μm－100μm，图形结构高度优选为1μm－10μm。通过优化三个参数的相对大小，当半导体激光器外延层结构生长完成时，可以使得两个区域的高度差基本消除。
绝缘层4，设置于外延层3对应图形结构2上方的区域。绝缘层的材料可以为SiN、SiO2等，本实施例以绝缘层的材料为SiO2为例进行说明。绝缘层4可以通过外延生长、溅射或光刻、刻蚀的工艺得到。由于SiO2绝缘层的限制作用，仅图形结构2之间生长的半导体激光器外延层结构有电流注入，其有源层34能够产生特定波长的光子。
第一电极5，设置于外延层3及绝缘层4上方。第一电极为P面电极。
第二电极6，设置在衬底1的第二表面上。第二电极为N面电极。
本发明实施例提供的半导体激光器，通过在衬底的第一表面上排布多个图形结构，图形结构突出于衬底的第一表面，由于图形结构上方的区域与图形结构之间的区域存在一定的高度差，因而沿衬底上形成有图形结构的第一表面外延生长形成外延层时，携带MO源、氢化物的载气气流在两个区域运动的气流场会存在一定差异，从而导致两个区域的生长速率存在一定差异，其中图形结构上方区域的生长速率较慢，从而图形结构上方的外延层的厚度要小于图形结构之间的外延层的厚度。在外延层中包括有源层，从而图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度。
由于有源层的发光波长由有源层的材料及厚度决定，当有源层的材料保持不变时，有源层的厚度越小，有源层的发光波长越短，从而图形结构上方的有源层的发光波长小于图形结构之间的发光波长。而又由于在外延层对应图形结构的上方的区域设置绝缘层，在外延层及绝缘层上方设置第一电极，从而使得在外延层上对应图形结构之间的区域形成了电流注入窗口，从而图形结构之间的半导体激光器结构有电流注入，其有源层能够产生特定波长的光子。
当这些光子向左右传播并达到图形结构上方区域时，由于图形结构上方的有源层的发光波长小于图形结构之间的有源层的发光波长，这些光子不会被吸收，因而图形结构上方生长的半导体器件结构相对于图形结构之间的半导体器件结构形成了一个非吸收窗口。
通过这种方法形成非吸收窗口，是通过在衬底的第一表面上制作多个图形结构，利用图形结构上方区域和图形结构之间区域生长速率的差异，形成非吸收窗口，简化了制作非吸收窗口的步骤，不需要沉积扩散源、高温扩散等工艺，工艺简单，并且仅通过一次外延生长即可在一个晶圆片上同时得到正常生长的激光器结构和作为非吸收窗口的激光器结构，工艺的效率和良率均得到提高。
本发明实施例还提供了一种半导体激光器的制备方法，包括：
步骤一.图形化衬底，在第一表面形成多个图形结构；具体地，可以通过外延生长、溅射、光刻的方法形成图形化衬底。本实施例具体以通过光刻、刻蚀的方式在衬底的第一表面上形成图形结构为例进行说明。选择一片常规的GaAs衬底(表面平整，无图形)如图3所示，利用光刻、刻蚀的方式在GaAs上方形成图形，得到图形化的衬底，如图4所示。本实施例仅以图形结构为长方体为例进行说明，如图4所示，GaAs图形为长方体结构，高度为h，宽度为w。两图形之间为常规生长区，其宽度为L。
步骤二.在衬底的第一表面上形成外延层，外延层中形成有有源层，图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度，如图5所示；具体地，外延层包括自下而上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。有源层包括自下而上的第一量子垒层、量子阱层、第二量子垒层。在衬底的第一表面上形成外延层，包括：将图形衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀腔室内，逐层生长缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。
进行外延生长时，由于图形结构上方区域和常规生长区存在一定的高度差，携带MO源、氢化物的载气气流在两个区域运动的气流场存在一定差异，因而两个区域的生长速率存在一定差异，其中图形区上方的生长速率较慢。
此时，图形上方区域的各层厚度均小于常规生长区域的各层厚度，但图形结构上方区域各层的材料组分同常规生长区域的材料组分保持一致。有源层的发光波长由量子阱材料成分、量子垒材料成分以及量子阱厚度三个因素决定。当量子阱材料组分和量子垒材料组份保持不变时，量子阱厚度越小，有源层的发光波长越短。
如图5所示，此时图形结构上方区域生长的量子阱厚度要小于常规生长区域生长的量子阱厚度，但两个区域的量子阱组分和量子垒组分保持不变，因而图形结构上方区域有源层的发光波长要小于常规生长区域有源层的发光波长。这意味着，常规生长区域有源层发出的光不能够被图形结构上方区域的有源层所吸收，即图形结构上方区域形成了非吸收窗口结构。
本发明实施例通过一次生长，可以使得图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度，从而在图形结构上方形成非吸收窗口。
步骤三.在外延层对应图形结构的上方区域形成绝缘层，如图6所示；具体地，绝缘层的材料可以为SiN、SiO2等，本实施例以绝缘层的材料为SiO2为例进行说明。绝缘层可以通过外延生长、溅射或光刻、刻蚀的工艺得到。由于绝缘层的限制作用，仅图形结构之间常规生长的半导体激光器外延层结构有电流注入，其有源层能够产生特定波长的光子。当这些光子向左右传播并到达在图形结构上方区域时，由于图形结构上方区域的有源层的发光波长较短，这些光子并不会被吸收，因而图形结构区域上方生长的半导体激光器结构相对于正常区域生长的半导体激光器结构行成了一个非吸收窗口，因而可以有效提高半导体激光器的COMD阈值。
步骤四.在外延层及绝缘层上方形成第一电极，如图1所示。具体的，可通过在绝缘层上表面蒸镀上第一电极。在外延层及绝缘层上方形成第一电极之后，半导体激光器的制备方法还包括减薄衬底的第二表面，在衬底的第二表面上蒸镀上第二电极。随后沿着图形结构的中间进行解理，将包含半导体激光器结构的晶圆片解理成单个的半导体激光器芯片，如图7所示。
本发明实施例提供的半导体激光器制备方法，通过在衬底的第一表面上排布多个图形结构，图形结构突出于衬底的第一表面，由于图形结构上方的区域与图形结构之间的区域存在一定的高度差，因而沿衬底上形成有图形结构的第一表面外延生长形成外延层时，携带MO源、氢化物的载气气流在两个区域运动的气流场会存在一定差异，从而导致两个区域的生长速率存在一定差异，其中图形结构上方区域的生长速率较慢，从而图形结构上方的外延层的厚度要小于图形结构之间的外延层的厚度。在外延层中包括有源层，从而图形结构上方的有源层的厚度小于图形结构之间的有源层的厚度。
由于有源层的发光波长由有源层的材料及厚度决定，当有源层的材料保持不变时，有源层的厚度越小，有源层的发光波长越短，从而图形结构上方的有源层的发光波长小于图形结构之间的发光波长。而又由于在外延层对应图形结构的上方的区域设置绝缘层，在外延层及绝缘层上方设置第一电极，从而使得在外延层上对应图形结构之间的区域形成了电流注入窗口，从而图形结构之间的半导体激光器结构有电流注入，其有源层能够产生特定波长的光子。
当这些光子向左右传播并达到图形结构上方区域时，由于图形结构上方的有源层的发光波长小于图形结构之间的有源层的发光波长，这些光子不会被吸收，因而图形结构上方生长的半导体器件结构相对于图形结构之间的半导体器件结构形成了一个非吸收窗口。
通过这种方法形成非吸收窗口，是通过在衬底的第一表面上制作多个图形结构，利用图形结构上方区域和图形结构之间区域生长速率的差异，形成非吸收窗口，简化了制作非吸收窗口的步骤，不需要沉积扩散源、高温扩散等工艺，工艺简单，并且仅通过一次外延生长即可在一个晶圆片上同时得到正常生长的激光器结构和作为非吸收窗口的激光器结构，工艺的效率和良率均得到提高。
特别声明的是，本发明适用于波长为6XX，7XX，8XX，9XX，1XXX(或者发光波长为600－1500nm之间)等的半导体激光器的制作。
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作出各种修改和变型，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，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的第一表面上排布有多个图形结构，所述图形结构突出于所述衬底的第一表面；
外延层，所述外延层沿所述衬底上形成有所述图形结构的第一表面外延生长形成；所述外延层中形成有有源层，所述图形结构上方的有源层的厚度小于所述图形结构之间的有源层的厚度；
绝缘层，设置于所述外延层对应所述图形结构上方的区域；
第一电极，设置于所述外延层及绝缘层上方。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述外延层包括自下而上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源层包括自下而上的第一量子垒层、量子阱层、第二量子垒层。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，还包括：
第二电极，设置在所述衬底的第二表面上。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述图形结构的截面形状为长方形、梯形或三角形。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述图形结构之间的距离为100μm－5000μm，所述图形结构纵向长度为4μm－100μm，所述图形结构高度为1μm－10μm。
7.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：
图形化衬底，在所述第一表面形成多个图形结构；
在所述衬底的第一表面上形成外延层，所述外延层中形成有有源层，所述图形结构上方的有源层的厚度小于所述图形结构之间的有源层的厚度；
在所述外延层对应所述图形结构的上方区域形成绝缘层；
在所述外延层及绝缘层上方形成第一电极。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，还包括：
在所述衬底的第二表面上形成第二电极。
9.根据权利要求7所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述图形化衬底，包括：
通过光刻、刻蚀的方式在所述衬底的第一表面上形成图形结构。
10.根据权利要求7所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述外延层包括自下而上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层，所述在所述衬底的第一表面上形成外延层，包括：
将所述图形衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀腔室内，逐层生长缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、上限制层、接触层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 610065, No. 24, south section of first ring road, Chengdu, Sichuan, Wuhou District Applicant after: SICHUAN University Applicant after: Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronic Technology Co.,Ltd. Address before: 610065, No. 24, south section of first ring road, Chengdu, Sichuan, Wuhou District Applicant before: SICHUAN University Applicant before: SUZHOU EVERBRIGHT PHOTONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200728 |