CN111641102A - 半导体激光器、巴条及制作方法 - Google Patents

半导体激光器、巴条及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了半导体激光器、巴条及制作方法，其中，半导体激光器，包括：衬底；外延结构，覆盖于所述衬底的上表面；第一绝缘层，覆盖于所述外延结构的上表面，并在厚度方向开设有贯穿的电流注入窗口；第一电极，覆盖于所述第一绝缘层的上表面以及所述外延结构通过所述电流注入窗口外露的部分的上表面；第二绝缘层，在对应所述电流注入窗口位置处覆盖于所述第一电极的上表面，在所述第一绝缘层上的投影的外轮廓与所述电流注入窗口的边缘相对应，以使得所述第二绝缘层可以部分或全部地抵消所述第一绝缘层在所述电流注入窗口的边缘处对所述外延结构产生的应力。通过上述方式，本发明能够减小工艺过程中引入的应力对半导体材料造成的影响。

Description

半导体激光器、巴条及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种半导体激光器、巴条及制作方法。
背景技术
水平发散角的大小和光斑的强度分布是影响光纤耦合效率的重要因素之一。在沉积绝缘层限制电流注入的半导体激光器中，光弹性波导是其一种重要的光传导特性。在半导体激光器电流注入窗口下，有源区折射率出现的微小变化都会导致光弹性波导形成，而该区域折射率的变化则受电流注入窗口下半导体材料应力场分布的影响。由于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料普遍具有较大的光弹性系数，因此引入较小的应力就会导致材料折射率发生明显变化。
半导体激光器的电流注入窗口的制作方法是：p型接触层上通过PECVD(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)或者CVD(chemical vapor deposition，化学气相沉积法)沉积绝缘层；在绝缘层上涂覆光刻胶，在光刻胶的掩蔽下，利用腐蚀液体在绝缘层的中间处开设出电流注入窗口。由于绝缘层与半导体材料的热膨胀系数不同，在后续热处理过程中，绝缘层在半导体材料表面会引入应力，尤其是在电流注入窗口的边缘处，电流注入窗口的边缘处引入的应力通常会将半导体材料的介电常数改变10-3数量级，进而形成新的波导。正波导或负波导的形成则是由绝缘层内部应力、电流注入窗口宽度和有源区深度决定。
请参见图1和图2，图1是沉积氮化硅绝缘层后砷化镓半导体材料表面不同深度处的应力场分布示意图，图2是沉积氮化硅绝缘层后砷化镓半导体材料表面不同深度处的介电常数变化分布示意图。其中，砷化镓半导体材料厚度为150um，宽度为400um，氮化硅绝缘层设置有70μm宽的开口(电流注入窗口)，开口的宽度方向与砷化镓半导体材料宽度一致，砷化镓半导体材料表面上沉积氮化硅绝缘层时的温度为300℃，图1和图2分别模拟沉积氮化硅绝缘层的砷化镓半导体材料在温度从300℃冷却至室温时的应力场和介电常数变化分布。图1和图2中的不同深度分别指砷化镓半导体材料与氮化硅绝缘层接触表面的下方0.5um、1um、2um和4um处。
由图1和图2可知，砷化镓半导体材料在对应开口边缘位置处应力集中，导致在对应开口边缘位置处介电常数发生较大改变。
因此，使用氮化硅绝缘层的半导体激光器在形成电流注入窗口后，电流注入窗口边缘处引入的应力增大了对应该区域的半导体材料的折射率，形成新的正波导，导致激光在谐振腔中振荡时，部分光集中在此处，进而在远场水平发散角对称两侧显现出旁峰，造成发散角角度过大和光斑强度分布不均匀问题。
减小工艺过程中引入的应力是亟待解决的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种半导体激光器、巴条及制作方法，可以减小工艺过程中引入的应力对半导体材料造成的影响。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种半导体激光器，包括：
衬底；
外延结构，覆盖于所述衬底的上表面；
第一绝缘层，覆盖于所述外延结构的上表面，并在厚度方向开设有贯穿的电流注入窗口；
第一电极，覆盖于所述第一绝缘层的上表面以及所述外延结构通过所述电流注入窗口外露的部分的上表面；
第二绝缘层，在对应所述电流注入窗口位置处覆盖于所述第一电极的上表面，在所述第一绝缘层上的投影的外轮廓与所述电流注入窗口的边缘相对应，以使得所述第二绝缘层可以部分或全部地抵消所述第一绝缘层在所述电流注入窗口的边缘处对所述外延结构产生的应力。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种巴条，包括上述的半导体激光器。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种半导体激光器的制作方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上表面外延生长形成覆盖于所述衬底的外延结构；
在所述外延结构的上表面沉积形成覆盖于所述外延结构的第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上开设沿其厚度方向贯穿的电流注入窗口；
在所述第一绝缘层的上表面沉积形成第一电极，以使得所述第一电极覆盖于所述第一绝缘层以及所述外延结构通过所述电流注入窗口外露的部分的上表面；
在所述第一电极的上表面沉积形成第二绝缘层，以使得所述第二绝缘层在对应所述电流注入窗口位置处覆盖于所述第一电极，以及在所述第一绝缘层上的投影的外轮廓与所述电流注入窗口的边缘相对应，并使得所述第二绝缘层可以部分或全部地抵消所述第一绝缘层在所述电流注入窗口的边缘处对所述外延结构产生的应力。
本发明的有益效果是：本发明中在第一电极的上表面、对应电流注入窗口位置处设置了第二绝缘层，在所述第一绝缘层上的投影的外轮廓与所述电流注入窗口的边缘相对应，使得所述第二绝缘层可以部分或全部地抵消所述第一绝缘层在所述电流注入窗口的边缘处对所述外延结构产生的应力。
附图说明
图1是沉积氮化硅绝缘层后砷化镓半导体材料表面不同深度处的应力场分布示意图；
图2是沉积氮化硅绝缘层后砷化镓半导体材料表面不同深度处的介电常数变化分布示意图；
图3是本申请半导体激光器实施例一的剖面结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是本申请半导体激光器实施例二的剖面结构示意图；
图6是本申请半导体激光器的制作方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图3是本申请半导体激光器实施例一的剖面结构示意图。图4是图3的俯视图。
如图3和图4所示，本申请一种半导体激光器实施例一包括衬底1、外延结构11、第一绝缘层8、第一电极9以及第二绝缘层10。外延结构11覆盖于衬底1的上表面，第一绝缘层8覆盖于外延结构11的上表面，并在厚度方向开设有贯穿的电流注入窗口801，第一电极9覆盖于第一绝缘层8的上表面以及外延结构11通过电流注入窗口801外露的部分的上表面，第二绝缘层10在对应电流注入窗口801位置处覆盖于第一电极9的上表面，在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应，以使得第二绝缘层10可以部分或全部地抵消第一绝缘层8在电流注入窗口801的边缘处对外延结构11产生的应力。
具体地，衬底1的材质可以为砷化镓(GaAs，gallium arsenide)，厚度可以为140um。本申请不对衬底1的材质和厚度作限定。
具体地，外延结构11可以采用砷化铝镓(AlGaAs)、铟镓砷磷(InGaAsP)、磷化铝镓铟(InGaAlP)、砷化铝镓铟(InGaAlAs)材料体系或其他材料体系。本申请不对外延结构11作具体限定。以砷化铝镓(AlGaAs)材料体系为例对外延结构11进行介绍。
外延结构11可以通过分子束外延法或金属有机化合物气相淀积法逐次外延生长在衬底1的上表面上。外延结构11包括依次叠加于衬底1的上表面的n型包层2、第一波导层3、量子阱层4、第二波导层5、p型包层6和p型接触层7。其中，n型包层2的材质可以为Al0.27GaAs，厚度可以为1.0um，n型包层2实现对衬底1的电导通。第一波导层3的材质可以为Al0.21GaAs，厚度可以为1.1um。量子阱层4的材质可以为In0.16GaAs，厚度可以为7nm。第二波导层5的材质可以为Al0.21GaAs，厚度可以为0.5um。p型包层6的材质可以为Al0.31GaAs，厚度可以为1.2um。p型接触层7的材质可以为GaAs，厚度可以为0.2um。
具体地，第一绝缘层8可以通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积法)或者CVD(chemical vapor deposition，化学气相沉积法)沉积于外延结构11的上表面，也即沉积于p型接触层7的上表面。
具体地，在第一绝缘层8厚度方向开设贯穿的电流注入窗口801的方法如下：在第一绝缘层8上涂覆光刻胶，在光刻胶的掩蔽下，利用腐蚀液体在第一绝缘层8的中间处开出电流注入窗口801，以限制电流注入的宽度，从而控制发光区域的宽度。
具体地，第一电极9可以通过电子束蒸发的方法沉积于第一绝缘层8的上表面以及外延结构11通过电流注入窗口801外露的部分的上表面。第一电极9可以选用导电材质，例如，可以为Ti/Pt/Au合金。第一电极9的厚度可以为700nm(第一绝缘层8上方的厚度)。
具体地，第二绝缘层10成形方法：通过PECVD方法或者CVD方法在第一电极9的上表面沉积一层绝缘层，然后，在该绝缘层上涂覆光刻胶，在光刻胶的掩蔽下，利用腐蚀液体将该绝缘层外侧部分去除，使得剩余部分在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应，从而形成第二绝缘层10。
其中，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应具体指：第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的形状与电流注入窗口801相同，以及第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的大小与电流注入窗口801一致，比如，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影比电流注入窗口801稍大、稍小或完全相等。例如，电流注入窗口801为70um宽(图1中的横向)的开口，对应地，第二绝缘层10的宽度为70±Aum，A为一数值。
实施例一中，第一电极9的上表面、对应电流注入窗口801位置处设置了第二绝缘层10，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应，使得第二绝缘层10可以部分或全部地抵消第一绝缘层8在电流注入窗口801的边缘处对外延结构11产生的应力，最终使得外延结构11受力均匀。
图5是本申请半导体激光器实施例二的剖面结构示意图。
如图5所示，本申请一种半导体激光器实施例二在实施例一的基础上增设了第二电极12，第二电极12覆盖于第二绝缘层10的上表面以及第一电极9露出于第二绝缘层10的部分的上表面。
在实施例二中，设置了第二电极12，可以避免第二绝缘层10减小电极有效利用面积，从而可以有足够的面积来设置金线。
本申请一种半导体激光器实施例三在实施例一或实施例二的基础上进一步限定：第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的大小与电流注入窗口801相等，也即，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影与电流注入窗口801重合。例如，电流注入窗口801为70um宽的开口，对应地，第二绝缘层10的宽度为70um。
在实施例三中，第二绝缘层10可以最大限度地抵消第一绝缘层8在电流注入窗口801的边缘处对外延结构11产生的应力。
本申请一种半导体激光器实施例四在实施例一、实施例二或实施例三的基础上进一步限定：第一绝缘层8的材质和厚度均与第二绝缘层10相同。具体地，第一绝缘层8和第二绝缘层10的材质可以均为二氧化硅或氮化硅。第一绝缘层8和第二绝缘层10的厚度可以均为0.1～0.2um，优选0.15um。
在实施例四中，第一绝缘层8的材质和厚度均与第二绝缘层10相同，可以简化工艺，更好地控制质量。
本申请一种半导体激光器实施例五在实施例一、实施例二或实施例三的基础上进一步限定：第一绝缘层8的材质与第二绝缘层10相同，第一绝缘层8的厚度小于第二绝缘层10。
请参照图1，由图1可知，砷化镓半导体材料与氮化硅绝缘层接触表面的下方越深的位置处，砷化镓半导体材料受氮化硅绝缘层的应力越小。请再参照图3，相较于第一绝缘层8，第二绝缘层10的位置更远离外延结构11，相同条件下(相同材质和厚度)，第二绝缘层10对外延结构11的应力比第一绝缘层8小。因此，为克服高度差的影响，可以设置第一绝缘层8的厚度小于第二绝缘层10，以使得第二绝缘层10产生更大的应力。
实施例五中，第一绝缘层8厚度小于第二绝缘层10，可以确保第二绝缘层10最大限度地抵消第一绝缘层8在电流注入窗口801的边缘处对外延结构11产生的应力。同时，第一绝缘层8和第二绝缘层10使用相同的材质，可以在一定程度上简化工艺。
本申请一种半导体激光器实施例六在实施例一、实施例二或实施例三的基础上进一步限定：第一绝缘层8的厚度与第二绝缘层10相同，第一绝缘层8和第二绝缘层10的材质不同，以使得第一绝缘层8对外延结构11产生的应力小于第二绝缘层10对外延结构产生的应力。
基于与实施例五中同样的理由，即在相同条件下，第二绝缘层10对外延结构11的应力比第一绝缘层8小，因此作上述限定。
实施例六中，第一绝缘层8和第二绝缘层10的材质不同，其中，第一绝缘层8对外延结构11产生的应力小于第二绝缘层10，可以确保第二绝缘层10最大限度地抵消第一绝缘层8在电流注入窗口801的边缘处对外延结构11产生的应力。同时，第一绝缘层8和第二绝缘层10的厚度相同，可以在一定程度上简化工艺。
本申请还提供了一种巴条，包括上述任一实施例的半导体激光器。因为巴条具备半导体激光器的全部技术特征，因此，具备半导体激光器的全部技术效果。
图6是本申请半导体激光器的制作方法实施例的流程示意图。
如图6所示，本申请一种半导体激光器的制作方法实施例可以与上述半导体激光器实施例一相结合以便于理解，请一并参考图3，该制作方法包括如下步骤：
步骤S01：提供一衬底。
具体地，衬底1的材质可以为砷化镓(GaAs，gallium arsenide)，厚度可以为140um。本申请不对衬底1的材质和厚度作限定。
步骤S02：在衬底上表面外延生长形成覆盖于衬底的外延结构。
具体地，外延结构11可以采用砷化铝镓(AlGaAs)、铟镓砷磷(InGaAsP)、磷化铝镓铟(InGaAlP)、砷化铝镓铟(InGaAlAs)材料体系或其他材料体系。本申请不对外延结构11作具体限定。以砷化铝镓(AlGaAs)材料体系为例对外延结构11进行介绍。
外延结构11可以通过分子束外延法或金属有机化合物气相淀积法逐次外延生长在衬底1的上表面上。外延结构11包括依次叠加于衬底1的上表面的n型包层2、第一波导层3、量子阱层4、第二波导层5、p型包层6和p型接触层7。其中，n型包层2的材质可以为Al0.27GaAs，厚度可以为1.0um，n型包层2实现对衬底1的电导通。第一波导层3的材质可以为Al0.21GaAs，厚度可以为1.1um。量子阱层4的材质可以为In0.16GaAs，厚度可以为7nm。第二波导层5的材质可以为Al0.21GaAs，厚度可以为0.5um。p型包层6的材质可以为Al0.31GaAs，厚度可以为1.2um。p型接触层7的材质可以为GaAs，厚度可以为0.2um。
步骤S03：在外延结构的上表面沉积形成覆盖于外延结构的第一绝缘层。
具体地，第一绝缘层8可以通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积法)或者CVD(chemical vapor deposition，化学气相沉积法)沉积于外延结构11的上表面，也即沉积于p型接触层7的上表面。
步骤S04：在第一绝缘层上开设沿其厚度方向贯穿的电流注入窗口。
具体地，在第一绝缘层8厚度方向开设贯穿的电流注入窗口801的方法如下：在第一绝缘层8上涂覆光刻胶，在光刻胶的掩蔽下，利用腐蚀液体在第一绝缘层8的中间处开出电流注入窗口801，以限制电流注入的宽度，从而控制发光区域的宽度。
步骤S05：在第一绝缘层的上表面沉积形成第一电极，以使得第一电极覆盖于第一绝缘层以及外延结构通过电流注入窗口外露的部分的上表面。
具体地，第一电极9可以通过电子束蒸发的方法沉积于第一绝缘层8的上表面以及外延结构11通过电流注入窗口801外露的部分的上表面。第一电极9可以选用导电材质，例如，可以为Ti/Pt/Au合金。第一电极9的厚度可以为700nm(第一绝缘层8上方的厚度)。
步骤S06：在第一电极的上表面沉积形成第二绝缘层，以使得第二绝缘层在对应电流注入窗口位置处覆盖于第一电极，以及在第一绝缘层上的投影的外轮廓与电流注入窗口的边缘相对应，并使得第二绝缘层可以部分或全部地抵消第一绝缘层在电流注入窗口的边缘处对外延结构产生的应力。
具体地，第二绝缘层10成形方法：通过PECVD方法或者CVD方法第一电极9的上表面沉积一层绝缘层，然后，在该绝缘层上涂覆光刻胶，在光刻胶的掩蔽下，利用腐蚀液体将该绝缘层外侧部分去除，使得剩余部分在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应，从而形成第二绝缘层10。
其中，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应具体指：第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的形状与电流注入窗口801相同，以及第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的大小与电流注入窗口801一致，比如，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影比电流注入窗口801稍大、稍小或完全相等。例如，电流注入窗口801为70um宽(图1中的横向)的开口，对应地，第二绝缘层10的宽度为70±Aum，A为一数值。
本实施例中，第一电极9的上表面、对应电流注入窗口801位置处设置了第二绝缘层10，第二绝缘层10在第一绝缘层8上的投影的外轮廓与电流注入窗口801的边缘相对应，使得第二绝缘层10可以部分或全部地抵消第一绝缘层8在电流注入窗口801的边缘处对外延结构11产生的应力，最终使得外延结构11受力均匀。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：
衬底；
外延结构，覆盖于所述衬底的上表面；
第一绝缘层，覆盖于所述外延结构的上表面，并在厚度方向开设有贯穿的电流注入窗口；
第一电极，覆盖于所述第一绝缘层的上表面以及所述外延结构通过所述电流注入窗口外露的部分的上表面；
第二绝缘层，在对应所述电流注入窗口位置处覆盖于所述第一电极的上表面，在所述第一绝缘层上的投影的外轮廓与所述电流注入窗口的边缘相对应，以使得所述第二绝缘层可以部分或全部地抵消所述第一绝缘层在所述电流注入窗口的边缘处对所述外延结构产生的应力。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二绝缘层在所述第一绝缘层上的投影的大小与所述电流注入窗口相等。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一绝缘层的材质和厚度均与所述第二绝缘层相同。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材质均为二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的厚度均为0.1～0.2um。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一绝缘层的材质与所述第二绝缘层相同，所述第一绝缘层的厚度小于所述第二绝缘层。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一绝缘层的厚度与所述第二绝缘层相同，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材质不同，以使得所述第一绝缘层对所述外延结构产生的应力小于所述第二绝缘层对所述外延结构产生的应力。
8.根据权利要求1～7任一所述的半导体激光器，其特征在于，还包括：
第二电极，覆盖于所述第二绝缘层的上表面以及所述第一电极露出于所述第二绝缘层的部分的上表面。
9.一种巴条，其特征在于，包括权利要求1～8任一所述的半导体激光器。
10.一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上表面外延生长形成覆盖于所述衬底的外延结构；
在所述外延结构的上表面沉积形成覆盖于所述外延结构的第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上开设沿其厚度方向贯穿的电流注入窗口；
在所述第一绝缘层的上表面沉积形成第一电极，以使得所述第一电极覆盖于所述第一绝缘层以及所述外延结构通过所述电流注入窗口外露的部分的上表面；
在所述第一电极的上表面沉积形成第二绝缘层，以使得所述第二绝缘层在对应所述电流注入窗口位置处覆盖于所述第一电极，以及在所述第一绝缘层上的投影的外轮廓与所述电流注入窗口的边缘相对应，并使得所述第二绝缘层可以部分或全部地抵消所述第一绝缘层在所述电流注入窗口的边缘处对所述外延结构产生的应力。
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