CN111711070A - 边发射单模激光器及制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种边发射单模激光器及其制造方法，该边发射单模激光器包括，N型电极层；N型衬底，设于N型电极层上；N型缓冲层，设于N型衬底上；N型覆盖层，设于缓冲层上；下波导层，设于覆盖层上，下波导层无掺杂；有源区，设于下波导层上；上波导层，设于有源区上；P型覆盖层，设于上波导层上，P型覆盖层内设有一限流窗口；P型接触层，设于P型覆盖层上，P型电极层，设于所述P型覆盖层上。本发明与常规边发射单模激光器相比，脊波导宽度明显增大，有利于工艺生产和良率提升，同时脊波导内的P型覆盖层内形有一个限流窗口，通过该限流窗口控制载流子的注入范围和有源区光斑的大小，从而控制光场的输出模式。

Description

边发射单模激光器及制造方法
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，特别是涉及一种边发射单模激光器及制造方法。
背景技术
半导体边发射激光器是一种相对传统的半导体激光器，发射面为芯片的端面，这有别于现在流行的面发射激光器，发射面为芯片的表面。边发射激光器的端面一般为半导体晶体的解理面，由于晶体的解理面非常平整光滑，是很好的反光面，所以芯片的两个解理端面自然形成边发射激光器的谐振腔。不过在实际运行过程中，两个解理端面还会进行镀膜处理，一方面是为了保护端面，另外也为了优化谐振腔和发光效率。
按照发射光场横向模式来分，半导体边发射激光器可分为单模和多模激光器。其中，单模激光器是指发射的横向模场是单模，光强的空间分布是高斯分布，这种激光器适合于远距离传输和探测，光纤耦合等，是通讯，传感，测距和激光雷达等领域常用的激光器模式。
为了达到单模的需求，一般有源区加上下波导层的宽度在500nm以内，典型值在300nm左右。而平行于生长方向的模场分布一般是通过脊波导来实现的。同样，在这个方向的单模一般要求脊波导在3~5微米左右。常规窄波导激光器在工艺制备上比较困难，尤其是在很窄的脊波导上做p-型欧姆接触，需要在窄脊波导的表面开一个金属接触的窗口，并且由于脊波导的侧面一般接近垂直角度，也给侧面的金属层厚度和导电性带来困难，因此影响器件的良率和可靠性。同时，常规脊波导发光区和横向光场分布一般要大于脊波导宽度，这是因为注入载流子在脊波导下面还会横向扩散，因此脊波导侧面的刻蚀粗糙度对光波的来回传输会有散射，损耗。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提供一种边发射单模激光器及制造方法，以解决发射单模激光器制作工艺困难，以及光波传输损耗的问题。该边发射单模激光器，包括，
N型电极层；
N型衬底，设于所述N型电极层上；
N型缓冲层，设于所述N型衬底上；
N型覆盖层，设于所述N型缓冲层上；
下波导层，设于所述N型覆盖层上，所述下波导层无掺杂；
有源区，设于所述下波导层上，所述有源区无掺杂；
上波导层，设于所述有源区上，所述上波导层无掺杂；
P型覆盖层，设于所述上波导层上，所述P型覆盖层内设有一限流窗口，所述P型覆盖层内设有高铝组分层，通过氧化所述高铝组分层周边区域形成所述限流窗口；
P型接触层，设于所述P型覆盖层上，
P型电极层，设于所述P型接触层上；
所述P型覆盖层、所述P型接触层和所述P型电极层通过蚀刻形成脊形的脊波导。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，所述脊波导蚀刻至所述P型覆盖层的下部。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，所述脊波导的宽度为10~50微米。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，限流窗口的宽度为2~5微米。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，所述高铝组分层采用AlGaAs或InGaAlAs材料。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，所述限流窗口位于所述P型覆盖层的中间区域。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，所述上波导层和所述下波导层的禁带宽度高于所述有源区。
进一步的，上述边发射单模激光器，其中，所述上波导层和所述下波导层的材料的折射率低于所述有源区。
上述边发射单模激光器，其中，所述限流窗口的形状为长方形。
本发明实施例还提供了一种如上述边发射单模激光器的制造方法，包括：
在边发射单模激光器主体上光刻定位脊波导，并进行脊波导刻蚀，所述边发射单模激光器主体包括所述N型电极层、所述N型衬底、所述N型缓冲层、所述N型覆盖层、所述下波导层、所述有源区、所述上波导层、所述P型覆盖层、所述P型接触层和所述P型电极层；
在所述P型覆盖层内进行局部区域氧化形成限流窗口；
进行介质层镀膜；
在所述脊波导上开设金属接触窗口；
负胶光刻工艺；
正面镀金；
负胶Lift-off 工艺；
研磨抛光；
背面镀金；
在解理面的端面镀膜。
本发明实施例中的边发射单模激光器与常规边发射单模激光器相比具有如下优势：
1）脊波导宽度明显增大，有利于工艺生产和良率提升，以及提高了单模输出稳定性；
2）脊波导内的P型覆盖层内形有一个限流窗口，通过该限流窗口控制载流子的注入范围和有源区光斑的大小，同时氧化层改变了横向折射率的分布，从而控制光场的输出模式。
附图说明
图1为本发明实施例中的边发射单模激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例中边发射单模激光器进行载流子注入时的示意图；
图3为本发明实施例中的边发射单模激光器制造方法的流程图。
主要元件符号说明。
N型电极层 11 上波导层 17
N型衬底 12 P型覆盖层 18
N型缓冲层 13 P型接触层 19
N型覆盖层 14 P型电极层 20
下波导层 15 氧化层 141
有源区 16 限流窗口 142
光场区 A
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供该实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，为本发明第一实施例中的边发射单模激光器，包括N型电极层11、N型衬底12、N型缓冲层13、N型覆盖层14、下波导层15、有源区16、上波导层17、P型覆盖层18、P型接触层19和P型电极层20。其中，N型衬底12设于N型电极层11上，N型缓冲层13设于N型衬底12上，N型覆盖层14设于N型缓冲层13上，下波导层15和有源区16均设于N型覆盖层14上，具体实施时该有源区16形成于该下波导层15的上面，该上波导层17设于有源区16上，P型覆盖层18设于上波导层17上，P型接触层19设于P型覆盖层18上，P型电极层设于P型覆盖层18上。
其中，该N型电极层11和P型电极层为金属电极层其可采用铂、钛、镍、锗、金等金属制备而成。
该N型衬底12为N导电型，其材料可采用GaAs或InP等。
该上波导层17、下波导层15和中间的有源区16都采用无掺杂半导体材料，而且上波导层17和下波导层15材料的禁带宽度一般高于有源区16，因此有源区16发出的光不被上波导层17和下波导层15吸收，同时，该上波导层17和下波导层15材料的折射率一般低于有源区16，因此在生长方向通过对波导层和有源区16的设计优化可以构成单模分布。
在材料生长方向，光场区A主要是分布在无掺杂的波导区和有源区，有源区的中心是发光区。有源区包括发光的量子阱及其势垒层，它的量子阱数量是根据器件要求而定，一般来说小腔长激光器需要的量子阱数量较多，这样单位长度的光增益强，激光器的阈值电流密度小；但大功率激光器的腔长较长，一般采用单量子阱结构。
该N型缓冲层13生长在衬底的上表面，其材料可采用GaAs或InP等。
该上波导层17位于有源区16的上方，该上波导层17采用AlGaAs，AlGaN， GaAsP，InP，AlGaInP或AlGaInAs等无掺杂材料。
P型接触层19采用高掺杂的GaAs，InGaAs或InP材料。
该P型覆盖层18采用AlGaAs，AlGaN， GaAsP，InGaAsP, AlGaInP或AlGaInAs等掺杂材料。
该P型覆盖层18、P型接触层19和P型电极层20依序层叠设置，且通过蚀刻工艺形成脊形的脊波导。该单模激光器的脊波导深度刻蚀到P型覆盖层18的下部，接近但没有到达无掺杂上波导层17的界面。脊波导蚀刻的具体位置需要根据材料结构来优化模拟得到，即要保证在大电流下单模输出，本实施例中根据模拟结果，该脊波导在P型覆盖层18的下部。
优选的，本发明的一实施例中，该脊波导的宽度为10~50微米。
该P型覆盖层18内设有一限流窗口142，通过该限流窗口142控制载流子的注入范围和有源区16光斑的大小，从而控制光场的输出模式。
优选的，在该P型覆盖层18内部设置一高铝组分层，该高铝组分层例如可采用AlGaAs或InGaAlAs材料。氧化该高铝组分层周边区域形成一层Al2O3氧化层141，该氧化层141为绝缘区域，Al2O3氧化层141围合的区域即为该限流窗口142。
该限流窗口142的尺寸和位置根据实际需要进行设置。该限流窗口142的尺寸大小决定了载流子的注入范围和有源区16光斑的大小，从而控制光场的输出模式。为了实现单模输出，该限流窗口142的宽度可以控制在2~5微米。
优选的，在本发明的一实施例中，该限流窗口142可控制在3微米。
优选的，在本发明的一实施例中，该限流窗口142设置在该P型覆盖层18的中间区域。通过调整氧化层141的位置可以很方便控制载流子的注入面积，再通过模拟计算来控制输出光斑近场的大小和远场的发散角度，为高效的光纤耦合提供了一个新的优化措施。
如图2所示，本实施例中，通过在P型覆盖层18内通过氧化形成限流窗口142可以限制载流子的注入面积，使其在一个很窄的范围内，同时氧化层141改变了横向的材料折射率，从而形成平行于生长方向的横向单模输出。因此，本实施例中对脊波导的宽度要求较低，其可以做到20微米以上，因此本实施例中脊波导在横向会宽于发光区的分布，这样脊波导侧面的刻蚀粗糙度对光波的来回传输基本不会有散射和损耗，即脊波导侧面对光波在波导内的传输基本没有影响，提高了光传输效率。
另外，由于把脊波导的宽度与注入载流子的分布分离开来，该边发射单模激光器制作过程中可以让金属接触工艺和单模控制工艺分开优化。一方面，为了让在脊波导上的金属窗口工艺简单可靠，脊波导可以是20微米以上，另一方面为了单模输出，限流窗口142可以控制在3微米或3微米左右。通过调整氧化层141的位置可以很方便控制载流子的注入面积，再通过模拟计算来控制输出光斑近场的大小和远场的发散角度，为高效的光纤耦合提供了一个新的优化措施。
通过氧化控制载流子注入在工艺上可实现，尤其是GaAs基的外延材料，通过氧化高铝（Al）组分的AlGaAs外延层，可以有效地控制注入窗口。市场上最重要的GaAs基单模大功率激光器是980nm的光纤泵浦激光器，这是光通信里面的核心器件之一，目前国内基本依赖进口。本材料结构和器件工艺方法有望能在980nm单模泵浦激光器芯片制备上得到应用。
当然，新结构和工艺并不只限于应用在980nm单模激光器，其他波段也可以采用，例如940nm， 915nm，以及800 nm以上等波段的单模激光器都可以采用。甚至InP基的材料也是可行的，波段范围可以扩展到1200 ~1700 nm的范围。由于单模激光器在空间传输，光纤耦合等方面的优势，一种好的结构和制备方法可以给该领域带来更广泛的机会和市场。
本实施例中的边发射单模激光器，与常规边发射单模激光器相比具有如下优势：
1）脊波导宽度明显增大，有利于工艺生产和良率提升，以及提高了单模输出稳定性；
2）脊波导内的P型覆盖层内形有一个限流窗口，通过该限流窗口控制载流子的注入范围和有源区光斑的大小，同时通过氧化层折射率的改变，从而控制光场的输出模式。
本发明另一方面还提出一种边发射单模激光器制造方法，请参阅图3，所示为本发明第二实施例当中的边发射单模激光器制造方法，可用于制造上述任一实施例当中的单模激光器芯片，该边发射单模激光器制造方法包括步骤S201~步骤S210。
步骤S201，在边发射单模激光器主体上光刻定位脊波导，并进行脊波导刻蚀。
该边发射单模激光器主体包括依序层叠设置的N型电极层11、N型衬底12、N型覆盖层14、下波导层15、有源区16、上波导层17、P型覆盖层18和P型接触层19和P型电极层20。在具体实施时，可以采用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法按照预先设计的结构在相应的N型衬底12材料如GaAs上外延生长而成型边发射单模激光器主体
步骤S202，在所述P型覆盖层18内进行局部区域氧化形成限流窗口142。
步骤S203，进行介质层镀膜。具体实施时在材料表面镀一层SiO2或SiN介质膜，以作为绝缘层。
步骤S204，在所述脊波导上开设金属接触窗口。
步骤S205，负胶光刻工艺。即负胶工艺的侧面形成倒梯形，以便于后续Lift-off。
步骤S206，正面镀金。即在材料的表面镀金。
步骤S207，负胶Lift-off 工艺。其中，Lift-off 是去掉负胶及其负胶上面的金。
步骤S208，研磨抛光。把N型衬底12进行研磨抛光，这样材料的厚度从先前的500um左右减到100um左右，有利于后面的解理和有源区16的散热。
步骤S209，背面镀金。
步骤S210，在解理面的端面镀膜。该步骤中，在解理端面镀光学膜，一边高反膜，另一边低反膜，这样有利于输出光的最大化。
本实施例中的边发射单模激光器制造方法，由于脊波导变宽，工艺变得简单，良率可以大幅提高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种边发射单模激光器，其特征在于，包括，
N型电极层；
N型衬底，设于所述N型电极层上；
N型缓冲层，设于所述N型衬底上；
N型覆盖层，设于所述N型缓冲层上；
下波导层，设于所述N型覆盖层上，所述下波导层无掺杂；
有源区，设于所述下波导层上，所述有源区无掺杂；
上波导层，设于所述有源区上，所述上波导层无掺杂；
P型覆盖层，设于所述上波导层上，所述P型覆盖层内设有一限流窗口，所述P型覆盖层内设有高铝组分层，通过氧化所述高铝组分层周边区域形成所述限流窗口；
P型接触层，设于所述P型覆盖层上，
P型电极层，设于所述P型接触层上；
所述P型覆盖层、所述P型接触层和所述P型电极层通过蚀刻形成脊形的脊波导，且所述脊波导蚀刻至所述P型覆盖层的下部。
2.如权利要求1所述的边发射单模激光器，其特征在于，所述脊波导的宽度为10~50微米。
3.如权利要求1所述的边发射单模激光器，其特征在于，所述限流窗口的宽度为2~5微米。
4.如权利要求1所述的边发射单模激光器，其特征在于，所述高铝组分层采用AlGaAs，或InGaAlAs材料。
5.如权利要求1所述的边发射单模激光器，其特征在于，所述限流窗口位于所述P型覆盖层的中间区域。
6.如权利要求1所述的边发射单模激光器，其特征在于，所述上波导层和所述下波导层的禁带宽度高于所述有源区。
7.如权利要求1所述的边发射单模激光器，其特征在于，所述上波导层和所述下波导层的材料的折射率低于所述有源区。
8.一种如权利要求1至7任意一项所述的边发射单模激光器的制造方法，其特征在于，包括：
在边发射单模激光器主体上光刻定位脊波导，并进行脊波导刻蚀，所述边发射单模激光器主体包括所述N型电极层、所述N型衬底、所述N型缓冲层、所述N型覆盖层、所述下波导层、所述有源区、所述上波导层、所述P型覆盖层、所述P型接触层和所述P型电极层；
在所述P型覆盖层内进行局部区域氧化形成限流窗口；
进行介质层镀膜；
在所述脊波导上开设金属接触窗口；
负胶光刻工艺；
正面镀金；
负胶Lift-off 工艺；
研磨抛光；
背面镀金；
在解理面的端面镀膜。
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