CN111711075A - 有源区、半导体激光器及半导体激光器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种有源区、半导体激光器及半导体激光器的制作方法，涉及半导体的技术领域。本申请的有源区包括量子阱结构，量子阱结构中势垒层的材料为InGaAlAs，量子阱结构中势阱层的材料为GaAsN。故本申请的势垒层为压应变，势阱层为张应力，两者的应力相互补偿，形成应变补偿的应变量子阱，能够降低应变对外延片内材料体系的影响，提高外延片的质量，使得激光器性能及可靠性均较好。

Description

有源区、半导体激光器及半导体激光器的制作方法
技术领域
本申请涉及半导体的技术领域，具体而言，涉及一种有源区、半导体激光器及半导体激光器的制作方法。
背景技术
近红外激光器，指输出激光波长处于近红外区(0.75～2.5微米)的激光器件，其中，一种常见的近红外激光器，GaAs基长波段激光器(激射波长大于1000nm以上时)，通过降温生长方式在衬底上直接生长，获得大应变的InGaAs量子阱材料，其有源区InGaAs含有30％左右的In组分，然而，高组分的In会导致有源区与衬底的晶格失配达2％-3％，极易因应力释放引入位错和各种缺陷，从而造成器件退化。
发明内容
本申请的目的在于提供一种有源区、半导体激光器及半导体激光器的制作方法，其能够降低应变对外延片内材料体系的影响，提高外延片的质量，使得激光器性能及可靠性均较好。
本申请的实施例是这样实现的：
一种有源区，应用于半导体激光器，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势垒层的材料为InGaAlAs，所述量子阱结构中势阱层的材料为GaAsN。
于一实施例中，所述势垒层的材料为In1-x-yGaxAlyAs，所述势阱层的材料为GaAsmN1-m，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.5；0.8≤m＜1。
一种半导体激光器，包括上述的有源区。
于一实施例中，所述半导体激光器包括依次叠层设置的衬底、第一限制层、第一波导层、所述有源区、第二波导层、第二限制层以及欧姆接触层。
于一实施例中，所述衬底的材料和所述欧姆接触层的材料为GaAs；所述第一限制层的材料为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；所述第二限制层的材料为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；所述第一波导层的材料和所述第二波导层的材料均为(Al)GaAs。
一种半导体激光器的制作方法，包括：
在衬底的表面上生长外延层以得到外延片；
在所述外延片的表面生长非导电介质膜；
在所述非导电介质膜上形成电注入窗口，其中所述电注入窗口延伸至所述外延片；
在所述电注入窗口内形成电极。
于一实施例中，所述外延层包括有源区，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势垒层的材料为InGaAlAs，所述量子阱结构中势阱层的材料为GaAsN。
于一实施例中，所述势垒层的材料为In1-x-yGaxAlyAs，所述势阱层的材料为GaAsmN1-m，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.5；0.8≤m＜1。
于一实施例中，所述外延层还包括第一限制层、第一波导层、第二波导层、第二限制层以及欧姆接触层。
于一实施例中，所述在所述衬底的表面上生长外延层以得到外延片包括：
将所述衬底置于第一反应设备中；
令所述第一反应设备处于第一预设温度和第一预设压力中；
在所述衬底上依次生长所述第一限制层、所述第一波导层、所述有源区、所述第二波导层以及所述第二限制层；
在所述第二限制层的表面生长所述欧姆接触层，得到所述外延片。
于一实施例中，所述在所述外延片的表面生长非导电介质膜包括：
将所述外延片置于第二反应设备中；
令所述第二反应设备处于第二预设温度中；
在所述外延片上生长所述非导电介质膜。
于一实施例中，所述在所述电注入窗口内形成电极之后包括：
对所述衬底相对于所述外延层设置的另一侧表面进行研磨抛光，以令所述衬底达到预设厚度；
在所述衬底的抛光面上形成金属层。
于一实施例中，所述在所述衬底的抛光面上形成金属层之后包括：
进行快速退火热处理。
本申请与现有技术相比的有益效果是：
本申请的有源区通过令量子阱结构中势垒层的材料为InGaAlAs，量子阱结构中势阱层的材料为GaAsN，使得势垒层为压应变，势阱层为张应力，两者的应力相互补偿，形成应变补偿的应变量子阱，从而使得本申请的有源区具有大的导带价带比，可对注入的载流子进行有效地限制，能够提高激光器增益，降低阈值电流，相对于现有技术中大失配的InGaAs层有源区，可以降低应变对外延片内材料体系的影响，提高外延片的质量，使得激光器性能及可靠性均较好，甚至可以拓展激光器的波长。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请一实施例示出的半导体激光器的结构示意图；
图2为本申请一实施例示出的外延片的结构示意图；
图3为本申请一实施例示出的半导体激光器的制作方法的流程示意图；
图4为本申请一实施例示出的半导体激光器的制作方法的流程示意图。
图标：1-半导体激光器；100-外延片；110-衬底；110a-正表面；110b-背表面；120-外延层；121-第一限制层；122-第一波导层；123-有源区；123a-势垒层；123b-势阱层；124-第二波导层；125-第二限制层；126-欧姆接触层；200-非导电介质膜；210-电注入窗口；300-电极；400-金属层。
具体实施方式
术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参照图1，其为本申请一实施例示出的半导体激光器1的结构示意图。一种半导体激光器1，包括外延片100、非导电介质膜200、电极300和金属层400，非导电介质膜200设置在外延片100的表面，在非导电介质膜200上设有电注入窗口210，其中，电注入窗口210延伸至外延片100，电极300设在电注入窗口210内。本实施例中，电注入窗口210设有一个。
外延片100包括衬底110和设置在衬底110上的外延层120，其中，外延层120和金属层400分别设置在衬底110相对的两个表面上。将外延层120所在的表面称作正表面110a，将金属层400所在的表面称作背表面110b，并将正表面110a指向背表面110b的方向称作向下。
半导体激光器1可以是近红外激光器，其中，半导体激光器1为长波段激光器，其激射波长大于1000nm以上。于一实施例中，半导体激光器1是1064nm激光器。
请参照图2，其为本申请一实施例示出的外延片100的结构示意图。外延片100包括衬底110和设置在衬底110上的外延层120，外延层120包括第一限制层121、第一波导层122、有源区123、第二波导层124、第二限制层125以及欧姆接触层126，其中，衬底110、第一限制层121、第一波导层122、有源区123、第二波导层124、第二限制层125以及欧姆接触层126依次叠层设置。
衬底110和欧姆接触层126的材料为GaAs；第一限制层121的材料可以为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；第二限制层125的材料可以为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；第一波导层122的材料和第二波导层124的材料均可以为(Al)GaAs。
有源区123包括量子阱结构，有源区123可以是单量子阱结构，也可以是多量子阱结构。
量子阱结构中势垒层123a的材料为InGaAlAs，量子阱结构中势阱层123b的材料为GaAsN。
本实施例的有源区123通过令量子阱结构中势垒层123a的材料为InGaAlAs，量子阱结构中势阱层123b的材料为GaAsN，使得势垒层123a为压应变，势阱层123b为张应力，两者的应力相互补偿，形成应变补偿的应变量子阱，应力较为平衡，从而使得本实施例的有源区123具有大的导带价带比，可对注入的载流子进行有效地限制，能够提高激光器增益，降低阈值电流。
相对于现有技术中大失配的InGaAs层有源区123，可以降低应变对外延片100内材料体系的影响，提高外延片100的质量，使得激光器性能及可靠性均较好，甚至可以拓展激光器的波长，可以缓解生长窗口窄、生长工艺开发难度大、材料生长困难、因应力释放引入的位错和各种缺陷、器件退化等问题，减小对量子阱的发光效率的负面影响，减小有源区与衬底的晶格失配率。
势垒层123a的材料为In1-x-yGaxAlyAs，势阱层123b的材料为GaAsmN1-m，势垒层123a的材料中In组分含量、Ga组分含量和Al组分含量相互具有关联，势阱层123b的材料中As组分含量和N组分含量相互具有关联。
本实施例中，0＜x≤0.5，0＜y≤0.5；0.8≤m＜1。x和y可以相等或者不等。于一实施例中，x和y可以是0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5等数值。m可以是0.8、0.81、0.84、0.85、0.87、0.9、0.95、0.99等数值。
于一实验过程中，当x＝0.1，y＝0.1时，势垒层123a的压应变为57000ppm(百万分之一)；当x＝0.3，y＝0.25时，势垒层123a的压应变为32300ppm；当x＝0.5，y＝0.5时，势垒层123a的压应变为1200ppm；当m＝0.8时，势阱层123b的张应变为87000ppm；当m＝1时，势阱层123b的张应变为0；当m＝0.9时，势阱层123b的张应变为43500ppm。
根据上述数据所示，本实施例中当0＜x≤0.5，0＜y≤0.5，当0.8≤m＜1时，势垒层123a内存在压应变，势阱层123b内存在张应力，两者的应力相互补偿，可以形成应变补偿的应变量子阱，应力较为平衡。
请参照图3，其为本申请一实施例示出的半导体激光器1的制作方法的流程示意图。本方法可以用于制造如图1和图2所示的半导体激光器1。半导体激光器1的制作方法可以包括如下步骤：
步骤501：在衬底110的表面上生长外延层120以得到外延片100。
本实施例采用的是MOCVD工艺，从而将外延层120外延生长在衬底110上。衬底110为N型掺杂或者P型掺杂，外延层120为N型掺杂或者P型掺杂。
步骤502：在外延片100的表面生长非导电介质膜200。
本步骤中的非导电介质膜200为采用非导电材料制成的绝缘膜，用于绝缘。
步骤503：在非导电介质膜200上形成电注入窗口210，其中电注入窗口210延伸至外延片100。
本步骤可以采用光刻工艺形成电注入窗口210用于后续形成电极300。
步骤504：在电注入窗口210内形成电极300。
本步骤的电极300为由金属等导电材料制成的。本步骤的电极300可以通过电镀(plating)等方式形成。形成电极300后得到一个初步的半导体激光器1。
于一操作过程中，形成电极300后，通过电镀(plating)电化学方式加厚此层电极300。
于一实施例中，衬底110为N型掺杂，外延层120为P型掺杂，电极300可以是P型金属电极300。
请参照图4，其为本申请一实施例示出的半导体激光器1的制作方法的流程示意图。本方法可以用于制造如图1和图2所示的半导体激光器1。半导体激光器1的制作方法可以包括如下步骤：
步骤601：将衬底110置于第一反应设备中。
本步骤中的第一反应设备可以为MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀，Metal-organic Chemical Vapor Deposition)设备。衬底110的材料为GaAs。将衬底110置于第一反应设备中，准备进行外延生长。
步骤602：令第一反应设备处于第一预设温度和第一预设压力中。
本步骤中的第一预设温度为500℃～800℃，第一预设压力50～100mbar(毫巴)。令第一反应设备的温度控制在第一预设温度的范围内，并将压力控制在第一预设压力的范围内，准备进行外延生长。
步骤603：在衬底110上依次生长第一限制层121、第一波导层122、有源区123、第二波导层124以及第二限制层125。
本步骤中，衬底110的材料为GaAs；第一限制层121的材料为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；第二限制层125的材料为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；第一波导层122的材料和第二波导层124的材料均为(Al)GaAs。
有源区123中势垒层123a的材料为In1-x-yGaxAlyAs，势阱层123b的材料为GaAsmN1-m，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.5；0.8≤m＜1。
步骤604：在第二限制层125的表面生长欧姆接触层126，得到外延片100。
本步骤中，欧姆接触层126的材料为GaAs。欧姆接触层126可以是高掺杂的欧姆接触层126。
步骤605：将外延片100置于第二反应设备中。
本步骤的第二反应设备可以为CVD(化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)设备，将外延片100置于第二反应设备，准备生长非导电介质膜200。
步骤606：令第二反应设备处于第二预设温度中。
本步骤的第二预设温度为200℃～400℃。令第二反应设备的温度控制在第二预设温度的范围内，准备在外延片100上生长非导电介质膜200。
步骤607：在外延片100上生长非导电介质膜200。
本步骤通过化学气相沉积技术在外延片100上生长非导电介质膜200。
步骤608：在电注入窗口210内形成电极300。详细参见上述实施例中对步骤504的描述。
步骤609：对衬底110相对于外延层120设置的另一侧表面进行研磨抛光，以令衬底110达到预设厚度。
本步骤中衬底110相对于外延层120设置的另一侧表面即为图一所示的背表面110b。本步骤通过研磨抛光将衬底110减薄，使其达到预设厚度。预设厚度为50-200mm。
步骤610：在衬底110的抛光面上形成金属层400。
本步骤中衬底110的抛光面，即为图一所示的背表面110b。本步骤通过蒸镀或溅射的方式进行背面金属层400的制备。形成金属层400后可以得到一个更加完善的半导体激光器1。
步骤611：对具有金属层400的外延片100进行快速退火热处理。
本步骤中通过对具有金属层400的外延片100进行快速退火热处理(RTA)，使得半导体激光器1的芯片结构更为稳定。快速退火热处理后可以得到一个更加完善的半导体激光器1。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种有源区，应用于半导体激光器，其特征在于，包括量子阱结构，所述量子阱结构中势垒层的材料为InGaAlAs，所述量子阱结构中势阱层的材料为GaAsN。
2.根据权利要求1所述的有源区，其特征在于，所述势垒层的材料为In1-x-yGaxAlyAs，所述势阱层的材料为GaAsmN1-m，其中0＜x≤0.5，0＜y≤0.5；0.8≤m＜1。
3.一种半导体激光器，其特征在于，包括如权利要求1至2任一项所述的有源区。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，包括依次叠层设置的衬底、第一限制层、第一波导层、所述有源区、第二波导层、第二限制层以及欧姆接触层。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述衬底的材料和所述欧姆接触层的材料为GaAs；所述第一限制层的材料为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；所述第二限制层的材料为(InAl)GaAs或(Al)GaInP；所述第一波导层的材料和所述第二波导层的材料均为(Al)GaAs。
6.一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底的表面上生长外延层以得到外延片；
在所述外延片的表面生长非导电介质膜；
在所述非导电介质膜上形成电注入窗口，其中所述电注入窗口延伸至所述外延片；
在所述电注入窗口内形成电极；
其中，所述外延层包括有源区，所述有源区包括量子阱结构，所述量子阱结构中势垒层的材料为InGaAlAs，所述量子阱结构中势阱层的材料为GaAsN。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述外延层还包括第一限制层、第一波导层、第二波导层、第二限制层以及欧姆接触层；
所述在所述衬底的表面上生长外延层以得到外延片包括：
将所述衬底置于第一反应设备中；
令所述第一反应设备处于第一预设温度和第一预设压力中；
在所述衬底上依次生长所述第一限制层、所述第一波导层、所述有源区、所述第二波导层以及所述第二限制层；
在所述第二限制层的表面生长所述欧姆接触层，得到所述外延片。
8.根据权利要求6所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述在所述外延片的表面生长非导电介质膜包括：
将所述外延片置于第二反应设备中；
令所述第二反应设备处于第二预设温度中；
在所述外延片上生长所述非导电介质膜。
9.根据权利要求6至8任一项所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述在所述电注入窗口内形成电极之后包括：
对所述衬底相对于所述外延层设置的另一侧表面进行研磨抛光，以令所述衬底达到预设厚度；
在所述衬底的抛光面上形成金属层。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述在所述衬底的抛光面上形成金属层之后包括：
进行快速退火热处理。
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