CN111755949B - 一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，属于半导体激光器制备技术领域，方法包括在外延片的表面腐蚀出脊型结构，将脊型结构以外区域的P限制层和欧姆接触层全部腐蚀，再将窗口区的脊型结构上面的欧姆接触层腐蚀掉，然后在窗口区域除去脊型结构以外四面腐蚀到波导层的区域，利用光刻、腐蚀等方法制备出规则形状的图形，再在脊型发光区域利用PECVD、光刻工艺制备电流注入窗口，最后将制备好的样品经过沉积电极、减薄、合金、封装等工步形成激光器。通过波导层折射率的变化对光斑图形的发散角进行改变，限制了腔面附近光的吸收，有效提高大功率半导体激光器的COD阈值，同时约束了发散角，提高了光斑质量。

Description

一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，属于半导体激光器的技术领域。
背景技术
半导体激光器自问世以来，由于其体积小、功率高、寿命长、使用方便等优点，在各个领域备受青睐。大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、覆盖的波段范围广、易集成等优点，受到广泛的应用，对其输出功率、光束质量性能也提出了更高的要求。在大功率半导体激光器输出功率提高的过程中，腔面光学灾变损伤(COD)得出现成为限制的主要因素之一。腔面光学灾变损伤(COD)由于激光器腔面位于热沉边缘，散热较差，在腔面附近由光吸收产生的电子空穴对产生非辐射复合,使腔面处温度升高，引起腔面光输出位置材料的带隙收缩，进一步加剧了其对光吸收，温度剧增，温度剧增反过来又增加了其光吸收，如此恶性循环下去，当温度足够高时,导致腔面烧毁，器件失效。抑制腔面光学灾变损伤的发生，有效地提高大功率半导体激光器的COD阈值，采用腔面非注入区域是一种比较重要的方法。腔面非注入区的实现方法主要包括一、腔面附近介质钝化限制电流直接流过腔面，但是由于高掺杂的欧姆接触层的存在，电极窗口处的电流可以扩散到腔面处，电流阻挡效果不好；二、离子注入形成高阻区，同时也会在有源区上方造成晶体损伤，产生缺陷，影响器件的长期可靠性；三、去除腔面附近的高掺杂欧姆接触层，但是在侧向上缺少对光束的限制，使光束在水平方向上的发散比较严重。
对于上面问题，例如中国专利文件CN103401140 B、CN 103647216 A以及CN1417908 A采用了腐蚀除去欧姆接触层和上限制层的四边，在欧姆接触层的中心位置或者偏向芯片的一端形成第一脊型台，欧姆接触层上下贯通，上限制层上下不贯通；腐蚀去除上限制层未贯通部分的四角，腐蚀后上限制层的四角不贯通；电绝缘介质层覆盖于上限制层的上表面及第一脊型台的侧面，正面电极覆盖在电绝缘介质层和第一脊型台的上表面，背面电极生长在衬底上。而中国专利文件CN 102916338 B所述，首先采用电子束蒸发的方法在条形注入区的GaAs欧姆触层上蒸镀厚的SiO2，窗口区和条形区以外侧向区域的GaInP刻蚀截止层上蒸镀厚的TiO2。然后，利用快速热退火技术对激光器外延片进行退火处理。最后去掉条形注入区上的SiO2，完成P面电极蒸镀等其它激光器制做后工艺。前述技术都通过一系列的措施增加腔面区域初始带隙，以提高激光器抗COD能力，但是忽略了对发散角的控制，抗COD能力增加后发散角会发生变化，发散角对激光器后期的使用效果起着较为重要的作用。
发明内容
针对现有的现象，本发明提供了一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，可以通过一些措施降低腔面附近的光吸收，约束发散角。
发明概述：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，包括外延片，外延片包括自下至上依次设置的衬底、N限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P限制层和欧姆接触层，在芯片的表面腐蚀出脊型结构，将脊型结构以外区域的P限制层和欧姆接触层全部腐蚀，再将窗口区的脊型结构上面的欧姆接触层腐蚀掉，然后在窗口区域除去脊型结构以外四面腐蚀到波导层的区域，利用光刻、腐蚀等方法制备出规则形状的图形，再在脊型发光区域利用PECVD、光刻工艺制备电流注入窗口，最后将制备好的样品经过沉积电极、减薄、合金、封装等工步形成激光器。
发明的技术方案如下：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，激光器包括外延片，外延片包括自下至上依次设置的衬底、N限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P限制层和欧姆接触层，制备包括步骤如下：
步骤(1)、在外延片的上表面腐蚀出脊型结构，所述的脊型结构以外的区域均腐蚀到上波导层，脊型结构保留至欧姆接触层；
步骤(2)、将脊型结构分为脊型发光区域和窗口区，窗口区位于脊型发光区域的两端，通过光刻、腐蚀等工步将窗口区的脊型结构上面的欧姆接触层腐蚀掉，保留窗口区脊型结构的P限制层；脊型发光区域的脊型结构仍保留至欧姆接触层，只有在两端的窗口区腐蚀掉上面的欧姆接触层；
步骤(3)、在窗口区两侧的脊型结构以外腐蚀到上波导层的区域，利用光刻、腐蚀等方法制备出规则排列的图形；图形只分布在窗口区两侧腐蚀深度到达上波导层的区域；
步骤(4)、利用PECVD进行镀膜，用以绝缘隔绝、同时辅助改变发散角；利用光刻工艺在脊型结构上方制备电流注入窗口；
步骤(5)、将制备好的样品再经过沉积电极、减薄、合金、封装等工步形成激光器。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述的脊型结构位于外延片的中心位置，或者所述的脊型结构位于偏向外延片的一边。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述的脊型结构贯穿外延片的整个腔长。
根据本发明优选的，步骤(3)中，图形为任意形状、在波导层上面形成高度差的图形。
进一步优选的，步骤(3)中，图形包括平面几何图形中的任意一种，平面几何图形包括圆形、椭圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、多边形、弓形、多弧形。
根据本发明优选的，步骤(3)中的图形的深度不超过上波导层厚度的1/2。过深起不到限制作用。
根据本发明优选的，步骤(4)中所镀的膜为SiO2介质膜，SiO2介质膜的厚度为
Figure BDA0002012830920000031
进一步优选的，步骤(4)中SiO2介质膜的厚度为
Figure BDA0002012830920000032
本发明的有益效果：
本发明采用将两端窗口区域制备出脊型结构、并去除窗口区域脊型结构上面的欧姆接触层，将窗口区两侧除去脊型结构区域以外腐蚀到波导层的四周利用光刻、腐蚀等手法，在上波导层上面制备出规则的图形，波导层折射率的变化会对光斑图形的发散角进行改变，通过改变了折射率，限制了腔面附近光得吸收，抑制腔面光学灾变损伤的发生，有效地提高大功率半导体激光器的COD阈值。同时，约束了发散角，减小了光斑图形，后期激光器的使用中更容易光斑整形或耦合到光纤中去。
附图说明
图1为本发明所述制备方法的工艺流程图；
图2为常规工艺步骤一后制备的脊型结构的断面示意图；
图3为制备好波导图案的芯片立体结构示意图；
图4为制备好波导图案的芯片俯视示意图；
其中：001为衬底，002为N限制层；003为下波导层，004量子阱有源区，005为上波导层，006为脊型结构，007为窗口区域，008为规则图形，009为P限制层，010为欧姆接触层。
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。
如图1-4所示。
实施例1：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，激光器包括外延片，外延片包括自下至上依次设置的衬底、N限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P限制层和欧姆接触层，制备方法如图1所示，包括步骤如下：
步骤(1)、在外延片的上表面腐蚀出脊型结构，所述的脊型结构位于外延片的中心位置，所述的脊型结构以外的区域均腐蚀到上波导层，脊型结构保留至欧姆接触层，脊型结构贯穿外延片的整个腔长；如图2所示。
步骤(2)、将脊型结构分为脊型发光区域和窗口区，窗口区位于脊型发光区域的两端，通过光刻、腐蚀等工步将窗口区的脊型结构上面的欧姆接触层腐蚀掉，保留窗口区脊型结构的P限制层；脊型发光区域的脊型结构仍保留至欧姆接触层，只有在两端的窗口区腐蚀掉上面的欧姆接触层，如图3、图4所示。
步骤(3)、在窗口区两侧的脊型结构以外腐蚀到上波导层的区域，利用光刻、腐蚀等方法制备出规则排列的图形，图形为任意形状、在波导层上面形成高度差的图形；图形只分布在窗口区两侧腐蚀深度到达上波导层的区域。如图3、图4所示，本实施例中，图形选用圆形，等距排列在上波导层相应区域的表面。
步骤(4)、利用PECVD进行镀膜，所镀的膜为SiO2介质膜，SiO2介质膜的厚度为
Figure BDA0002012830920000042
Figure BDA0002012830920000041
用以隔绝空气、同时辅助改变发散角；利用光刻工艺在脊型结构上方制备电流注入窗口。
步骤(5)、将制备好的样品再经过沉积电极、减薄、合金、封装等工步形成激光器。
本实施例未详细提及的工艺如外延片的生长、腐蚀光刻减薄封装等工艺均采用现有常规工艺即可。
利用本实施例1所述的制备方法，所制得的激光器的慢轴发散角可由常规的12°降至10°。而现有激光器的慢轴发散角通常在12°-15°，本方法可有效约束发散角，在保持抗COD能力的同时有效提高了光斑质量。
实施例2：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，所述的脊型结构位于偏向外延片的一边。
实施例3：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为椭圆形。
实施例4：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为扇形。
实施例5：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为三角形。
实施例6：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为四边形。
实施例7：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为五边形。
实施例8：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为六边形。
实施例9：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为弓形。
实施例10：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，所制备的图形为多弧形。
实施例11：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中的图形的深度为上波导层厚度的1/2。
实施例12：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中所镀SiO2介质膜的厚度为
Figure BDA0002012830920000061
实施例13：
一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中所镀SiO2介质膜的厚度为
Figure BDA0002012830920000062

Claims (6)

1.一种具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，激光器包括外延片，外延片包括自下至上依次设置的衬底、N限制层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、P限制层和欧姆接触层，其特征在于，制备包括步骤如下：
步骤(1)、在外延片的上表面腐蚀出脊型结构，所述的脊型结构以外的区域均腐蚀到上波导层，脊型结构保留至欧姆接触层；所述的脊型结构位于外延片的中心位置，或者所述的脊型结构位于偏向外延片的一边；
步骤(2)、将脊型结构分为脊型发光区域和窗口区，窗口区位于脊型发光区域的两端，通过光刻、腐蚀将窗口区的脊型结构上面的欧姆接触层腐蚀掉，保留窗口区脊型结构的P限制层；
步骤(3)、在窗口区两侧的脊型结构以外腐蚀到上波导层的区域，利用光刻、腐蚀制备出规则排列的图形；图形为任意形状、在波导层上面形成高度差的图形；
步骤(4)、利用PECVD进行镀膜；利用光刻工艺在脊型结构上方制备电流注入窗口；
步骤(5)、将制备好的样品再经过沉积电极、减薄、合金、封装工步形成激光器。
2.根据权利要求1所述的具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的脊型结构贯穿外延片的整个腔长。
3.根据权利要求1所述的具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，图形包括平面几何图形中的任意一种，平面几何图形包括圆形、椭圆形、扇形、三角形、四边形、五边形、六边形、多边形、弓形、多弧形。
4.根据权利要求1所述的具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的图形的深度不超过上波导层厚度的1/2。
5.根据权利要求1所述的具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所镀的膜为SiO2介质膜，SiO2介质膜的厚度为800Å-2000Å。
6.根据权利要求5所述的具有非对称注入窗口的脊型GaAs基激光器的制备方法，其特征在于，步骤(4)中SiO2介质膜的厚度为1500Å-2000Å。
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