CN111817136A - 一种激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器的制作方法，该制作方法包括：在衬底上依序层叠形成第一光限制层和有源层；在有源层上形成厚度小于限光最低厚度的第二光限制层，其中，限光最低厚度指的是能够对光进行限制的光限制层的最低厚度；在第二光限制层上形成由透明导电氧化物制成的光限制补偿层，光限制补偿层用于结合第二光限制层以实现对光的限制。本发明还公开了一种氮化镓基激光器。本发明解决了现有的氮化镓基激光器的效率较低的问题。

Description

一种激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器制作技术领域，尤其涉及一种能够减少激光器有源层的热退化风险的激光器制作方法。
背景技术
作为第三代半导体材料，氮化镓(GaN)材料具有禁带宽度大、光谱范围广、耐高温、耐腐蚀等优点，因此广泛地应用在多个技术领域中。尤其在氮化镓基激光器领域中，氮化镓材料有着重要的应用价值。但是，目前的氮化镓基激光器的良率并不理想，其原因在于：
当采用氮化镓半导体材料来制作氮化镓基激光器的有源层上方的光限制层时，由于氮化镓半导体材料的生长需要900℃以上的高温，因此下方的有源层会直接处于高温环境中。当有源层的量子阱在900℃以上的高温环境中暴露了一定时间后，会发生量子阱退化，从而会导致激光器性能的不足。
虽然，减少光限制层的生长时间可以有效地减少有源层处于高温环境的时间，但是采用氮化镓半导体材料来制作光限制层时，光限制层的厚度必须达到一定程度(至少为500nm)才能起到光限制作用，减少光限制层的生长时间必然导致光限制层的厚度不足以达到光限制层的至少厚度。因此也无法仅通过减少光限制层的生长时间的方式来减少有源层处于高温环境的时间。
发明内容
针对现有技术存在的不足，在本发明的一方面提供了一种半导体激光器的制作方法，该述制作方法包括：
在衬底上依序层叠形成第一光限制层和有源层；
在所述有源层上形成厚度小于限光最低厚度的第二光限制层，其中，所述限光最低厚度指的是能够对光进行限制的光限制层的最低厚度；
在所述第二光限制层上形成由透明导电氧化物制成的光限制补偿层，所述光限制补偿层用于结合所述第二光限制层以实现对光的限制。
优选地，在形成所述光限制补偿层之前，所述制作方法还包括：在所述第二光限制层上形成欧姆接触层；
其中，所述光限制补偿层在所述欧姆接触层形成之后，并且形成在所述欧姆接触层上。
优选地，所述制作方法还包括：
对所述第二光限制层、欧姆接触层和所述光限制补偿层进行部分刻蚀，以形成脊形结构；
在所述脊形结构的两侧分别形成绝缘层。
优选地，在形成所述第一光限制层之前，所述制作方法还包括：在所述衬底上形成缓冲层；
其中，所述第一光限制层在所述缓冲层形成之后，并且形成在所述缓冲层上。
优选地，在形成所述有源层之前，所述制作方法还包括：在所述第一光限制层上形成第一波导层；
其中，所述有源层在所述第一波导层形成之后，并且形成在所述第一波导层上。
优选地，在形成所述第二光限制层之前，所述制作方法还包括：在所述有源层上依序层叠形成第二波导层和电子阻挡层；
其中，所述第二光限制层在所述第二波导层和所述电子阻挡层形成之后，并且形成在所述电子阻挡层上。
优选地，所述制作方法还包括：
在所述衬底的背向所述第一光限制层的表面上形成第一电极；
在所述光限制补偿层的背向所述衬底的表面上形成第二电极。
在本发明的另一方面提供了一种半导体激光器，该半导体激光器包括衬底以及依序层叠在所述衬底上的第一光限制层、有源层、第二光限制层和光限制补偿层；其中，所述第二光限制层的厚度小于限光最低厚度，所述限光最低厚度指的是能够对光进行限制的光限制层的最低厚度；所述光限制补偿层用于结合所述第二光限制层以实现对光的限制。
优选地，所述半导体激光器还包括：缓冲层、第一波导层、第二波导层、电子阻挡层、欧姆接触层、第一电极和第二电极；其中，所述缓冲层夹设在所述衬底与所述第一光限制层之间，所述第一波导层夹设在所述第一光限制层与所述有源层之间，所述第二波导层和所述电子阻挡层依序夹设在所述有源层与所述第二光限制层之间，所述欧姆接触层夹设在所述第二光限制层与所述光限制补偿层之间，所述第一电极设于所述衬底的背向所述第一光限制层的表面上，所述第二电极设于所述光限制补偿层的背向所述衬底的表面上。
优选地，所述第二光限制层背向所述衬底的表面上设有脊形凸面，所述欧姆接触层和所述光限制补偿层依序层叠在所述脊形凸面上以形成脊形结构；所述脊形结构的两侧分别形成有绝缘层。
在本发明中，生长第二光限制层时，使第二光限制层的生长厚度小于限光最低厚度。也就是说，减少第二光限制层的生长时长，以此减少有源层处于高温环境的时间，从而降低了有源层热退化的可能性。与此同时，为了弥补第二光限制层的光限制能力不足，在第二光限制层上形成了用于结合第二光限制层以实现对光的限制的光限制补偿层，由于透明导电氧化物的折射率低于氮化镓基半导体材料的折射率，因此光限制补偿层能够有效地将光线限制在有源层中，从而抵消了第二光限制层的光限制作用不足。该光限制补偿层由生长温度较低的透明导电氧化物制成，因此生长过程中产生的热量较少，不会对有源层造成影响，从而能够保障激光器的良率。
进一步地，在本发明中，减少第二光限制层的厚度在一定程度上减小了激光器的内部电阻，从而减小了激光器的功耗。而且，光限制补偿层由透明导电氧化物制成，具有较低的电阻率，可以减少激光器整体的串联电阻。此外，透明导电氧化物的吸收系数相对于金属小了两个数量级，能有效地降低激光器的内部损耗，从而能够进一步提升激光器的性能。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的激光器的制作方法的流程图；
图2是根据本发明的实施例的激光器的结构示意图；
图3是根据本发明的另一实施例的激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。将理解的是，当诸如层、膜、区域或基底等的元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。可选择地，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。
此外，以下出现的“限光最低厚度”是指光限制层开始对光起到限制作用时的最小厚度。例如：采用氮化镓基半导体材料制作光限制层时，光限制层的生长厚度至少要达到500nm才能对光起到限制作用。
实施例1
本实施例提供了一种激光器的制作方法，如图1和图2所示，所述方法包括：
步骤S1、在衬底1上依序层叠形成第一光限制层2和有源层3。
具体地，所述衬底1优选为n型氮化镓衬底1；所述第一光限制层2优选为n型氮化镓铝材料，其厚度为800nm～3000nm；所述有源层3优选为不掺杂的氮化镓铟材料，其厚度为2nm～20nm。
步骤S2、在所述有源层3上形成厚度小于限光最低厚度的第二光限制层4。其中，所述限光最低厚度指的是能够对光进行限制的光限制层的最低厚度，也就是说，本实施例的第二光限制层4无法起到正常的光限制作用。然而，在本步骤中，故意减少所述第二光限制层4的生长厚度的目的在于，减少第二光限制层4的生长时长，以此来减少所述有源层3处于高温环境的时间，从而降低有源层3热退化的可能性。
具体地，所述第二光限制层4优选为单层氮化镓铝材料或者氮化镓铝和氮化镓组成的超晶格结构，其空穴浓度在1017cm-3～1020cm-3，铝组分或者平均铝组分为2％～20％。本实施例的所述第二光限制层4的厚度为100nm～500nm。
步骤S3、在所述第二光限制层4上形成由透明导电氧化物制成的光限制补偿层5。其中，所述光限制补偿层5用于结合所述第二光限制层4以实现对光的限制。由于所述透明导电氧化物的折射率低于其下方的其他功能层的折射率，因此光限制补偿层5能够有效地将光线限制在有源层3中，从而抵消了第二光限制层4的光限制作用不足。
具体地，所述光限制补偿层5优选为氧化铟锡(ITO)材料，其厚度为100nm～500nm。由于氧化铟锡材料的生长温度低于氮化镓基半导体材料的生长温度，因此所述光限制补偿层5生长过程中所产生的热量较少，不会对有源层3造成影响，从而保障了激光器的良率。
此外，透明导电氧化物具有较低的电阻率，可以减少激光器整体的串联电阻，而且透明导电氧化物的吸收系数相对于金属小了两个数量级，能有效地降低氮化镓基激光器的内部损耗，从而能够进一步提升氮化镓基激光器的性能。
可选地，本实施例中，所述光限制补偿层5可以选择氧化锌、氧化镁、氧化锡、氧化镉、氧化铟、氧化铟锡、氧化铝锌、氧化镓锌、氧化铟锌、氧化镁锌、氧化铟镓锌中的至少一种。
实施例2
本实施例提供了采用实施例1的制作方法来制作的氮化镓基激光器。如图3所示，与实施例1不同的是，为了提高氮化镓基激光器的性能，本实施例的氮化镓基激光器还包括额外的功能层。
在本实施例的氮化镓基激光器中，所述衬底1与所述第一光限制层2之间形成有缓冲层6。所述缓冲层6优选为n型氮化镓材料，其厚度为500nm～3000nm，其电子浓度为1017cm-3～1020cm-3。
进一步地，在所述第一光限制层2与所述有源层3之间形成有第一波导层7。所述第一波导层7优选为氮化镓铟材料材料，其厚度为30nm～150nm，其电子浓度为1017cm-3～1020cm-3；
更进一步地，在所述有源层3与所述第二光限制层4之间可以沿背向所述有源层3的方向依序形成有第二波导层8和电子阻挡层9。所述第二波导层8优选为氮化镓铟材料材料，其厚度为30nm～150nm；所述电子阻挡层9优选为氮化镓铝材料，其厚度为10nm～40nm，其空穴浓度在1017cm-3～1020cm-3；
更进一步地，在所述第二光限制层4与所述光限制补偿层5之间形成有欧姆接触层10。所述欧姆接触层10优选为重掺杂镁的氮化镓材料，其镁的掺杂浓度为1019cm-3～1021cm-3。
优选地，为了提高氮化镓基激光器的性能，如图3所示，本实施例的氮化镓基激光器还包括脊形结构。具体地，如图3所示，所述第二光限制层4背向所述衬底1的表面上设有脊形凸面41，所述欧姆接触层10和所述光限制补偿层5依序层叠在所述脊形凸面41上以形成脊形结构。所述脊形结构的两侧分别形成有绝缘层11。
本实施例的所述脊形结构是采用干法刻蚀工艺对所述第二光限制层4、欧姆接触层10和所述光限制补偿层5进行部分刻蚀而形成。所述脊形结构的两侧分别设有绝缘层11。其中，所述绝缘层11优选为厚度为200nm～300nm的二氧化硅层。
此外，如图3所示，本实施例的氮化镓基激光器还包括第一电极12和第二电极13。所述第一电极12形成在所述衬底1的背向所述第一光限制层2的表面上。所述第二电极13形成在所述光限制补偿层5的背向所述衬底1的表面上。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上依序层叠形成第一光限制层和有源层；
在所述有源层上形成厚度小于限光最低厚度的第二光限制层，其中，所述限光最低厚度指的是能够对光进行限制的光限制层的最低厚度；
在所述第二光限制层上形成由透明导电氧化物制成的光限制补偿层，所述光限制补偿层用于结合所述第二光限制层以实现对光的限制。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成所述光限制补偿层之前，所述制作方法还包括：在所述第二光限制层上形成欧姆接触层；
其中，所述光限制补偿层在所述欧姆接触层形成之后，并且形成在所述欧姆接触层上。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
对所述第二光限制层、欧姆接触层和所述光限制补偿层进行部分刻蚀，以形成脊形结构；
在所述脊形结构的两侧分别形成绝缘层。
4.根据权利要求1至3任一所述的制作方法，其特征在于，在形成所述第一光限制层之前，所述制作方法还包括：在所述衬底上形成缓冲层；
其中，所述第一光限制层在所述缓冲层形成之后，并且形成在所述缓冲层上。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，在形成所述有源层之前，所述制作方法还包括：在所述第一光限制层上形成第一波导层；
其中，所述有源层在所述第一波导层形成之后，并且形成在所述第一波导层上。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在形成所述第二光限制层之前，所述制作方法还包括：在所述有源层上依序层叠形成第二波导层和电子阻挡层；
其中，所述第二光限制层在所述第二波导层和所述电子阻挡层形成之后，并且形成在所述电子阻挡层上。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：
在所述衬底的背向所述第一光限制层的表面上形成第一电极；
在所述光限制补偿层的背向所述衬底的表面上形成第二电极。
8.一种半导体激光器，其特征在于，包括衬底以及依序层叠在所述衬底上的第一光限制层、有源层、第二光限制层和光限制补偿层；其中，所述第二光限制层的厚度小于限光最低厚度，所述限光最低厚度指的是能够对光进行限制的光限制层的最低厚度；所述光限制补偿层用于结合所述第二光限制层以实现对光的限制。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述半导体激光器还包括：缓冲层、第一波导层、第二波导层、电子阻挡层、欧姆接触层、第一电极和第二电极；其中，所述缓冲层夹设在所述衬底与所述第一光限制层之间，所述第一波导层夹设在所述第一光限制层与所述有源层之间，所述第二波导层和所述电子阻挡层依序夹设在所述有源层与所述第二光限制层之间，所述欧姆接触层夹设在所述第二光限制层与所述光限制补偿层之间，所述第一电极设于所述衬底的背向所述第一光限制层的表面上，所述第二电极设于所述光限制补偿层的背向所述衬底的表面上。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述第二光限制层背向所述衬底的表面上设有脊形凸面，所述欧姆接触层和所述光限制补偿层依序层叠在所述脊形凸面上以形成脊形结构；所述脊形结构的两侧分别形成有绝缘层。
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