CN112636164A - 一种超薄绝缘层半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超薄绝缘层半导体激光器及其制备方法，半导体激光器包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一金属化层、第一限制层、第一波导层、第一过渡层、有源层、第二过渡层、第二波导层、第二限制层和第二金属化层，所述第二金属化层的上表面开设有至少两条沟槽，相邻沟槽之间设有载流子限制绝缘凸起，前后腔面分别镀有增透膜和银反射刻蚀膜。本发明中，绝缘层厚度降低可以使半导体激光器的散热更加快速，有利于半导体激光器功率和寿命的提高。干法蚀刻利用Ar的电离对银膜进行轰击，可达到对银膜的蚀刻效果。

Description

一种超薄绝缘层半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域，尤其涉及一种超薄绝缘层半导体激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器(DL)因其具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖范围广等特点特别适用于医疗设备的制造。此外，半导体激光器还广泛用于光纤通信、光盘存取、光谱分析和光信息处理等重要领域。
目前的半导体激光器中为了防止产生横向光震荡，一般都会采取一定的光隔离措施，以保证激光只在设计者希望的方向上产生振荡。光隔离的方法有物理隔离法和载流子限制法。其中载流子限制法就是在半导体激光器的电极附近制作一些绝缘层，阻挡载流子的注入，为保证载流子限制的效果一般该绝缘层都需要制备100nm以上。但是由于绝缘层材料大都是金属氧化物材料，其热导率较低，因此过厚的绝缘层会使半导体激光器的散热困难，提高半导体激光器的工作温度，降低半导体激光器的功率与寿命。
半导体激光器中为了提高腔面反射层的反射率，通常会镀高反膜，银具有高反射率，且导电性能及延展性和化学形态稳定性均较好，可采用其作为反射膜层。然而，由于半导体激光器的结构组成中，上下两个电极对应的腔面无需镀反射膜层，否则后期成膜后有可能会出现短路风险。但目前Ag蚀刻均为湿法蚀刻，湿法蚀刻的精度(线宽＞3μm)，而半导体激光器的精度需求较高，湿法蚀刻无法达成此精度需求。另一方面，对于所有的湿法蚀刻来说，实质都是通过蚀刻液与待蚀刻材料之间的化学反应来进行蚀刻，故其蚀刻是等方性的，湿法蚀刻银膜后，容易存在底切及内切现象。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种超薄绝缘层半导体激光器及其制备方法，目的是实现腔面反射层的刻蚀，以及提高散热效率。
基于上述目的，本发明提供了一种超薄绝缘层半导体激光器，包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一金属化层、第一限制层、第一波导层、第一过渡层、有源层、第二过渡层、第二波导层、第二限制层和第二金属化层，所述第二金属化层的上表面开设有至少两条沟槽，相邻沟槽之间设有载流子限制绝缘凸起，前后腔面分别镀有增透膜和银反射刻蚀膜。
所述载流子限制绝缘凸起之间的间距相等。
所述第一电极为N型电极，第一限制层为N型限制层，第一波导层为N型波导层，所述第二电极为P型电极，第二限制层为P型限制层，第二波导层为P型波导层。
所述有源层为量子阱层。
所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在衬底上依次外延生长第一金属化层、第一下限制层、第一波导层、第一过渡层、量子阱层、第二过渡层、第二波导层、第二限制层和第二金属化层；
步骤二、采用光刻技术与刻蚀技术在第二金属化层上制备沟槽，之后在第二金属化层上沉积载流子限制层；
步骤三、对沟槽之间的载流子限制层进行裁减，形成相互有间隔的载流子限制绝缘凸起，裁减掉间隔处的载流子限制层：
步骤四、制备第一电极和第二电极，进行解理，前腔面镀增透膜，后腔面镀银反射膜；
步骤五、对银反射膜对应第一电极及第二电极的部位采用氩气作为刻蚀气体，以干法蚀刻对银进行物理轰击蚀刻；
步骤六、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。
所述干法蚀刻中，蚀刻的气流量控制在100～200sccm，压力控制在1～5mTorr，源射频功率控制在500～800W，偏置射频功率控制在150～200W。
所述载流子限制层进行裁减利用光刻刻蚀或剥离的方法。
所述沉积载流子限制层的方法是采用原子层沉积法、等离子体辅助原子层沉积法或金属自然氧化法。
所述载流子限制层的材料采用氧化钇、氧化铝、氧化铪、氧化硅或氧化锆。
所述银反射刻蚀膜的厚度为470-500A。
本发明的有益效果：
1、本发明中，干法蚀刻利用Ar的电离对银膜进行轰击，可达到对银膜的蚀刻效果。此种干法蚀刻方法，对Ag的蚀刻速率可达30nm/min～100nm/min。且为物理轰击，CD(线宽)可做到0.1μm～0.25μm，profile(形貌)较优，能控制在70°～90°，均优于传统湿法蚀刻。此种方式对银膜的蚀刻效果，能够满足半导体激光器反射层的刻蚀需求。
2、本发明通过在第二金属化层(上金属化层)上表面开有至少两条沟槽，两相邻沟槽之间设有载流子限制绝缘凸起。同时半导体激光器其绝缘层非常致密，绝缘性能比传统制备方法好，绝缘层的厚度可以降低到1-50nm，绝缘层厚度降低可以使半导体激光器的散热更加快速，有利于半导体激光器功率和寿命的提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明两条沟槽间载流子限制绝缘凸起的局部结构示意图；
图3为本发明镀银反射刻蚀膜未刻蚀前的结构示意图；
图4为本发明在银反射刻蚀膜上涂胶后的结构示意图。
图中标记为：
1、第一电极；2、第二电极；3、衬底；4、第一金属化层；5、第一限制层；6、第一波导层；7、第一过渡层；8、有源层；9、第二过渡层；10、第二波导层；11、第二限制层；12、第二金属化层；13、增透膜；14、银反射刻蚀膜；15、沟槽；16、载流子限制绝缘凸起；17、保护胶层。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1所示，一种超薄绝缘层半导体激光器，包括第一电极1、第二电极2、设于第一电极1及第二电极2之间且从第一电极1朝向第二电极2方向依次设置的衬底3、第一金属化层4、第一限制层5、第一波导层6、第一过渡层7、有源层8、第二过渡层9、第二波导层10、第二限制层11和第二金属化层12，所述第二金属化层12的上表面开设有至少两条沟槽15，相邻沟槽15之间设有载流子限制绝缘凸起16，前后腔面分别镀有增透膜13和银反射刻蚀膜14。沟槽的作用是利用物理隔断波导层限制光的横向震荡，但是由于沟槽结构对于芯片的机械性能有较大损伤，不能制作的过于密集，需要与绝缘层凸起配合使用，绝缘层凸起的作用是阻挡载流子注入这一个区域，起到减弱本区域内的光增益效果作用，进而限制光场在这个区域获得能量，所以起到了限制光的横向震荡。绝缘层凸起的载流子限制作用与其绝缘特性密切相关，绝缘特性又与薄膜制备方法密切相关，采用本发明的绝缘层可以获得致密性更高的绝缘层，因此可以使用较薄的绝缘层起到现有绝缘层的效果。半导体激光器件的对向两侧面分别设有增透膜和银反射刻蚀膜。银反射刻蚀膜及增透膜的设置，兼顾表面出光和腔面出光效率。增透膜蒸镀在前腔面，银反射刻蚀膜镀在后腔面，提升腔面出光效率，降低腔面损失阈值。
作为一种优选的实施形式，载流子限制绝缘凸起16之间的间距相等。其作用是限制对本区域的载流子注入，从而限制本区域内的光增益特性，阻止光在横向产生震荡。载流子限制凸起高度为1-50nm。
本实施例中，第一电极1(下电极)为N型电极，第一限制层5(下限制层)为N型限制层，第一波导层6(下波导层)为N型波导层，所述第二电极2(上电极)为P型电极，第二限制层11(上限制层)为P型限制层，第二波导层10(上波导层)为P型波导层。所述N型波导层和所述P型波导层采用AlxGa1-xAs材料，所述N型波导层和所述P型波导层的厚度比为4：1。该N型波导层和P型波导层厚度不同，从而改变光场分布。
N型限制层制作在衬底上，N型限制层为N型铝镓砷材料，可以有效的限制光场。所述P型限制层采用AlxGa1-xAs材料。该P型限制层制作在P型波导层上。
其中，有源层8为量子阱层。该量子阱有源区制作在N型波导层和P型波导层以内，其材料为铟镓砷材料。
本发明还提供超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在衬底3上依次外延生长第一金属化层4、第一下限制层、第一波导层6、第一过渡层7、量子阱层、第二过渡层9、第二波导层10、第二限制层11和第二金属化层12；
步骤二、采用光刻技术与刻蚀技术在第二金属化层12上制备沟槽15，之后在第二金属化层12上沉积载流子限制层；所述沉积载流子限制层的方法是采用原子层沉积法、等离子体辅助原子层沉积法或金属自然氧化法。
步骤三、对沟槽15之间的载流子限制层进行裁减，形成相互有间隔的载流子限制绝缘凸起16，裁减掉间隔处的载流子限制层：载流子限制层进行裁减利用光刻刻蚀或剥离的方法。所述载流子限制层的材料采用氧化钇、氧化铝、氧化铪、氧化硅或氧化锆。
步骤四、制备第一电极1和第二电极2，进行解理，前腔面镀增透膜13，后腔面镀银反射膜；所述银反射刻蚀膜的厚度为470-500A。
步骤五、对银反射膜对应第一电极1及第二电极2的部位采用氩气作为刻蚀气体，以干法蚀刻对银进行物理轰击蚀刻；由于Ag的化学性质稳定，在干法蚀刻时，不易与radical(活性化学基)反应，化学反应不足，故为得到高的Etch rate(蚀刻速率)，可通过控制Ion(离子)，进行物理轰击蚀刻。基于此，干法蚀刻时，利用氩气的电离，通过调整Ar gasFlow(气体流量)、RF power(射频功率)、蚀刻pressure(制程压力)对Ag进行物理轰击，以达到蚀刻效果。
步骤六、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。
上述方法中，在干法蚀刻中，蚀刻的气流量控制在100～200sccm，压力控制在1～5mTorr，源射频功率控制在500～800W，偏置射频功率控制在150～200W。
下面通过具体的实例进行详细说明：
实施例1
一种超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在衬底3上依次外延生长第一金属化层4、第一下限制层、第一波导层6、第一过渡层7、量子阱层、第二过渡层9、第二波导层10、第二限制层11和第二金属化层12；
步骤二、采用光刻技术与刻蚀技术在第二金属化层12上制备沟槽15，之后在第二金属化层12上沉积载流子限制层；所述沉积载流子限制层的方法是采用原子层沉积法。
步骤三、对沟槽15之间的载流子限制层进行裁减，形成相互有间隔的载流子限制绝缘凸起16，裁减掉间隔处的载流子限制层：载流子限制层进行裁减利用光刻刻蚀的方法。所述载流子限制层的材料采用氧化钇。载流子限制绝缘层的高度为10nm。
步骤四、制备第一电极1和第二电极2，进行解理，前腔面镀增透膜13，后腔面镀银反射膜；所述银反射膜的厚度为480A。
步骤五、对银反射膜对应第一电极1及第二电极2的部位采用氩气作为刻蚀气体，以干法蚀刻对银进行物理轰击蚀刻；在干法蚀刻中，先在银反射膜上涂布保护胶，以在银反射膜上形成保护胶层17，保护胶层的宽度为两个上下两个电极之间的宽度，用以对两个电极之间各结构层进行保护，便于对两个电极对应的银反射层进行刻蚀，蚀刻的气流量控制在150sccm，压力控制在3mTorr，源射频功率控制在700W，偏置射频功率控制在180W；刻蚀结束后，去除保护胶层。
步骤六、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。
实施例2
一种超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在衬底3上依次外延生长第一金属化层4、第一下限制层、第一波导层6、第一过渡层7、量子阱层、第二过渡层9、第二波导层10、第二限制层11和第二金属化层12；
步骤二、采用光刻技术与刻蚀技术在第二金属化层12上制备沟槽15，之后在第二金属化层12上沉积载流子限制层；所述沉积载流子限制层的方法是采用原子层沉积法。
步骤三、对沟槽15之间的载流子限制层进行裁减，形成相互有间隔的载流子限制绝缘凸起16，裁减掉间隔处的载流子限制层：载流子限制层进行裁减利用光刻刻蚀的方法。所述载流子限制层的材料采用氧化锆。载流子限制绝缘层的高度为15nm。
步骤四、制备第一电极1和第二电极2，进行解理，前腔面镀增透膜13，后腔面镀银反射膜；所述银反射膜的厚度为500A。
步骤五、对银反射膜对应第一电极1及第二电极2的部位采用氩气作为刻蚀气体，以干法蚀刻对银进行物理轰击蚀刻；在干法蚀刻中，先在银反射膜上涂布保护胶，以在银反射膜上形成保护胶层17，保护胶层的宽度为两个上下两个电极之间的宽度，用以对两个电极之间各结构层进行保护，便于对两个电极对应的银反射层进行刻蚀，蚀刻的气流量控制在180sccm，压力控制在5mTorr，源射频功率控制在600W，偏置射频功率控制在160W；刻蚀结束后，去除保护胶层。
步骤六、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超薄绝缘层半导体激光器，其特征在于，包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一金属化层、第一限制层、第一波导层、第一过渡层、有源层、第二过渡层、第二波导层、第二限制层和第二金属化层，所述第二金属化层的上表面开设有至少两条沟槽，相邻沟槽之间设有载流子限制绝缘凸起，前后腔面分别镀有增透膜和银反射刻蚀膜。
2.根据权利要求1所述超薄绝缘层半导体激光器，其特征在于，所述载流子限制绝缘凸起之间的间距相等。
3.根据权利要求1所述超薄绝缘层半导体激光器，其特征在于，所述第一电极为N型电极，第一限制层为N型限制层，第一波导层为N型波导层，所述第二电极为P型电极，第二限制层为P型限制层，第二波导层为P型波导层。
4.根据权利要求1所述的超薄绝缘层半导体激光器，其特征在于，所述有源层为量子阱层。
5.根据权利要求1-4任一项所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在衬底上依次外延生长第一金属化层、第一下限制层、第一波导层、第一过渡层、量子阱层、第二过渡层、第二波导层、第二限制层和第二金属化层；
步骤二、采用光刻技术与刻蚀技术在第二金属化层上制备沟槽，之后在第二金属化层上沉积载流子限制层；
步骤三、对沟槽之间的载流子限制层进行裁减，形成相互有间隔的载流子限制绝缘凸起，裁减掉间隔处的载流子限制层：
步骤四、制备第一电极和第二电极，进行解理，前腔面镀增透膜，后腔面镀银反射膜；
步骤五、对银反射膜对应第一电极及第二电极的部位采用氩气作为刻蚀气体，以干法蚀刻对银进行物理轰击蚀刻；
步骤六、芯片焊接到热沉，压焊电极引线。
6.根据权利要求5所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述干法蚀刻中，蚀刻的气流量控制在100～200sccm，压力控制在1～5mTorr，源射频功率控制在500～800W，偏置射频功率控制在150～200W。
7.根据权利要求5所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述载流子限制层进行裁减利用光刻刻蚀或剥离的方法。
8.根据权利要求5所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述沉积载流子限制层的方法是采用原子层沉积法、等离子体辅助原子层沉积法或金属自然氧化法。
9.根据权利要求5所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述载流子限制层的材料采用氧化钇、氧化铝、氧化铪、氧化硅或氧化锆。
10.根据权利要求5所述超薄绝缘层半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述银反射刻蚀膜的厚度为470-500A。
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