CN113745961A - 一种GaAs基光子晶体激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种GaAs基光子晶体激光器及其制作方法，对基于n型GaAs衬底的半导体叠层顶部的层叠A的电流导通区域，增设对其限定的阻流区域。其采用金属有机物化学气相沉积法外延生长有源区及波导结构，结合电子束光刻和干法刻蚀制作光子晶体形成激光外延片，通过常规光刻、氧化和刻蚀工艺制作GaAs基PCSEL激光芯片。通过插入氧化层来控制注入电流的范围，通过优化光限制因子来减小PCSEL的阈值电流，从而提高PCSEL的参数特性。本发明通过注入电流在氧化层中无法导通，只能在中间的未氧化孔径中导通，达到控制电流分布的目的，其结构简单，操作方便，注入电流的控制效果好，具有很强的实用性和广泛的适用性。

Description

一种GaAs基光子晶体激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种光子晶体激光器的制作方法，具体涉及一种GaAs基光子晶体激光器的制作方法，属于半导体激光器芯片技术领域。
背景技术
光子晶体表面发射激光器（PCSEL）是一种全新的半导体激光器种类，它结合了EEL和VCSEL的优势，既能实现EEL的宽波长覆盖范围，高功率，又具有VCSEL相似的低成本制程工艺。此外，由于其独特的光子限制特性，通过增大有源区的增益面积，PCSEL能实现瓦级的单模光束，成为了未来理想的激光光源。GaAs基PCSEL激光芯片波长能覆盖7xx nm-9xx nm，由于能实现连续W级的单模光输出，未来有望取代传统的VCSEL和边发射激光器应用于光泵浦、传感、测距等领域。
目前报导的PCSEL激光器阈值都偏大，主要原因除了光子晶体本身材料缺陷造成的光吸收很大之外，注入电流分布和光场不能很好的在空间上交叠，造成光限制因子较小。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种GaAs基光子晶体激光器及其制作方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种GaAs基光子晶体激光器的制作方法，对基于n型GaAs衬底的半导体叠层顶部的层叠A的电流导通区域，增设对其限定的阻流区域。
上述阻流区域由层叠A内的含高Al组分AlGaAs层部分氧化制得。
进一步的，上述高Al组分AlGaAs层的组合包括Al0.98GaAs。
上述层叠A包括GaAs覆盖层、高Al组分AlGaAs层、上保护层、接触层。
上述半导体叠层包括在n型GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层、下保护层、下波导层、应变量子阱有源区、上波导层、GaAs垫片层、和InGaP层；且，光子晶体层在InGaP层中制作。
一种GaAs基光子晶体激光器，依上述的制作方法制得，包括基于n型GaAs衬底的半导体叠层，和在半导体叠层上外延生长的层叠A，p面电极设于层叠A上的绝缘层，n面电极设于n型GaAs衬底的底面；
所述层叠A包括依次叠覆的GaAs覆盖层、高Al组分AlGaAs层、上保护层、接触层，且高Al组分AlGaAs层的外侧被氧化为阻流区域。
上述半导体叠层包括依次叠覆在n型GaAs衬底上的GaAs缓冲层、下保护层、下波导层、应变量子阱有源区、上波导层、GaAs垫片层、和InGaP层；且光子晶体层在InGaP层中制作。
一种GaAs基光子晶体激光器的制作方法，包括以下步骤：
S1、在n型GaAs衬底上依次外延生长GaAs缓冲层、AlGaAs下保护层、AlGaAs下波导层、应变量子阱有源区、AlGaAs上波导层、GaAs垫片层、和InGaP层；
S2、在InGaP层中制作光子晶体层；
S3：在光子晶体层上外延GaAs覆盖层、高Al组分AlGaAs层、AlGaAs上保护层、GaAs接触层；
S4：在GaAs接触层上生长氧硅硬掩模；
S5：光刻定义出PCSEL台面区域，腐蚀掉该区域外的氧硅硬掩模；
S6：刻蚀出PCSEL台面，直至露出高Al组分AlGaAs层；
S7：氧化高Al组分AlGaAs层，使其成为阻流层；
S8：去除剩余氧硅硬掩模；在外延片上生长二氧化硅做绝缘层；
S9：在绝缘层开出电极窗口，在电极窗口内沉积金属形成p面电极，将n型GaAs衬底减薄后沉积金属形成n面电极。
上述步骤S1中在n型GaAs衬底上采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）系统依次外延生长。
上述步骤S2中采用电子束曝光和干法刻蚀法在InGaP层制作光子晶体层。
上述步骤S6中采用干湿结合的半导体制程工艺刻蚀出PCSEL台面，至露出高Al组分AlGaAs层。
本发明的有益之处在于：
一种GaAs基光子晶体激光器及其制作方法，采用金属有机物化学气相沉积法外延生长有源区及波导结构，结合电子束光刻和干法刻蚀制作光子晶体形成激光外延片，通过常规光刻、氧化和刻蚀工艺制作GaAs基PCSEL激光芯片。通过插入氧化层来控制注入电流的范围，通过优化光限制因子来减小PCSEL的阈值电流，从而提高PCSEL的参数特性。
本发明的PCSEL通过注入电流在氧化层（阻流层）中无法导通，只能在中间的未氧化孔径中导通，达到控制电流分布的目的，其结构简单，操作方便，注入电流的控制效果好，具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1为半导体叠层的结构示意图。
图2为制作光子晶体层的结构示意图。
图3为外延层叠A的结构示意图。
图4为刻蚀出PCSEL台面的结构示意图。
图5为氧化成阻流层的结构示意图。
图6为GaAs基光子晶体激光器的结构示意图。
附图中标记的含义如下：1、n型GaAs衬底，2、缓冲层，3、下保护层，4、下波导层，5、应变量子阱有源区，6、上波导层，7、GaAs垫片层，8、InGaP层，9、光子晶体层，10、GaAs覆盖层，11、高Al组分AlGaAs层，12、上保护层，13、接触层，14、氧硅硬掩模，15、阻流层，16、p面电极，17、n面电极。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种GaAs基光子晶体激光器，由基于n型GaAs衬底1的半导体叠层、层叠A、绝缘层、p面电极和n面电极组成。
半导体叠层由在n型GaAs衬底上依次叠覆的GaAs缓冲层2、AlGaAs下保护层3、AlGaAs下波导层4、应变量子阱有源区5、AlGaAs上波导层6、GaAs垫片层7、和InGaP层8组成；光子晶体层9在InGaP层8中制作。
层叠A覆在半导体叠层上，由依次叠覆的GaAs覆盖层10、高Al组分AlGaAs层11、AlGaAs上保护层12、GaAs接触层13组成，且高Al组分AlGaAs层的外侧被氧化为阻流区域，内侧为电流导通区域。优选的，高Al组分AlGaAs层的组合包括Al0.98GaAs。
二氧化硅绝缘层覆于层叠A上，并开设环形电极窗口，p面电极置于电极窗口内；n面电极覆于n型GaAs衬底的底面。
n侧电极的材料优选Au等金属，包括Au、AuGe、AuGe/Au。
p侧电极的材料优选Au、Ti、Pt、Cr等金属。
具体的，PCSEL中的半导体叠层的材料参数，包括各层的厚度，根据需求的性能参数给出定义。其中氧化孔径的大小（即电流导通区域）根据具体需求的性能参数给出定义。
一种GaAs基光子晶体激光器的制作方法，包括以下步骤：
S1、在n型GaAs衬底上采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）系统依次外延生长GaAs缓冲层、AlGaAs下保护(clad)层、AlGaAs下波导层、应变量子阱有源区、AlGaAs上波导层、GaAs垫片层、和InGaP层；
S2、采用电子束曝光和干法刻蚀法在InGaP层中制作光子晶体层；
S3：在光子晶体层上外延GaAs覆盖层、高Al组分AlGaAs层、AlGaAs上保护(clad)层、GaAs接触层；
S4：在GaAs接触层上生长氧硅硬掩模；
S5：光刻定义出PCSEL台面区域，腐蚀掉该区域外的氧硅硬掩模；
S6：采用干湿结合的半导体制程工艺刻蚀出PCSEL台面，直至露出高Al组分AlGaAs层；
S7：氧化高Al组分AlGaAs层，使其成为阻流层15；
S8：去除剩余氧硅硬掩模；在外延片上生长二氧化硅做绝缘层；
S9：在绝缘层开出环形电极窗口，在电极窗口内沉积金属形成p面电极16，将n型GaAs衬底减薄后沉积金属形成n面电极17。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种GaAs基光子晶体激光器的制作方法，其特征在于，对基于n型GaAs衬底（1）的半导体叠层顶部的层叠A的电流导通区域，增设对其限定的阻流区域。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述阻流区域由层叠A内的含高Al组分AlGaAs层部分氧化制得。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述高Al组分AlGaAs层的组合包括Al0.98GaAs。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述层叠A包括GaAs覆盖层（10）、高Al组分AlGaAs层（11）、上保护层（12）、接触层（13）。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述半导体叠层包括在n型GaAs衬底（1）上外延生长GaAs缓冲层（2）、下保护层（3）、下波导层（4）、应变量子阱有源区（5）、上波导层（6）、GaAs垫片层（7）、和InGaP层（8）；
且，光子晶体层（9）在InGaP层（8）中制作。
6.一种GaAs基光子晶体激光器，其特征在于，由权利要求1-5任一所述的制作方法制得，包括基于n型GaAs衬底（1）的半导体叠层，和在半导体叠层上外延生长的层叠A，p面电极设于层叠A上的绝缘层，n面电极设于n型GaAs衬底的底面；
所述层叠A包括依次叠覆的GaAs覆盖层（10）、高Al组分AlGaAs层（11）、上保护层（12）、接触层（13），且高Al组分AlGaAs层的外侧被氧化为阻流区域。
7.根据权利要求6所述的一种GaAs基光子晶体激光器，其特征在于，所述半导体叠层包括依次叠覆在n型GaAs衬底（1）上的GaAs缓冲层（2）、下保护层（3）、下波导层（4）、应变量子阱有源区（5）、上波导层（6）、GaAs垫片层（7）、和InGaP层（8）；且光子晶体层（9）在InGaP层（8）中制作。
8.根据权利要求6所述的一种GaAs基光子晶体激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在n型GaAs衬底（1）上依次外延生长GaAs缓冲层（2）、AlGaAs下保护层（3）、AlGaAs下波导层（4）、应变量子阱有源区（5）、AlGaAs上波导层（6）、GaAs垫片层（7）、和InGaP层（8）；
S2、在InGaP层（8）中制作光子晶体层（9）；
S3：在光子晶体层（9）上外延GaAs覆盖层（10）、高Al组分AlGaAs层（11）、AlGaAs上保护层（12）、GaAs接触层（13）；
S4：在GaAs接触层（13）上生长氧硅硬掩模（14）；
S5：光刻定义出PCSEL台面区域，腐蚀掉该区域外的氧硅硬掩模；
S6：刻蚀出PCSEL台面，至露出高Al组分AlGaAs层；
S7：氧化高Al组分AlGaAs层，使其成为阻流层（15）；
S8：去除剩余氧硅硬掩模；在外延片上生长二氧化硅做绝缘层；
S9：在绝缘层开出电极窗口，在电极窗口内沉积金属形成p面电极（16），将n型GaAs衬底减薄后沉积金属形成n面电极（17）。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中采用电子束曝光和干法刻蚀法在InGaP层（8）制作光子晶体层（9）。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S6中采用干湿结合的半导体制程工艺刻蚀出PCSEL台面，至露出高Al组分AlGaAs层。
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