CN114122914A - 激光器的制备方法及激光器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种激光器的制备方法及激光器，其制备方法包括：提供衬底；在衬底上形成包括未混杂有源区的第一外延层；在第一外延层上的部分区域形成掩膜层；在第一外延层上的裸露区域形成混杂层，用于提供向未混杂有源区扩散的缺陷；通过热退火工艺将混杂层中的缺陷扩散至混杂层垂直对齐的未混杂有源区内，形成混杂有源区；去除热退火工艺后剩余的混杂层，并在第一外延层上形成第二外延层。采用上述技术方案能够使得混杂效率得到显著提高，从而可以降低热退火工艺温度和时间，从而减少退火过程对有源区发光的影响，同时由于距离有源区更近，在进行量子阱混杂时可以对激光器的其他结构引入更少的缺陷，提升激光器的发光效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种激光器的制备方法及激光器。
背景技术
近年来，随着半导体激光技术的日趋成熟，对于大功率半导体激光器的研究均取得重大进展。大功率半导体激光器不仅具有体积小、重量轻、转换效率高、寿命长、可靠性高、结构简单等优点外，其制造工艺还和半导体集成电路的生产工艺相兼容，成为目前光电子器件中的核心技术。大功率半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，其最大的特点就是波长的多样性，几乎包括了650nm-1700nm，在通信、军事、工业、医疗等领域均得到广泛应用，是未来最具发展前景的激光光源。在光纤通信中，半导体激光器是发展最快的光源，具有激射波长稳定、使用寿命长、耦合效率高、易于调制等优点，主要用在高速、远距离的通信系统中。在军事上，大功率半导体激光器被广泛用于激光制导跟踪、激光引信、激光雷达、激光测距等领域。
随着大功率半导体激光器应用领域的不断扩大，对半导体激光器输出功率要求随之提高，而制约高功率密度半导体激光器大功率输出和可靠性的重要因素之一是腔面的灾变性光学损伤。它是由于半导体激光器功率密度过载并吸收太多增益，造成带隙收缩，加剧光子吸收，导致腔面区域的熔化、再结晶，最终引起器件损坏。人们提出使用量子阱混杂的方法，改变有源区带隙结构，使得在激光器腔面处的吸收波长蓝移，减少对光的吸收，从而提高半导体激光器光学灾变阈值。但目前量子阱混杂技术混杂的效率都不高。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种激光器的制备方法及激光器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
本公开的一个方面提供了一种激光器的制备方法，包括：
提供衬底；
在上述衬底上形成包括未混杂有源区的第一外延层；
在上述第一外延层上的部分区域形成掩膜层；
在上述第一外延层上的裸露区域形成混杂层，用于提供向上述未混杂有源区扩散的缺陷；
通过热退火工艺将上述混杂层中的上述缺陷扩散至上述混杂层垂直对齐的上述未混杂有源区内，使上述未混杂有源区形成混杂有源区；以及
去除热退火工艺后剩余的上述混杂层，并在上述第一外延层上形成第二外延层。
根据本公开的实施例，形成上述第一外延层的步骤包括：
在上述衬底上形成下包层；
在上述下包层上形成下波导层；
在上述下波导层上形成未混杂有源区；以及
在上述未混杂有源区上形成上波导层。
根据本公开的实施例，上述在上述第一外延层上形成第二外延层的步骤包括：
在上述第一外延层上形成上包层；以及
在上述上包层上形成欧姆接触层，以形成上述第二外延层。
根据本公开的实施例，上述热退火工艺的退火温度的范围包括600℃～900℃，退火时间包括5min～20min，退火周期包括1周期～50周期，周期间隔为30s～20min。
根据本公开的实施例，制备上述混杂层的材料包括SiO2、Si、ZnO中的至少一种。
根据本公开的实施例，制备上述混杂层的方法包括等离子增强化学气相沉积法；
其中，上述等离子增强化学气相沉积法中的SiH4流量范围包括1sccm～50sccm，NH3流量范围包括0sccm～1000sccm，N2O流量范围包括400sccm～1500sccm，N2流量范围包括10sccm～800sccm，Ar流量范围包括500sccm～1500sccm，SF6流量范围包括0sccm～1500sccm；
其中，射频功率范围包括1W～4000W；
其中，腔体压力范围包括1mTorr～1500mTorr；
其中，腔体温度范围包括1℃～400℃；以及
其中，镀膜时间范围包括10s～15min。
根据本公开的实施例，上述未混杂有源区和上述混杂有源区均包括量子阱区和量子垒区；以及
其中，制备上述未混杂有源区的上述量子阱区和上述量子垒区的材料包括InGaAs/InP、InGaAs/GaAs、InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP、InGaAs/InGaAsP中的其中之一。
本公开的另一方面提供了一种激光器，包括：
衬底；
第一外延层，形成于上述衬底上；其中，上述第一外延层包括混杂有源区；以及
第二外延层，形成于上述第一外延层上。
根据本公开的实施例，上述第一外延层还包括下包层、下波导层、上波导层；
其中，上述下包层形成于上述衬底上，上述下波导层形成于上述下包层上；
其中，上述混杂有源区形成于上述第一外延层中的上述下波导层上；以及
其中，上述上波导层形成于上述混杂有源区上。
根据本公开的实施例，上述第二外延层包括上包层、欧姆接触层；以及
其中，上述上包层形成于上述第一外延层上，上述欧姆接触层形成于上述上包层上。
根据本公开的上述实施例的激光器的制备方法及激光器，通过在接近于有源区的上波导层上形成混杂层，并通过热退火工艺在混杂层和上波导层中产生缺陷，并使缺陷扩散进入未混杂有源区内并形成混杂有源区，从而降低了混杂层与有源区之间的距离，使得混杂效率得到显著提高，从而可以降低热退火工艺温度和时间，从而减少退火过程对有源区发光的影响，同时由于距离有源区更近，在进行量子阱混杂时可以对激光器的其他结构引入更少的缺陷，提升激光器的发光效率。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的制备激光器的流程图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的在第一外延层上形成有混杂层的结构的截面图；
图3示意性示出了去掉图2中的掩膜和掩膜上的混杂层的结构的截面图；以及
图4示意性示出了根据本公开实施例的形成有混杂有源区的激光器的截面示意图。
上述附图中的标记的具体含义如下所示：
1、衬底；
2、第一外延层；
21、未混杂有源区；
22、下包层；
23、下波导层；
24、上波导层；
25、混杂有源区；
3、掩膜层；
4、混杂层；
5、第二外延层；
51、上包层；以及
52、欧姆接触层。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
根据本公开总体上的发明构思，本公开的一方面提供了一种激光器的制备方法，包括：提供衬底；在衬底上形成包括未混杂有源区的第一外延层；在第一外延层上的部分区域形成掩膜层；在第一外延层上的裸露区域形成混杂层，用于提供向未混杂有源区扩散的缺陷；通过热退火工艺在混杂层和上波导层中产生缺陷，并使缺陷扩散至混杂层垂直对齐的未混杂有源区内，使未混杂有源区形成混杂有源区；以及去除热退火工艺后剩余的混杂层，并在第一外延层上形成第二外延层。
本公开的另一方面提供了一种激光器，包括：衬底；第一外延层，形成于衬底上；其中，第一外延层包括混杂有源区；以及第二外延层，形成于第一外延层上。
图1示意性示出了根据本公开实施例的制备激光器的流程图。
根据本公开的实施例，本公开的制备方法中主要用到的设备可以包括：金属有机化合物气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)系统、感应耦合等离子体刻蚀机(Inductively Coupled Plasma，ICP)、快速热退火设备、等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)系统、光刻系统。
参见图1，本公开的一个方面提供了一种激光器的制备方法，可以包括步骤S101、步骤S102、步骤S103、步骤S104、步骤S105、步骤S106。
在步骤S101中，提供衬底1。
在步骤S102中，在衬底1上形成包括未混杂有源区21的第一外延层2。
在步骤S103中，在第一外延层2上的部分区域形成掩膜层3。
图2示意性示出了根据本公开实施例的在第一外延层上形成有混杂层和掩膜层的结构的截面图。图3示意性示出了去掉图2中的掩膜和掩膜上的混杂层的结构的截面图。
根据本公开的实施例，在第一外延层2上的部分区域形成掩膜层3的步骤可以包括步骤S1031、步骤S1032。
参见图2，在步骤S1031中，在第一外延层2上的全部区域形成一掩膜3，并形成如图2所示的结构。在一具体实施例中，掩膜层3的材料可以是光刻胶。
在一具体实施例中，如图2或图3所示，混杂层4可以设置在第一外延层2上的中间位置。
在步骤S1032中，通过光刻、显影等工艺去除第一外延层2上的部分掩膜层3至裸露出该部分的第一外延层2。在步骤S104中，在第一外延层2上的裸露区域形成混杂层4，用于提供向未混杂有源区21扩散的缺陷。
根据本公开的实施例，在第一外延层2上的裸露区域形成混杂层4的步骤还可以包括步骤S1041、步骤S1042。
在步骤S1041中，采用离子增强化学气相沉积(PECVD)技术在第一外延层2的裸露区域以及剩余的掩膜层3上形成混杂层4。
在步骤S1042中，去除剩余的掩膜层3以及剩余的掩膜层3上的混杂层4，并保留第一外延层2裸露区域上的混杂层4。在步骤S105中，通过热退火工艺在混杂层4和上包层51界面处产生缺陷，缺陷扩散至混杂层4垂直对齐的未混杂有源区21内，使未混杂有源区21形成混杂有源区25。
在步骤S106中，去除热退火后剩余的混杂层4，并在第一外延层2上形成第二外延层5。
根据本公开的实施例，去除热退火后剩余的混杂层4，并在第一外延层2上形成第二外延层5的步骤还包括步骤S1061、S1062。
在步骤S1061中，通过感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)，干法刻蚀将残留的用于量子阱混杂的混杂层4去除。
根据本公开的实施例，ICP的功率可以为0W～1000W，RF功率为0W～500W，腔内压强为1mTorr～50mTorr，Ar流速为0sccm～100sccm，CHF3流量为0sccm～100sccm，Cl2流量为0sccm～100sccm。
在步骤S1062中，在裸露的已经刻蚀干净的外延片上使用金属有机化合物气相沉积系统生长上包层51和欧姆接触层52，以形成第二外延层5。
根据本公开的实施例，通过在接近于未混杂有源区21的上波导层24上形成混杂层4，并通过热退火工艺在混杂层4和上包层界面处产生缺陷，缺陷扩散进入未混杂有源区21内并形成混杂有源区25，从而降低了混杂层4与未混杂有源区21之间的距离，使得缺陷更容易进入未混杂有源区21内，显著提高了混杂效率，从而可以降低热退火工艺温度和时间，从而减少退火过程对有源区发光的影响，同时由于距离未混杂有源区21更近，在进行混杂时可以对激光器的其他层状结构引入更少的缺陷，提升激光器的发光效率。
根据本公开的实施例，形成第一外延层2的步骤可以包括步骤S1021、步骤S1022、步骤S1023、步骤S1024。在步骤S1021中，在衬底1上形成下包层22。在步骤S1022中，在下包层22上形成下波导层23。在步骤S1023中，在下波导层23上形成未混杂有源区21。在步骤S1024中，在未混杂有源区21上形成上波导层24。
根据本公开的实施例，在衬底1上采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)自下而上依次形成下包层22、下波导层23、未混杂有源区21、上波导层24，以形成第一外延层2。
根据本公开的实施例，在第一外延层2上形成第二外延层5的步骤可以包括：在第一外延层2上形成上包层51；在上包层51上形成欧姆接触层52，以形成第二外延层5。
根据本公开的实施例，热退火工艺的退火温度的范围可以包括600℃～900℃，退火时间可以包括5min～20min，退火周期可以包括1周期～50周期，周期间隔为30s～20min。
根据本公开的实施例，制备混杂层4的材料可以包括SiO2、Si、ZnO中的至少一种。
在一示例性实施例中，制备混杂层4的材料可以为SiO2。根据本公开的实施例，制备混杂层4的方法可以包括等离子增强化学气相沉积法。根据本公开的实施例，等离子增强化学气相沉积法中的SiH4流量范围可以包括1sccm～50sccm，NH3流量范围可以包括0sccm～1000sccm，N2O流量范围可以包括400sccm～1500sccm，N2流量范围可以包括10sccm～800sccm，Ar流量范围可以包括500sccm～1500sccm，SF6流量范围可以包括0sccm～1500sccm。
射频功率范围可以包括1W～4000W。
腔体压力范围可以包括1mTorr～1500mTorr。
腔体温度范围可以包括1℃～400℃。
镀膜时间范围可以包括10s～15min。
根据本公开的实施例，
未混杂有源区和混杂有源区均包括量子阱区(图中未示出)和量子垒区(图中未示出)；以及
其中，制备未混杂有源区的量子阱区和量子垒区的材料包括InGaAs/InP、InGaAs/GaAs、InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP、InGaAs/InGaAsP中的其中之一。
根据本公开的实施例，通过热退火工艺将缺陷扩散进入未混杂有源区21使得腔面处量子阱区和量子垒区组分互相扩散，导致禁带宽度增大，形成混杂有源区25。
在一示例性实施例中，未混杂有源区21的材料可以为InGaAs/AlGaAs。
图4示意性示出了根据本公开实施例的形成有混杂有源区的激光器的截面示意图。
参见图4，本公开的另一方面提供了一种激光器，可以包括衬底1、第一外延层2、第二外延层5。第一外延层2形成于衬底1上，且第一外延层2可以包括混杂有源区25。第二外延层5形成于第一外延层2上。
根据本公开的实施例，制备衬底1材料可以包括GaAs、InP、GaN或GaSb中的其中之一，硅掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
在一示例性实施例中，制备衬底1的材料可以为GaAs，硅掺杂浓度可以为2×1018cm-3。
根据本公开的实施例，第一外延层2还可以包括下包层22、下波导层23、上波导层24。下包层22形成于衬底1上，下波导层23形成于下包层22上。混杂有源区25形成于第一外延层2中的下波导层23上。上波导层24形成于混杂有源区25上。
根据本公开的实施例，第二外延层5可以包括上包层51、欧姆接触层52。上包层51形成于第一外延层2上，欧姆接触层52形成于上包层51上。
根据本公开的实施例，制备下包层22、下波导层23、上包层51、上波导层24的材料可以均可以为AlxGa1-xAs，X的组分为0～0.45，且波导层的x组分小于包层x的组分，硅掺杂浓度可以为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
根据本公开的实施例，制备欧姆接触层52的材料可以为GaAs。
在一示例性实施例中，制备下包层22的材料AlxGa1-xAs中硅掺杂浓度可以为1×1018cm-3。根据本公开的实施例，下包层22的厚度可以为1000nm～4000nm，下波导层23的厚度可以为50nm～300nm，混杂有源区25的厚度可以为5nm～10nm，上波导层24的厚度可以为10nm～300nm，上包层51的厚度可以为1000nm～4000nm。
在一示例性实施例中，下包层22厚度可以为2550nm，下波导层23厚度可以为300nm，混杂有源区25的厚度可以为8nm，上波导层24厚度可以为150nm，上包层51的厚度可以为1300nm。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词″包含″不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成包括未混杂有源区的第一外延层；
在所述第一外延层上的部分区域形成掩膜层；
在所述第一外延层上的裸露区域形成混杂层，用于提供向所述未混杂有源区扩散的缺陷；
通过热退火工艺将所述混杂层中的所述缺陷扩散至所述混杂层垂直对齐的所述未混杂有源区内，使所述未混杂有源区形成混杂有源区；以及
去除热退火工艺后剩余的所述混杂层，并在所述第一外延层上形成第二外延层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述第一外延层的步骤包括：
在所述衬底上形成下包层；
在所述下包层上形成下波导层；
在所述下波导层上形成所述未混杂有源区；以及
在所述未混杂有源区上形成上波导层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在所述第一外延层上形成第二外延层的步骤包括：
在所述第一外延层上形成上包层；以及
在所述上包层上形成欧姆接触层，以形成所述第二外延层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热退火工艺的退火温度的范围包括600℃～900℃，退火时间包括5min～20min，退火周期包括1周期～50周期，周期间隔为30s～20min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备所述混杂层的材料包括SiO2、Si、ZnO中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，制备所述混杂层的方法包括等离子增强化学气相沉积法；
其中，所述等离子增强化学气相沉积法中的SiH4流量范围包括1sccm～50sccm，NH3流量范围包括0sccm～1000sccm，N2O流量范围包括400sccm～1500sccm，N2流量范围包括10sccm～800sccm，Ar流量范围包括500sccm～1500sccm，SF6流量范围包括0sccm～1500sccm；
其中，射频功率范围包括1W～4000W；
其中，腔体压力范围包括1mTorr～1500mTorr；
其中，腔体温度范围包括1℃～400℃；以及
其中，镀膜时间范围包括10s～15min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未混杂有源区和所述混杂有源区均包括量子阱区和量子垒区；以及
其中，制备所述未混杂有源区的所述量子阱区和所述量子垒区的材料包括InGaAs/InP、InGaAs/GaAs、InGaAs/AlGaAs、InGaAs/GaAsP、InGaAs/InGaAsP中的其中之一。
8.一种激光器，其特征在于，包括：
衬底；
第一外延层，形成于所述衬底上；其中，所述第一外延层包括混杂有源区；以及
第二外延层，形成于所述第一外延层上。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述第一外延层还包括下包层、下波导层、上波导层；
其中，所述下包层形成于所述衬底上，所述下波导层形成于所述下包层上；
其中，所述混杂有源区形成于所述第一外延层中的所述下波导层上；以及
其中，所述上波导层形成于所述混杂有源区上。
10.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述第二外延层包括上包层、欧姆接触层；以及
其中，所述上包层形成于所述第一外延层上，所述欧姆接触层形成于所述上包层上。
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