CN114400506B - 半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体激光器，包括有源区，所述有源区为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构，所述有源区的上方设置有相移结台，所述相移结台的厚度为所述λ为所述半导体激光器的波长，所述n为相移结台的折射率，所述相移结台的面积小于有源区的面积；所述相移结台的周侧设有阻挡层，所述阻挡层用于阻挡空穴穿过。本发明半导体激光器由于铋元素的激活作用，在量子阱内确保氮元素以二维平面方式生长，从而延长激射波长至1550nm以上。另外，本发明半导体激光器通过设置相移结台，在相移结台周侧设有阻挡层，可以有效阻挡空穴通过阻挡层，使得空穴仅从相移结台穿过，大大减小了微分电阻，有效提高了能量转换效率。
Description
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种半导体激光器及其制备方法。
背景技术
大功率垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)由于其电光转换效率高、发散角小、易于晶圆级测量等优点，现已广泛应用于手机面部识别、激光打印、激光雷达等方面。但现有VCSEL设计基于GaAs基衬底，受有源区材料特性影响，其发光波长范围一般在1100nm以下，存在近距离长期使用时人眼安全的风险，所以长波长VCSEL激光器一直是国际众多著名厂商争相研究的产品。
一般来说，GaAs衬底激光器大都是使用与其晶格匹配的InGaAs材料作为量子阱有源区来实现激射发光的基础材料，但其波长一般很难突破1300nm，而且在生长工艺上增加N虽然可以尽量延长发光波长，但其六角(wurtzite)晶格结构会造成外延生长时的岛状结晶。后来，有若干厂家使用InGaAsP或InAlGaAs等与GaAs基晶格不匹配的材料来做有源区量子阱材料，然后通过晶圆融合(wafer fusion)方法来将两者融接在一起。此方法可以一定长度上实现激射波长的扩展，但其融接工艺的复杂性和不确定性，以及融接端面的长期使用稳定性和可靠性都可能制约此种方法制备的产品的应用和推广。另外，还有使用InAs/GaAs量子点(quantum dot)作为有源区材料，实现长波长激射的VCSEL激光器，但其工艺稳定性和可控性相对较差，暂时还没有实现可以产业化的产品。
另外，现有技术中，激光器的微分电阻较高，因此，能量转化率较低。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种长波长半导体激光器，能量转化率高。
本发明的目的之二在于提供一种半导体激光器制备方法，用于长波长半导体激光器的制备，工艺稳定且能量转化率高。
为了实现上述目的，本发明提供的一种半导体激光器，包括有源区，有源区为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构，有源区的上方设置有相移结台，相移结台的厚度为λ为半导体激光器的波长，n为相移结台的折射率，相移结台的面积小于有源区的面积；
相移结台的周侧设有阻挡层，阻挡层用于阻挡空穴穿过。
优选地，有源区包括量子阱层和势垒层，量子阱层为一层，量子阱层上设置势垒层，量子阱层和势垒层之间的压应变和张应变为1～5％，或，
量子阱层为至少两层，相邻两层量子阱层之间设置势垒层，量子阱层和势垒层之间的压应变和张应变为1～5％。
优选地，有源区上方设置上隔离层，上隔离层上设置相移结台，上隔离层用于分隔有源区和相移结台；
上隔离层上除相移结台所在区域的其它区域上设置阻挡层；
阻挡层和相移结台上设有电流扩散层，电流扩散层包覆阻挡层和相移结台。
优选地，相移结台的材料为p型掺杂的砷化镓，电流扩散层的材料为p型掺杂的铝镓砷，阻挡层的材料为n型掺杂的铝镓砷。
优选地，铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量和铋原子的数量之和占铟镓砷氮铋材料的总原子数量的百分比为1～15％。
优选地，铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％，铋原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％。
优选地，铟原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为30～50％，势垒层包含镓氮砷材料，镓氮砷材料中的氮原子的数量占镓氮砷材料总原子数量的百分比为1～10％。
优选地，半导体激光器发射的激光的波长范围为1200～2000纳米。
本发明还提供一种半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：
生长一有源区，有源区包括量子阱层和势垒层，量子阱层为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构；
在有源区上生长上隔离层，并在上隔离层上生长阻挡层；
对阻挡层的中部进行刻蚀以形成相移结台的生长位；
在相移结台的生长位处生长相移结台，相移结台的厚度为λ为半导体激光器的波长，n为相移结台的折射率。
优选地，还包括如下步骤：
在阻挡层和相移结台上生长电流扩散层，电流扩散层包覆阻挡层和相移结台。
与现有技术相比，本发明半导体激光器由于铋元素的激活作用，在量子阱内确保氮元素以二维平面方式生长，从而延长激射波长至1550nm以上。另外，本发明半导体激光器通过设置相移结台，在相移结台周侧设有阻挡层，可以有效阻挡空穴通过阻挡层，使得空穴仅从相移结台穿过，大大减小了微分电阻，有效提高了能量转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例半导体激光器的剖视结构示意图。
图2为本发明实施例半导体激光器的相移结台和有源区的能带结构图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
如图1所示，本发明实施例一种半导体激光器，包括有源区，所述有源区为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构，所述有源区的上方设置有相移结台，所述相移结台的厚度为所述λ为所述半导体激光器的波长，所述n为相移结台的折射率，所述相移结台的面积小于有源区的面积；
所述相移结台的周侧设有阻挡层，所述阻挡层用于阻挡空穴穿过。
本发明半导体激光器由于铋元素的激活作用，在量子阱内确保氮元素以二维平面方式生长，从而延长激射波长至1550nm以上。另外，本发明半导体激光器通过设置相移结台，在相移结台周侧设有阻挡层，可以有效阻挡空穴通过阻挡层，使得空穴仅从相移结台穿过，大大减小了微分电阻，有效提高了能量转换效率。
本发明实施例中，如图1所示，所述半导体激光器的有源区为带应变的有源区，所述有源区包括量子阱层和势垒层，所述量子阱层51为至少两层，相邻两层量子阱层之间设置势垒层52，所述量子阱层51和势垒层52之间的压应变和张应变为1～5％。
具体的，本发明实施例中，所述量子阱层为三层，所述量子阱层和势垒层之间的压应变和张应变为1％。
在一些其他实施例中，所述量子阱层可以为一层，所述量子阱层上设置势垒层，所述量子阱层和势垒层之间的压应变和张应变为1～5％，
本发明实施例中，如图1所示，所述有源区上设置上隔离层6，所述上隔离层6上设置所述相移结台7，所述上隔离层6用于分隔所述有源区和相移结台7；所述上隔离层6上除相移结台7所在区域的其它区域上设置所述阻挡层8；所述阻挡层8和相移结台7上设有电流扩散层9，所述电流扩散层9包覆所述阻挡层8和相移结台7。
具体的，如图1所示，本发明实施例一种半导体激光器，包括衬底1，所述衬底1上设置有：第一光栅层2、n型电极接触层3、下隔离层4、有源区、上隔离层6、阻挡层8、相移结台7、电流扩散层9、p型电极接触层10和第二光栅层11。所述衬底1为砷化镓(GaAs)衬底，所述衬底1为厚度100～500微米的晶圆。
所述第一光栅层2和第二光栅层11均为无掺杂的GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，DBR)光栅层，所述第一光栅层2和第二光栅层11均呈圆柱形，第一光栅层2的半径为10～50微米，第二光栅层11的半径为5～20微米，所述第一光栅层2的厚度为2～5微米，所述第二光栅层11的厚度为1～5微米；所述n型电极接触层3呈圆柱形，n型电极接触层3的材料是n型掺杂的GaAs，厚度是300纳米，所述n型电极接触层3上设置有n型电极14；所述下隔离层4呈圆柱形，为砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层的交替层叠结构(GaAs/AlGaAs)，下隔离层4用于分隔n型电接触层和有源区，所述下隔离层4的厚度为200纳米，半径为10～49微米，下隔离层4的半径小于第一光栅层2的半径。
所述量子阱层51为包含铟镓砷氮铋材料(InGaAsNBi)的多量子阱结构，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％，铋原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％，铟原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为30～50％，所述势垒层52包含镓氮砷材料，所述镓氮砷(GaNAs)材料中的氮原子的数量占镓氮砷材料总原子数量的百分比为1～10％。每层有源区51的厚度为5～10纳米，每层势垒层52的厚度为5～10纳米。
具体的，本发明实施例中，如图1所示，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1％，铋原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1％，铟原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为36％，所述势垒层52包含镓氮砷材料，所述镓氮砷(GaNAs)材料中的氮原子的数量占镓氮砷材料总原子数量的百分比为4.8％。
本发明实施例利用铋(Bi)元素的激活作用，在量子阱内确保氮(N)元素以二维平面方式生长，从而延长激射波长至1550nm以上，所述半导体激光器发射的激光的波长范围为1200～2000纳米。
在另一些其他的实施例中，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量和铋原子的数量之和占铟镓砷氮铋材料的总原子数量的百分比为1～15％，例如，氮原子的数量和铋原子的数量之和占铟镓砷氮铋材料的总原子数量的百分比范围为1～5％，具体的掺杂氮原子和铋原子数量可以根据所需要的波长等实际情况添加。
如图1所示，本发明实施例中，所述相移结台7的材料为p型掺杂的砷化镓，厚度为所述λ为激光器的波长，例如激光器的波长λ为2000nm，砷化镓的折射率n为3.2～3.6，则相移结台7的厚度为139～156nm；相移结台7呈圆柱形，直径为5～10微米，阻挡层8的材料为n型掺杂的铝镓砷，所述阻挡层8的厚度为5～100纳米，所述电流扩散层9的材料为p型掺杂的铝镓砷，所述电流扩散层9侧边的厚度为100～900纳米。
在一些其他实施例中，相移结台的厚度可以小于阻挡层的厚度。
由于相移结台由p型掺杂的GaAs材料实现，阻挡层为n型掺杂的AlGaAs材料，电流扩散层的材料为p型掺杂的AlGaAs，该结构使GaAs与AlGaAs之间形成的能带凹陷，从而阻隔电子输运的通路，同时，GaAs的高折射率形成光场束缚，从而使光场和电子输运限制在同一区域内。
本发明实施例中，如图1所示，所述p型电极接触层10的材料为p型掺杂的GaAs，厚度为300纳米，所述p型电极接触层10上设置有p型电极13。
本发明实施例利用Bi元素的激活作用，在量子阱内确保N元素以二维平面方式生长，从而延长激射波长至1550nm以上，同时，在有源区上使用的p型掺杂的GaAs材料的相移结台可以减小微分电阻，实现较高的能量转换效率，由于GaAs材料的折射率较大，能有效限制光场并进一步提高注入效率。此外，由于p型电极和n型电极分散在有源区上下两侧的较近范围内，可以形成共面电极，不仅减小了器件的输入电阻和热效应，进一步实现较高的能量转换效率，较大的注入面积更有利于散热。
本发明实施例还公开一种半导体激光器的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：
S100、生长一有源区，所述有源区包括量子阱层51和势垒层52，所述量子阱层51为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构。
S200、在有源区上生长上隔离层6，并在所述上隔离层6上生长阻挡层8；
S300、对阻挡层8的中部进行刻蚀以形成相移结台7的生长位；
S400、在所述相移结台7的生长位处生长相移结台7，所述相移结台7的厚度为所述λ为所述半导体激光器的波长，所述n为相移结台7的折射率，所述相移结台7的厚度大于阻挡层8的厚度。
本发明实施例还包括如下步骤：
S500、在所述阻挡层8和相移结台7上生长电流扩散层9，所述电流扩散层9包覆所述阻挡层8和相移结台7。
步骤S100中，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％，铋原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％，铟原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为30～50％，所述势垒层52包含镓氮砷材料，所述镓氮砷材料中的氮原子的数量占镓氮砷材料总原子数量的百分比为1～10％。
具体的，本发明实施例中，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1％，铋原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1％，铟原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为36％，所述势垒层52包含镓氮砷材料，所述镓氮砷(GaNAs)材料中的氮原子的数量占镓氮砷材料总原子数量的百分比为4.8％。
在一些其他实施例中，相移结台的厚度也可以小于阻挡层的厚度。
本发明实施例半导体激光器具体为VCSEL激光器，它的制备工艺具体如下：
在GaAs衬底1上，首先生长无掺杂的GaAs/AlGaAs DBR第一光栅层2，然后生长n型电极接触层3、下隔离层4、有源区、上隔离层6和阻挡层8后，使用光刻胶进行覆盖，通过掩膜版和光刻工艺形成光刻胶图案，利用干法或湿法刻蚀工艺对阻挡层8的中部进行刻蚀直至露出上隔离层6，形成相移结台7生长位，在刻蚀好的相移结台7生长位上生长相移结台7，通过剥离工艺去除光刻胶，露出外侧阻挡层8，并在阻挡层8和相移结台7上继续生长电流扩散层9和p型电极接触层10，然后再进行无掺杂的GaAs/AlGaAs DBR第二光栅层11生长，这样，含相移结台7的VCSEL晶圆制备完成。
对生长完成的晶圆的第二光栅层11进行刻蚀，形成半径为5～20微米的第二光栅层11，并在第二光栅层11上生长第一氮化硅保护层12，在p型电极13设置的位置开窗刻蚀，暴露出接触层10，并溅射金属形成p型电极13，再对p型电极接触层10、电流扩散层9、上隔离层6、有源区、下隔离层4进行干法刻蚀至n型电极接触层3，并进行第二氮化硅保护层(图中未示出)的生长后，对n型电极14设置的位置进行开窗刻蚀、暴露出接触层3，并溅射金属形成n型电极14，形成最终VCSEL半导体激光器。
有源区在生长时，可以使用分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)或金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)，但MBE设备生长相对更精确，并且可以使用固态源和N的等离子源，从而实现低温下的生长并避免N元素形成岛状结构，以增加N的含量，同时避免了H元素的参与，简化了材料的生长特性；MOCVD设备以气相形式生长，氨气和砷烷在生长InGaAsN时容易因为温度过低而难以分解，另外N和Al容易发生化学反应，从而使反应更为复杂，所以本发明实施例优选MBE方式实现所有材料的生长。
本发明实施例半导体激光器采用含铋的InGaAsNBi材料作为主要量子阱材料，铋元素本身在自然界大量存在，且无毒害，其GaAs1-xBix/GaNyAs1-y的II型量子阱也已完成测试，实现达到3微米的激射。
如图1所示，本发明实施例半导体激光器通电后，空穴和电子分别从p型电极13和n型电极14注入半导体激光器上下两侧，空穴在相移结台7两侧的区域因为费米能级钳制作用无法通过，而只能从中心区域的相移结台7进入量子阱有源区51，并与从底部n型电极14注入的电子复合，产生光子，这些光子在第一光栅层2和第二光栅层11的反射作用下来回共振形成窄线宽(10纳米左右线宽)的激光光束，最终从第二光栅层11出射。
图2为相移结台和有源区的能带结构图，其中，a曲线为导带，b曲线为费米能级，c曲线为价带，d为有源区区域，横坐标厚度从左至右对应半导体激光器从最顶面到衬底位置，从图2中可以看出空穴通过p型电极(图2左侧)和相移结台进入有源区，与从n电极(图2右侧)进入有源区的电子，在量子阱区域复合,产生光子，并在上下光栅区的反射作用下来回共振形成窄线宽(10纳米左右线宽)的激光光束。
本发明实施例提出一种利用掺杂少量铋元素形成InGaAsNBi量子阱有源区的方法，来激活InGaAsN表面生长活性，从而增加N元素的含量，延长激射波长，提高激射功率。本发明实施例中采用相移结台结构，具有能量转换效率高、工艺稳定、激射阈值低、易散热等优点。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。
Claims (9)
1.一种半导体激光器，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设置有第一光栅层、n型电极接触层、下隔离层、有源区、上隔离层、相移结台、电流扩散层、p型电极接触层和第二光栅层，所述上隔离层用于分隔所述有源区和相移结台，所述上隔离层上除相移结台所在区域的其它区域上设置所述阻挡层；所述阻挡层和相移结台上设有所述电流扩散层，所述电流扩散层包覆所述阻挡层和相移结台，所述n型电极接触层上设置有n型电极，所述p型电极接触层上设置有p型电极；
所述有源区为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构，所述有源区的上方设置有相移结台，所述相移结台的厚度为所述λ为所述半导体激光器的波长，所述n为相移结台的折射率，所述相移结台的面积小于有源区的面积；
所述相移结台的周侧设有阻挡层，所述阻挡层用于阻挡空穴穿过。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述有源区包括量子阱层和势垒层，所述量子阱层为一层，所述量子阱层上设置势垒层，所述量子阱层和势垒层之间的压应变和张应变为1～5％，或，
所述量子阱层为至少两层，相邻两层量子阱层之间设置势垒层，所述量子阱层和势垒层之间的压应变和张应变为1～5％。
3.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述相移结台的材料为p型掺杂的砷化镓，所述电流扩散层的材料为p型掺杂的铝镓砷，所述阻挡层的材料为n型掺杂的铝镓砷。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量和铋原子的数量之和占铟镓砷氮铋材料的总原子数量的百分比为1～15％。
5.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述铟镓砷氮铋材料中，氮原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％，铋原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为1～10％。
6.如权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，铟原子的数量占铟镓砷氮铋材料总原子数量的百分比为30～50％，所述势垒层包含镓氮砷材料，所述镓氮砷材料中的氮原子的数量占镓氮砷材料总原子数量的百分比为1～10％。
7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器发射的激光的波长范围为1200～2000纳米。
8.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
生长一有源区，所述有源区包括量子阱层和势垒层，所述量子阱层为包含铟镓砷氮铋材料的多量子阱结构；
在有源区上生长上隔离层，并在所述上隔离层上生长阻挡层；
对阻挡层的中部进行刻蚀以形成相移结台的生长位；
在所述相移结台的生长位处生长相移结台，所述相移结台的厚度为所述λ为所述半导体激光器的波长，所述n为相移结台的折射率。
9.如权利要求8所述的半导体激光器的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
在所述阻挡层和相移结台上生长电流扩散层，所述电流扩散层包覆所述阻挡层和相移结台。
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