CN115799990A - 一种高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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周旭彦
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韩韧博
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Abstract

本发明提供了一种高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法，该高铝组分的氧化限制半导体激光器包括：N面金属电极、N型GaAs衬底、N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层、P型限制层、P型高铝组分层、P型接触层和P面金属电极；其中，P型高铝组分层和P型接触层经光刻和刻蚀形成脊条结构；P型高铝组分层经过氧化形成氧化限制层；氧化限制层置于P型限制层上表面和P型接触层下表面之间，并包裹于脊条结构的两侧，使其形成脊条结构下方的电流注入通道和脊条结构两侧电隔离。高铝组分的氧化限制半导体激光器较传统激光器性能更好，且其制备方法工艺难度低，可以提高器件制备过程中的成品率，减少制备过程中耗材，节省生产成本。

Description

一种高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，具体地，涉及一种高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法。
背景技术
现如今，半导体激光器作为泵浦源占到固体激光器总成本的三分之一到二分之一，占到光纤激光器的二分之一到三分之二，因此为降低工业成本，获得大功率、高效率、高可靠性的半导体激光器对整个激光行业至关重要；而降低光损耗和电阻就可以有效提高半导体激光器的性能。
相关文献提到由于传统的GaAs基半导体激光器的外延结构中，自由空穴引起的光损耗约为自由电子的三倍，且空穴迁移率远小于电子迁移率，故P型外延层产生的损耗和电阻分别占整体的46％和91％。因此，目前常用外延结构为非对称结构，以减少P侧光场分布、减薄P型区厚度，来降低损耗和电阻。但薄到一定程度时不能更薄，主要有两个问题，P型波导层减薄会使限制因子越来越低，P型限制层过薄会使光场泄露到高掺的接触层，反而会产生更多的损耗。
此外，目前半导体激光器在制备时通常需要再生长SiO2或者SixNy等绝缘材料做电隔离，然后通过二次光刻和刻蚀工艺在脊条上形成电注入窗口；然而，绝缘材料的生长必然在界面处引入孔洞等缺陷和较大应力，且为保证侧壁覆盖良好通常绝缘层厚度通常在200nm以上，过厚的绝缘层会使半导体激光器散热特性变差，降低半导体的性能和寿命；二次光刻和刻蚀电注入窗口时也会对外延片造成不可避免的玷污，并且二次光刻容差较小，尤其对窄条激光器而言，失败率较高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法，用于至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本发明实施例第一方面提供一种高铝组分的氧化限制半导体激光器，从下到上依次包括：
N面金属电极1、N型GaAs衬底2、N型限制层3、N型波导层4、有源区5、P型波导层6、P型限制层7、P型高铝组分层8、P型接触层9和P面金属电极10；其中，
所述P型高铝组分层8和所述P型接触层9经光刻和刻蚀形成脊条结构；
所述P型高铝组分层8经过氧化形成氧化限制层81；
所述氧化限制层81置于所述P型限制层7上表面和所述P型接触层9下表面之间，并包裹于脊条结构的两侧，使其形成脊条结构下方的电流注入通道和脊条结构两侧电隔离。
在本发明一实施例中，所述P型高铝组分层8的材料为AlxGaAs，其中，0.8≤x≤1。
在本发明一实施例中，所述氧化限制层81的材料为Al2O3。
在本发明一实施例中，所述脊条结构的宽度范围为1μm-1000μm。
在本发明一实施例中，所述P型高铝组分层8的厚度为10nm-500nm。
在本发明一实施例中，所述P型高铝组分层8中P型掺杂浓度为1E17-1E20cm-3。
在本发明一实施例中，所述高铝组分的氧化限制半导体激光器前腔面镀反射率≤50％的增透膜，后腔面镀反射率≥80％高反膜。
在本发明一实施例中，所述有源区5包括量子阱、量子点或超晶格结构。
在本发明一实施例中，所述N型限制层3、N型波导层4、P型波导层6和P型限制层7的材料为AlxGaAs；其中，所述N型限制层3、N型波导层4、P型波导层6和P型限制层7中Al的组分单一，或者，N型限制层3、N型波导层4、P型波导层6和P型限制层7中Al的组分在5％～80％内渐变，或者，N型限制层3、N型波导层4、P型波导层6和P型限制层7中Al的组分周期性变化。
本发明实施例第二方面提供了一种高铝组分的氧化限制半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
在N型GaAs衬底层2上依次外延生长所述N型限制层3、N型波导层4、有源区5、P型波导层6、P型限制层7、P型高铝组分层8和P型接触层9；
在P型接触层9上面形成光刻胶掩膜；
采用刻蚀工艺刻蚀P型高铝组分层8和P型接触层9形成脊条结构；
去除光刻胶掩膜后，采用氧化工艺对P型高铝组分层8进行氧化，形成氧化限制层81；
在P型接触层9之上制备P面金属电极10，在N型GaAs衬底层2之下制备N面金属电极1；
进行芯片解理，腔面镀膜和芯片封装，完成器件制备。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法，通过引入P型高铝组分层，补偿P型限制层对P侧光场的限制，在不改变光学限制因子和光场分布的情况下，能促进P侧限制层的厚度的减薄，从而降低半导体激光器的光损耗和串联电阻并改善散热，使激光器的功率和效率更高；另外，高铝层的引入，简化了半导体激光器的制备过程，不用二次光刻和额外的绝缘材料生长。高铝组分的氧化限制半导体激光器的制备仅需一次光刻，用氧化工艺取代常规工艺中的绝缘层生长和二次光刻制作电注入窗口，且氧化工艺中耗材主要为水汽和氮气成本低。
综上所述，本发明提供的高铝组分的氧化限制半导体激光器较传统激光器性能更好；且本发明提供的高铝组分的氧化限制激光器的制备方法工艺难度低，较传统制备方法更加简便，可以提高器件制备过程中的成品率，减少制备过程中耗材，节省生产成本。
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示意性示出了本发明实施例提供的高铝组分的氧化限制半导体激光器的外延结构示意图；
图2示意性示出了本发明实施例提供的高铝组分的氧化限制半导体激光器经过光刻和刻蚀后形成脊条后的示意图；
图3示意性示出了本发明实施例完成制备的高铝组分的氧化限制半导体激光器示意图；
图4示意性示出了本发明实施例提供的第一种高铝组分的氧化限制半导体激光器各层折射率分布和基模模场分布示意图；
图5示意性示出了本发明实施例提供的第二种高铝组分的氧化限制半导体激光器各层折射率分布和基模模场分布示意图；
图6示意性示出了本发明实施例提供的第三种高铝组分的氧化限制半导体激光器各层折射率分布和基模模场分布示意图；
图7示意性示出了本发明实施例提供的高铝组分的氧化限制半导体激光器的氧化实验结果SEM图；
图8示意性示出了本发明实施例分别采用氧化工艺制备的高铝组分的氧化限制半导体激光器、采用常规工艺制备的高铝组分半导体激光器和采用常规工艺制备的普通半导体激光器器件性能对比。
【附图标记】
1-N面金属电极；2-N型GaAs衬底；3-N型限制层；4-N型波导层；5-有源区；6-P型波导层；7-P型限制层；8-P型高铝组分层；81-氧化限制层；9-P型接触层；10-P面金属电极。
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，对本发明作进一步的详细说明。
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。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
本发明的第一实施例提供了一种高铝组分的氧化限制半导体激光器，请参照图1、图2和图3，从下到上依次包括N面金属电极1，与N型GaAs衬底2形成欧姆接触，为激光器提供电注入；N型GaAs衬底2，用于支撑外延材料的生长；N型限制层3，用于控制N型区光场的扩展；N型波导层4，用于局域N型区光场；有源区5，P型波导层6，用于局域P型区光场；P型限制层7，用于控制P型区光场的扩展；P型高铝组分层8，用于补偿减薄的P型限制层7，同时用于形成氧化限制层81；P型接触层9，用于与金属形成欧姆接触；P面金属电极10。该P型高铝组分层8和P型接触层9经光刻和刻蚀形成脊条结构；该P型高铝组分层8经过氧化形成氧化限制层81。该氧化限制层81置于所述P型限制层7上表面和P型接触层9下表面之间，并包裹于脊条结构的两侧，使其形成脊条结构下方的电流注入通道和脊条结构两侧电隔离。
在上述实施例的基础上，P型高铝组分层8的材料为AlxGaAs，其中，0.8≤x≤1。
在上述实施例的基础上，氧化限制层81的材料为Al2O3。
在上述实施例的基础上，脊条结构的宽度范围为1μm-1000μm。
在上述实施例的基础上，P型高铝组分层8的厚度为10nm-500nm。
在上述实施例的基础上，P型高铝组分层8中P型掺杂浓度为1E17-1E20cm-3。
在上述实施例的基础上，高铝组分的氧化限制半导体激光器前腔面镀反射率≤50％的增透膜，后腔面镀反射率≥80％高反膜。
在上述实施例的基础上，有源区5包括量子阱、量子点或超晶格结构。
在上述实施例的基础上，N型限制层3、N型波导层4、P型波导层6和P型限制层7的组成材料可以是单一的材料，也可以是渐变的材料还可以是多种周期或准周期分布的材料。
该结构利用P侧高铝组分层进一步限制P侧光场扩展，与传统半导体激光器相比，具有更强的光场限制能力和更薄的P侧外延层厚度，有降低内损耗、减少串联电阻和改善散热，提高功率和效率的优点。
该结构配合氧化工艺形成的氧化限制层81，具有形成电注入通道和电隔离的双重作用，无需二次光刻和额外的绝缘材料生长，简化工艺。
本发明的另一方面提供了一种高铝组分的氧化限制半导体激光器的制备方法，请参照图1、图2和图3，包括以下步骤。
S1，在N型GaAs衬底层2上依次外延生长N型限制层3、N型波导层4、有源区5、P型波导层6、P型限制层7、P型高铝组分层8和P型接触层9。
S2，在P型接触层9上面形成光刻胶掩膜。
S3，采用刻蚀工艺刻蚀P型高铝组分层8和P型接触层9形成脊条结构。
S4，去除光刻胶掩膜后，采用氧化工艺对P型高铝组分层8进行氧化，形成氧化限制层81。
S5，在P型接触层9之上制备P面金属电极10，在N型GaAs衬底层2之下制备N面金属电极1。
S6，进行芯片解理，腔面镀膜和芯片封装，完成器件制备。
在上述实施例的基础上，S3中的刻蚀工艺包括湿法腐蚀和干法刻蚀；采用S2和S3在高铝组分的氧化限制半导体激光器的P型高铝组分层8和所述P型接触层9上通过光刻工艺和刻蚀工艺，具体为经过湿法腐蚀和干法刻蚀后形成脊条结构，刻蚀去除脊条结构两旁的P型接触层9和P型高铝组分层8；其中的脊条宽度范围是1μm-1000μm。另外由S6中制备的高铝组分的氧化限制半导体激光器前腔面镀反射率≤50％的增透膜，后腔面镀反射率≥80％高反膜。
在上述实施例的基础上，S4中的氧化工艺为湿法氧化工艺；经过S4和S5形成高铝组分的氧化限制半导体激光器。P型高铝组分层8经过氧化工艺，边界部分被氧化，形成氧化限制层81，氧化限制层81置于P型限制层7上表面和所述P型接触层9下表面之间，并包裹于脊条结构的两侧，使其形成脊条结构下方的电流注入通道和脊条结构两侧电隔离，其中，氧化限制层81通过将P型高铝组分层8的AlxGaAs(0.8≤x≤1)氧化为Al2O3而形成；氧化工艺为湿法氧化工艺，侧向氧化深度通过氧化时间控制。在P型接触层9和N型GaAs衬底层2用热蒸发或磁控溅射方法分别制备P面金属电极10和N面金属电极1，进一步的S5还包括对外延片的减薄，本实施例中将外延片的厚度减薄至120μm-150μm。
在上述实施例的基础上，S4中的电注入窗口和电隔离同时形成。
在上述实施例的基础上，参照图4、图5和图6，可以观察到本发明实施例的高铝组分的氧化限制半导体激光器各层折射率分布和基模模场分布；其中，横坐标为外延方向x上的位置，单位为μm；左侧纵坐标为折射率大小，左侧纵坐标为归一化光场大小，在上轴划分了各层范围。可以看到，N型限制层3，N型波导层4，P型波导层6和P型限制层7的组成可以是单一的材料(折射率固定，如图4)，渐变的材料(折射率线性变化，如图5)和多种周期或准周期分布的材料(折射率周期性或准周期性变化，如图6)；N型限制层3，N型波导层4，P型波导层6和P型限制层7最常用的材料为AlxGaAs，其中，N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)中Al的组分单一，或者，N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)中Al的组分在5％～80％内渐变，或者，N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)中Al的组分周期性变化。将P型限制层7上层(即，图4、图5和6中P型限制层7的右侧)，折射率大于等于3.06(Al组分大于等于0.8)的材料划分为P型高铝组分层8，P型高铝组分层8的材料可以是单一的或渐变的，如果P型高铝层厚度较厚时，最优选择是采用渐变结构，如图5中的P型高铝组分层8，以减少应力的产生。P型接触层9的材料通常为GaAs，在本发明中，由于P型高铝组分层8的AlGaAs材料和GaAs材料间存在较大的带隙差，会对载流子注入造成影响，故在本发明实施例中，P型接触层9的材料沿x方向(外延方向)渐变，渐变的起点与P型高铝组分层8在x方向上的终点一致，渐变终点为GaAs材料。为形成欧姆接触，因此本发明实施例P型接触层9，掺杂浓度为大于8e18cm-1。
参照图7，可以看到脊条结构下方不同位置高铝层向内氧化深度不同，这是因为铝组分越高材料越容易被氧化，氧化速率越快，因此在图7中，脊条结构下方高铝层氧化后的形貌与图5中P型高铝组分层8的折射率变化趋势符合。此外，可以看到，向下氧化的深度小于侧向的氧化深度，也与铝组分不同氧化速率不同有关。
参照图8，可以看到本发明上述实施例的采用氧化工艺制备的高铝组分的氧化限制半导体激光器、采用常规工艺制备的高铝组分半导体激光器和采用常规工艺制备的普通半导体激光器器件性能对比。其中，横坐标为激光器电流值，单位为A；左侧纵坐标为激光器输出光功率，单位为W，右侧纵坐标半导体激光器的电光转换效率，单位为％。实线为采用本发明制备方法的高铝组分的氧化限制半导体激光器的性能曲线，点划线为采用常规工艺制备的高铝组分半导体激光器的性能曲线，点线为采用常规工艺制备的普通半导体激光器；可以看到，高铝组分的半导体激光器较普通半导体激光器功率和效率都有巨大的提升，采用氧化工艺将其制备为氧化限制半导体激光器后性能还能进一步提升。
根据本发明上述实施例的高铝组分的氧化限制半导体激光器及其制备方法，通过引入P型高铝组分层8，补偿P型限制层7对P侧光场的限制，在不改变光学限制因子和光场分布的情况下，能促进P侧限制层7的厚度的减薄，从而降低半导体激光器的光损耗和串联电阻并改善散热，使激光器的功率和效率更高。P型高铝组分层8的引入，简化了半导体激光器的制备过程，不用二次光刻和额外的绝缘材料生长。高铝组分的氧化限制半导体激光器的制备仅需一次光刻，用氧化工艺取代常规工艺中的绝缘层生长和二次光刻制作电注入窗口，且氧化工艺中耗材主要为水汽和氮气成本低。
综上所述，高铝组分的氧化限制半导体激光器较传统激光器性能更好；且高铝组分的氧化限制激光器的制备方法工艺难度低，较传统方法更加简便，可以提高器件制备过程中的成品率，减少制备过程中耗材，节省生产成本。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，从下到上依次包括：
N面金属电极(1)、N型GaAs衬底(2)、N型限制层(3)、N型波导层(4)、有源区(5)、P型波导层(6)、P型限制层(7)、P型高铝组分层(8)、P型接触层(9)和P面金属电极(10)；其中，
所述P型高铝组分层(8)和所述P型接触层(9)经光刻和刻蚀形成脊条结构；
所述P型高铝组分层(8)经过氧化形成氧化限制层(81)；
所述氧化限制层(81)置于所述P型限制层(7)上表面和所述P型接触层(9)下表面之间，并包裹于脊条结构的两侧，使其形成脊条结构下方的电流注入通道和脊条结构两侧电隔离。
2.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述P型高铝组分层(8)的材料为AlxGaAs，其中，0.8≤x≤1。
3.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述氧化限制层(81)的材料为Al2O3。
4.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述脊条结构的宽度范围为1μm-1000μm。
5.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述P型高铝组分层(8)的厚度为10nm-500nm。
6.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述P型高铝组分层(8)中P型掺杂浓度为1E17-1E20cm-3。
7.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述高铝组分的氧化限制半导体激光器前腔面镀反射率≤50％的增透膜，后腔面镀反射率≥80％高反膜。
8.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述有源区(5)包括量子阱、量子点或超晶格结构。
9.根据权利要求1所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，所述N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)的材料为AlxGaAs；其中，所述N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)中Al的组分单一，或者，N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)中Al的组分在5％～80％内渐变，或者，N型限制层(3)、N型波导层(4)、P型波导层(6)和P型限制层(7)中Al的组分周期性变化。
10.一种高铝组分的氧化限制半导体激光器的制备方法，应用于如权利要求1～9中任一项所述的高铝组分的氧化限制半导体激光器，其特征在于，包括以下步骤：
在N型GaAs衬底层(2)上依次外延生长所述N型限制层(3)、N型波导层(4)、有源区(5)、P型波导层(6)、P型限制层(7)、P型高铝组分层(8)和P型接触层(9)；
在P型接触层(9)上面形成光刻胶掩膜；
采用刻蚀工艺刻蚀P型高铝组分层(8)和P型接触层(9)形成脊条结构；
去除光刻胶掩膜后，采用氧化工艺对P型高铝组分层(8)进行氧化，形成氧化限制层(81)；
在P型接触层(9)之上制备P面金属电极(10)，在N型GaAs衬底层(2)之下制备N面金属电极(1)；
进行芯片解理，腔面镀膜和芯片封装，完成器件制备。
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