CN1200498C - 倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器及其制作方法，由下电极1，n-GaAs衬底2，多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x为0.05-0.2，y为0.5-1)异质薄膜下反射镜3，n-AlzGa1-zAs(z为0.3-0.5)下限制层4，GaAs有源层5，p-AlzGa1-zAs上限制层6，多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜7和上电极8，出光窗口9，离子注入高阻区10和非离子注入的电流导通区11构成。导通区11呈漏斗状，由两次钨丝垂直交叉掩膜四面倾斜离子注入形成。该激光器具有低阈值，高均匀性和成品率，低串联电阻等优点。
Description
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器及其制作方法，特别是涉及一种倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器及该激光器的制作方法。
背景技术：
垂直腔面发射激光器是一种与传统边发射激光器有着显著不同的激光器。这种激光器的出射光斑呈圆形，发散角很小，利于与光纤耦合。该激光器件最显著的一个特点是由于出光方向垂直于外延片方向因此不用解理就可以进行测试，适合工业化生产；还可以进行二维光子集成，制成大面积的激光器列阵。垂直腔面发射激光器可以广泛应用于光纤通讯、光存储、光互联等许多领域中，因此世界先进国家争先研制，并已有产品销售。
现有的较好的几种垂直腔面发射激光器从下向上由这几个主要部分构成——下电极、n-GaAs衬底、在衬底上外延生长形成多层1/4波长的n-AlrGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x为0.05～0.2，y为0.5～1)异质薄膜下反射镜、n-AlzGa1-zAs(z为0.3～0.5)下限制层、GaAs有源层、p-AlzGa1-zAs上限制层、多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜、上电极。为了把电流限制在面积较小的电流注入有源区内，有的器件结构是将GaAs衬底以外的外延层刻蚀成直径几微米至几十微米的小圆柱结构，有的将上镜面刻成小园台结构，有的用氧化的方法形成电流隔离层窗口。其中和本发明最接近的技术是我们已经获得专利权的“钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器”(专利号：ZL93118240.9)和使用光刻胶做掩膜质子轰击形成隔离电流高阻区结构(见Appl.Phys.Lett.，Vo1.57(18)，p1855，1990)。但是这种一般质子轰击结构的垂直腔面激光器有源区不能做得太小，因而阈值和氧化窗口结构相比还偏高。而且由于发光面积较大，也不容易获得基横模工作，同时器件串连电阻也偏高。
发明内容：
本发明的目的就是克服这些困难，降低器件阈值，改善器件模式，提高器件均匀性和成品率，降低器件串联电阻，从而提供一种倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器及提供一种该激光器的制作方法。
本发明所设计的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器(见附图和附图说明)，由下电极1，n-GaAs衬底2，多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x为0.05-0.2，y为0.5-1)异质薄膜下反射镜3，n-AlzGa1-zAs(z为0.3-0.5)下限制层4，GaAs有源层5，p-AlzGa1-zs上限制层6，多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜7和上电极8，出光窗口9，可以隔离电流的离子注入高阻区10和非离子注入的电流导通区11等部件构成，其特征是离子注入高阻区10下面的面积大、上面的面积小，呈倾斜状，也就是说，非离子注入的电流导通区11呈上面大、下面小的漏斗状，这种倾斜形状的离子注入高阻区10是由钨丝做掩膜垂直交叉四面(四个方向)四次倾斜离子注入形成的，或者用光刻胶做掩膜四面(四个方向)四次倾斜离子注入形成的。
本发明和我们已有的钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器相比可以采用直径较粗一些的钨丝做掩膜，这样钨丝掩膜架可以制作得面积大一些，有利于提高生产效率；和现在已有的光刻胶做掩膜离子注入形成隔离电流高阻区结构相比，光刻胶掩模也可以做得尺寸大一些，以降低光刻胶掩模制备的工艺难度，提高成品率，同时这样的结构使有源区尺寸较小，有利于降低阈值和实现单基横模激射；还可以把上电极出光窗口做得尺寸小一些，即可以做得比漏斗状的非离子注入的电流导通区上面的尺寸小一些，这样有利于降低器件串连电阻。从我们目前的实验结果来看，这种器件结构对改善器件特性确实有较大效果。我们用以前的专利技术“钨丝做掩膜二次质子轰击垂直腔面发射激光器”制作器件时一般采用直径8～12μm的钨丝，制得的器件一般阈值为6～10mA，串连电阻一般为300～200Ω。而现在制作的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器采用直径20μm的钨丝，而器件阈值一般为2～3mA，最低可达1.4 mA，串连电阻一般为100～200Ω。
附图说明：
图1：倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器示意图；
图2：离子注入倾斜角度示意图。
图1中，部件1为下电极，2为n-GaAs衬底，3为多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜，4为n-AlzGa1-zAs下限制层，5为GaAs有源层，6为p-AlzGa1-zAs上限制层，7为多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜上反射镜，8为上电极，9为出光窗口，10为离子注入的高阻区，11为非离子注入的电流导通区，其位于有源层5内的区域称为可以注入电流的有源区。
图2中，部件12为外延片，13为钨丝，14为外延片法线，15为进行注入的离子束流。
制备实施例：
本发明的制备实施例分别描述如下：
实施例1：钨丝做掩膜四次倾斜离子注入垂直腔面发射激光器。
这种激光器的结构如图1所示。实施工艺简述如下：选用n-GaAs做为衬底2，在GaAs衬底2上用薄层外延技术＜如分子束外延(MBE)，有机金属化合物气相沉积(MOCVD)技术等＞首先生长上多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜3(x为0.05-0.2，y为0.5-1)，为了减少器件串连电阻，在AlxGa1-xAs层和AlyGa1-yAs层之间生长一层Al组分渐变的过渡层，然后生长n-AlxGa1-zAs下限制层4(z为0.3-0.5)，GaAs有源层5，p-AlzGa1-zAs上限制层6，再生长多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜上反射镜7，同下反射镜一样为了减少器件串连电阻，在AlxGa1-xAs层和AlyGa1-yAs层之间生长一层Al组分渐变的过渡层。外延片制备好后用钨丝13做掩膜进行两次蒸发金属薄膜上电极8和对外延片12进行四次有一定倾斜角度的离子注入，第一次蒸发金属薄膜上电极8和第一、第二次离子注入时钨丝为一个方向，第二次蒸发金属薄膜上电极8和第三、第四次离子注入时钨丝和前次方向垂直并交叉。第一离子注入时以顺着钨丝的方向为轴偏斜外延片使其法线方向14与离子注入的束流15方向有一定的倾斜角度α，角度α值可以在6～45度之间选择，第二次注入时倾斜的角度变成-α，如图2所示。然后，取下钨丝掩膜后再用钨丝做掩膜进行第二次蒸发金属薄膜上电极8和第三、第四次有一定倾斜角度的离子注入。这次的钨丝方向和第一次的方向垂直并交叉，其交叉点两次都没有蒸上金属薄膜上电极8，形成出光窗口9，最后减薄、蒸下电极1并合金退火。在离子注入的离子停留区域形成了倾斜形状的离子注入高阻区10，在有源层内离子没有注入的区域形成可以进行电流注入的有源区。适当控制离子注入的能量和剂量，使离子停留的前沿浓度最高并位于有源层，越接近外延片表面离子停留浓度越低，合金退火后外延片表面附近可以导电，这样电流就可以通过上电极8漏斗状地注入到非离子注入的电流导通区11中。
实施例2：光刻胶做掩膜四次倾斜离子注入垂直腔面发射激光器。
这种激光器结构的外延片结构和钨丝做掩膜四次倾斜离子注入垂直腔面发射激光器一样，不同之处是进行离子注入时采用光刻胶做掩膜。上电极8可以在离子注入光刻胶掩模制备前蒸发完成，出光窗口9的尺寸可以小于离子注入光刻胶掩模尺寸，而有利于降低器件串连电阻。光刻胶掩模制备好后，如同钨丝做掩模一样从四个方向四次倾斜地对外延片进行离子注入。
实施例3：有源区为GaAs量子阱结构。这种结构只是有源层5生长成GaAs量子阱结构，其余的工艺同实施1或2。
实施例4：有源区为InGaAs量子阱结构。这种结构也是改变有源层材料和结构，把有源层5生长成InGaAs量子阱结构，其余的工艺同实施例1或2。
实施例5：有源区为InGaNAs量子阱结构。这种结构也只是改变有源层材料和结构，把有源层5生长成InGaNAs量子阱结构，其余的工艺同实施例1或2。
Claims (6)
1、一种倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器，由下电极(1)，n-GaAs衬底(2)，多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x为0.05-0.2，y为0.5-1)异质薄膜下反射镜(3)，n-AlzGa1-zAs(z为0.3-0.5)下限制层(4)，GaAs有源层(5)，p-AlzGa1-zAs上限制层(6)，多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射镜(7)和上电极(8)，出光窗口(9)，可以隔离电流的离子注入高阻区(10)和非离子注入的电流导通区(11)构成，其特征在于：离子注入高阻区(10)下面的面积大、上面的面积小，呈倾斜状，即非离子注入的电流导通区(11)呈上面大、下面小的漏斗状。
2、如权利要求1所述的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器，其特征在于：有源层(5)生长成GaAs量子阱结构。
3、如权利要求1所述的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器，其特征在于：有源层(5)生长成InGaAs量子阱结构。
4、如权利要求1所述的倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器，其特征在于：有源层(5)生长成InGaNAs量子阱结构。
5、一种制备权利要求1所述倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器的方法，选用n-GaAs做为衬底(2)，在衬底(2)上用薄层外延技术依次生长多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜(3)、n-AlzGa1-zAs下限制层(4)、GaAs有源层(5)、p-AlzGa1-zAs上限制层(6)、多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜上反射镜(7)，形成外延片(12)，用离子注入的方法形成可以隔离电流的高阻区(10)、非离子注入的电流导通区(11)，其特征在于：
①所说的形成离子注入高阻区(10)是用钨丝(13)做掩膜进行两次蒸发金属薄膜上电极(8)和对外延片(12)进行四次有一定倾斜角度的离子注入，第一次蒸发金属薄膜上电极(8)和第一、第二次离子注入时钨丝为一个方向，第二次蒸发金属薄膜上电极(8)和第三、第四次离子注入时钨丝和前次方向垂直并交叉；
②第一离子注入时以顺着钨丝的方向为轴偏转外延片使其法线方向(14)与离子注入的束流(15)方向有一定的倾斜角度α，角度α值可以在6～45度之间选择，第二次注入时倾斜的角度变成-α；
③取下钨丝掩膜后再用钨丝做掩膜进行第二次蒸发金属薄膜上电极(8)和第三、第四次有一定倾斜角度的离子注入，这次的钨丝方向和第一次的方向垂直并交叉，其交叉点两次都没有蒸上金属薄膜上电极(8)，从而形成出光窗口(9)，最后减薄、蒸下电极1并合金退火。
6、一种制备权利要求1所述倾斜离子注入型垂直腔面发射激光器的方法，选用n-GaAs做为衬底(2)，在衬底(2)上用薄层外延技术依次生长多层1/4波长的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜下反射镜(3)、n-AlzGa1-zAs下限制层(4)、GaAs有源层(5)、p-AlzGa1-zAs上限制层(6)、多层1/4波长p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs异质薄膜上反射镜(7)，形成外延片(12)，用离子注入的方法形成可以隔离电流的高阻区(10)、非离子注入的电流导通区(11)，其特征在于：
①所说的形成离子注入高阻区(10)是用光刻胶做掩膜从四个方向四次倾斜地对外延片进行离子注入形成的；
②上电极(8)在离子注入光刻胶掩模制备前蒸发完成，出光窗口(9)的尺寸小于离子注入光刻胶掩模尺寸。
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