CN1521907A

CN1521907A - 窗口隔离型极小孔半导体激光器和制作方法

Info

Publication number: CN1521907A
Application number: CNA031030084A
Authority: CN
Inventors: 康香宁; 宋国峰; 陈良惠
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: CN1219346C

Abstract

一种窗口隔离型极小孔激光器，其中包括：一衬底；一N面电极，该N面电极制作在衬底的底面；一下限制层，该下限制层制作在衬底的上面；一有源区，该有源区制作在下限制层的上面；在该有源区上形成有限制出光的小孔；一上限制层，该上限制层制作在有源区的上面；脊形波导区，该脊形波导区制作在上限制层的上面；一绝缘介质膜，该绝缘介质膜制作在上限制层和脊形波导区的上面；一窗口隔离区和其上的覆盖层，该窗口隔离区和其上的覆盖层在激光器的两端、脊形波导的上面；一P面电极，该P面电极制作在绝缘介质膜的上面，在窗口隔离区之间。

Description

窗口隔离型极小孔半导体激光器和制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器和制作方法，特别是一种窗口隔离型极小孔半导体激光器和制作方法。

背景技术

高密度、高性能数据存储是信息领域和计算机技术发展中不可缺少的关键性技术，传统的光学存储方案是利用光源的远场特性，存储元光斑受光学衍射极限的限制，存储密度较低，一般只能通过减小存储光源的波长提高存储密度。常用CD的存储密度0.38Gb/in²、DVD的存储密度2.79Gb/in²，兰光DVR的存储密度也只能到15Gb/in²。

利用光源近场处的倏逝波可以很好的突破衍射极限的限制，大幅度的提高存储密度，是目前光存储领域最具潜力的技术。如固体浸没透镜(SIL)、近场光学扫描显微镜(NSOM)、超分辨近场微结构(Super-RENS)等方案，存储密度已经达到了40Gb/in²，但是由于外加光源是经过耦合进入存储头(如锥状光纤端头)，用于存储的光功率很小，一般仅为50nW，在信噪比的限制下使得数据读写速率很慢，目前最好只能到50KHz。而基于侧面发光激光器和垂直腔面发射激光器的极小孔激光器能作为新型的有源型近场光学存储器件，可以很好的解决现有近场存储方案中普遍存在的局限，激光器本身作为存储头简化了结构，极大的缩小光头的体积，能够发展成为集成光头的主要技术。现有技术的激光器结构中衬底和下限制层下面为N型电极，下限制层上是有源区，有源区上为脊形波导区，脊形波导区两侧为电流限制层，脊形波导区上为P型上电极，整个激光器腔端面镀有金属膜，有源区上有一小孔，这种极小孔激光器是直接在做好上下电极的激光器腔端面上生长金属膜，容易造成激光器PN结的短路，工艺难度大，同时由于有源区的尺寸很小，刻蚀小孔时，小孔在有源区上的准确定位很难控制，工艺的可重复性差。以上因素导致极小孔激光器工艺复杂、制备难度大、输出光功率不稳定、器件性能差、成品率极低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种窗口隔离型极小孔半导体激光器和制作方法，其具有以下优点：窗口隔离区的引入解决了金属膜造成的激光器短路问题，保障了小孔制备的可靠性，为小孔在有源区的准确定位提供了依据，降低了工艺难度，保证了产品的近场工作性能，提高了器件的成品率；并且窗口隔离区在隔离激光器端面处金属电极的同时，还可以在激光器端面处形成电流非注入区，这样很大程度地减少了激光器的腔面光学灾变效应(COD)，提高了激光器的输出功率和工作寿命。

本发明一种窗口隔离型极小孔激光器，其特征在于，其中包括：

一衬底；

一N面电极，该N面电极制作在衬底的底面；

一下限制层，该下限制层制作在衬底的上面；

一有源区，该有源区制作在下限制层的上面；在该有源区上形成有限制出光的小孔；

一上限制层，该上限制层制作在有源区的上面；

脊形波导区，该脊形波导区制作在上限制层的上面；

一绝缘介质膜，该绝缘介质膜制作在上限制层和脊形波导区的上面；

一窗口隔离区和其上的覆盖层，该窗口隔离区和其上的覆盖层在激光器的两端、脊形波导的上面；

一P面电极，该P面电极制作在绝缘介质膜的上面，在窗口隔离区之间。

其中在脊形波导的端面上有光学介质膜，在光学介质膜上有金属膜，金属膜为金或铝，厚度为20nm～200nm，前端面为出光面，上面的减反射膜的反射率在激射波长附近为20％，后端面的反射率在激射波长附近大于75％。

其中在金属膜和有源区上有限制出光的小孔，小孔形状为圆形或者方形，孔的最大直径小于激光器本身激光波长的二分之一，孔的深度与金属膜厚度相同。

其中在脊形波导的顶端上，绝缘介质膜为断开，形成条形电极注入区。

其中包括在脊形波导上制作一层电流阻挡层，在电流阻挡层上制作有电流扩展层，在电流扩展层上制作电极的结构。

本发明一种窗口隔离型极小孔激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在激光器外延片上湿法腐蚀出脊形波导区；

2)采用PECVD淀积厚绝缘介质膜，光刻形成电极注入区；

3)制作P面电极，带胶剥离技术形成窗口隔离区；

4)淀积薄层绝缘介质膜，湿法腐蚀形成窗口隔离区上的覆盖；

5)减薄后做N面电极；并在器件的前后两个端面分别镀减反射光学介质膜和高反射光学介质膜；

6)在出光端面制作薄层金属膜；

7)用聚焦离子束刻蚀技术在出光端面上刻蚀出小孔；

8)解理成管芯，测试。

所述的绝缘介质膜的材料为二氧化硅，氮氧化硅和淡化硅，其中厚绝缘介质膜的厚度为：200nm～400nm，薄绝缘介质膜，即覆盖层的厚度，为：100nm～200nm。

其中窗口隔离区宽度在10um～100um。

所述的窗口隔离区的制作包括直接在P面整个溅射金属电极，然后在金属上高温淀积绝缘介质膜，再用HF酸一次性腐蚀出窗口区和覆盖层。

所述的用于作为覆盖层的绝缘介质膜淀积温度为200℃～300℃。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：

图1是窗口隔离型小孔激光器所采用的结构示意图。

图2是图1的剖面图。

图3是制作窗口隔离区时所采用的掩膜结构示意图。

图4是本发明的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明一种窗口隔离型极小孔激光器，其中包括：

一衬底11；

一N面电极21，该N面电极21制作在衬底11的底面；

一下限制层22，该下限制层22制作在衬底11的上面；

一有源区23，该有源区23制作在下限制层22的上面，在该有源区23上形成有限制出光的小孔18；

一上限制层24，该上限制层24制作在有源区23的上面；

脊形波导区12，该脊形波导区12制作在上限制层24的上面，其中在脊形波导12的端面上有光学介质膜16，在光学介质膜16上有金属膜17，金属膜17为金或铝，厚度为20nm～200nm，前端面为出光面，上面的减反射膜的反射率在激射波长附近为20％，后端面的反射率在激射波长附近大于75％，其中在金属膜17上有限制出光的小孔18，小孔18形状为圆形或者方形，孔的最大直径小于激光器本身激光波长的二分之一；其中在脊形波导12的顶端上，绝缘介质膜25为断开，形成条形电极注入区26；

一绝缘介质膜25，该绝缘介质膜25制作在上限制层24和脊形波导区12的上面；

一窗口隔离区14和其上的覆盖层15，该窗口隔离区14和其上的覆盖层15在激光器的两端、脊形波导12的上面；

一P面电极13，该P面电极13制作在绝缘介质膜25的上面，在窗口隔离区14之间；

请参阅图4，是本发明的第二实施例，其基本结构与前一实施例基本相同，不同之处在于，其中在脊形波导12上制作一层电流阻挡层41，在电流阻挡层41上制作有电流扩展层42，在电流扩展层42上制作电极13，该电流扩展层42的上面为平面结构。

本发明一种窗口隔离型极小孔激光器的制作方法，包括以下步骤：

1)在激光器外延片上湿法腐蚀出脊形波导区12；

2)采用PECVD淀积厚绝缘介质膜25，光刻形成电极注入区26，所述的绝缘介质膜的材料为二氧化硅，氮氧化硅和氮化硅，其中厚绝缘介质膜25的厚度为：200nm～400nm，薄绝缘介质膜，即覆盖层15的厚度，为：100nm～200nm；

3)制作P面电极13，带胶剥离技术(1ift-off)形成窗口隔离区14，其中窗口隔离区14宽度在10um～100um，所述的窗口隔离区14的制作包括直接在P面整个溅射金属电极13，然后在金属上高温淀积绝缘介质膜，再用H F酸一次性腐蚀出窗口区14和覆盖层15；

4)淀积薄层绝缘介质膜，湿法腐蚀形成窗口隔离区上的覆盖15，所述的用于作为覆盖层15的绝缘介质膜淀积温度为200℃～300℃；

5)减薄后做N面电极21；并在器件的前后两个端面分别镀减反射光学介质膜16和高反射光学介质膜16；

6)在出光端面制作薄层金属膜17；

7)用聚焦离子束刻蚀技术(FIB)在出光端面上刻蚀出小孔18；

8)解理成管芯，测试。

本发明的主要特点是针对现有技术的不足而提供一种具有窗口隔离区的极小孔激光器和制备方法。窗口隔离型极小孔激光器的制作方法包括以下步骤：

请再参阅图1、2和图3所示，在生长有多量子阱激光器结构的外延片上，采用湿法腐蚀方法(腐蚀液为1～10∶1∶10的氢溴酸∶溴∶H₂O)刻蚀出固定周期间隔的脊形波导区12，脊形波导区下方生长有腐蚀停止层，可以很好的控制腐蚀深度，脊形波导宽度为1.5μm～5μm，周期300μm～1000μm。然后带胶淀积一层厚度在200nm～400nm的厚绝缘介质膜25(可以是SiO₂，SiN_x，SiNO等材料)，剥离脊形波导区顶部的厚绝缘介质膜形成条形电极注入区26，电极注入区宽度为1μm～3μm。窗口隔离区14的制作：采用带胶剥离技术溅射Ti/Pt/Au，形成激光器P面电极13，剥离出窗口隔离区14，窗口隔离区的宽度为10μm-100μm，窗口隔离区的周期间隔为200μm～900μm，这个周期同时也对应着激光器的腔长，接着再生长一层薄绝缘介质膜，厚度100nm～200nm，并用稀释的氢氟酸在窗口隔离区14上刻蚀出绝缘介质覆盖层15；或者直接在激光器P面全部溅射上金属电极Ti/Pt/Au，然后在金属电极上高温淀积绝缘介质膜，再用HF酸一次腐蚀出窗口区和覆盖层；接着减薄外延片，制作Au/Ge/Ni作为器件的N型电极21；沿图3中所示的解理线31解理成条然后装镀膜架，在器件的前后端面分别镀光学膜。镀光学膜时采用以下三个方案：

1.为增大小孔方向的出光效率，背面的增反光学膜，反射率大于75％；

2.优化前端面(即出光端面)上的介质膜系，使蒸镀上金属后，光总的透过率小于5％，介质膜可以采用SiO₂、Si、Al₂O₃、TiO₂等材料；

3.激光器条(bar)采用背对背不等高的装架方法。接着在出光面上溅射金属膜17，厚度为20nm～200nm，金属膜可用Au、Al等对出射光有强吸收的金属；拆架，激光器出光端面朝上装在样品台上，保证激光器和样片台之间导电，采用FIB技术在腔面有源区处刻蚀出小孔18，小孔小于激光器激射波长的二分之一。本发明中涉及的激光器波长小于780nm，小孔直径在20nm～400nm，最后解理出管芯，测试。

Claims

1、一种窗口隔离型极小孔激光器，其特征在于，其中包括：

一衬底；

一N面电极，该N面电极制作在衬底的底面；

一下限制层，该下限制层制作在衬底的上面；

一上限制层，该上限制层制作在有源区的上面；

脊形波导区，该脊形波导区制作在上限制层的上面；

2、按权利要求1所述的窗口隔离型极小孔半导体激光器，其特征在于，其中在脊形波导的端面上有光学介质膜，在光学介质膜上有金属膜，金属膜为金或铝，厚度为20nm～200nm，前端面为出光面，上面的减反射膜的反射率在激射波长附近为20％，后端面的反射率在激射波长附近大于75％。

3、按权利要求1或2所述的窗口隔离型极小孔半导体激光器，其特征在于，其中在金属膜和有源区上有限制出光的小孔，小孔形状为圆形或者方形，孔的最大直径小于激光器本身激光波长的二分之一，孔的深度与金属膜厚度相同。

4、按权利要求1所述的窗口隔离型极小孔半导体激光器，其特征在于，其中在脊形波导的顶端上，绝缘介质膜为断开，形成条形电极注入区。

5、按权利要求1所述的窗口隔离型极小孔半导体激光器，其特征在于，其中包括在脊形波导上制作一层电流阻挡层，在电流阻挡层上制作有电流扩展层，在电流扩展层上制作电极的结构。

6、一种窗口隔离型极小孔激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在激光器外延片上湿法腐蚀出脊形波导区；

2)采用PECVD淀积厚绝缘介质膜，光刻形成电极注入区；

3)制作P面电极，带胶剥离技术形成窗口隔离区；

6)在出光端面制作薄层金属膜；

7)用聚焦离子束刻蚀技术在出光端面上刻蚀出小孔；

8)解理成管芯，测试。

7、根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的绝缘介质膜的材料为二氧化硅，氮氧化硅和淡化硅，其中厚绝缘介质膜的厚度为：200nm～400nm，薄绝缘介质膜，即覆盖层的厚度，为：100nm～200nm。

8、根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，其中窗口隔离区宽度在10um～100um。

9、根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的窗口隔离区的制作包括直接在P面整个溅射金属电极，然后在金属上高温淀积绝缘介质膜，再用HF酸一次性腐蚀出窗口区和覆盖层。

10、根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的用于作为覆盖层的绝缘介质膜淀积温度为200℃～300℃。