專利名稱：一種改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器以其體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)化效率高、性能穩(wěn)定、可靠性高和壽命長等優(yōu)點(diǎn)廣泛用于光纖通信、材料加工、光盤存取、光信息處理和醫(yī)療等重要領(lǐng)域。而且特別適用于激光夜視、激光引信、激光雷達(dá)等軍事領(lǐng)域。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器是半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域的重要組成部分，它是直接利用半導(dǎo)體材料的自然解理面來做諧振腔面，工藝簡單、晶面完美。邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)I.由于有源層側(cè)向尺寸減小，光場對稱性增加，因而能提高光源與光纖的耦合效率。2.因?yàn)樵趥?cè)向?qū)﹄娮雍凸鈭鲇邢拗?，有利于降低激光器的閾值電流?.由于有源區(qū)面積小，容易獲得缺陷盡可能少或無缺陷的有源層，同時(shí)除用作諧振腔的解理面外，整個(gè)有源區(qū)與外界隔離，有利于提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。由于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的光子能量主要集中在有源區(qū)，并向兩側(cè)不斷擴(kuò)展，這樣就會導(dǎo)致有源區(qū)光場的泄露，在脊形臺兩側(cè)的光柵結(jié)構(gòu)可以有效地將一部分光反射回有源區(qū)，減少光場的泄露；同時(shí)脊形臺兩側(cè)的光柵結(jié)構(gòu)還可以有效地抑制注入電流的橫向擴(kuò)展，從而對邊發(fā)射激光器的閾值特性、輸出模式、輸出功率都產(chǎn)生影響。本發(fā)明的用于改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的制作方法是在傳統(tǒng)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器工藝的基礎(chǔ)上增加了一步光刻工藝，因此它的制作工藝簡單、成本低、 重復(fù)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改善邊發(fā)射的半導(dǎo)體激光器有源區(qū)光場分布，減少有源區(qū)的光場泄露，抑制注入電流的橫向擴(kuò)展，從而降低激光器的閾值電流。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于依次包括襯底、N型限制層、N型波導(dǎo)層、多量子阱有源區(qū)、P型波導(dǎo)層、P型限制層、P型歐姆接觸層構(gòu)成的外延片結(jié)構(gòu)；且利用濕法腐蝕將外延片兩側(cè)腐蝕P型歐姆接觸層到P型限制層，深度范圍為400nm-600nm，從而形成脊形臺，在脊形臺兩側(cè)腐蝕出具有周期性的光柵結(jié)構(gòu)。該光柵結(jié)構(gòu)的周期可以為波長的整數(shù)倍加上四分之一波長；光柵結(jié)構(gòu)可以有效的將泄漏到有源區(qū)外地光反射回有源區(qū)，從而提高有源區(qū)的光場分布；同時(shí)光柵結(jié)構(gòu)還可以有效地抑制注入電流的橫向擴(kuò)展，從而降低半導(dǎo)體激光器的閾值電流。從上述技術(shù)方案可以得出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的這種用于改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，減少了有源區(qū)的光場泄露；同時(shí)可以抑制注入電流的橫向擴(kuò)展，降低閾值電流。2、本發(fā)明提供的這種用于改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其制作方法在傳統(tǒng)邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器工藝的基礎(chǔ)上只增加了一步光刻工藝，與現(xiàn)有的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器制備工藝完全兼容，制備工藝簡單，成本低。3、本發(fā)明提供的這種用于改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，廣泛適用于各種材料系的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器。


圖I :本發(fā)明提供的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的側(cè)向剖面示意圖；圖中1、多量子阱有源區(qū)，2、P型波導(dǎo)層，3、N型波導(dǎo)層，4、P型限制層，5、N型限制層，6、P型歐姆接觸層，7、砷化鎵襯底，8、二氧化硅絕緣層，9、上層P型電極，IO、下層N型電極。圖2 :本發(fā)明提供的制作邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法流程圖；圖3 :本發(fā)明提供的改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的光柵結(jié)構(gòu)立體示意圖；圖中11、多量子阱有源區(qū)，12、P型波導(dǎo)層，13、N型波導(dǎo)層，14、P型限制層，15、N 型限制層，16、P型歐姆接觸層，17、半導(dǎo)體襯底圖4 :本發(fā)明提供的改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的封裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖中18、銅熱沉，19、陶瓷片，20、銅帶，21、陶瓷片上的金層，22、金線，23、半導(dǎo)體
激光器芯片，24、銦層。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例I本發(fā)明提供的制作邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，廣泛適用于各種材料系的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，下面以980nm的銦鎵砷量子阱邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器為例說明其原理。如圖I所示，本實(shí)施例一種用于改善有源區(qū)光場分布并抑制注入電流橫向擴(kuò)展的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)包括A、襯底7，該襯底7為N型鎵砷材料，厚度約為300-400um，該襯底10用于在其上進(jìn)行激光器各層材料的外延生長；B、N型限制層5，該N型限制層5制作在襯底7上，該N型限制層5為N型鋁鎵砷材料，可以有效的限制光場；C、N型波導(dǎo)層3和P型波導(dǎo)層2組成波導(dǎo)層，該波導(dǎo)層制作在量子阱層I的兩側(cè)，N 型限制層5和P型限制層4以內(nèi)，其材料為低摻雜的鋁鎵砷材料，鋁組分是漸變的，范圍為
O.05-0. 35，波導(dǎo)層采用材料組分漸變后，其折射率將變小，光限制因子變大，從而降低閾值電流；D、量子阱層I，該量子阱層I制作在N型波導(dǎo)層3和P型波導(dǎo)層2以內(nèi)，其材料為銦鎵砷材料；E、P型限制層4，該P(yáng)型限制層4制作在P型波導(dǎo)層2上，其材料為鋁鎵砷材料；F、P型歐姆接觸層6，其材料為能與鎵砷材料形成良好的歐姆接觸的材料；同時(shí)，由于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的光子能量主要集中在有源區(qū)，并向兩側(cè)不斷擴(kuò)展，這樣就會導(dǎo)致有源區(qū)光場的泄露，在脊形臺兩側(cè)的光柵結(jié)構(gòu)可以有效地將一部分光反射回有源區(qū)，減少光場的泄露；同時(shí)脊形臺兩側(cè)的光柵結(jié)構(gòu)還可以有效地抑制注入電流的橫向擴(kuò)展，從而對邊發(fā)射激光器的閾值特性、輸出模式、輸出功率都產(chǎn)生影響。實(shí)施例2如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的制作邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟101 :在N型鎵砷襯底上依次制備鋁鎵砷限制層、鋁鎵砷光波導(dǎo)層、銦鎵砷量子阱有源層；步驟102 :在外延片上光刻出脊形臺；步驟103 :在脊形臺兩側(cè)光刻光柵結(jié)構(gòu)；步驟104 :在外延片上淀積電絕緣層；步驟105 :在電絕緣層上光刻出引線孔；步驟106 :在外延片上制備P面電極；步驟107 :對N型面襯底進(jìn)行減薄拋光后制備N面電極；針對上述本發(fā)明提供的制作邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的方法流程圖，下面結(jié)合圖I所示的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器側(cè)向剖面的示意圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。上述步驟101中所述的N型襯底為(100)面偏〈111〉方向15° N型偏角鎵砷襯底 7。選用該襯底，采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積在N型偏角鎵砷襯底上外延生長了 N型鋁鎵砷下限制層5、N型鋁鎵砷下光波導(dǎo)層3、P型鋁鎵砷上限制層4、P型鋁鎵砷上光波導(dǎo)層2、 銦鎵砷量子阱有源層1，重?fù)诫s的P型鎵砷歐姆接觸層6。選用(100)面偏〈111〉方向15° N型偏角鎵砷襯底一方面能抑制生長過程中亞穩(wěn)態(tài)有序結(jié)構(gòu)的形成；另一方面還能提高限制層中P型雜志摻雜濃度，提高電子的有效勢壘，抑制有源區(qū)的電子泄露，有利于制備大功率半導(dǎo)體激光器。上述步驟102包括將外延片上旋涂滿光刻膠，通過顯影將脊形臺面以外區(qū)域的光刻膠去除，再利用濕法腐蝕方法腐蝕出脊形臺面。上述步驟103包括在脊形臺兩側(cè)利用濕法腐蝕的方法光刻出具有周期結(jié)構(gòu)的光柵結(jié)構(gòu)。上述步驟104包括在外延片上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法淀積一層電絕緣層，該絕緣層為二氧化硅層。上述步驟105包括在長好電絕緣層的外延片的脊形臺面上利用濕法刻蝕法光刻出引線孔，上述的引線孔的寬度應(yīng)當(dāng)比脊形臺面的寬度小。上述步驟106和步驟107包括在外延片上制備P面電極9和N面電極10，該電極為能與鎵砷材料形成良好歐姆接觸的電極材料，所述的P面電極采用濺射的方法制備，N 面電極采用蒸發(fā)的方法制備。該方法在步驟107之后還可以進(jìn)一步包括將具有電極的外延片解成條，在激光器的前后腔面上分別鍍上增透膜和高反膜。這樣便可以提高激光器的輸出功率，還能保護(hù)激光器的腔面。實(shí)施例3為了進(jìn)一步的說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，我們利用銦鎵砷量子阱半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)來模擬半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)光場限制因子；半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下A、量子阱該量子阱的材料為銦鎵砷，其中銦組分為O. 2，厚度為Snm ；B、P型波導(dǎo)層和N型波導(dǎo)層該波導(dǎo)層的材料為鋁鎵砷，其中鋁組分為O. 20，厚度為 IlOnm ；C、P型限制層和N型限制層該限制層的材料為鋁鎵砷，其中鋁組分為O. 35，厚度為 500nm ；D、絕緣層該絕緣層的材料為二氧化硅，厚度為150nm ；利用平面波導(dǎo)和有效折射率理論模擬計(jì)算得到普通無光柵結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器的光限制因子為88. 76%，當(dāng)在脊形臺兩側(cè)形成光柵結(jié)構(gòu)后的半導(dǎo)體激光器的光限制因子為99. 21%，光限制因子提高了 10. 45%，從而有效地降低了有源區(qū)的光場泄露，降低了半導(dǎo)體激光器的閾值電流。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改，等同替換，改進(jìn)等，均應(yīng)在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器,其特征在于依次包括襯底、N型限制層、N型波導(dǎo)層、多量子阱有源區(qū)、P型波導(dǎo)層、P型限制層、P型歐姆接觸層構(gòu)成的外延片結(jié)構(gòu)；且利用濕法腐蝕將外延片兩側(cè)腐蝕P型歐姆接觸層到P型限制層，深度范圍為 400nm-600nm,從而形成脊形臺,在脊形臺兩側(cè)腐蝕出具有周期性的光柵結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種改善有源區(qū)光場分布的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域。包括襯底、N型限制層、N型波導(dǎo)層、多量子阱有源區(qū)、P型波導(dǎo)層、P型限制層、P型歐姆接觸層構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器外延結(jié)構(gòu)；同時(shí)包括了二氧化硅絕緣層、上層P型電極、下層N型電極，其中光柵結(jié)構(gòu)生長在脊形臺上，制作過程采用光刻工藝；劃片后，將芯片燒結(jié)在銅熱沉上，封裝固定在散熱基座上。此結(jié)構(gòu)中脊形臺兩側(cè)光柵結(jié)構(gòu)的引入改善了有源區(qū)光場分布，抑制了注入電流的橫向擴(kuò)展，從而降低半導(dǎo)體激光器的閾值電流。本發(fā)明制作工藝簡單、成本低、重復(fù)性好。
文檔編號H01S5/22GK102593719SQ201210061698
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者崔碧峰, 張松, 王曉玲, 計(jì)偉, 郭偉玲, 陳京湘 申請人:北京工業(yè)大學(xué)