专利名称：数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器及制作方法
技术领域：
本发明涉及到大功率650nm半导体激光器的结构设计，及其相应的器件工艺制作程序。确切地说，根据650nm半导体激光器的实际应用情况，为实现其在基横模、低功耗条件下大功率(0～70mW)输出工作，我们所提出的一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器1、半导体激光器器件结构——二次外延双沟道内条形波导结构以及相应的工艺制作方法；2、解决光灾变损伤的方法——恒定源Zn杂质扩散诱导量子阱混杂制作非吸收窗口。
背景技术：
可重复擦写的数字多功能光盘(Digital Versatile Disk-Random AccessMemory，简称DVD-RAM)用大功率650nm半导体激光器是光信息技术迅速发展的产物，一种应用在光信息存储技术中的重要光电器件。二十世纪末，我们的社会进入了信息革命时代，面对与日俱增、蜂涌而至的“数字巨兽”，这促使人们不断追求更加先进的信息技术高速稳定的信息传输技术和超高容量的信息存储技术。半导体红光激光器就是在这种情势下，被人们认识研究并不断应用到光信息存储技术当中的。首先，上个世纪最后十几年成熟的780nm波段的红光半导体激光器技术带来了一种光信息存储技术——CD技术的辉煌。然而，身材仅仅几百兆字节的CD光盘面对越来越庞大的“数字巨兽”，逐渐变得单薄而无力。随后650nm波段的红光半导体激光器技术走向成熟，一种高容量的光信息存储技术——DVD(Digital Verasital Disc)技术出现了。DVD光盘的存储量是CD光盘的7-30倍之多。随着DVD技术的成熟和普及，DVD光盘也正从只读(DVD-ROM)向单次写入(DVD-R)和可擦写(DVD-RAM)方向发展。由于其技术使用上的要求，尤其在光盘被写入擦除时要求较高的激光器输出功率，使得人们不可避免地开展了对大功率650nm红光半导体激光器的研究。
DVD-RAM用大功率650nm半导体激光器在实际设计制作中，考虑到诸多的应用因素，其技术指标都有特定的要求一、稳定波长650nm，基横模输出无论是数字音频光盘(CD)还是视频光盘(VCD、DVD)，也不论存储信息所基于的原理不同的各种光盘(如磁光盘、相变光盘)，为使所记录的信息密度达到最大，经光学系统聚焦的光斑应尽量小，所能达到的最小光斑直径为d=0.82λNA]]>
那么由上式可见在高密度信息的写入与读出过程中，所需光源的激光波长要尽可能短且要稳定；同时为便于光学系统聚焦的需要，激光要有尽可能高的光束质量和尽可能小的光束像散。迫于前者的要求，人们通常选择合适的化合物半导体材料，并制作适当的量子阱，使得波长从780nm(AlGaAs/GaAs化合物半导体材料)降至650nm(AlGaInP/GaInP化合物半导体材料)。而对于后者，设计合理的光波导，得到严格的基横模输出(即单模输出工作)，将有效提高输出光束质量并减小像散。目前，人们多选用脊形波导，脊形尺寸选取合适可以得到很好的单模输出激光光束。
二、较大的激光功率对于DVD-RAM光盘机来说，激光器输出功率是一个重要参数。在写入信息时，激光束的作用在于加热磁光盘面上的介质达到居里点(～200℃)，以便在外磁场作用下发生克尔效应；或者是相变盘面上的物质由非晶相向晶相转变。在2400r/min的转速下磁光盘面加热到居里点约需8mW的连续功率激光。从激光器至光盘面的光学系统传输效率取经典值50％，则激光器至少需要16mW的连续输出功率。同时为满足国际标注化组织(ISO)所要求的所有光盘介质的写入功率，以及考虑到光学头非理想的传输效率等因素所需要的功率余量；另外光盘介质对红外光的吸收更灵敏和光盘向更高转速发展的趋向，将激光器输出功率设计为50～70mW的输出功率才是合适的。
然而应用于DVD-RAM的这种边发射激光器要满足基模单模输出，这就使得50mW的输出激光功率仅仅集中在约0.8μm2的端面面积上。从而此面积处的光能量密度极高，很容易产生光灾变损伤(CatastrophicOptical Damage，COD)，使得激光器彻底损坏。所谓COD，是激光器腔面发生了不可逆转的物理性损伤。解决COD的方法有1、大光腔结构、锥形腔结构，但这些结构较难满足基模输出的要求；2、带注入区窗口结构，但其制作困难、成本也较高，并较易破坏激光器结构；3、化学钝化，但钝化所需要的药品毒性很大，实用性并不大；4、目前常用的方法是非吸收窗口结构(Nonabsording Window，NAW)，其制作工艺方便简单；结合激光器腔面镀膜技术能较好的提高COD阈值。
三、低功耗实际应用于DVD-RAM的大功率激光器要面对消费者，低功耗是一个不可回避的须考虑问题。激光器的阈值电流在40～80mA，工作电流也越小越好。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器及其制作方法，具有低的阈值电流、工作电流，稳定的输出功率(50～70mW)，基横模输出保证高的光束质量。
本发明一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，其特征在于，包括一衬底，该衬底用于在其上进行激光器材料结构外延生长，衬底是(100)面的N-镓砷，并且(100)面向<111>A面有一偏角；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，以缓解衬底和下一层材料的晶格失配度；一N型包层，该N型包层制作在缓冲层上，限制载流子泄漏；一有源区层，该有源区层制作在包层上；一第一P型包层，该第一P型包层制作在有源区层上，限制载流子泄漏；一电流阻挡层，该电流阻挡层制作在P型包层上，阻挡电流扩散以减小电流泄漏，提高电光转化效率；一第二P型包层，该第二P型包层制作在电流阻挡层和第一P型包层上，限制载流子泄漏；一过渡层，该过渡层制作在第二P型包层上；一电极接触层，该电极接触层制作在过渡层之上；一双沟道，该双沟道结构是形成在电极接触层、过渡层、第二P型包层中，采用腐蚀液刻蚀出深及这三层的沟道；一氮氧化硅层，该氮氧化硅层制作在电极接触层之上，并覆盖双沟道。
其中在电流阻挡层刻蚀出一条宽4μm的内条沟道。
其中双沟道的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层上的第二P型包层。
其中用电流阻挡层的材料是铝铟磷，铝铟磷材料的禁带宽度比较大，同时又是N型掺杂，形成反向P-N结，对电流扩散有较大阻挡作用。
本发明一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一衬底，在该衬底上依次外延生长缓冲层、N型包层、有源区、第一P型包层、电流阻挡层、腐蚀停止层、镓砷保护层；步骤2在镓砷保护层上纵向腐蚀出一条形；步骤3在电流阻挡层上光刻出内条沟道；步骤4腐蚀掉电流阻挡层上的镓砷保护层；步骤5在电流阻挡层依次外延生长第二P型包层、过渡层、电极接触层；步骤6在电极接触层生长扩散掩膜层，将扩散掩膜层的两端刻蚀出两横向的条形；步骤7在扩散掩膜层和电极接触层上生长氧化锌层；步骤8将氧化锌层作为锌扩散源，进行扩散；步骤9将扩散掩膜层和氧化锌层腐蚀掉；步骤10采用湿刻的方法制作阻挡电流扩散的双沟道；步骤11在双沟道及电极接触层上制作电流扩散掩膜层，在电流扩散掩膜层上两双沟道之间腐蚀出电极图形。
其中在电流阻挡层刻蚀出一条宽4μm的内条沟道。
其中双沟道的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层上的第二P型包层。
其中用电流阻挡层的材料是铝铟磷，铝铟磷材料的禁带宽度比较大，同时又是N型掺杂，形成反向P-N结，对电流扩散有较大阻挡作用。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中图1是激光器一次外延结构示意图；图2是完成内条形波导结构制作后，激光器二次外延结构示意图；图3是恒定源开管选择性扩锌的锌源制作示意图；图4是激光器结构中阻挡电流扩散的双沟道示意图；图5是无电极层的完整激光器器件结构示意图；图6是激光器各层材料及波导结构示意图。
具体实施例方式
参阅图5和图6，本发明一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，包括一衬底9，该衬底9用于在其上进行激光器材料结构外延生长，衬底是(100)面的N-镓砷，并且(100)面向<111>A面有一偏角；一缓冲层8，该缓冲层制作在衬底9上，以缓解衬底9和下一层材料的晶格失配度；
一N型包层7，该N型包层7制作在缓冲层8上，限制载流子泄漏；一有源区层6，该有源区层制作在包层7上；一第一P型包层5，该第一P型包层5制作在有源区层6上，限制载流子泄漏；一电流阻挡层4，该电流阻挡层4制作在P型包层5上，阻挡电流扩散以减小电流泄漏，提高电光转化效率；其中在电流阻挡层4上刻蚀出一条宽4μm的内条沟道41；该电流阻挡层4的材料是铝铟磷，铝铟磷材料的禁带宽度比较大，同时又是N型掺杂，形成反向P-N结，对电流扩散有较大阻挡作用；一第二P型包层3，该第二P型包层3制作在电流阻挡层4和第一P型包层5上，限制载流子泄漏；一过渡层2，该过渡层制作在第二P型包层3上；一电极接触层1，该电极接触层1制作在过渡层2之上；一双沟道a，该双沟道a结构是形成在电极接触层1、过渡层2、第二P型包层3中，采用腐蚀液刻蚀出深及这三层的沟道；一氮氧化硅层05，该氮氧化硅层05制作在电极接触层1之上，并覆盖双沟道a；其中双沟道a的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层4上的第二P型包层3。
其中双沟道a的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层4上的第二P型包层3。
请结合参阅图1至6，一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器的制作方法，包括如下步骤步骤1取一衬底9，在该衬底9上依次外延生长缓冲层8、N型包层7、有源区6、第一P型包层5、电流阻挡层4、腐蚀停止层02、镓砷保护层01(图1)；步骤2在镓砷保护层01上纵向腐蚀出一条形；步骤3在电流阻挡层4上光刻出内条沟道41；其中在电流阻挡层4刻蚀出一条宽4μm的内条沟道41，该电流阻挡层4的材料是铝铟磷，铝铟磷材料的禁带宽度比较大，同时又是N型掺杂，形成反向P-N结，对电流扩散有较大阻挡作用(图2)。
步骤4腐蚀掉电流阻挡层4上的镓砷保护层01；步骤5在电流阻挡层4依次外延生长第二P型包层3、过渡层2、电极接触层1(图3)；步骤6在电极接触层1生长扩散掩膜层03，将扩散掩膜层03的两端刻蚀出两横向的条形031(图3)；步骤7在扩散掩膜层03和电极接触层1上生长氧化锌层04(图4)步骤8将氧化锌层04作为锌扩散源，进行扩散；步骤9将扩散掩膜层03和氧化锌层04腐蚀掉；步骤10采用湿刻的方法制作阻挡电流扩散的双沟道a，该双沟道a的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层4上的第二P型包层3(图5)；
步骤11在双沟道a及电极接触层1上制作电流扩散掩膜层05，在电流扩散掩膜层05上两双沟道a之间腐蚀出电极图形(图5)。
以下将结合附图详细说明依据本发明大功率650nm半导体激光器器件结构的具体制作方法，以及相应的非吸收窗口的制作。
1、激光器的器件结构，参阅图5、图6所示本发明一种DVD-RAM用大功率650nm半导体激光器，从其器件结构制作来说，详细可分为两个部分a、普通功率输出的内条形波导结构半导体激光器的制作b、非吸收窗口结构的制作2、本发明DVD-RAM用大功率650nm半导体激光器制作工艺简单，灵活性大，并易于大批量生产。工艺步骤如下(一)、一次外延，请参阅图1。
经一次外延，在GaAs衬底上一次生长出缓冲层N-GaInP层8，N型包层N-AlGaInP7，有源区6，P型包层P-AlGaInP5，电流阻挡层N-AlInP4，保护层GaAs01，同时在保护层GaAs01和电流阻挡层N-AlInP4、电流阻挡层N-AlInP4和P型包层P-AlGaInP5之间生长一层很薄的腐蚀阻挡层GaInP02。
(二)、内条形波导结构的制作、二次外延，请参阅图2。
对一次外延片进行光刻腐蚀处理。首先光刻出周期为300μm，条宽为4μm的窄条形图案。以光刻胶为选择腐蚀掩膜层，用硫酸系腐蚀溶液把GaAs层01腐蚀出一条沟道，深及紧挨01层的GaInP层；然后去胶，用GaAs层01做选择腐蚀掩膜层，用很稀的溴酸系腐蚀溶液快速漂穿GaInP层，露出下面的N-AlInP层5；再次用硫酸系腐蚀溶液腐蚀掉表层剩余部分的GaAs层01，露出GaInP层；最后以GaInP层做选择腐蚀掩膜层，用弱硫酸系腐蚀溶液在AlInP层腐蚀出内条沟道，实现激光器内条形波导的制作。将处理完的一次外延片放入MOCVD反应炉中进行二次外延，一次生长出P型包层P-AlGaInP3、过渡层P-GaInP2、电极接触层P-GaAs1。
(三)、非吸收窗口结构的制作，请参阅图3。
在外延片上生长一层致密的SiOxNy层，然后垂直于内条沟道方向光刻出50μm款周期为900μm的条形图案，以光刻胶为选择腐蚀掩膜层，去掉条形内的SiOxNy层，随后在光刻后的SiOxNy图形上生长一定厚度的ZnO层。在一定高温下，ZnO层作为Zn杂质的扩散源，SiOxNy层作为选择扩散掩膜层，使得Zn杂质有选择的扩入激光器结构，以实现非吸收窗口的制作。
在非吸收窗口的制作中，Zn扩散源ZnO层的厚度、扩散温度、扩散时间都将对非吸收窗口效能产生重要影响，同时不当的扩散温度、扩散时间都有损伤激光器性能的可能。优化以上Zn扩散条是本步骤关键问题，本发明已实现了优化条件。
(四)、制作解理标记，请参阅图3。
用盐酸系腐蚀溶液腐蚀掉ZnO层，用硫酸系腐蚀溶液快速腐蚀GaAs层1，使其出现一条浅沟道，做为以后解理的标记；用氢氟酸腐蚀溶液腐蚀掉SiOxNy层，把片子表面处理干净。
(五)、制作阻挡电流扩散的双沟道，请参阅图4。
在内条形波导结构两侧刻蚀出两个沟道，由于各层材料不同，必须选择不同的腐蚀液，已得到较好的沟道形状。腐蚀情况先用溴酸系腐蚀溶液腐蚀过P-GaAs层、P-GaInP层，至P-AlGaInP层，腐蚀时间5秒，腐蚀温度25℃；然后改用弱硫酸系腐蚀溶液缓慢腐蚀到腐蚀阻挡层GaInP层，形成沟道。
(六)、制作电极图形，参阅图5。
在做完双沟道的外延片上生长一层致密的SiOxNy层，如图5所示，白框内的SiOxNy层经光刻，由氢氟酸腐蚀溶液腐蚀掉，露出电极接触层P-GaAs层1。
(七)、其他工艺器件经过P面和N面电极制作、腔面镀膜、装热沉、封装等工艺，一个完整的激光器器件就完成了。
基于DVD-RAM中的应用条件，本发明提出了一种二次外延双沟道内条形激光器结构。如图5所示，这是一个完整的激光器器件结构。本发明将N-AlInP层刻蚀出一条沟道，以实现对电流的限制，在这种情况下形成的波导称之为内条形波导。所谓波导，简单的说就是光波传播的通道。具有这种波导结构的激光器仅需二次外延即可实现，制作简单。在完整的激光器结构完成之后，在内条形波导两侧各刻蚀出一个沟道，见图5中a所示，并用SiOxNy(电绝缘材料)将其填充，从而进一步限制了电流的扩散。两沟道的距离10μm，这是由电流扩散深度和宽度决定的。
影响大功率激光器特性的一个主要因素是激光器的光灾变损伤(COD)。本发明提出在腔面附近处制作非吸收窗口结构以解决COD。非吸收窗口结构的制作方法有离子注入、杂质扩散、无杂质空位扩散以及激光诱导法。考虑到以上方法在实际生产中的应用性，以及制作成本、技术难易度，杂质扩散法是一种较理想的方法。本发明提出一种恒定源开管扩散的方法来制作非吸收窗口结构。参阅图3所示，在激光器外延片表面生长得ZnO层04作为扩散源，扩散杂质为Zn。这种方法是扩散源的制作和杂质的扩散在反应炉中一次性完成，方法简单易于操作，并易于大片制作。
以往的非吸收窗口结构是在激光器结构经过一次外延后就开始制作，这给激光器的二次外延以至整个器件结构的制作带来了很多不确定因素，例如二次外延的表面不清洁，由于杂质源制作和杂质扩散时造成表面损伤、激光器结构破坏，这就大大降低了激光器的成品率。本发明的激光器在制作过程中，器件结构的制作和非吸收窗口的制作相互独立，非吸收窗口结构是在激光器结构完全完成后制作的，这就大大降低了有与非吸收窗口的制作对激光器结构的影响，提高了器件的成品率。
权利要求
1.一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，其特征在于，包括一衬底，该衬底用于在其上进行激光器材料结构外延生长，衬底是(100)面的N-镓砷，并且(100)面向<111>A面有一偏角；一缓冲层，该缓冲层制作在衬底上，以缓解衬底和下一层材料的晶格失配度；一N型包层，该N型包层制作在缓冲层上，限制载流子泄漏；一有源区层，该有源区层制作在包层上；一第一P型包层，该第一P型包层制作在有源区层上，限制载流子泄漏；一电流阻挡层，该电流阻挡层制作在P型包层上，阻挡电流扩散以减小电流泄漏，提高电光转化效率；一第二P型包层，该第二P型包层制作在电流阻挡层和第一P型包层上，限制载流子泄漏；一过渡层，该过渡层制作在第二P型包层上；一电极接触层，该电极接触层制作在过渡层之上；一双沟道，该双沟道结构是形成在电极接触层、过渡层、第二P型包层中，采用腐蚀液刻蚀出深及这三层的沟道；一氮氧化硅层，该氮氧化硅层制作在电极接触层之上，并覆盖双沟道。
2.根据权利要求1所述的数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，其特征在于，其中在电流阻挡层刻蚀出一条宽4μm的内条沟道。
3.根据权利要求1所述的数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，其特征在于，其中双沟道的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层上的第二P型包层。
4.根据权利要求1所述的数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，其特征在于，其中用电流阻挡层的材料是铝铟磷，铝铟磷材料的禁带宽度比较大，同时又是N型掺杂，形成反向P-N结，对电流扩散有较大阻挡作用。
5.一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1取一衬底，在该衬底上依次外延生长缓冲层、N型包层、有源区、第一P型包层、电流阻挡层、腐蚀停止层、镓砷保护层；步骤2在镓砷保护层上纵向腐蚀出一条形；步骤3在电流阻挡层上光刻出内条沟道；步骤4腐蚀掉电流阻挡层上的镓砷保护层；步骤5在电流阻挡层依次外延生长第二P型包层、过渡层、电极接触层；步骤6在电极接触层生长扩散掩膜层，将扩散掩膜层的两端刻蚀出两横向的条形；步骤7在扩散掩膜层和电极接触层上生长氧化锌层；步骤8将氧化锌层作为锌扩散源，进行扩散；步骤9将扩散掩膜层和氧化锌层腐蚀掉；步骤10采用湿刻的方法制作阻挡电流扩散的双沟道；步骤11在双沟道及电极接触层上制作电流扩散掩膜层，在电流扩散掩膜层上两双沟道之间腐蚀出电极图形。
6.根据权利要求5所述的数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中在电流阻挡层刻蚀出一条宽4μm的内条沟道。
7.根据权利要求1所述的数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中双沟道的沟道宽5μm，两沟道相距10μm，深及电流阻挡层上的第二P型包层。
8.根据权利要求1所述的数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中用电流阻挡层的材料是铝铟磷，铝铟磷材料的禁带宽度比较大，同时又是N型掺杂，形成反向P-N结，对电流扩散有较大阻挡作用。
全文摘要
一种数字多功能光盘用大功率650nm半导体激光器，包括一衬底用于在其上进行激光器材料结构外延生长；一缓冲层制作在衬底上；一N型包层制作在缓冲层上，限制载流子泄漏；一有源区层，该有源区层制作在包层上；一第一P型包层制作在有源区层上，限制载流子泄漏；一电流阻挡层制作在P型包层上，阻挡电流扩散以减小电流泄漏，提高电光转化效率；一第二P型包层制作在电流阻挡层和第一P型包层上，限制载流子泄漏；一过渡层制作在第二P型包层上；一电极接触层制作在过渡层之上；一双沟道结构是形成在电极接触层、过渡层、第二P型包层中，采用腐蚀液刻蚀出深及这三层的沟道；一氮氧化硅层制作在电极接触层之上，并覆盖双沟道。
文档编号H01S5/32GK1805027SQ20051000424
公开日2006年7月19日 申请日期2005年1月14日 优先权日2005年1月14日
发明者郑凯, 马骁宇, 林涛, 刘素平, 张广泽 申请人:中国科学院半导体研究所