一种具有腔面非注入区结构的半导体激光器制作方法与流程

本发明涉及一种半导体激光器的制作方法，特别是一种具有腔面非注入区结构的半导体激光器制作方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术：

半导体激光器是最实用、最重要的一类激光器，具有体积小、寿命长、电泵浦、易集成等优点，在光通信、光存储、激光打印、激光加工、激光显示、激光雷达等领域已经获得了广泛的应用。大功率半导体激光器是以功率型应用为主要目的、致力于提高输出光功率和电光转换效率的一类激光器，是激光加工、激光医疗、激光显示等领域的核心光源和支撑技术之一。

腔面光学灾变损伤（cod）是限制半导体激光器最大输出光功率的主要因素之一。半导体激光器腔面解理时会产生大量表面态和缺陷，导致腔面产生强烈光吸收以及载流子非辐射复合，当腔面光功率密度达到一定值时，会产生大量热量使腔面温度急剧升高，导致腔面发生不可逆转的光学损伤。提高大功率半导体激光器的光学灾变损伤阈值光功率是大功率半导体激光器生产工艺中极为重要的环节。提高光学灾变损伤阈值的方法有多种，其中腔面附近引入非注入区结构是一种简单有效的方法，广泛应用于半导体激光器制作中。

此外，质量较差的欧姆接触会导致半导体激光器串联电阻增加，直接影响激光器的功率转换效率，同时产生大量热。特别是对于氮化镓激光器，高质量的p型欧姆接触制作比较困难，对激光器性能影响极其大。目前一种半导体激光器的制作方法是，激光器材料外延生长完成后，经过清洗和处理后直接溅射金属形成p型欧姆接触，以光刻胶为掩膜依次刻蚀金属和半导体材料，获得形状完全相同的p型欧姆接触和脊型波导结构。该方法简单易行，可获得高质量的p型欧姆接触。但由于p型欧姆接触与脊型波导结构完全相同，无法根据需要制作特定的注入窗口，如腔面附近非注入区结构。

因此，在制作高质量欧姆接触的同时，在腔面附近实现非注入区结构，对提高半导体激光器的转换效率和最大输出光功率具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明公开了一种具有腔面非注入区结构的半导体激光器制作方法，旨在提高半导体激光器的转换效率、最大输出光功率以及器件可靠性。

本发明提供的具有腔面非注入区结构的半导体激光器制作方法，其主要实现步骤包括：

步骤（1），通过光刻、淀积金属、剥离工艺，在半导体激光器外延片的正面制作出带状p型欧姆接触，而不含p型欧姆接触的区域为非注入区；

步骤（2），利用光刻技术制作出用于制备半导体激光器的脊型波导结构的掩膜，依次刻蚀半导体激光器外延片表面的金属和半导体材料，获得半导体激光器条形的p型欧姆接触和脊型波导结构；

步骤（3），在半导体激光器外延片表面沉积一层绝缘介质，利用光刻及刻蚀技术，在p型欧姆接触的顶部制作出电注入窗口；

步骤（4），通过光刻、溅射金属、剥离等工艺制作p型欧姆接触的加厚电极；

步骤（5），对半导体激光器外延片的衬底进行减薄抛光，然后清洗干净，再在衬底背面制作n型欧姆接触；

步骤（6），解理形成半导体激光器的谐振腔腔面，并在腔面前后分别蒸镀或者淀积增透膜和高反膜。

所述步骤（1）制作带状p型欧姆接触过程中，淀积金属前需将光刻显影后p型欧姆接触区域的底膜去除干净，同时去除半导体激光器外延片欧姆接触层表面的氧化层，提高欧姆接触质量。在制作脊型波导结构前，直接在半导体激光器外延片上制作带状p型欧姆接触，可以获得高质量的p型欧姆接触。

所述步骤（1）中带状p型欧姆接触的宽度小于半导体激光器的谐振腔腔长，不含p型欧姆接触区域的宽度为5~100μm，作为半导体激光器腔面附近的非注入区，该结构周期等于半导体激光器的谐振腔腔长。

所述步骤（2）中的掩膜为光刻胶、二氧化硅或者氮化硅中的一种。

所述步骤（2）采用的刻蚀方法是湿法腐蚀法、干法刻蚀法、干法湿法结合法中的一种，半导体激光器的脊型波导结构的刻蚀深度为0.2~2微米。

所述步骤（2）中得到的半导体激光器的脊型波导结构，脊型宽度为1~200微米，谐振腔腔长为200~10000微米。

所述步骤（3）中的电注入窗口不能超出条形p型欧姆接触区域。

所述步骤（6）中解理是沿非注入区中心位置附近解理，解理位置位于非注入区总宽度的1/6~5/6之间。

本发明的有益效果如下：

1、在制作脊型波导结构前，直接在半导体激光器外延片上制作带状p型欧姆接触，不仅可获得高质量的p型欧姆接触，还可在腔面附近实现非注入区结构，提高半导体激光器腔面灾变损伤阈值光功率密度；

2、采用同一个掩膜刻蚀形成半导体激光器的p型欧姆接触和条形波导结构，不需要精确的光刻套刻对准，制作工艺简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明的制作流程示意图。

图2是实施例中带状p型欧姆接触的平面结构示意图。

图3a是实施例中采用的半导体激光器外延片结构示意图。

图3b是实施例中具有带状p型欧姆接触的半导体激光器外延片结构示意图。

图3c是实施例中制作出激光器波导结构掩膜后的半导体激光器外延片结构示意图。

图3d是实施例中刻蚀出脊型波导结构后的半导体激光器外延片结构示意图。

其中，附图标记为：201-半导体激光器的p型欧姆接触区，202-半导体激光器的非注入区，301-衬底，302-下限制层，303-下波导层，304-有源层，305-上波导层，306-上限制层，307-p型欧姆接触层，308-带状p型欧姆接触金属，309-条形波导掩膜，316-半导体激光器的上限制层，317-半导体激光器的欧姆接触层，318-条形p型欧姆接触金属。

具体实施方式

如图1所示，一种具有腔面非注入区结构的半导体激光器制作方法，主要包括以下步骤：

步骤（1），通过光刻、淀积金属、剥离等工艺，在半导体激光器外延片的正面制作出带状p型欧姆接触，不含p型欧姆接触的区域为非注入区；

步骤（2），利用光刻技术制作出半导体激光器的脊型波导结构的掩膜，利用干法或者湿法刻蚀半导体激光器外延片表面的金属和外延材料，获得半导体激光器的条形p型欧姆接触和脊型波导结构；

步骤（3），在半导体激光器外延片表面沉积一层绝缘介质，利用光刻及刻蚀技术，在p型欧姆接触的顶部制作出电注入窗口；

步骤（4），通过光刻、溅射金属、剥离等工艺制作p型欧姆接触的加厚电极；

步骤（5），对激光器外延片的衬底进行减薄抛光，然后清洗干净，再在背面制作n型欧姆接触；

步骤（6），沿非注入区中心位置解理，形成半导体激光器的腔面，并在前后腔面分别蒸镀或者淀积增透膜和高反膜，最后裂成单个激光器管芯进行封装。

为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图进一步阐述本发明。

实施例1

本实施例中半导体激光器采用脊型波导结构，脊型宽度设计为10微米，谐振腔腔长设计为800微米，腔面两端各有25微米长的非注入区。其主要制作工艺流程如图1所示，具体工艺步骤包括：

（1）将半导体激光器外延片清洗干净，通过光刻、淀积金属、剥离等工艺，在半导体激光器外延片的正面制作出带状p型欧姆接触。其平面结构如图2所示，包括半导体激光器的带状p型欧姆接触区201和非注入区202，非注入区202的区域范围内不包含p型欧姆接触。带状p型欧姆接触的周期等于半导体激光器腔长（即800微米），非注入区202宽度等于半导体激光器两端非注入区长度之和（即50微米）。

制作带状p型欧姆接触过程中，淀积金属前需将光刻显影后p型欧姆接触区201的底膜去除干净，同时去除半导体激光器外延片的欧姆接触层表面的氧化层，提高欧姆接触质量。剥离出带状p型欧姆接触金属后，根据半导体激光器材料体系的需要，可能需要对外延片进行退火处理形成p型欧姆接触。

本实施例中采用的半导体激光器外延片结构示意图如图3a所示，包括：衬底301、下限制层302、下波导层303、有源层304、上波导层305、上限制层306、p型欧姆接触层307。图3b给出了p型欧姆接触制作完成后的外延片结构示意图，其中308为带状p型欧姆接触金属。

（2）利用光刻技术制作出半导体激光器波导结构的掩膜图形，如图3c所示，其中309为条形波导掩膜，本实施例中采用光刻胶作为掩膜。

采用干法刻蚀，依次刻蚀半导体激光器外延片表面的带状p型欧姆接触金属和半导体材料，获得条形的p型欧姆接触和脊型波导结构。去除光刻胶掩膜后得到如图3d所示结构，其中，318为条形p型欧姆接触金属，317为半导体激光器的欧姆接触层，316为半导体激光器的上限制层。本实施例中，刻蚀区域的上限制层316未完全刻穿，构成了脊型波导结构。此外，由于非注入区不存在金属层，该区域半导体激光器外延结构的刻蚀深度更深。

（3）在激光器外延片表面沉积一层绝缘介质，利用光刻技术及干法刻蚀，刻蚀p型欧姆接触顶部的绝缘介质，制作出电注入窗口。本实施例中，采用等离子体增强化学气相沉积设备（pecvd）沉积一层200纳米厚的二氧化硅薄膜作为绝缘介质，电注入窗口宽8微米、长950微米，电注入窗口与p型欧姆接触中心重合。

（4）通过光刻、溅射金属、剥离等工艺制作p型欧姆接触的加厚电极。本实施例中，加厚电极图形长960微米、宽200微米，中心与p型欧姆接触中心重合。

（5）将激光器外延片的衬底减薄至约100微米厚，并将其背面抛光，将外延片清洗干净后在背面溅射金属形成n型欧姆接触，沿202中心位置解理，形成半导体激光器的反射腔面，并在前后腔面分别蒸镀或者淀积增透膜和高反膜，最后裂成单个激光器管芯进行封装，完成具有腔面非注入区结构的半导体激光器制作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。