利用氧化锌量子阱混杂制作的半导体激光器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体激光器设备技术领域，具体涉及一种利用氧化锌量子阱混杂制作的半导体激光器，本发明还涉及该种激光器的制造方法。
【背景技术】
[0002]半导体激光器以其波长选择范围广、体积小、功耗小、效率高、继承性好、成本低等优点成为最重要的半导体光电子器件之一。其中大功率半导体激光器在激光存储、激光显示、激光打印、材料加工、激光打标、生物医学、医疗器械、空间光通信等领域有着广泛应用，同时在军事领域也可应用于激光打靶、激光制导、激光夜视、激光雷达、激光引信、激光武器、战争模拟等。大功率半导体激光器技术涵盖了几乎所有光电子领域，研制高性能大功率激光器需要从激光器外延片结构设计、材料生长、器件制作、腔面光学镀膜、器件封装、光束整形与耦合等多方面协调入手，但无疑半导体激光器外延片和芯片的制作是最核心的技术。
[0003]对实用化的大功率半导体激光器来说，不但要保证阈值电流低、输出功率高、器件寿命长，还要求半导体激光器具有较好的光斑质量和光场模式。但是随着大功率工作的激光器功率-电流特性及电压-电流特性中出现的腔面光学灾变损伤、曲线扭折、热饱和、热击穿、工作中的缓慢老化等现象，激光器的光输出功率、寿命和可靠性常常受到限制。其中，光学灾变损伤作为限制大功率半导体激光器发展的最主要原因之一受到业界的广泛关注。
[0004]光学灾变损伤是指当半导体激光器的光功率密度超过某个临界值时，使得器件的光输出端面局部温度达到了半导体材料的熔点，从而导致激光器的腔面融化和快速重结晶，这对激光器工作效率的影响是瞬间的、严重的、完全破坏性的。光学灾变损伤属于不可恢复性损伤，一旦出现了光学灾变损伤，整个器件都将完全失效，因而它是限制大功率半导体激光器输出功率和可靠性的主要因素。
[0005]对于大功率半导体激光器，主要有下几种方法来直接或间接地抑制光学灾变损伤的发生。第一，腔面附近电流阻挡技术来减少腔面附近处的载流子注入；第二，通过腔面钝化技术、真空解理镀膜等来减小腔面处表面态或界面态形成的非辐射复合中心密度；第三，通过宽波导、大光腔结构，使得出光面积和光斑增大，减小在腔面处的光密度；第四，采用张应变量子阱结构，双轴内应力在腔面处自然释放，导致带隙增宽，减小腔面的光吸收；第五，采用非吸收窗口技术，使得腔面处有源层的带隙大于激射光子的能量，来减小腔面处的光吸收，达到提高光学灾变损伤功率的目的。非吸收窗口的制作可采用多次外延技术和量子阱混杂技术。多次外延技术是在腔面处再生长一种带隙比腔面材料大的新材料，但由于材料生长工艺复杂，且新材料和腔面处形成的界面态控制难度很大，该方案并未取得有说服力的实用效果，因而采用量子阱混杂技术来制作非吸收窗口是更佳的选择。
[0006]虽然采用各种类型的量子阱混杂技术均可成功地在条形结构大功率半导体激光器的腔面处制造出非吸收窗口，经过参数优化后也能有效改善输出功率，但新加入的工艺仅为非吸收窗口服务，效果单一，并不能在发光区侧面对光形成有效限制。同时为了减小非发光区外的电流注入，通常需要重新制作二氧化硅介质膜，如果介质膜致密度等参数不佳，激光器便会存在一定的漏电流，影响其工作效率。本发明所提出的利用氧化锌量子阱混杂制作的条形结构大功率半导体激光器，同时具备非吸收窗口和电流注入阻挡区。非吸收窗口处减小了激光器近腔面处的光吸收，有效改善了激光器的光学灾变损伤阈值，使输出功率大幅增加；条形发光区域侧面区域由于量子阱混杂所造成的能带展宽，使其折射率减小，刚好形成对激光器谐振腔内的窄禁带对折射率波导限制，大大地提高了出光性能；N型氧化锌薄膜与激光器的PN结构形成了 NPN结构，极大地减小了电流泄漏，增加光电转换效率。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种利用氧化锌量子阱混杂制作的半导体激光器，解决现有技术中采用量子阱混杂技术制作非吸收窗口后，无法避免发光区侧面光学限制和发光区外漏电流的问题。
[0008]本发明的另一目的是提供上述激光器的制造方法。
[0009]本发明所采用的技术方案是:
[0010]一种利用氧化锌量子阱混杂制作的半导体激光器，包括外延片，外延片上设置有条形发光区域，外延片的上表面生长有氧化锌薄膜层，氧化锌薄膜层分为两部分，其中第一部分氧化锌薄膜层诱导量子阱混杂后在激光器两端的出光腔面处形成非吸收窗口，非吸收窗口的深度超过外延片中的有源区，第二部分氧化锌薄膜层诱导量子阱混杂后在激光器条形发光区域的两端形成折射率光波导区域。
[0011]本发明的特点还在于:
[0012]外延片的具体结构从下到上依次设置为:衬底、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱和量子皇区组成的有源区、上波导层、上限制层和上欧姆接触层，条形发光区域设置在上欧姆接触层的纵向中心线处。
[0013]氧化锌薄膜层生长在腐蚀掉上欧姆接触层后的条形发光区域四周，氧化锌薄膜层的厚度与上欧姆接触层的厚度相等，第一部分氧化锌薄膜层为氧化锌薄膜层a，第二部分氧化锌薄膜层为氧化锌薄膜层b，氧化锌薄膜层a邻接条形发光区域并且位于条形发光区域纵向的两端处，氧化锌薄膜层b邻接条形发光区域并且位于条形发光区域横向的两端处。
[0014]非吸收窗口的中心区域与条形发光区域的中心区域重合，非吸收窗口的宽度大于或等于条形发光区域的宽度，非吸收窗口的深度为依次穿过部分上波导层、整个量子阱和量子皇区组成的有源区以及部分下波导层。
[0015]衬底的底面制作有N面电极，在条形发光区域、氧化锌薄膜层a及氧化锌薄膜层b上同时制作有P面电极，氧化锌薄膜层a及氧化锌薄膜层b的N型掺杂和上限制层以及衬底、缓冲层、下限制层形成阻挡电流通过的NPN结构。
[0016]本发明的另一个技术方案是，
[0017]利用氧化锌量子阱混杂制作的半导体激光器的制造方法，具体按照以下步骤实施:
[0018]步骤1、选定衬底；
[0019]步骤2、采用金属有机化学气相沉积法在衬底上依次生长缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱和量子皇区、上波导层、上限制层和上欧姆接触层，即形成激光器的外延片；
[0020]步骤3、利用溅射方法在步骤2中形成的激光器外延片表面生长氧化锌薄膜层a及氧化锌薄膜层b ;
[0021]步骤4、制作非吸收窗口及折射率光波导区域；
[0022]步骤5、采用溅射工艺制作P面电极，然后对衬底进行减薄抛光后，再采用蒸发工艺在衬底的底面制作N面电极，然后再进行激光器巴条解理，最后再采用蒸发工艺对激光器进行腔面镀膜，即完成该半导体激光器的制作。
[0023]本发明另一个技术方案的特点还在于，
[0024]步骤3具体按照以下步骤实施:
[0025]步骤3.1、在激光器外延片的上欧姆接触层上表面生长一层致密的二氧化硅介质薄膜；
[0026]步骤3.2、采用光刻技术在上欧姆接触层的纵向中心线处形成条形发光区域，然后用氢氟酸溶液腐蚀条形发光区域外的二氧化硅介质薄膜；
[0027]步骤3.3、采用湿法腐蚀的方法腐蚀掉条形发光区域四周的上欧姆接触层，并控制好腐蚀深度确保其为上欧姆接触层的厚度；
[0028]步骤3.4、将经过以上步骤处理的激光器外延片放入到溅射室中，在氩气和氧气的混合气氛下溅射氧化锌靶材，在外延片表面生长氧化锌薄膜，并控制氧化锌薄膜层a及氧化锌薄膜层b的厚度等于上欧姆接触层的厚度200纳米；
[0029]步骤3.5、利用光刻胶做保护层，采用盐酸溶液腐蚀掉条形发光区域上面生长的氧化锌薄膜，并且保留