一种外延结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光技术领域，特别是一种能够调节内部光场分布的外延结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]目前，半导体激光已经广泛用于国计民生的各个方面，包括日用电子产品、工业加工、光纤通讯、医疗、科学研究与国防应用等。半导体激光材料通常采用分子束外延(MBE)或金属有机化学气相沉积(M0CVD)等方法按照预先设计的结构在相应的衬底材料上生长而成。典型的半导体外延结构包括η型包层、非掺杂的有源区以及p型包层，其中有源区包含发光的量子阱以及波导层。
[0003]可靠性是半导体激光器的一个最重要的技术指标。激光器的可靠性与器件的功率密度密切相关，密度越大，器件失效的可能性越大，寿命越短。可靠性是通过在一定测试条件下，器件失效的可能性来表征的。目前半导体激光器存在两种失效模式:1)腔内光损伤灾变(C0D)，2)腔面光损伤灾变(C0MD)。目前大部分器件的失效都是由2)腔面光损伤灾变(C0MD)引起的，其原因是:1)激光器晶格的破坏导致表面出现大量的非辐射复合中心，复合中心在激光器运行过程中发生非辐射复合而产生大量的热，大量热的聚集导致器件失效；2)对于材料中含有铝元素的半导体激光器件来说，由于腔面在大气中解理后，暴露在大气环境中的铝极易被氧化，从而引入更多的腔面缺陷；3)激光器的腔面需要镀上其它材料来改变光在腔面的发射率，由于所镀材料的热膨胀系数等材料性质与半导体材料存在很大不同，有可能在激光运行过程中导致失效。
[0004]上述器件可靠性的问题，可以通过降低光功率密度来解决。对于高功率激光，采用降低功率密度的外延结构设计来实现；然而，现在，面临的最大问题是:面对更高功率输出的市场要求，进一步通过设计来降低器件内及腔面处的光功率密度愈来愈困难，甚至很难实现。这是因为光功率密度的降低会影响阈值电流、外量子效率、以及器件的整体电光转换效率等重要参数。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种外延结构及其制造方法，实现器件可靠性的提高和对光斑尺寸的可调控。
[0006]本发明提供了一种外延结构，所述外延结构包括衬底以及沿第一方向叠层设置于所述衬底上的第一波导层、量子阱层和第二波导层，其中在垂直于所述第一方向的第二方向上，所述第一波导层和第二波导层划分为量子阱混杂增强区以及量子阱混杂抑制区，其中所述量子阱混杂增强区用于扩大所述量子阱混杂抑制区的沿所述第二方向的出射光的光场分布Ο
[0007]其中，所述第一波导层和第二波导层分别为由至少两种不同折射率的材料交替形成的超晶格叠层结构，所述超晶格叠层结构经量子阱混杂工艺处理形成所述量子阱混杂抑制区和所述量子阱混杂增强区，其中所述量子阱混杂抑制区内的所述至少两种不同折射率的材料的混杂程度小于所述量子阱混杂增强区内的所述至少两种不同折射率的材料的混杂程度。
[0008]其中，所述第一波导层和第二波导层分别为由AlxGa: xAs和AlyGa: yAs两种材料交替形成的超晶格叠层结构；其中0彡X彡1,0彡y彡l，y<x。
[0009]其中，所述外延结构进一步包括依次设置于所述第一波导层、量子阱层和第二波导层的叠层结构一侧的第一限制层、第一 N型包层、第三波导层和第二 N型包层以及依次设置于所述第一波导层、量子阱层和第二波导层的叠层结构另一侧的第二限制层和P型包层，其中所述第一限制层和第二限制层分别与所述第一波导层和所述第二波导层相邻设置。
[0010]其中，所述第一限制层的折射率与所述第二限制层的折射率相同，且所述第一限制层和第二限制层的折射率介于所述至少两种不同折射率的材料的最高折射率和最低折射率之间，所述第三波导层的折射率介于所述至少两种不同折射率的材料的最高折射率和最低折射率之间，所述第三波导层的折射率大于所述第一 N型包层和第二 N型包层的折射率，所述第一限制层、第二限制层、第一 N型包层、第二 N型包层和第三波导层的折射率为对应层的平均折射率。
[0011]其中，所述第三波导层、所述第一限制层和所述第二限制层分别为由单一折射率材料形成的分别限制异质结结构。
[0012]其中，所述量子阱混杂增强区靠近所述外延结构的腔面设置，所述量子阱混杂抑制区远离所述外延结构的腔面设置。
[0013]本发明提供了一种外延结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤:
[0014]提供衬底；
[0015]在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的第一波导层、量子阱层和第二波导层，其中所述第一波导层和第二波导层分别为由至少两种不同折射率的材料交替形成的超晶格叠层结构；
[0016]对所述超晶格叠层结构进行量子阱混杂工艺处理，以在垂直于所述第一方向的第二方向上将所述第一波导层和第二波导层划分为量子阱混杂增强区以及量子阱混杂抑制区，其中所述量子阱混杂抑制区内的所述至少两种不同折射率的材料的混杂程度小于所述量子阱混杂增强区内的所述至少两种不同折射率的材料的混杂程度。
[0017]其中，所述在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的第一波导层、量子阱层和第二波导层的步骤之前进一步包括:
[0018]在所述衬底上依次形成第一 N型包层、第三波导层、第二 N型包层和第一限制层；
[0019]所述在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的第一波导层、量子阱层和第二波导层的步骤之后且所述对所述超晶格叠层结构进行量子阱混杂工艺处理之前进一步包括:
[0020]在所述第一波导层、量子阱层和第二波导层的叠层结构上依次形成的第二限制层和P型包层，其中所述第一限制层和第二限制层分别与所述第一波导层和所述第二波导层相邻设置。
[0021]其中，所述对所述超晶格叠层结构进行量子阱混杂工艺处理的步骤包括:
[0022]在所述外延结构的对应于量子阱混杂抑制区的位置上覆盖第一介质膜，并在所述外延结构的对应于所述量子阱混杂增强区的位置上覆盖第二介质膜，其中所述第一介质膜能够抑制其下方覆盖区域内的量子阱混杂，所述第二介质膜能够增强其下方覆盖区域内的莖子讲混杂；
[0023]将形成有所述第一介质膜和第二介质膜的所述外延结构在氮气保护下在退火炉中进行循环退火。
[0024]本发明的有益效果是:通过将第一波导层和第二波导层划分成量子阱混杂增强区以及量子阱混杂抑制区，利用量子阱混杂增强区以及量子阱混杂抑制区的材料性质差异来改变光场分布，进而实现对光功率密度的控制，有助于提高器件的可靠性和可控性。进一步，上述结构也可用于其他需要进行光场分布的情况。
【附图说明】
[0025]图1是本发明外延结构第一实施例的结构示意图；
[0026]图2是本发明超晶格置层结构及对应的折射率不意图；
[0027]图3是本发明第二实施例的外延结构及对应的折射率示意图；
[0028]图4是激光器腔面附近形成大光场的示意图；
[0029]图5是实际计算机仿真的激光近场分布示意图；
[0030]图6是本发明制造方法中表面沉积两种不同性质的介质膜的结构示意图；
[0031]图7是本发明制造方法中退火后得到的外延结构的结构图。
【具体实施方式】
[0032]如图1所示，本发明外延结构的第一实施例的结构示意图，其中外延结构包括衬底1以及沿第一方向Y叠层