专利名称：一种适合于大批量生产的激光器cod消除方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件制作工艺技术领域，特别是一种适合于大批量生产的消除激光器COD的方法。
背景技术：
1962年后期，第一支砷化镓同质结半导体激光器研制成功；1967年用液相外延法制成单异质结激光器，实现了半导体激光器室温下连续工作；自1970年后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展。随着金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等外延技术的发展，可以生长出原子尺寸量级的超薄层，半导体激光器结构得到不断完善发展目前常用的激光器结构是双异质结量子阱激光器。
由于双异质结量子阱结构的出现，半导体激光器的特性得到全方位的改善更低的阈值电流与工作电流，更好的温度特性，更长的寿命，尤其是更高的光输出功率。同时，实际应用对半导体激光器的要求也在不断提高，除要求更低的功耗、更长的寿命、更好的温度特性以外，也在要求更大的光输出功率，从几十毫瓦到几百瓦，甚至几千瓦。较大的光输出功率对半导体激光器腔面是个严峻的考验，由于其出光面积小，腔面将承受非常大的光功率密度。例如，DVDRAM用大功率650nm铝镓铟磷(AlGaInP)半导体材料激光器，其刻录工作光功率达50毫瓦，出光集中在约为1平方微米的面积上，光功率密度为5×104W/cm2。如此大的光功率密度很容易损伤激光器腔面，使得腔面产生不可逆转的物理性损伤，即光灾变损伤，英文缩写是Catastrophic Optical Damage(COD)。
光灾变损伤，主要是高密度的光功率在激光器腔面处的强烈光吸收而造成的。一般认为这种吸收是由于解理面附近的表面复合中心和与之伴随的载流子耗尽造成的，由于这种吸收产生的热量使得腔面附近的温升较高，如果温升达到半导体材料的熔点就会造成腔面的毁坏。COD对器件造成的是一种不可恢复的破坏性行为，虽然不能完全消除该因素，但是可以采取工艺来提高器件的COD功率水平。目前批量生产中使用的工艺是在激光器腔面镀上一层光学薄膜，即腔面镀膜。半导体激光器尤其是含铝的激光器，腔面氧化是造成激光器失效的主要因素，因此要尽可能的防止腔面暴露在空气中。腔面镀膜，虽然可使激光器腔面的氧化受到限制，使激光器光输出功率比不镀膜的要高一些，但是由于膜层与激光器材料间界面态的存在也会产生非辐射复合，同时在高功率密度下，界面处很高能量的释放会加速界面处缺陷的扩散，因而对产生COD的光功率阈值的提高并不是太明显，COD现象仍明显存在。此外，提高COD产生的光功率阈值的方法还有大光腔结构、锥形腔结构，带无注入区窗口结构、腔面化学钝化等，但是这些方法都不能明显的提高COD产生的光功率阈值；并且由于其相应的制作工艺，不适合工业化批量生产。
众所周知，半导体光电器件——半导体激光器的出现已经给我们的现代生活和工业生产带来了前所未有的改观；随着民用和军需应用的发展要求，对大功率半导体激光器的需求量越来越大。很明显，大功率半导体激光器制作很需要一种经济实用快捷、适合批量化生产的COD消除方法。
本发明是一种光非吸收窗口的制作方法，结合量子阱混杂原理，利用锌杂质扩散诱导的方法实现量子阱混杂。本发明中，锌源的制作和锌杂质的扩散是在特定的反应炉中一步完成，本方法经济、简捷、适合于大批量的激光器工业生产，并使得激光器输出功率得到了显著的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够显著提高半导体激光器COD阈值的工艺方法，即结合量子阱混杂原理，利用恒定源锌杂质扩散法诱导量子阱混杂，在半导体激光器腔面制作光非吸收窗口。本发明中扩散锌源的制作和锌杂质的扩散一步完成，经济方便，适合于激光器的大片批量生产。
为实现上述目的，本发明还涉及到一台用于氧化锌材料生长和锌杂质扩散的两用小型金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备。利用本MOCVD设备首先低温下完成扩散锌源——氧化锌薄膜的生长，然后控制合适的温度进行锌杂质扩散实现量子阱混杂，完成光非吸收窗口的制作。本发明氧化锌薄膜生长和锌杂质扩散温度都比较低，所以光非吸收窗口的制作对已形成的半导体激光器结构影响几乎很小；并且MOCVD设备的反应室中可一次放入多个完整的激光器外延片，适合批量生产。
其最终扩散效果如图1所示，既实现量子阱的混杂，锌扩散的量子阱区出现合适的蓝移现象，又不影响激光器的性质。
半导体量子阱激光器的量子阱区被深埋在P型包层和电极接触层以下，距离表层一般约为1～2微米。为了有效地实现锌原子扩散进量子阱区并引起量子阱混杂，同时不改变激光器结构各层的材料质量进而影响激光器性能，选择合适的扩锌方法是关键。本发明选择恒定源开管扩锌法，此法分为两个步骤锌源的制作和锌杂质的扩散。锌源——氧化锌薄膜材料生长源选择二乙基锌和去离子水，生长温度很低，一般为120～300℃；锌扩散条件可能影响激光器性能的因素是温度，本发明中选择温度为500～600℃，合理的控制扩散时间可最大程度地降低对激光器的负面影响。
光非吸收窗口的制作是由量子阱混杂效应实现的。不同波长的半导体量子阱激光器所对应的制作量子阱的材料和材料组分是不一样的，例如铝镓砷(垒)/砷化镓(阱)、铝镓铟磷(垒)/镓铟磷(阱)等III-V族半导体化合物构成的量子阱。III族元素或V族元素组分的微量变化，就会引起量子阱出射波长大幅度的变化。利用锌原子活跃的物理性质，依靠锌原子在半导体化合物材料中的扩散，产生相应的填隙和空位缺陷，诱导III族或V族半导体元素相互扩散，改变量子阱区中阱和垒的材料组分，组分的变化引起量子阱能带结构的改变，进而改变量子阱的激射波长。例如，铝镓砷(垒)/砷化镓(阱)、铝镓铟磷(垒)/镓铟磷(阱)等量子阱结构，量子阱混杂的效果是阱和垒中III族元素铝、镓发生互扩，其结果使得阱区的禁带宽度变大，量子阱激射波长变短，既出现蓝移现象。由于发生了混杂的量子阱区具有较宽的禁带宽度，对激光器产生的相对较长的激光几乎没有吸收性，即形成所谓的光非吸收窗口。
技术方案一种适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其具体实施工艺特点在于根据量子阱混杂原理，利用锌原子在III-V族半导体化合物的扩散，诱导III族元素或V族元素互扩，从而产生量子阱混杂现象；扩散法是恒定源开管扩散锌法，其中锌源——氧化锌的制作和锌的扩散是一步完成，工艺步骤较为节省，适合大批量生产。
适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其思想来源是根据量子阱混杂原理，利用锌原子的扩散加速量子阱混杂，实现非吸收窗口的制作。
扩锌方法是恒定源开管扩锌法。
锌源——氧化锌的制作是用金属有机物化学气相沉积技术生长制作的，生长源二乙基锌和去离子水，温度在120～300℃。
锌的扩散温度要严格控制在500～600℃，扩散深度在N型包层13以内。
恒定源开管扩锌法，即是以固态氧化锌薄膜作为扩锌源，在一定压强的氮气或者氩气气氛下进行锌扩散。
本发明的应用可以显著改善半导体激光器腔面光功率密度的承受能力，大幅度的提高光输出功率。
图1是带有光非吸收窗口的常规激光器结构示意2是选择性锌扩散诱导量子阱混杂示意中数码的意义11，生长半导体激光器结构用N型半导体衬底(砷化镓、磷化铟)；12，激光器外延结构的材料生长缓冲层；13，N型包层；14，激光器有源区(含量子阱区)；15，P型包层；16，电极接触层；17，P面电极；18，N面电极；19，锌扩散区；21，固体锌源——氧化锌层；22，扩散阻挡层——氮氧化硅层。
具体实施例方式
下面结合附图详细说明依据本发明具体实施例一种适合于大批量生产的激光器COD消除方法的具体技术工艺。
本发明是在制作激光器的半导体材料外延片上选择性地进行量子阱混杂，其实际操作简单，工艺步骤如下，请详细参阅图2(一)、固体锌源的制作首先在制作激光器的半导体材料外延片上生长一层致密的氮氧化硅层22，并把激光器端面的氮氧化硅层刻蚀掉，刻蚀溶液为氢氟酸缓冲液，这种刻蚀溶液对激光器表面几乎没有影响。然后，在氮氧化硅层22和半导体激光器的电极接触层16上生长一层氧化锌层21，生长温度为120～300℃。
(二)、锌杂质的扩散在固体锌源制作完成后，半导体材料外延片在反应室中直接被加热至500～600℃，根据不同的需要扩散40分钟、60分钟、80分钟不等。锌原子扩散深度要穿越电极接触层16、P型包层15、激光器有源区(含量子阱区)14，刚刚达到N型包层13，锌的扩散前面不能扩过N型包层13。
(三)、其他后处理工艺完成锌扩散诱导量子阱混杂工艺后，用盐酸缓冲液、氢氟酸缓冲液先后分别漂去氧化锌层21和氮氧化硅层22。此后，半导体材料外延片可以进行其他激光器制作的后工艺。
权利要求
1.一种适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其具体实施工艺特点在于根据量子阱混杂原理，利用锌原子在III-V族半导体化合物的扩散诱导III族元素或V族元素互扩，从而产生量子阱混杂现象；扩散法是恒定源开管扩散锌法，其中锌源——氧化锌的制作和锌的扩散是一步完成。
2.根据权利要求1所述的适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其特征在于，其思想来源是根据量子阱混杂原理，利用锌原子的扩散加速量子阱混杂，实现非吸收窗口的制作。
3.根据权利要求1所述的适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其特征在于，扩锌方法是恒定源开管扩锌法。
4.根据权利要求1所述的适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其特征在于，锌源——氧化锌的制作是用金属有机物化学气相沉积技术生长制作的，生长源二乙基锌和去离子水，温度在120～300℃。
5.根据权利要求1所述的适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其特征在于，锌的扩散温度要严格控制在500～600℃，扩散深度在N型包层13以内。
6.根据权利要求3所述的适合于大批量生产的激光器COD消除方法，其特征在于，恒定源开管扩锌法，即是以固态氧化锌薄膜作为扩锌源，在一定压强的氮气或者氩气气氛下进行锌扩散。
全文摘要
本发明属于半导体光电器件(尤其激光器)制作技术领域，特别是一种适合于大批量生产的激光器COD消除方法，涉及到一种光非吸收窗口的制作工艺技术，该工艺源于锌杂质扩散诱导量子阱加速混杂原理。根据量子阱混杂原理，利用锌原子在III－V族半导体化合物的扩散诱导III族元素或V族元素互扩，从而产生量子阱混杂现象；本发明详细说明了实现光非吸收窗口制作的工艺步骤、技术条件，并提出了一种新颖的扩锌法——恒定源开管扩锌法。本发明适合于各种大功率半导体激光器的制作工艺，并能显著提高半导体激光器的输出光功率。
文档编号H01S5/00GK1877935SQ20051001189
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9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