专利名称：一种脉冲阳极氧化工艺制作的长波长通讯用GaInNAs半导体激光器芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制造半导体激光器芯片绝缘层的技术，属于半导体器件制造技术领域， 特别指半导体光电子器件的介质膜制造领域。
本发明还涉及一种应用脉冲阳极氧化工艺制作绝缘层的半导体激光器芯片，专门应用在 无制冷设备长期稳定运转的光纤通讯设备中，属于半导体发光器件领域。
背景技术：
在边发射半导体激光器制造工艺中，制作欧姆接触金属层之前，需要在激光器芯片材料 的P面上除电流注入区之外的表面区域制作一层绝缘介质膜层，从而形成电流的注入通道。在 传统工艺中，这一介质膜可由Si02膜或Si3N4膜组成。2005年2月出版的《光纤通信用光电子器 件制作工艺基础》的第6章6.2.3中介绍了Si02膜和Si3N4膜的制备方法，对于Si02膜，介绍了热 生长法，CVD法，溅射法应用CVD和溅射法；对于Si3N4膜，介绍了溅射法和CVD法。
发明内容
使用Si02或Si3N4制作边发射半导体激光器的绝缘膜层，膜层生成工艺及膜层本身都会为
样品带来损伤。在使用等离子CVD的情况下，因为Si02或Si3N4会和AlGaAs上限制层中的Al 反应，其结果为Si原子取代原来样品中的Al原子从而形成缺陷。在使用离子束溅射的情况下， 成膜过程中会有游离的反射离子轰击在样品表面，其能量足以在表面形成缺陷。另外，不论 是Si02还是Si3N4膜，都会在与之接触的下层样品之间的界面上形成很大的应力，该应力会令 下层样品的表面晶格失配的密度增加，从而影响最终成品激光器芯片的性能表现。
本发明中，为了避免制备Si02或Si3N4的工艺及所生成的膜层对激光器芯片材料表面的损
伤，采用了脉冲阳极氧化工艺(其英文縮写为PAO)来制作绝缘层。该工艺采用电化学的原 理，利用样片中本身含有的各种元素与电解液进行精确的化学反应，生成主要以A1的氧化物 及As的氧化物为主的混合氧化物膜层，该膜层的机械强度高、致密性好、热导率高而且电阻 率很大，完全满足半导体激光器对绝缘层的要求。该膜层不会与下层晶格之间产生失配也不
会对下层晶格产生应力，所以能够避免制备Si02或Si3N4的工艺对材料的损伤。
本发明中，采用脉冲阳极氧化工艺制作的半导体激光器芯片，是一种脊形波导边发射激 光器芯片，该芯片以单个或多个GalnNAs量子阱为有源区，发射波长范围为1.21pm至1.31pm， 应用于长波长光纤通信领域，专门对应G,652光纤的第2窗口波长。该激光器在室温下连续工 作，发射波长为1.297pm时，三量子阱激光器芯片的各主要参数的典型值如下注入区尺寸为100pmX150(Him，阈值电流为384mA，阈值电流密度为256A/cm2，斜率效率为0.42W/A，峰 值功率为962mW;该激光器芯片工作在温度为20'C-80'C的线性区域内时，特征温度为138K.
图l为本发明涉及的脉冲阳极氧化工艺的装置示意图。图中各数字代表l-真空泵，2-软 管，3-金属管吸持头兼阳极，4-绝缘套管，5-升降支架，6-脉冲电源，7-取样电阻，阻值为8 欧姆，8-示波器，9-样品，10-电解液，11-不锈钢阴极，12-电解液池。
图2为本发明涉及的边发射半导体激光器芯片的外观示意图，主要描述该种芯片的外观样 式。图中各数字代表13-左视图，14-前视图，15-俯视图。
图3为本发明涉及的边发射半导体激光器芯片的内部结构示意图，图中各数字代表16-P 面电极层，17-P型GaAs接触层，18-绝缘层，19-P型AlGaAs包层，20-GaAs波导层，21-GalnNAs 量子阱，22-n型AlGaAs包层，23-GaAs衬底，24-n面电极层。
具体实施方案
本发明涉及的脉冲阳极氧化工艺在室温环境下实施，其具体步骤如下
(1) 、按图1安装设备并连接电路，将不锈钢阴极11放入电解液池12底部并倒入适量 体积的电解液IO。电解液的配方为乙二醇水磷酸=40: 20: 1 (体积比)。
(2) 、运行真空泵，将清洁处理后的样品9的P面向下固定在金属管吸持头3的末端。
(3) 、调整升降支架5，逐渐降低样品9的高度，最终令其P面正好与电解液面形成面接触。
(4) 、设置脉冲电源6的脉冲宽度为lms，重复频率为700ps，脉冲电压为80V，波形为 方波，然后接通电源开始脉冲阳极氧化工艺过程。
(5) 、通过示波器8观测氧化过程中的波形变化，波幅会逐渐降低，当其接近于零点且 无变化时，断开脉冲电源6停止阳极氧化。
(6) 、升起升降支架5，使样品9脱离电解液面。
(7) 、关闭真空泵1的同时妥善取下样品9，并对其清洗、烘干后进行后续的工艺。
权利要求
1、一种制作半导体发光器件绝缘层的工艺，称脉冲阳极氧化工艺(英文缩写为PAO)。该工艺包括(1)、使用脉冲阳极氧化的方法，在制作边发射半导体激光器时，将P型包层靠近表面的一部分均匀转化为致密的氧化物薄层，该薄层作为激光器芯片的绝缘层。(2)、该工艺应用在整个半导体激光器芯片制作工艺流程中的位置为光刻工艺与剥离光刻胶工艺之间。
2、 权利要求书l中所述的工艺，其所用设备至少包含(1)、外延片样本真空夹持设备，该 设备与样品接触处采用导电的金属材料，该处兼作电极。(2)、电解液盛放容器及置于容 器内底部的金属电极。(3)、脉冲电源。(4)、取样电阻和波形检测设备。(5)、为设备(1)、(2)、 (3)、 (4)提供电力支持的电源设备。
3、 权利要求书l中所述的工艺中需使用电解液，该电解液成分为乙二醇，水，磷酸。
4、 一种小功率专用半导体激光器芯片，其绝缘层应用权利要求书1中所述工艺制作的致密氧 化物薄层。
5、 权利要求书4中所述的激光器芯片其有源区为单个或多个GalnNAs量子阱。
6、 权利要求书4中所述的激光器芯片的发射波长范围为1.2pm至1.31拜，专门对应G. 652 光纤的第2窗口波长。
全文摘要
本发明涉及一种制造半导体激光器芯片绝缘膜层的技术，该技术属于半导体发光器件的介质膜制造领域。传统制造绝缘膜层的技术应用热蒸发、溅射或各种CVD技术，在器件外延片表面沉积SiO<sub>2</sub>或Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>薄层作为绝缘膜，这些传统技术及其所产生的膜层会对外延材料表面造成损伤。本发明使用脉冲阳极氧化的方法，以外延材料中的Al、As等元素为原料反应生成绝缘膜层，克服了在传统制造绝缘层工艺中存在的问题。该发明可应用于半导体发光器件的制造领域。本发明还涉及一种应用脉冲阳极氧化技术制作的，专门应用在无需制冷长期连续稳定运转的光纤通讯设备中的边发射型长波长GaInNAs量子阱半导体激光器芯片，该激光器的波长专门针对G.652光纤的第2窗口，本器件属于半导体发光器件领域。
文档编号H01S5/00GK101478114SQ20091006644
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者乔忠良, 刘国军, 晶 张, 轶 曲, 梅 李, 辉 李, 李占国, 王晓华, 王玉霞, 鹏 芦, 昀 邓, 欣 高 申请人:长春理工大学