一种半导体激光器及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种半导体激光器，所述半导体激光器由下至上依次包括：衬底、材料生长缓冲层、N型包层、有源区、P型包层和电极接触层，其中：有源区为量子阱区；半导体激光器的两端形成有光非吸收窗口，其中，光非吸收窗口的宽度为50～100μm，深度至少大于电极接触层、P型包层以及有源区的厚度之和。本发明同时还公开了一种半导体激光器的制备方法。本发明通过在激光器腔面上形成光非吸收窗口来提高半导体激光器的输出功率。
【专利说明】一种半导体激光器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件【技术领域】，尤其是一种半导体激光器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]半导体激光18861-)在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(110(16)等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器(激光笔)，是目前生产量最大的激光器。
[0003]随着技术的进步，半导体激光器的性能不断地得到改善:更低的阈值电流和工作电流，更长的寿命，更好的温度特性，特别是更高的光输出功率。另一方面，实际应用也对半导体激光器提出越来越高的要求，除要求更低的功耗，更高的效率，更好的温度特性以外，大的光输出功率也是一个急需，从几十毫瓦到几百瓦，甚至几千瓦。但是，大的光输出功率对半导体激光器的腔面会产生很严重的损害，因为出光面积小，腔面将承受很大的光功率密度，而且输出功率越大，腔面相应地更容易发生不可逆转的损害，进而导致半导体激光器的失效。
[0004]大的光功率密度很容易损伤半导体激光器的腔面，使腔面产生不可逆转的物理性损伤，称为光学灾变损伤(⑶0:(?0^)1:1081 [(肅叫一)。在半导体激光器的腔面区域，由于解理、热应力等因素存在大量的缺陷，这些缺陷通过促进表面复合和体复合提高了载流子的复合速率。高功率输出时这种非辐射复合在激光器的表面处产生大量热量；同时，带隙吸收激光产生载流子，从而在表面产生较大的复合电流。非辐射复合产生的大量热量导致表面处带隙局部收缩，使载流子流向腔面，增大了腔面处载流子浓度。这使表面处的光吸收和随之而来的复合电流随温度升高而加剧，导致温度升高很快。正是通过这种正反馈，最后激光器的有源区融化，最终导致了 (:00的发生。这严重限制了激光器的最大输出功率，降低了可靠性，缩短了激光器的寿命。
[0005]为了抑制(1)0的发生，人们采用了很多不同的方法。比如可以通过在腔面引入非注入区来限制电流注入；通过腔面镀膜和发展无八1激光器减少腔面缺陷；通过采用大光腔结构减小光功率密度等。非吸收窗口结构可以有效地抑制(1)0,通过增大腔面区域带隙形成对激光器激射波长透明的窗口，减少光的吸收，抑制载流子注入，增强光的透射率。目前制作非吸收窗口的方法主要有两种，即二次外延技术和量子阱混合技术。二次外延是将激光器腔面区域选择性腐蚀后，二次外延生长一种带隙较宽的材料，这种方法工艺较为复杂，而且腐蚀会引入缺陷，外延后结合界面晶体质量难以保证，容易对激光器性能造成复杂的影响。形成非吸收窗口的另一种方法是量子阱混合，该方法在外延片上进行通常的淀积、注入、扩散、光刻、退火等工艺，即可选择性地改变带隙，制作出半导体激光器的非吸收窗口，工艺简单，成本低且效果较好。
[0006]时间已进入到二十一世纪的第二个十年，科技快速发展，半导体激光器也因其优异性能在生活和生产中具有巨大的需求；随着民用和军用的需求不断增加，对大功率半导体激光器的性能要求也越来越高。因而大功率半导体激光器急需解决COD问题而提高输出功率，提尚器件的可靠性。
[0007]本发明通过无杂质空位诱导量子阱混合方法，在不同区域分别促进和抑制量子阱混合，形成光非吸收窗口，使得半导体激光器的输出功率得到显著的提高。图1是现有技术中激光器的结构示意图，图1中，各层代表的含义为:1，生长半导体激光器结构用的N型半导体衬底(砷化镓)；2，激光器外延结构的材料生长缓冲层；3，N型包层；4，激光器有源区(含量子阱区)；5，P型包层；6，电极接触层；7，P面电极；8，N面电极；9，Ga空位诱扩散导量子阱混合区。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是抑制半导体激光器腔面发生COD问题，提高半导体激光器的输出功率，即利用无杂质空位诱导量子阱混合的方法，通过在不同区域生长S1jP Si 3N4介质膜再加以高温退火，由于S12M进量子阱混合，而Si 3N4抑制量子阱混合，使得S1 2之下半导体材料带隙比Si3N4下的大，从而在半导体激光器腔面形成了光非吸收窗口。
[0009]为实现上述目的，根据本发明的一方面，提出一种半导体激光器，该半导体激光器由下至上依次包括:衬底、材料生长缓冲层、N型包层、有源区、P型包层和电极接触层，其中:
[0010]所述有源区为量子阱区；
[0011 ] 所述半导体激光器的两端形成有光非吸收窗口，其中，所述光非吸收窗口的宽度为50?100 μ m，深度至少大于所述电极接触层、P型包层以及有源区的厚度之和。
[0012]根据本发明的另一方面，还提出一种半导体激光器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤:
[0013]步骤I，在衬底上依次制作材料生长缓冲层、N型包层、有源区、P型包层和电极接触层，得到制作所述半导体激光器的半导体材料外延片，其中，所述有源区为量子阱区；
[0014]步骤2，在所述电极接触层上表面形成第一介质层和第二介质层，并经过高温退火，在所述第一介质层下形成光非吸收窗口 ；
[0015]步骤3，将得到的半导体材料外延片表面的第一介质层和第二介质层完全去除，并清洗干净，得到半导体激光器。
[0016]本发明的应用可以显著减少半导体激光器腔面处光吸收导致的热量积累，大幅度地提高激光器的输出功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是现有技术中带有光非吸收窗口的激光器的结构示意图；
[0018]图2是S1jP Si 3N4介质膜在表层上的覆盖范围及量子阱混杂示意图。
[0019]附图标记含义:
[0020]1，衬底；2，激光器外延结构的材料生长缓冲层；3，N型包层；4，激光器有源区(含量子阱区)；5，P型包层；6，电极接触层；7，P面电极；8，N面电极；9，Ga空位诱扩散导量子阱混合区；11，S1^盖区域;12，Si 3N4覆盖区域。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0022]根据本发明的一方面，提出一种半导体激光器，如图2所示，所述半导体激光器由下至上依次包括:衬底1、材料生长缓冲层24型包层3、有源区4、？型包层5和电极接触层6，其中:所述半导体激光器的两端形成有光非吸收窗口，以减小对光的吸收，减少热量的产生，其中，所述光非吸收窗口的宽度通常为50?100 IXIII，优选为50 ^ 所述光非吸收窗口的深度至少大于所述电极接触层6、？型包层5以及有源区4的厚度之和。
[0023]其中，所述光非吸收窗口是通过在所述电极接触层6上表面的外围形成第一介质层11，在所述第一介质层11所围成的空间内形成第二介质层12，并对于所述第一介质层11和第二介质层12进行高温退火得到的。
[0024]其中，所述第一介质层11可选为3102、铜掺杂的3102等促进量子阱混合的材料，优选为3102；所述第一介质层11的厚度为200?50011111，优选为350111110
[0025]其中，所述第二介质层12可选为&'?2、1102、313队等抑制量子讲混合的材料，优选为513队；所述第二介质层12的厚度为400?80011111，优选为500111110
[0026]其中，所述衬底1可选为三五族化合物衬底，优选为~型半导体衬底，比如砷化镓衬底。
[0027]其中，所述材料生长缓冲层2的制作材料可选为~型掺杂的(?八8。
[0028]其中，所述有源区4的制作材料可选为其中，所述有源区4为量子阱区。
[0029]其中，所述？型包层5的制作材料可选为八1(?八8。
[0030]其中，所述电极接触层6的制作材料可选为？型掺杂的(?八8。
[0031]根据本发明的另一方面，还提出一种半导体激光器的制备方法，本发明在制作半导体激光器的半导体材料外延片上选择性地进行无杂质空位量子阱混合，实际操作简单。
[0032]所述半导体激光器的制备方法包括以下步骤:
[0033]步骤1，在衬底1上依次制作材料生长缓冲层2、^型包层3、有源区4、？型包层5和电极接触层6，得到制作所述半导体激光器的半导体材料外延片，其中，所述有源区4为量子讲区；
[0034]其中，所述衬底1可选为三五族化合物衬底，优选为~型半导体衬底，比如砷化镓衬底。
[0035]其中，所述材料生长缓冲层2的制作材料可选为~型掺杂的(?八8。
[0036]其中，所述有源区4的制作材料可选为其中，所述有源区4为量子阱区。
[0037]其中，所述？型包层5的制作材料可选为八1(?八8。
[0038]其中，所述电极接触层6的制作材料可选为？型掺杂的(?八8。
[0039]步骤2，在所述电极接触层6上表面形成第一介质层11和第二介质层12，并经过高温退火，在所述第一介质层11下形成光非吸收窗口 ；
[0040]所述步骤2进一步包括以下步骤:
[0041]步骤21，在所述半导体材料外延片上，即所述电极接触层6的上表面上形成第一介质层11 ；
[0042]其中，所述第一介质层11可选为3102、铜掺杂的3102等促进量子阱混合的材料，优选为Si02。
[0043]其中，采用生长方法形成所述第一介质层11，所述第一介质层11的生长方法可采用现有技术中常用的工艺，本发明对其不作任何限制。
[0044]在本发明一实施例中，通过PECVD方法生长所述第一介质层11。
[0045]其中，所述第一介质层11的厚度为200?500nm，优选为350nm。
[0046]步骤22，根据预定的光非吸收窗口宽度，将所述光非吸收窗口宽度区域之外的第一介质层11全部去除，其中，被所述第一介质层11覆盖的区域在高温退火时量子阱混合被促进，从而使带隙变大；
[0047]其中，所述预定的光非吸收窗口宽度通常为50?100 μm，优选为50 μm。
[0048]其中，第一介质层11的去除方法可采用现有技术中常用的工艺，本发明对其不作任何限制。
[0049]在本发明一实施例中，通过干法刻蚀或湿法刻蚀等方法进行图形转移，从而仅使光非吸收窗口宽度区域之上的第一介质层11留下，去除光非吸收窗口宽度区域之外的第一介质层11。
[0050]步骤23，在所述第一介质层11所围成的空间内形成第二介质层12 ；
[0051]其中，所述第二介质层12可选为SrF2、Ti02、Si3N4等抑制量子讲混合的材料，优选为Si3N4。其中，采用生长方法形成所述第二介质层12，所述第二介质层12的生长方法可采用现有技术中常用的工艺，本发明对其不作任何限制。
[0052]在本发明一实施例中，通过PECVD方法生长第二介质层12。
[0053]其中，所述第二介质层12的厚度为400?800nm，优选为500nm。
[0054]为了消除第二介质层12对第一介质层11促进量子阱混合的影响，需要将第一介质层11之上的第二介质层12去除。
[0055]步骤24，将形成第二介质层12时覆盖在第一介质层11之上的第二介质层12去除，其中，被第二介质层12覆盖的区域在高温退火时，量子阱混和被抑制，带隙保持基本不变；
[0056]其中，第二介质层12的去除方法可采用现有技术中常用的工艺，本发明对其不作任何限制。
[0057]在本发明一实施例中，通过湿法刻蚀等方法去除第一介质层11之上的第二介质层12ο
[0058]步骤25，对于得到的外延片进行高温退火，选择性地进行无杂质空位量子阱混合，即3102覆盖的区域之下发生无杂质空位量子阱混合，而Si 3Ν4覆盖的大部分区域分之下的无杂质空位量子阱混合被抑制，形成光非吸收窗口，其中，所述光非吸收窗口的宽度与所述第一介质层11的截面宽度一致，通常为50?100 μπι，优选为50 μ m，深度至少大于所述有源区4、P型包层5、电极接触层6的厚度之和。
[0059]在第一介质层11和第二介质层12等介质膜生长和腐蚀完成后，需要将半导体材料外延片进行高温退火。半导体激光器的量子阱区域被深埋在P型包层5和电极接触层6以下，距离表层约为1-2微米。为了有效地实现光非吸收窗口区量子阱混合，同时不改变激光器各层结构的材料质量进而影响激光器性能，选择合适的退火温度和时间很重要，较低的温度可以更好的保持各层材料的质量，合适的时间可以保证足够的帯隙的扩大。通过多次试验摸索，得到退火温度为750?850度，优选为800度，退火时间为90?150秒，优选为110秒。经过高温退火，第一介质层11覆盖之下的区域即光非吸收窗口区域的量子阱混合被促进，带隙变大；而第二介质层12之下的区域量子阱混合被抑制，带隙基本保持不变。这样，半导体激光器腔面处的带隙较大，进而形成了光非吸收窗口。
[0060]由上可知，光非吸收窗口是通过量子阱混合实现的。不同波长的半导体量子阱激光器所对应的材料和材料组分是不一样的。对于三五族半导体化合物构成的量子阱，三族或五族元素组分的微小变化，就会引起量子阱区域带隙大幅度的变化，进而大幅度地改变了出射波长；在无杂质空位诱导量子阱混合中，(?在一些介质膜如3102中的溶解度较高，在高温退火时，晶体表面的(?原子向介质膜中扩散，因而在晶体中留下了 (?空位，这些空位向晶体内部扩散并导致了量子阱组分八1、68的互扩散，从而产生量子阱混合现象。而其它一些介质膜如31八等则能够相对抑制(?原子向外扩散，使晶体中的(?空位较少，因而抑制了混合。高温退火后，3102覆盖区域之下量子阱混合被促进，八1、仏发生互扩散，组分改变，材料带隙变大；而相反，313队覆盖区域之下，量子阱混合被抑制，带隙保持几乎不变。由于量子阱混合区域，即靠近腔面处带隙较大，对出射激光的吸收减小，于是形成了光非吸收窗口。
[0061]步骤3，将得到的半导体材料外延片表面的第一介质层11和第二介质层12完全去除，并清洗干净，得到半导体激光器。
[0062]其中，第一介质层11和第二介质层12的去除方法可采用现有技术中常用的工艺，本发明对其不作任何限制。
[0063]在本发明一实施例中，利用册稀释液去除半导体材料外延片表面的第一介质层11和第二介质层12。
[0064]其中，半导体材料外延片的清洗方法可采用现有技术中常用的工艺，本发明对其不作任何限制。
[0065]在本发明一实施例中，利用丙酮、异丙醇清洗所述半导体材料外延片。
[0066]综上，本发明根据无杂质空位诱导量子阱混合原理，利用(?向第一介质层中扩散后留下的空位向晶体内部扩散，诱导八1、仏互扩散，从而产生量子阱混合现象，其中，扩散是通过？2(^0生长第一介质层和第二介质层再加以高温退火来实现的，工艺步骤简单可控，并具有重复性。
[0067]本发明利用无杂质空位量子阱混合原理，利用(?空位向晶体内部扩散加速量子阱混合，实现非吸收窗口的制作，从而提高半导体激光器的输出功率。
[0068]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。
【权利要求】
1.一种半导体激光器，其特征在于，该半导体激光器由下至上依次包括:衬底、材料生长缓冲层、N型包层、有源区、P型包层和电极接触层，其中: 所述有源区为量子阱区； 所述半导体激光器的两端形成有光非吸收窗口，其中，所述光非吸收窗口的宽度为50?100 μ m，深度至少大于所述电极接触层、P型包层以及有源区的厚度之和。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光非吸收窗口是通过在所述电极接触层上表面的外围形成第一介质层，在所述第一介质层所围成的空间内形成第二介质层，并对于所述第一介质层和第二介质层进行高温退火得到的。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一介质层由Si02制得，厚度为350nm。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第二介质层由Si3N4制得，厚度为500nmo
5.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述衬底为N型半导体衬底。
6.一种半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤: 步骤1，在衬底上依次制作材料生长缓冲层、N型包层、有源区、P型包层和电极接触层，得到制作所述半导体激光器的半导体材料外延片，其中，所述有源区为量子阱区； 步骤2，在所述电极接触层上表面形成第一介质层和第二介质层，并经过高温退火，在所述第一介质层下形成光非吸收窗口 ； 步骤3，将得到的半导体材料外延片表面的第一介质层和第二介质层完全去除，并清洗干净，得到半导体激光器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为N型半导体衬底。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括以下步骤: 步骤21，在所述电极接触层的上表面上形成第一介质层； 步骤22，根据预定的光非吸收窗口宽度，将所述光非吸收窗口宽度区域之外的第一介质层去除，其中，被所述第一介质层覆盖的区域在高温退火时量子阱混合被促进，从而使带隙变大； 步骤23，在所述第一介质层所围成的空间内形成第二介质层； 步骤24，将形成第二介质层时覆盖在第一介质层之上的第二介质层去除，其中，被第二介质层覆盖的区域在高温退火时，量子阱混和被抑制，带隙保持基本不变； 步骤25，对于得到的外延片进行高温退火，进行无杂质空位量子阱混合，形成光非吸收窗口，其中，所述光非吸收窗口的宽度为50 μ m，深度至少大于所述有源区、P型包层、电极接触层的厚度之和。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一介质层由Si02制得，厚度为350nm ;所述第二介质层由Si3N4制得，厚度为500nmo
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述预定的光非吸收窗口宽度为50μ m0
【文档编号】H01S5/06GK104466671SQ201410812472
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月23日 优先权日:2014年12月23日
【发明者】姚南, 赵懿昊, 刘素平, 马骁宇 申请人:中国科学院半导体研究所