利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法与流程

本公开属于半导体光电子器件领域，涉及一种利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法。

背景技术：

半导体激光器由于具有转换效率高、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、可直接调制、易于与其它半导体器件集成等特点，在军事、工业加工、精密测量、激光医疗、光通信、光存储以及激光打印等领域获得了广泛而深远的应用。

在半导体激光器的性能测试和实际使用过程中发现，限制其功率进一步增长的主要因素是热饱和及腔面处光学灾变性损伤(cod，catastrophicopticaldegradation)。而随着高导热性焊料、高散热效率的热沉结构设计、更高效的水冷系统等新型材料、半导体激光器封装技术的提高，热饱和现象得到了很大程度的改进，这就使得cod成为限制半导体激光器功率进一步提升和高功率下使用寿命有限的主要因素。

目前在提高半导体激光器cod阈值功率方面，所采用的方法主要分为三大类：降低腔面处的光功率密度、降低非辐射复合速率以及减少腔面的光吸收。具体方法包括大光腔超大光腔的外延结构、真空解理镀膜腔面钝化技术、硫化处理、等离子体处理等表面处理技术、镀钝化层、采用无铝有源区、外延再生长、超短激光脉冲辐照和量子阱混杂等等。

因而在制备半导体激光器的诸多方案中，依然存在如下技术问题亟待解决：工艺复杂、重复性低、耗时长、制作成本高、不利于大批量生产等。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法，包括：制备外延片；在外延片上刻蚀出电流注入区和非电流注入区；在电流注入区光刻出前腔面处窗口区；在前腔面处窗口区上沉积一层铜300，作为促进蓝移的金属膜；在电流注入区生长第一掩膜层410，覆盖于铜300的上方，在非电流注入区生长第二掩膜层420，并进行退火处理，在前腔面处窗口区实现量子阱混杂；通过光刻将第一掩膜层410刻蚀掉，将第二掩膜层420保留，以提供电流限制作用；以及依次制作p面电极510以及n面电极520，完成半导体激光器的制作。

在本公开的一些实施例中，第一掩膜层410和第二掩膜层420均为抑制量子阱混杂的介质膜。

在本公开的一些实施例中，第一掩膜层410和第二掩膜层420的生长方式为等离子体增强化学气相沉积法pecvd；

在本公开的一些实施例中，第一掩膜层410的材料为二氧化硅；第二掩膜层420的材料为如下材料中的一种：二氧化硅和氮化硅；第一掩膜层410和第二掩膜层420的厚度均介于50nm～500nm之间。

在本公开的一些实施例中，外延片的制备包括：在衬底101上依次外延生长缓冲层102、下限制层103、下波导层104、量子阱有源区105、上波导层106、上限制层107以及欧姆接触层108，形成外延片。

在本公开的一些实施例中，在外延片上刻蚀出电流注入区和非电流注入区包括：从外延片最上层的左右两侧进行刻蚀，刻蚀掉欧姆接触层108和部分上限制层107，剩下的中间部分的上限制层107和位于其上的欧姆接触层108为电流注入区，两侧的裸露的上限制层107为非电流注入区。

在本公开的一些实施例中，刻蚀掉欧姆接触层108和部分上限制层107的深度介于200nm～1500nm之间，宽度介于5μm～200μm之间，视所需光束质量和输出功率大小的不同而定。

在本公开的一些实施例中，在前腔面处窗口区上沉积一层铜300包括：在整个外延片上沉积一层铜300，在电流注入区光刻出前腔面处窗口区的过程中，除了前腔面处窗口区裸露出欧姆接触层108，不含光刻胶200之外，其余区域均被光刻胶200覆盖；然后在沉积完铜300之后，去除前腔面处窗口区以外区域的铜薄层以及其下的光刻胶200。

在本公开的一些实施例中，在外延片上沉积铜300的方式为磁控溅射法；前腔面处窗口区在腔长方向上的宽度介于5nm～50nm之间；在外延片上沉积的铜300为高纯薄铜，其厚度介于2nm～20nm之间；光刻胶200为负胶。

在本公开的一些实施例中，量子阱有源区105的材料为以下材料中的一种：铟镓砷/砷化镓、铝镓铟砷/铝镓砷、铝镓铟砷/镓砷磷、镓铟磷/铝镓铟磷或铝镓铟砷/铝镓铟砷。

在本公开的一些实施例中，退火处理采用rta快速热退火设备实现，退火温度t满足：750℃≤t≤850℃，退火时间t满足：60s≤t≤180s，退火时间和退火温度视外延片的材料的不同以及所需量子阱有源区蓝移量的大小而定。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法，至少具有以下有益效果之一：

1、利用cu作为促进蓝移的金属膜，以及二氧化硅、氮化硅等作为抑制蓝移的掩膜，在较低温度下不需要额外的掩膜，就可以对增益区进行掩蔽处理，保证了此区域下的量子阱能够保持外延生长后的禁带宽度，覆盖有铜的区域则发生了一定量的量子阱波长蓝移，获得蓝移效果，不需要二次外延、真空解理镀膜腔面钝化、硫化处理等技术，便可以获得可观蓝移量的蓝移效果，工艺简单、重复性高、耗时短、成本低、利于大批量生产；

2、相对于其他高达900℃才有明显蓝移量的热退火技术，本发明公开的方案可以在低达750℃的温度下实现蓝移，且掩膜的采用有效地防止砷等v族元素的外溢，保证了退火后外延芯片仍保持很高的晶体质量；

3、此方法还可以应用在多波长激光器、多波长光子集成发射芯片等需要不同禁带宽度的场景，适用范围较广。

附图说明

图1为根据本公开实施例利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法流程图。

图2a为根据本公开实施例制作半导体激光器芯片的外延结构和经过一次光刻后的三维结构示意图。

图2b为根据本公开实施例在电流注入区光刻出一定宽度条形区域，形成前腔面处窗口区的三维结构示意图。

图2c为根据本公开实施例在整个外延片上沉积薄铜层的三维结构示意图。

图2d为根据本公开实施例带胶剥离法去除前腔面处窗口区以外薄铜层及其下光刻胶的三维结构示意图。

图2e为根据本公开实施例在电流注入区生长第一掩膜层，在非电流注入区生长第二掩膜层的三维结构示意图。

图2f为根据本公开实施例将第一掩膜层刻蚀掉并完成n、p面电极制作的三维结构示意图。

图3为根据本公开实施例制作915nm半导体激光器芯片窗口区在退火前后量子阱有源区pl谱测试图。

图4为根据本公开实施例制作975nm半导体激光器芯片窗口区在退火前后量子阱有源区pl谱测试图。

【符号说明】

101-衬底；102-缓冲层；

103-下限制层；104-下波导层；

105-量子阱有源区；106-上波导层；

107-上限制层；108-欧姆接触层；

200-光刻胶；

300-铜；

410-第一掩膜层；420-第二掩膜层；

510-p面电极；520-n面电极。

具体实施方式

本公开利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法，加入铜和介质膜的生长，并在高温下进行快速热退火，而不需要二次外延、真空解理镀膜腔面钝化、硫化处理等技术，即可以获得可观蓝移量的蓝移效果，工艺简单、重复性高、耗时短、成本低、利于大批量生产。

为使本公开的目的、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，对本公开作进一步详细说明。

量子阱混杂是指在外延生长后，通过在外延片上选择性地生长一些具有促进和抑制蓝移作用的介质膜(不同的介质作用不同，有的可促进蓝移，有的抑制蓝移)和掩膜(作为保护膜，能够抑制蓝移)，然后在一定的温度下进行特定时间的快速退火工艺，使得在外延片选定的区域，其量子阱材料带隙发生了一定程度的蓝移，而未选定区域仍保留其原有的带隙不变。其本质是半导体内部的点缺陷引起的异质结组分原子的互扩散。

具体到半导体激光器，可通过光刻工艺分别在腔面处窗口区(windowregion)和增益区(activeregion)分别生长促进蓝移的介质膜(一定厚度的sio2、sio2-cu、cu、hfo2等)和抑制蓝移的掩膜(si3n4、tio2、srf2、p-sio2)，然后通过量子阱混杂的快速退火工艺，便可使窗口区量子阱材料发生蓝移，而增益区量子阱材料带隙保持不变。

本公开采用了cu作为促进蓝移的金属膜，是基于以下考虑：cu是一种3d过渡族金属，在algaas材料体系中具有极高的扩散系数。在经过较低温度的快速退火工艺后，cu原子可扩散进入量子阱中，与阱、垒材料中的in/ga或in/ga/al产生牵引或共振碰撞，大大降低了互扩散所需激活能，使阱、垒材料组分互扩散程度大大增强。因此，相对于sio2、hfo2等促进蓝移的介质膜，溅射的cu可以在更低温度下就能起到可观的蓝移效果。一方面，退火温度的降低、退火时间的减少，在保证蓝移效果的同时更有利于保护外延片表面形貌和晶体质量，从而其电光特性受到较小的损害；另一方面，由于外延材料本身在800℃以下具有一定的稳定性，二氧化硅、氮化硅等作为抑制蓝移的掩膜，在较低的退火温度下不需要额外的掩膜来保护不需要蓝移的区域，从而简化了激光器芯片的制作工艺，提高了成品率。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种利用杂质诱导混杂技术制作915nm分离限制非对称大光腔半导体激光器的方法。图1为根据本公开实施例利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法流程图；图2a至图2f为根据本公开实施例制作半导体激光器芯片实施各个步骤后对应的三维结构示意图。参照图1和图2a至图2f，一种利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法，包括：

步骤s102：在衬底101上依次外延生长缓冲层102、下限制层103、下波导层104、量子阱有源区105、上波导层106、上限制层107以及欧姆接触层108，形成外延片；

本实施例中，衬底101的材料为n型砷化镓，其掺杂浓度为：1*10¹⁸cm^-3；

本实施例中，缓冲层102的材料为n型砷化镓，其掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，厚度为200nm；

本实施例中，下限制层103的材料为n型铝镓砷，其掺杂浓度为1*10¹⁸cm^-3，厚度为1.5μm；

本实施例中，下波导层104的材料为非故意掺杂的铝镓砷，其厚度为700nm；

量子阱有源区105的材料可以为以下材料中的一种：铟镓砷/砷化镓、铝镓铟砷/铝镓砷、铝镓铟砷/镓砷磷、镓铟磷/铝镓铟磷、铝镓铟砷/铝镓铟砷；本实施例中，量子阱有源区105的材料为铝镓铟砷/铝镓砷，其厚度为7nm；

本实施例中，上波导层106的材料为非故意掺杂的铝镓砷，其厚度为400nm；

本实施例中非故意掺杂的铝镓砷的掺杂浓度小于1×10¹⁶cm^-3，通常为1×10¹⁵cm^-3的量级，非故意掺杂在本文中的含义表示其掺杂浓度为材料生长过程中自主产生的，不是通过离子注入、或者其他掺杂的手段实现的，但本发明并不局限于此，其他途径只要满足相关掺杂浓度也符合要求；

本实施例中，上限制层107的材料为p型铝镓砷，其掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，厚度为1.3μm；

本实施例中，欧姆接触层108的材料为p型砷化镓，其掺杂浓度为1*10²⁰cm^-3，厚度为200nm；

需要说明的是，以上列举的衬底101、缓冲层102、下限制层103、下波导层104、上波导层106、上限制层107以及欧姆接触层108的材料的掺杂浓度为示例说明，并不局限于以上掺杂浓度，并且选用的材料以及厚度也不局限于此，在实际实验中根据实验需要进行灵活变动即可。

步骤s104：从外延片最上层的左右两侧进行刻蚀，刻蚀掉欧姆接触层108和部分上限制层107，剩下的中间部分的上限制层107和位于其上的欧姆接触层108为电流注入区，两侧的裸露的上限制层107为非电流注入区；

电流注入区视所需光束质量和输出功率大小的不同而定，采用光刻进行刻蚀，去掉非电流注入区的深度介于200nm～1500nm之间，宽度介于5μm到200μm之间；本实施例中上限制层107的刻蚀深度为300nm，图2a为根据本公开实施例制作半导体激光器芯片的外延结构和经过一次光刻后的三维结构示意图，如图2a所示，刻蚀后剩下的中间部分的上限制层107和位于其上的欧姆接触层108为电流注入区；两侧的裸露的上限制层107为非电流注入区；

步骤s106：在条形的电流注入区光刻出前腔面处窗口区，在前腔面处窗口区上沉积一层铜300；

该步骤可分为如下子步骤：

子步骤s106a：在电流注入区光刻出一定宽度的条形区域，形成前腔面处窗口区，在前腔面处窗口区裸露出欧姆接触层108，其余区域均被光刻胶200覆盖；

光刻形成的条形区域为前腔面处窗口区，其在腔长方向(即前后方向)上的宽度介于5nm～50nm之间；在本实施例中，在前腔面处窗口区光刻出100μm的条形区域，其在腔长方向上的宽度为20nm；图2b为根据本公开实施例在电流注入区光刻出一定宽度条形区域，形成前腔面处窗口区的三维结构示意图，如图2b所示，通过光刻的旋涂、曝光、显影等工艺，将一定宽度的条形区域部分的光刻胶200去掉，裸露出欧姆接触层108，形成前腔面处窗口区，其余区域均被光刻胶200覆盖；

步骤s106b：在整个外延片上沉积一层铜300，并去除前腔面处窗口区以外区域的铜薄层以及其下的光刻胶200；

整个外延片上沉积的铜300是高纯薄铜，其厚度介于2nm～20nm之间，在本实施例中，铜300的厚度为5nm；光刻胶200采用的是负胶；去除前腔面处窗口区以外区域的铜薄层以及其下的光刻胶200的方式为带胶剥离法；图2c为根据本公开实施例在整个外延片上沉积薄铜层的三维结构示意图，如图2c所示，在外延片上继续沉积一层铜300，沉积的方法可以采用磁控溅射法的方法，不过不局限于此，也可以采用本领域其他常规制备技术；图2d为根据本公开实施例带胶剥离法去除前腔面处窗口区以外薄铜层及其下光刻胶的三维结构示意图，带胶剥离的含义为：cu的剥离与光刻胶一起剥离，在实际应用过程中，也可以采用其他方式去除前腔面处窗口区以外薄铜层及其下光刻胶，不局限于本公开提到的带胶剥离法；如图2d所示，剥离掉铜层300和光刻胶200之后，电流注入区由位于前腔面处窗口区的铜层和位于铜层之下的欧姆接触层108以及位于欧姆接触层108之下的中间部分的上限制层107构成，非电流注入区裸露出来；

步骤s108：在电流注入区生长第一掩膜层410，在非电流注入区生长第二掩膜层420，并进行退火处理，在前腔面处窗口区实现量子阱混杂；

第一掩膜层410和第二掩膜层420作为保护层，抑制量子阱混杂，从而抑制蓝移；第一掩膜层410和第二掩膜层420的生长方式为等离子体增强化学气相沉积法pecvd，第一掩膜层410的材料为二氧化硅，第二掩膜层420的材料选自二氧化硅和氮化硅中的一种，其厚度介于50nm～500nm之间；本实施例中第一掩膜层410和第二掩膜层420的材料为二氧化硅，厚度均为300nm；在电流注入区生长第一掩膜层410，在非电流注入区生长第二掩膜层420的三维结构示意图如图2e所示；

值得注意的是，抑制量子阱混杂的介质膜除了二氧化硅和氮化硅之外，还包括：二氧化钛tio2以及氟化锶srf2等，不局限于本实施例中列举的材料。

退火采用rta快速热退火设备实现，退火温度介于750℃～850℃之间，退火时间介于60s～180s之间，退火时间和退火温度视外延材料的不同以及所需量子阱有源区蓝移量的大小而定；本实施例中根据所需蓝移量，确定退火参数如下：退火温度为810℃，退火时间为60s，退火保护气氛为高纯氮气，且在外延片表面覆盖一片洁净的砷化镓衬底作为盖片，盖片抛光面朝下且完全贴合外延片，以防止快速热退火过程中可能的v族元素析出；在退火过程中，cu原子可扩散进入量子阱中，与阱、垒材料中的in/ga或in/ga/al产生牵引或共振碰撞，大大降低了互扩散所需激活能，使阱、垒材料组分互扩散程度大大增强。

步骤s110：通过光刻将第一掩膜层410刻蚀掉，将第二掩膜层420保留，以提供电流限制作用；

步骤s112：依次制作p面电极510以及n面电极520，完成半导体激光器芯片的制作；

本实施例中，p面电极510采用依次层叠的钛/铂/金；n面电极520采用依次层叠的金/锗/镍；p面电极510采用磁控溅射的方式进行制作，n面电极520采用真空蒸发的方式进行制作；将第一掩膜层刻蚀掉并完成p面电极510以及n面电极520制作的三维结构示意图如图2f所示；

本步骤中还包括常见工艺，包括：对n面衬底101磨抛减薄抛光、对合金退火、n面电镀厚金、腔面镀膜、芯片解理封装测试等工艺，由于不属于本发明的创新点，这里不做赘述。

按照上述方法制备出来的915nm分离限制非对称大光腔半导体激光器进行了性能测试，图3为根据本公开实施例制作915nm半导体激光器芯片窗口区在退火前后量子阱有源区pl谱测试图，如图3所示，窗口区量子阱有源区pl谱在退火前的谱峰在894.3nm，退火后谱峰为834.3nm，退火后的蓝移量为99.72mev，蓝移效果明显。

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了利用本公开的杂质诱导混杂技术制作975nm分离限制非对称大光腔半导体激光器的方法。

本实施例与第一实施例相比，区别在于下波导层104、量子阱有源区105和上波导层106的材料以及厚度不同，在后续制备工艺中刻蚀出前腔面处窗口区的尺寸不同以及进行高温快速热退火的退火工艺不同；下面将本实施例与第一实施例不同的参数进行介绍，其他相同的制备方法和工艺参数这里不作赘述；

本实施例中，下波导层104的材料同样为非故意掺杂的铝镓砷，其厚度为900nm；

本实施例中，量子阱有源区105的材料为：铟镓砷/铝镓砷，其厚度为9nm；

本实施例中，上波导层106的材料同样为非故意掺杂的铝镓砷，其厚度为500nm；

本实施例中，在前腔面处窗口区光刻出100μm的条形区域，其在腔长方向上的宽度同样为20nm；

本实施例中，根据所需蓝移量确定退火参数如下：退火温度为810℃，退火时间为90s。

按照上述方法制备出来的975nm分离限制非对称大光腔半导体激光器进行了性能测试，图3为根据本公开实施例制作975nm半导体激光器芯片窗口区在退火前后量子阱有源区pl谱测试图，如图4所示，窗口区量子阱有源区pl谱在退火前的谱峰在955.9nm，退火后谱峰为891.3nm，退火后的蓝移量为94mev，蓝移效果明显。

需要说明的是，利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法不仅仅适用于制作半导体激光器，还可以应用在多波长激光器、多波长光子集成发射芯片等需要不同禁带宽度的场景，适用范围较广。

综上所述，本公开实施例提供了一种利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法，利用cu作为促进蓝移的金属膜，以及二氧化硅、氮化硅等作为抑制蓝移的掩膜，在较低温度下不需要额外的掩膜，就可以对增益区进行掩蔽处理，保证了此区域下的量子阱能够保持外延生长后的禁带宽度，覆盖有铜的区域则发生了一定量的量子阱波长蓝移，获得蓝移效果，不需要二次外延、真空解理镀膜腔面钝化、硫化处理等技术，便可以获得可观蓝移量的蓝移效果，工艺简单、重复性高、耗时短、成本低、利于大批量生产；并且相对于其他高达900℃才有明显蓝移量的热退火技术，本发明公开的方案可以在低达750℃的温度下实现蓝移，且掩膜的采用有效地防止砷等v族元素的外溢，保证了退火后外延芯片仍保持很高的晶体质量。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

除非有所指明，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。因此，除非称为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。

应该注意的是上述实施例对本公开进行说明而不是对本公开进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上的描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本公开有任何限制，而只是本公开实施例的示例。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。