二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及通過(guò)分子束外延(MBE)或者金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)大失配In (Ga) As/InP量子阱材料，并采用標(biāo)準(zhǔn)光刻，腐蝕工藝制作二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)以來(lái)，人們對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，煤和石油等化石燃料被大量使用，大氣中的二氧化碳含量猛增，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、全球氣候變暖、冰川融化、海平面升高等嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。節(jié)能減排成為世界各國(guó)的共識(shí)。2005年，旨在遏制二氧化碳過(guò)量排放的《京都議定書》生效，這是人類歷史上首次以法規(guī)的形式限制溫室氣體排放。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)二氧化碳排放進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，這對(duì)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提高資源能源利用率十分必要。
[0003]目前，市場(chǎng)上供應(yīng)的基于電化學(xué)原理的CO2探測(cè)器存在諸如探測(cè)精度差、探測(cè)結(jié)果易受其他氣體如二氧化硫干擾等缺點(diǎn)。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS:TunabIe D1de Laser Absorpt1n Spectroscopy)有效的克服了以上問(wèn)題。TDLAS技術(shù)基于可調(diào)諧二極管激光器，通過(guò)控制二極管激光器的溫度或者注入電流，能夠進(jìn)行輸出激光波長(zhǎng)的微調(diào)，在一個(gè)掃描周期內(nèi)能夠獲得包含被測(cè)氣體信息的單線吸收譜線和不包含被測(cè)氣體信息的背景譜線，從而對(duì)氣體進(jìn)行定性和定量分析。該方法具有探測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、可靠性好等優(yōu)勢(shì)。作為二氧化碳的吸收窗口，工作在2.0微米波段的可調(diào)諧窄線寬激光器成為二氧化碳探測(cè)用TDLAS技術(shù)的核心部件。目前，制備此波段的激光器主要采用GaSb基和InP基I類量子阱結(jié)構(gòu)。GaSb基量子阱材料因其生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含Sb的四元甚至五元系化合物生長(zhǎng)及界面難以控制，很難滿足實(shí)際應(yīng)用需求。特別是采用適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的MOCVD更難實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量多元銻化物的生長(zhǎng)控制。相比較，InP基In(Ga)As量子阱在材料制備及器件工藝制作方面具有諸多優(yōu)勢(shì)。除了具有高質(zhì)量，低成本的襯底材料，InP基激光器因其兼容傳統(tǒng)通訊用激光器的成熟工藝，且易與其它器件實(shí)現(xiàn)集成等優(yōu)勢(shì)而具有更好的應(yīng)用前景。目前，由于In(Ga)As/InP材料較大的晶格失配，高質(zhì)量的量子阱材料制備十分困難，國(guó)際上報(bào)道采用MBE及MOCVD制備的In(Ga)As/InP量子阱激光器的閾值電流密度一般大于1500A/cm2，這不利于器件實(shí)際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片的制作方法，具體通過(guò)對(duì)大失配In(Ga)As/InP量子阱材料晶格質(zhì)量，界面，組分，摻雜的精確調(diào)控，制備出高質(zhì)量的二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片。激光器室溫閾值電流密度低至lOOOA/cm2以下，單面輸出功率達(dá)5mW以上。
[0005]本發(fā)明提供一種二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片的制作方法，包括如下步驟:
[0006]步驟1:選擇一 InP襯底，在該襯底上依次沉積InP緩沖層、下波導(dǎo)層、下限制層、量子阱層、上限制層、上波導(dǎo)層和InP蓋層；
[0007]步驟2:通過(guò)全息曝光及刻蝕方法在上波導(dǎo)層及InP蓋層上制作出布拉格光柵條紋；
[0008]步驟3:在具有布拉格光柵條紋的基片上二次外延InP上包層、第一梯度層、第二梯度層及InGaAs接觸層；
[0009]步驟4:在InGaAs接觸層上向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)布拉格光柵條紋的表面，使InGaAs接觸層向下形成脊型條結(jié)構(gòu)，該脊型條結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成臺(tái)面；
[0010]步驟5:在脊型條結(jié)構(gòu)的表面及其兩側(cè)的臺(tái)面上淀積電介質(zhì)層；
[0011]步驟6:在脊型條結(jié)構(gòu)的上面開電極窗口 ；
[0012]步驟7:在淀積電介質(zhì)層的臺(tái)面及電極窗口內(nèi)蒸鍍P面電極，形成基片；
[0013]步驟8:將基片的InP襯底減薄、拋光；
[0014]步驟9:在InP襯底的背面蒸鍍N面電極，形成芯片；
[0015]步驟10:將芯片退火合金、加厚電極，劃片解理，完成激光芯片的制作。
[0016]本發(fā)明的有益效果是，其是通過(guò)對(duì)大失配In(Ga)As/InP量子阱材料晶格質(zhì)量、界面、組分、摻雜的精確調(diào)控，制備出高質(zhì)量的二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片。激光器室溫閾值電流密度低至ΙΟΟΟΑ/cm2以下，單面輸出功率達(dá)5mW以上。
【附圖說(shuō)明】
[0017]為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中:
[0018]圖1為發(fā)明制作方法的流程圖；
[0019]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是激射波長(zhǎng)為2002.6nm的InAs/InP量子阱激光器出光功率-電流-電壓曲線，插圖為1.1倍閾值時(shí)激光器的激射譜。
【具體實(shí)施方式】
[0021]請(qǐng)參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種二氧化碳檢測(cè)用半導(dǎo)體激光芯片的制作方法，包括如下步驟:
[0022]步驟1:選擇一 InP襯底1，在該襯底I上依次沉積InP緩沖層2、下波導(dǎo)層3、下限制層4、量子阱層5、上限制層6、上波導(dǎo)層7和InP蓋層8。其中InP襯底I為InP單晶片，晶向?yàn)?100)，厚度為325-375 μm，摻雜濃度為(1_3) X 1018cnT3;InP緩沖層2生長(zhǎng)溫度介于600至660°C之間，摻雜濃度介于IX 117S 2 X 10 18CnT3之間；量子講層5的材料為InxGai_xAS，其中In組分介于60%至100%，該量子阱層5周期數(shù)介于1_10之間，單層阱厚介于l_20nm之間，發(fā)光波長(zhǎng)介于1900_2100nm之間，量子阱層的生長(zhǎng)溫度介于450_650°C之間，生長(zhǎng)氣氛V/III比介于O至100之間；其中，過(guò)高的V/III比會(huì)導(dǎo)致有源區(qū)結(jié)晶質(zhì)量的惡化，生長(zhǎng)溫度過(guò)高同樣會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變量子阱層的界面弛豫，影響激光器的發(fā)光效率；其中下波導(dǎo)層3和上波導(dǎo)層7的材料為InGaAsP或In (Al) GaAs，波導(dǎo)層的厚度介于50_500nm之間，生長(zhǎng)溫度介于550-650°C之間，室溫光致熒光波長(zhǎng)介于1000-1700nm之間；其中下限制層4和上限制層6的材料為In(Al)GaAs,厚度介于O-1OOnm之間，生長(zhǎng)溫度介于450_650°C之間，Al組分介于O至80%之間，Al組分的引入可以有效提高量子阱層的載流子限制作用，有利于提高激光器輸出特性的溫度穩(wěn)定性，但由于含Al材料容易氧化，過(guò)高的Al組分會(huì)降低材料的晶體質(zhì)量；
[0023]步驟2:通過(guò)全息曝光及刻蝕方法在上波導(dǎo)層7及InP蓋層8上制作出布拉格光柵條紋；其中刻蝕方法為濕法腐蝕或干法與濕法相結(jié)合，布拉格光柵條紋深度介于1-1OOnm之間。
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