一種利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器，還涉及一種基模半導(dǎo)體激光器的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于應(yīng)用在光信息存儲(chǔ)和光通信領(lǐng)域的半導(dǎo)體激光器，一般要求半導(dǎo)體激光器具有小的發(fā)散角，小的色散，高的光譜純度，為滿足這些要求，半導(dǎo)體激光器必須是垂直基橫?；蛩交鶛M模工作。為了實(shí)現(xiàn)垂直基橫模工作，半導(dǎo)體激光器的外延結(jié)構(gòu)多采用分離限制異質(zhì)結(jié)或量子阱結(jié)構(gòu)，這樣的折射率分布使得量子阱有源區(qū)有著很好的光波導(dǎo)作用，能在垂直于結(jié)區(qū)的方向上實(shí)現(xiàn)基模工作；為了實(shí)現(xiàn)水平基橫模工作，半導(dǎo)體激光器常采用增益導(dǎo)引結(jié)構(gòu)或折射率導(dǎo)引結(jié)構(gòu)，增益導(dǎo)引結(jié)構(gòu)的載流子濃度在條形區(qū)域最高，電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)的光被限制在條形區(qū)域內(nèi)，對(duì)光模場(chǎng)的側(cè)向約束是依靠發(fā)光區(qū)的增益導(dǎo)引機(jī)制來實(shí)現(xiàn)；折射率導(dǎo)引結(jié)構(gòu)是在有源區(qū)發(fā)光處的側(cè)向改變材料結(jié)構(gòu)，引入折射率差，使用發(fā)光區(qū)側(cè)向的折射率差來實(shí)現(xiàn)對(duì)光約束，達(dá)到限制光場(chǎng)的作用。
[0003]折射率導(dǎo)引激光器按折射率變化的大小分為弱折射率導(dǎo)引和強(qiáng)折射率導(dǎo)引結(jié)構(gòu)。作為弱折射率導(dǎo)引條形激光器的代表，由于脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的條形激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一次外延生長(zhǎng)，因而至今仍是基模半導(dǎo)體激光器的主流結(jié)構(gòu)之一。但脊型波導(dǎo)激光器的有源區(qū)平面延伸到脊型區(qū)域以外，通過其與空氣的折射率差來對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行限制，而由于要保護(hù)有源區(qū)，因此，隔離溝槽的腐蝕僅進(jìn)行到上限制層內(nèi)，這樣，就會(huì)造成對(duì)光場(chǎng)的限制效果不理想。強(qiáng)折射率導(dǎo)引激光器通常采用掩埋異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)較大的折射率差，以達(dá)到對(duì)光場(chǎng)更好的限制。其中具有高折射率的條形有源區(qū)四周都被低折射率材料所包圍，平行于結(jié)平面形成的側(cè)向折射率臺(tái)階比由載流子引起的折射率差大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，使得該類激光器具有很好的光場(chǎng)特性和電學(xué)特性。雖然掩埋結(jié)構(gòu)的條形半導(dǎo)體激光器已得到廣泛應(yīng)用，但是掩埋結(jié)構(gòu)也具有其不利之處，例如制作工藝，需要三次外延生長(zhǎng)，層厚控制嚴(yán)格，工藝成本較高，成品率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器，且具有更好的光場(chǎng)限制效果。
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供一種基模半導(dǎo)體激光器的制造方法，制作工藝簡(jiǎn)單，且具有更好的光場(chǎng)限制效果。
[0006]本發(fā)明所采用的一種技術(shù)方案是，一種利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器，激光器所用的外延片結(jié)構(gòu)由從下至上依次設(shè)置的襯底，緩沖層，下限制層，下波導(dǎo)層，量子阱和量子皇區(qū)，上波導(dǎo)層，上限制層和上歐姆接觸層組成；
[0007]所述的基模半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的上歐姆接觸層的上表面設(shè)置有脊型波導(dǎo)，脊型波導(dǎo)位于所述的基模半導(dǎo)體激光器的縱向中心線上，脊型波導(dǎo)的寬度為2?6微米，脊型波導(dǎo)的兩端均設(shè)置有非吸收窗口，非吸收窗口與激光器的出腔面重合，脊型波導(dǎo)的兩側(cè)還設(shè)置有隔離溝槽，隔離溝槽的深度等于上歐姆接觸層的厚度與上限制層的一部分之和，上限制層的一部分為100?1000微米，隔離溝槽的寬度為5?50微米；隔離溝槽的側(cè)面為保護(hù)臺(tái)面，其寬度為50?150微米，非吸收窗口、隔離溝槽和保護(hù)臺(tái)面上均生長(zhǎng)了 50?250微米厚的氮化硅或氧化硅介質(zhì)薄膜；
[0008]襯底的底面上設(shè)置有N面電極，脊型波導(dǎo)、非吸收窗口、隔離溝槽、保護(hù)臺(tái)面上同時(shí)設(shè)置有P面電極。
[0009]本發(fā)明的另一種技術(shù)方案是，一種利用量子阱混雜制作基模半導(dǎo)體激光器的方法按照以下步驟實(shí)施:
[0010]步驟1，采用MOCVD或MBE技術(shù)制作得到半導(dǎo)體激光器的外延片結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟2，確定進(jìn)行量子阱混雜工藝的區(qū)域并進(jìn)行量子阱混雜；具體為:
[0012]步驟2.1，在外延片的上表面生長(zhǎng)一層氮化硅或氧化硅介質(zhì)薄膜；
[0013]步驟2.2，利用光刻技術(shù)形成光刻膠掩蔽膜來覆蓋脊型波導(dǎo)和臺(tái)面的上表面，脊型波導(dǎo)位于基模半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中上歐姆接觸層的縱向中心線上，脊型波導(dǎo)的寬度為2?6微米，脊型波導(dǎo)的長(zhǎng)度為200?900微米，臺(tái)面為基模半導(dǎo)體激光器的一部分；
[0014]步驟2.3，用氫氟酸溶液腐蝕掉上脊型波導(dǎo)兩端長(zhǎng)度為10?50微米處，上歐姆接觸層上表面的氮化硅或氧化硅介質(zhì)薄膜，形成非吸收窗口所在位置；
[0015]用氫氟酸溶液腐蝕掉脊型波導(dǎo)兩側(cè)寬度為5?50微米的部分處的氮化硅或氧化硅介質(zhì)薄膜，形成預(yù)制隔離溝槽所在位置；
[0016]步驟2.4，繼續(xù)采用濕法腐蝕的方法往下腐蝕掉預(yù)制隔離溝槽和非吸收窗口下方的上歐姆接觸層；
[0017]步驟2.5，去掉脊型波導(dǎo)和保護(hù)臺(tái)面上表面的光刻膠后在非吸收窗口、預(yù)制隔離溝槽上進(jìn)行量子阱混雜；預(yù)制隔離溝槽兩側(cè)寬度為5?50微米的臺(tái)面為保護(hù)臺(tái)面；
[0018]步驟3，腐蝕出脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器的隔離溝槽；
[0019]步驟4，采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的制作工藝流程制作電極。
[0020]步驟I具體為:
[0021 ] 步驟1.1，選取砷化鎵材料作為襯底；
[0022]步驟1.2，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在襯底上表面依次生長(zhǎng)緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱和量子皇區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層、上歐姆接觸層，經(jīng)過以上外延生長(zhǎng)形成半導(dǎo)體激光器的外延片結(jié)構(gòu)。
[0023]步驟2中量子阱混雜是通過雜質(zhì)擴(kuò)散誘導(dǎo)或離子注入或激光誘導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)。
[0024]步驟3具體為:
[0025]步驟3.1，采用氫氟酸溶液腐蝕掉剩余的氮化硅或氧化硅介質(zhì)薄膜；
[0026]步驟3.2，采用光刻套刻技術(shù)，用光刻膠掩蔽膜保護(hù)脊型波導(dǎo)、非吸收窗口、保護(hù)臺(tái)面，僅露出預(yù)制隔離溝槽的部分；
[0027]步驟3.3，采用濕法化學(xué)法繼續(xù)往下腐蝕掉預(yù)制隔離溝槽下方的上限制層，腐蝕后上限制層保留的厚度為10?300微米，完成此步驟后去掉光刻膠，即形成隔離溝槽。
[0028]步驟3中具體為采用硫酸系或溴酸系腐蝕液進(jìn)行腐蝕。
[0029]步驟4具體為:在外延片上表面再次生長(zhǎng)一層二氧化硅介質(zhì)薄膜，采用光刻技術(shù)套刻后在脊型波導(dǎo)以外的其他區(qū)域形成光刻膠掩蔽膜，用氫氟酸溶液腐蝕掉脊型波導(dǎo)上表面的二氧化硅介質(zhì)薄膜，去掉光刻膠后在外延片表面制作P面電極，該結(jié)構(gòu)激光器僅能在脊型波導(dǎo)的上表面形成歐姆接觸，在減薄拋光后的襯底的底面制作N面電極，最終得到基模半導(dǎo)體激光器。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:
[0031]I)半導(dǎo)體激光器脊型波導(dǎo)兩側(cè)生長(zhǎng)的材料結(jié)構(gòu)在進(jìn)行量子阱混雜后，其下有源區(qū)帶隙進(jìn)行展寬，這使得發(fā)光區(qū)域側(cè)面的折射率變小，會(huì)形成導(dǎo)波效果更好的折射率波導(dǎo)，提高光學(xué)限制因子，改善光場(chǎng)模式，增加發(fā)光效率。
[0032]2)由量子阱混雜所引起的禁帶寬度展寬也會(huì)抑制脊型區(qū)以外其他地方的復(fù)合發(fā)光，使得注入的電子空穴對(duì)在禁帶寬度更窄的脊型下的量子阱內(nèi)進(jìn)行復(fù)合發(fā)光，進(jìn)而又能改善激光器的光電特性。
[0033]3)本發(fā)明的基模半導(dǎo)體激光器主體結(jié)構(gòu)采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)減小了電流的橫向擴(kuò)散作用，降低了激光器的閾值電流，較大的驅(qū)動(dòng)電流和較高的工作溫度下其激射波長(zhǎng)漂移比較小。
[0034]4)由量子阱混雜所引起的折射率差來對(duì)光場(chǎng)限制，無需多次外延生長(zhǎng)工藝，避免了因?yàn)楣に囌`差造成掩埋結(jié)構(gòu)的電流穿通，降低了漏電流，提高器件的成品率。
[0035]5)利用量子阱混雜制作的非吸收窗口降低了激光器腔面處對(duì)內(nèi)部激發(fā)光的吸收，避免了光輸出腔面局部溫度過高導(dǎo)致的激光器的腔面融化和快速重結(jié)晶，有效地提高了激光器的最大輸出功率，改善了器件的可靠性。
[0036]6)量子阱混雜可通過多種方法實(shí)現(xiàn)，因而本發(fā)明的利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器，制作工藝簡(jiǎn)單易行，和現(xiàn)有工藝兼容性好，不會(huì)增加額外成本，具有規(guī)?；a(chǎn)特征。
【附圖說明】
[0037]圖1是本發(fā)明一種利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖中，1.襯底，2.緩沖層，3.下限制層，4.下波導(dǎo)層，5.量子阱和量子皇區(qū)，6.上波導(dǎo)層，7.上限制層，8.上歐姆接觸層，9.脊型波導(dǎo)，10.非吸收窗口，11.隔離溝槽，12.保護(hù)臺(tái)面。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0040]本發(fā)明一種利用量子阱混雜制作的基模半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，激光器所用的外延片結(jié)構(gòu)由從下至上依次設(shè)置的襯底1，緩沖層2，下限制層3，下波導(dǎo)層4，量子阱和量子皇區(qū)5，上波導(dǎo)層6，上限制層7和上歐姆接觸層8組成。基模半導(dǎo)體激光器的上歐姆接觸層8的上表面設(shè)置有脊型波導(dǎo)9，脊型波導(dǎo)9位于基模半導(dǎo)體激光器的縱向中心線上，脊型波導(dǎo)9的寬度為2?6微米，脊型波導(dǎo)9的兩端均設(shè)置有非吸收窗口 10，非吸收窗口10與激光器的出腔面重合，脊型波導(dǎo)9的兩側(cè)還設(shè)置有隔離溝槽11，隔離溝槽11的深度等于上歐姆接觸層8的厚度與上限制層7的一部分之和，上限制層7的一部分為100?1000微米，隔離溝槽11的寬度為5?50微米。隔離溝槽11的側(cè)面為保護(hù)臺(tái)面12，保護(hù)臺(tái)面12的寬度為50?150微米；非吸收窗口 10、隔離溝槽11和保護(hù)臺(tái)面12上均生長(zhǎng)了 50?250微米厚的氮化硅或氧化硅介質(zhì)薄膜。襯底I的底面上設(shè)置有N面電極，脊型波導(dǎo)9、非吸收窗口 10、隔離溝槽11、保護(hù)臺(tái)面12上同時(shí)設(shè)置有P面電極。
[0041]本發(fā)明一種利用量子阱混雜制作基模半導(dǎo)體激光器的方法，具體按照以下步驟實(shí)施:
[0042]步驟1，采用MOCVD或MBE技術(shù)制作得到半導(dǎo)體激光器的外延片結(jié)構(gòu)；具體為:
[0043]步驟1.1，選取砷化鎵材料作為襯底I ;
[0044]步驟1.2，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在襯底I上表面依次生長(zhǎng)緩沖層2、下限制層3、下波導(dǎo)層4、量子阱和量子皇區(qū)5、上波導(dǎo)層6、上限制層7、上歐姆接觸層8，經(jīng)過以上外延生長(zhǎng)形成半導(dǎo)體激光器的外延片結(jié)構(gòu)；
[0045]步驟2，確定半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)中進(jìn)行量子阱混雜