一种大功率1.8‑4μm半导体激光器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种大功率1.8‑4μm半导体激光器及其制备方法，涉及中红外激光器技术领域。本发明专利技术所述的激光器包括：有源区(包括InGaAsSb量子阱或AlGaInAsSb势垒层)、非掺杂AlGaInAsSb上波导层、绝缘层等结构。同时，本发明专利技术提出采用脊型宽面波导，波导刻蚀至上波导层，在绝缘层刻蚀出电注入窗口，形成电流注入区域；在沉积n面电极之前对磨抛面用稀盐酸溶液进行处理；另外，在激光器烧结时通入甲酸和氮气双路保护气体，旨在激光器能够获得大功率输出，避免焊料出现空洞和器件爬In现象，提高器件稳定性和寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及中红外激光器
，特别是指一种大功率1.8-4μm半导体激光器及其制备方法。
技术介绍
中红外1.8-4μm波段是重要的大气窗口，包含了许多重要气体分子的特征谱线，该波段激光源可以广泛应用于大气污染监测、气体检测等民用项目；另外，工作在该波段的大功率激光器有望在激光雷达、光电对抗等军用项目中发挥巨大作用。目前，在国内该波段的大功率光源研究仍为空白，大功率的该波段激光器国际禁运也造成了其国内市场应用的受阻。因此，自主研发中红外半导体激光器是当前我国科研攻关的一个重要方向。传统的GaAs基和InP基激光器受限于禁带宽度等物理机制，很难获得1.8-4μm激光。(AlGaIn)(AsSb)材料体系在晶格常数以及禁带宽度上均为该波段理想的材料体系，因而成为制备该波段激光源的首选材料体系。在工艺方面，与传统近红外激光器不同，GaSb材料相对较窄的带隙具有先天的优势，且材料本身容易氧化，形成锑和镓的氧化物以及析出锑单质。另外，由于选择比不同，在进行干法刻蚀需要调试新的刻蚀气体配方。因此，该材料体系的激光器在制备工艺上有很多难点。通过固态源分子束外延生长技术(MBE)控制材料组分可以得到在1.8-4μm波段的激射波长。通过对n面电极酸性处理和利用双路气体的烧结工艺可以得到性能优良的激光器件。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题传统激光器在物理机制方面受限于禁带宽度等原因，很难得到1.8-4μm激光，另外，传统激光器的腔面电流注入密度过大，从而造成腔面载流子复合率增大腔面发热；另一方面，在传统激光器制备工艺中时，在衬底的抛光过程中，表面氧化镓、氧化锑以及锑单质会对激光器的寿命和性能产生影响；而且传统退火工艺里，经常出现爬铟、焊料氧化以及焊料表面起伏剧烈情况，造成激光器本身的缺陷严重。这些势必将极大地阻碍中红外激光器的研发和应用进程。(二)技术方案所以为了解决上述问题、能够获得功率更大，成品率更高，性能更加稳定的半导体激光器，本专利技术提出一种半导体激光器，包括：有源区、非掺杂AlGaInAsSb上波导层、绝缘层，有源区位于非掺杂AlGaInAsSb上波导层下方，绝缘层位于两者上方，其中有源区包括：InGaAsSb量子阱和AlGaInAsSb势垒层构成量子阱结构；非掺杂AlGaInAsSb上波导层上表面具有刻蚀脊条型宽面波导；绝缘层上具有电注入窗口。(AlGaIn)(AsSb)材料体系在晶格常数以及禁带宽度上均为2μm波段理想的材料体系。非掺杂AlGaInAsSb上波导层为非掺杂的AlGaInAsSb五元化合物材料，其组分比例为Al0.3-0.4GaAs0.02-0.04Sb，厚度为200-400nm。绝缘层为SiO2或者SiN，厚度为100-300nm；制备过程中，生长绝缘层之后在脊条上开窗口，窗口长度小于脊条长度，形成非注入腔面，可减小腔面电流注入密度，从而减小腔面载流子复合，减小腔面的发热，提高其灾变损伤阈值。量子阱为非掺杂的In0.2-0.5GaAs0.02-0.1Sb四元化合物材料，厚度为10-15nm；势垒层为五元Al0.3-0.4GaInAs0.02-0.04Sb五元化合物材料，其厚度为10-30nm。当量子阱个数为1时，所述的有源区只具有1个量子阱；当量子阱个数n＞1个时，所述的有源区除了具有1个量子阱外，还具有n-1个量子阱和n-1个AlGaInAsSb势垒层，且量子阱和AlGaInAsSb势垒层彼此相间叠加。激光器还包括N型GaSb衬底，以及在N型GaSb衬底基础上自下而上依次具备N型GaSb缓冲层、N型AlGaInAsSb下限制层、非掺杂AlGaInAsSb下波导层、P型AlGaInAsSb上限制层、P型GaSb缓冲层。通过控制外延参数，使得各上下结构之间晶格匹配，以在界面处形成高质量的异质结，可减少界面态数目，降低界面载流子复合热效应引起的升温，从而提高器件的可靠性和稳定性。N型AlGaInAsSb下限制层为N型掺杂的AlGaInAsSb五元化合物材料，其组分比例为Al0.5-0.7GaInAs0.02-0.04Sb，厚度为1μm-2μm。非掺杂AlGaInAsSb下波导层为非掺杂AlGaInAsSb五元化合物材料，组分比例为Al03-0.4GaInAs0.02-0.04Sb，厚度为200nm-400nm。P型AlGaInAsSb上限制层为P型掺杂的AlGaInAsSb五元化合物材料，其组分比例为Al0.5-0.7GaAs0.02-0.04Sb，厚度为1μm-2μm。P型GaSb缓冲层为P型掺杂的GaSb材料。所述的包括N型AlGaInAsSb下限制层、非掺杂AlGaInAsSb下波导层、有源区(包括InGaAsSb量子阱或AlGaInAsSb势垒层)、非掺杂AlGaInAsSb上波导层、P型AlGaInAsSb上限制层外延生长多元化合物层的各元素组分和层厚可根据目标波长进行调节。除此之外，本专利技术还提出了一种半导体激光器制备方法，包括如下步骤：步骤1：在N型衬底上依次生长N型缓冲层、N型下限制层、下波导层、有源区、上波导层、P型上限制层、P型缓冲层；步骤2：采用光刻技术，在表面制备出刻蚀的掩膜图形；步骤3：在P型缓冲层上向下刻蚀，刻蚀深度到达上波导层，形成脊型波导结构；步骤4：生长绝缘层，并在脊条处刻蚀形成电注入窗口；步骤5：生长正极接触电极；步骤6：将正极金属腐蚀成解离槽；步骤7：将衬底研磨抛光至一定厚度；步骤8：用稀盐酸溶液处理抛光面；步骤9：在抛光面上生长负极接触电极；步骤10：采用甲酸和氮气双路工艺气体烧结，形成C-MOUNT封装形式器件；其中，有源区为半导体激光器外延层结构的一部分，所述的步骤1中通过固态源分子束外延生长技术(MBE)依次生长量子阱或势垒层形成有源区；所述的步骤3中通过电感耦合等离子体刻蚀工艺(ICP)在所述的外延层结构上刻蚀形成宽面脊型波导结构；所述的步骤4中通过等离子体增强化学气象沉积(PECVD)的方法制备绝缘层，并采用反应离子刻蚀(RIE)工艺在脊型波导结构中间位置对绝缘层进行刻蚀形成电注入窗口。脊型波导结构的宽度为100μm-200μm，长度为1mm-4mm，刻蚀深度至非掺杂AlGaInAsSb上波导层中。对衬底减薄时，首先对衬底进行粗研磨，研磨液为6μm氧化Al研磨粉和水以1比10体积比混合液，衬底厚度小于150μm时进行细研磨，研磨液为3μm氧化Al研磨粉和水以1比10体积比混合液，至120μm时进行抛光，分别用粗抛光绒布和细抛光绒布对研磨表面进行抛光，抛光液为含有次氯酸钠和氧化钛的混合溶液，最后用去离子水进行抛光。稀盐酸溶液处理抛光面步骤中，稀盐酸溶液浓度为10％-30％，浸泡时间为30s-90s。激光器烧结过程中，使用应力较小的软焊料In作为粘结介质，为避免出现爬In、焊料氧化以及焊料表面起伏剧烈情况的发生，采用双路通气工艺通入的气体分别为氮气和甲酸，既可以保护器件腔面不被氧化，还可以防止铟焊料起泡等引起的不稳定，通入气体的流量分别为5-15sccm和0.5-1sccm，烧结温度为170℃-190℃，烧结时间为15-25s。同时，在抛光n面电极衬底后，用酸性溶液进行处理，可以去除表面氧化Ga、氧化Sb以及Sb单质，再生长金锗镍合金本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体激光器，包括：有源区、非掺杂AlGaInAsSb上波导层、绝缘层，有源区位于非掺杂AlGaInAsSb上波导层下方，绝缘层位于两者上方，其特征在于，所述的有源区包括：InGaAsSb量子阱和AlGaInAsSb势垒层；所述的非掺杂AlGaInAsSb上波导层上表面具有脊型宽面波导；所述的绝缘层上具有电注入窗口。

【技术特征摘要】
1.一种半导体激光器，包括：有源区、非掺杂AlGaInAsSb上波导层、绝缘层，有源区位于非掺杂AlGaInAsSb上波导层下方，绝缘层位于两者上方，其特征在于，所述的有源区包括：InGaAsSb量子阱和AlGaInAsSb势垒层；所述的非掺杂AlGaInAsSb上波导层上表面具有脊型宽面波导；所述的绝缘层上具有电注入窗口。2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述的非掺杂AlGaInAsSb上波导层为非掺杂的AlGaInAsSb五元化合物材料，其组分比例为Al0.3-0.4GaAs0.02-0.04Sb，厚度为200-400nm。3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述的绝缘层为SiO2或者SiN，厚度为100-300nm。4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述的量子阱为非掺杂的In0.2-0.5GaAs0.02-0.1Sb四元化合物材料，厚度为10-15nm；所述的势垒层为五元Al0.3-0.4GaInAs0.02-0.04Sb五元化合物材料，其厚度为10-30nm。5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，当量子阱个数为1时，所述的有源区只具有1个量子阱；当量子阱个数为n＞1个时，所述的有源区除了具有1个量子阱外，还具有n-1个量子阱和n-1个AlGaInAsSb势垒层，且量子阱和AlGaInAsSb势垒层彼此相间叠加。6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述的激光器还包括N型GaSb衬底，以及在N型GaSb衬底基础上自下而上依次具备N型GaSb缓冲层、N型AlGaInAsSb下限制层、非掺杂AlGaInAsSb下波导层、P型AlGaInAsSb上限制层、P型GaSb缓冲层。7.根据权利要求1或6所述的激光器，其特征在于，所述的包括N型AlGaInAsSb下限制层、非掺杂AlGaInAsSb下波导层、有源区(包括I...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖永平，张宇，魏思航，郝宏玥，徐应强，牛智川，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11