利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法技术

技术编号:20116284 阅读:24 留言:0更新日期:2019-01-16 11:48
本发明专利技术公开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,作为促进蓝移的金属膜;在电流注入区生长第一掩膜层,覆盖于铜的上方,在非电流注入区生长第二掩膜层,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刻蚀掉,将第二掩膜层保留,以提供电流限制作用;以及依次制作P面电极和N面电极,完成半导体激光器的制作。该方法退火温度低,掩膜的采用有效地防止砷等V族元素的外溢,保证了退火后外延片具有较高的晶体质量,工艺简单、重复性高、耗时短、成本低、利于大批量生产。

Fabrication of Semiconductor Lasers by Impurity Induced Hybridization

The invention discloses a method for fabricating semiconductor lasers by using impurity-induced hybrid technology, which includes: fabricating epitaxial wafers; etching current injection and non-current injection areas on epitaxial wafers; photolithography of window areas at the front cavity surface in the current injection area; deposition of a layer of copper on the window areas at the front cavity surface as a metal film to promote blue shift; and growth of a first mask layer in the current injection area. The second mask layer is coated on the top of copper and annealed in the non-current injection region to achieve quantum well mixing in the front window region; the first mask layer is etched out by lithography, and the second mask layer is retained to provide current limiting effect; and the P-plane electrode and N-plane electrode are fabricated sequentially to complete the fabrication of semiconductor lasers. The annealing temperature is low, the mask is used to effectively prevent the spillover of V group elements such as arsenic, which ensures that the annealed epitaxy sheet has high crystal quality, simple process, high repeatability, short time-consuming, low cost and is conducive to mass production.

【技术实现步骤摘要】
利用杂质诱导混杂技术制作半导体激光器的方法
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
(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,本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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。

【技术特征摘要】
1.一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。2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述第一掩膜层(410)和第二掩膜层(420)均为抑制量子阱混杂的介质膜。3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述第一掩膜层(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;所述第一掩膜层(410)的材料为二氧化硅;所述第二掩膜层(420)的材料为如下材料中的一种:二氧化硅和氮化硅;所述第一掩膜层(410)和第二掩膜层(420)的厚度均介于50nm~500nm之间。4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述外延片的制备包括: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。5.根据权利要求4所述的方法,其中,所述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)...

【专利技术属性】
技术研发人员:侯继达熊聪刘素平马骁宇
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

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