CN101316025A - 红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，公开了一种红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，包括：在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；在外延片上光刻腐蚀出光台面；在出光台面上淀积电绝缘膜；在电绝缘膜上制备P面电极；对N型衬底减薄抛光后制备N面电极；将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在激光器前后腔面蒸镀增透膜和高反膜；将单管芯激光器烧结到铜热沉上；采用柱透镜压缩半导体激光器的垂直发散角；采用自聚焦透镜将半导体激光器的光束压缩聚焦并耦合到多模光纤中。本发明利于制备大功率的半导体激光器。

Description

红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种红光大功率半导体激光器光纤耦合模块的制备方法。

背景技术

半导体激光器由于其体积小、寿命长、电光转化效率高等优点广泛应用于光存储、光显示、光通信等领域。其中激射波长在630nm到690nm的红光半导体激光器所用材料为铝镓铟磷系，在光存储、医疗、激光显示等领域有着广泛的应用前景，具体的应用领域主要取决于激光器的输出功率、光束发散角、器件可靠性等参数。

例如输出功率小于200mW、基横模的铝镓铟磷半导体激光器主要用于光存储领域，如只读式的DVD和可擦写的DVD-RAM等，其读写速度主要取决于核心器件-半导体激光器的输出功率；而更高输出功率的铝镓铟磷半导体激光器可用于激光显示、医疗及生物中的激光遗传育种等领域。

目前技术比较成熟的红光半导体激光器均采用边发射激光器，它是直接利用半导体材料的自然解理面来做谐振腔面，工艺简单、晶面完美。尽管其电光转换效率高、体积小、寿命长，但边发射激光器所固有的一些缺陷，如光束发散角大、光束质量差等问题的存在，给实际应用带来了很大困难。

众所周知，边发射量子阱半导体激光器的输出光斑是椭圆形的不对称光斑。造成边发射激光器光斑不对称的主要原因是有源区材料的不对称，尤其是目前广泛应用的量子阱半导体激光器，量子阱激光器是由注入有源区的过剩载流子(电子或空穴)在达到粒子数反转时发生受激辐射复合而形成的激光。

从材料组份来讲，量子阱是由一种窄带隙材料夹在上下两层宽带隙材料组成的，中间的窄带隙材料通常是一个超薄层，可由金属有机化合物气相沉淀法(MOCVD)或分子束外延技术(MBE)生长而成，沿生长方向也就是横向，有源层的厚度只有几个或几十个纳米。而从侧向的器件结构来讲，小功率激光器的脊形光波导台面一般为几个微米，大功率激光器的台面可到数百微米，这种外延方向与脊形台面方向材料种类和尺寸的不对称导致了激光器端面输出光斑的不对称，通常垂直于脊形台面的垂直发散角比较大，一般为三、四十度，平行于脊形台面的平行发散角比较小，为十度左右。

为了改善边发射激光器的光束质量以满足实际应用，通常是采用某种微光学***先对大发散角的半导体激光光束进行准直、整形、变换，然后再将发散角已减小的激光光束耦合到光纤中。由于光纤为圆对称的，因此这种方法可以从根本上改善半导体激光器的输出光斑，同时又可以利用光纤柔软可弯曲的特点，因此半导体激光器光纤模块有着更广泛的实际应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，以制备出高功率的铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，该方法包括：

A、在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；

B、在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；

C、在外延片上光刻腐蚀出光台面；

D、在出光台面上淀积电绝缘膜；

E、在电绝缘膜上制备P面电极；

F、对N型衬底减薄抛光后制备N面电极；

G、将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在激光器前后腔面蒸镀增透膜和高反膜；

H、将单管芯激光器烧结到铜热沉上；

I、采用柱透镜压缩半导体激光器的垂直发散角；

J、采用自聚焦透镜将半导体激光器的光束进一步压缩聚焦并耦合到多模光纤中。

上述方案中，步骤A中所述N型镓砷衬底为(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，所述步骤A包括：选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉淀法在选用的N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2和N型镓铟磷缓冲层3。

上述方案中，所述步骤B包括：在所述镓铟磷缓冲层3上依次外延生长N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、有源区6、铝镓铟磷上光波导层7、P型铝镓铟磷上限制层8、重掺杂的P型镓铟磷带间层9和重掺杂的P型镓砷欧姆接触层10。

上述方案中，所述N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、铝镓铟磷上光波导层7和P型铝镓铟磷上限制层8的材料均采用铝镓铟磷，且N型铝镓铟磷下限制层4和P型铝镓铟磷上限制层8中的铝组分高于铝镓铟磷下光波导层5和铝镓铟磷上光波导层7中的铝组分，用于形成分别限制异质结构；

所述有源区6由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成，为镓铟磷和铝镓铟磷材料系形成的压应变量子阱，有源区6与光波导层和上下限制层共同形成分别限制异质结构。

上述方案中，所述步骤C包括：在外延片上进行光刻保留台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀台面以外的镓砷欧姆接触层，形成一定宽度的台面，腐蚀台面后不去光刻胶。

上述方案中，所述台面的宽度与器件的输出功率紧密相关，宽度为20至300微米。

上述方案中，所述步骤D包括：在台面上采用附带光刻胶低温淀积的方法淀积一层二氧化硅或氮化硅，随后再采用剥离的方法去掉光刻胶。

上述方案中，所述附带光刻胶低温淀积的方法为电子回旋共振等离子体化学气相沉积法ECR plasma CVD，所述淀积的二氧化硅或氮化硅的厚度为50至400纳米，所述剥离采用丙酮。

上述方案中，步骤F和步骤E中所述的P面和N面电极，其材料为与砷化镓形成良好欧姆接触的电极材料。

上述方案中，步骤H中所述烧结采用焊料进行，所述焊料为铟焊料，或为金锡合金焊料。

上述方案中，所述步骤I包括：采用单一折射率光纤做为柱透镜，压缩半导体激光器垂直发散角，并将柱透镜蒸镀增透膜。

上述方案中，步骤J中所述自聚焦透镜和多模光纤的端面分别蒸镀增透膜。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，激光器芯片采用压应变量子阱结构，芯片制备具有防漏电功能的宽接触，利于制备大功率的半导体激光器。

2、本发明提供的这种红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，制备工艺简单、出纤激光功率高。

附图说明

图1为本发明提供的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法流程图；

图2为本发明制备的红光铝镓铟磷半导体激光器的三维结构示意图；

图3为本发明制备的红光铝镓铟磷半导体激光器与光纤耦合的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，激光器芯片采用压应变量子阱结构，芯片制备具有防漏电功能的宽接触，利于制备大功率的半导体激光器。

如图1所示，图1为本发明提供的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤101：在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；

步骤102：在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；

步骤103：在外延片上光刻腐蚀出光台面；

步骤104：在出光台面上淀积电绝缘膜；

步骤105：在电绝缘膜上制备P面电极；

步骤106：对N型衬底减薄抛光后制备N面电极；

步骤107：将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在激光器前后腔面蒸镀增透膜和高反膜；

步骤108：将单管芯激光器烧结到铜热沉上；

步骤109：采用柱透镜压缩半导体激光器的垂直发散角；

步骤110：采用自聚焦透镜将半导体激光器的光束进一步压缩聚焦并耦合到多模光纤中。

针对上述本发明提供的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法流程图，以下结合图2所示的本发明制备的红光铝镓铟磷半导体激光器的三维结构示意图，对本发明进一步详细说明。

上述步骤101中所述N型镓砷衬底为(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，所述步骤101包括：选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉淀法在选用的N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2和N型镓铟磷缓冲层3。在本步骤中，选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，这是因为偏角衬底一方面能抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成；另外一方面还能提高限制层中P型杂质的掺杂浓度，提高电子的有效势垒，抑制有源区中电子的泄漏，这有利于制备大功率半导体激光器，且有更高的工作温度；镓铟磷和镓砷缓冲层是为了提高后续材料的生长质量。

上述步骤102包括：在所述镓铟磷缓冲层3上依次外延生长N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、有源区6、铝镓铟磷上光波导层7、P型铝镓铟磷上限制层8、P型镓铟磷带间层9和重掺杂的P型镓砷欧姆接触层10。

其中，N型铝镓铟磷下限制层4、铝镓铟磷下光波导层5、铝镓铟磷上光波导层7和P型铝镓铟磷上限制层8的材料均采用铝镓铟磷，且N型铝镓铟磷下限制层4和P型铝镓铟磷上限制层8中的铝组分高于铝镓铟磷下光波导层5和铝镓铟磷上光波导层7中的铝组分，用于形成分别限制异质结构。有源区6由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成，为镓铟磷和铝镓铟磷材料系形成的压应变量子阱，有源区6与光波导层和上下限制层共同形成分别限制异质结构。P型镓铟磷带间层9的作用是有利于载流子在器件中的输运。

上述步骤103包括：在外延片上进行光刻保留台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀台面以外的镓砷欧姆接触层，形成一定宽度的台面，腐蚀台面后不去光刻胶。

在步骤103中，所述台面的宽度与器件的输出功率紧密相关，一般宽度为20至300微米。

上述步骤104包括：在台面上采用附带光刻胶低温淀积的方法淀积一层二氧化硅或氮化硅，随后再采用剥离的方法去掉光刻胶。所述附带光刻胶低温淀积的方法为电子回旋共振等离子体化学气相沉积法(ECR plasmaCVD)，这种方法真空度高；所述淀积的二氧化硅或氮化硅的厚度为50至400纳米，由于淀积过程中台面上留有光刻胶，为防止光刻胶在高温环境中发生化学变化，可在较低温度下淀积；淀积的绝缘膜二氧化硅或氮化硅是用来隔离电注入的，要求淀积的薄膜几乎没有针孔、致密度高、绝缘性能好。所述剥离可以采用只溶解光刻胶、但不溶解绝缘膜的液体，比如丙酮。

其中步骤105和106中的P面和N面电极，是可以和砷化镓形成良好欧姆接触的电极材料。

上述步骤107包括：将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在前、后腔面分别蒸镀增透膜和高反膜；这样一方面可以调节前后腔面的出光比例，另一方面又可以保护激光器的腔面。

上述步骤108中所述的烧结采用焊料进行，所述焊料一般为铟焊料，也可以为金锡合金焊料。

上述步骤109包括：采用单一折射率光纤做为柱透镜，压缩半导体激光器垂直发散角，并将柱透镜蒸镀增透膜。具体是这样进行的：取一根长度和铜热沉相匹配的光纤棒做为柱透镜，沿激光器侧向放置，其主要目的是可以将激光器的垂直发散角进行压缩，通常可以把三、四十度的发散角压缩到几度，使之符合光纤的耦合条件；另一方面为防止透镜端面的反射光影响，可以先对柱透镜蒸镀增透膜。

上述步骤110包括：采用自聚焦透镜对光束进一步进行压缩，使激光更容易被耦合进光纤；光纤芯径的选择可参考激光器出光面的尺寸；为防止透镜和光纤端面的反射光影响，可以先对自聚焦透镜和光纤端面蒸镀增透膜。

基于图1所示的本发明红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法流程图，以及图2所示的红光铝镓铟磷半导体激光器的三维结构示意图，以下结合图3所示的红光铝镓铟磷半导体激光器与光纤耦合的示意图，对本发明红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法进一步详细说明。

实施例

请参阅图2和图3，本发明提供的红光铝镓铟磷大功率半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其器件的具体结构和制备工艺包含如下步骤：

(1)选用N型偏角镓砷衬底1，采用金属有机化合物气相沉淀法在N型镓砷衬底1上外延生长N型镓砷缓冲层2和N型镓铟磷缓冲层3。

(2)在N型镓铟磷缓冲层3上依次外延生长高铝组分的N型铝镓铟磷下包层4、低铝组分的铝镓铟磷下光波导层5、有源区6、低铝组分的铝镓铟磷上光波导层7、高铝组分的P型铝镓铟磷上包层8、P型镓铟磷带间层9、重掺杂的P型镓砷欧姆接触层10；包层和光波导层的材料均采用铝镓铟磷，但包层中的铝组分高于光波导层中铝组分。

(3)通过光刻保留台面上的光刻胶；将此光刻胶做化学腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀台面以外的镓砷欧姆接触层，形成一定宽度的台面11，腐蚀台面后不去光刻胶。

(4)在已制备好的台面上附带光刻胶淀积电绝缘膜，用丙酮等有机溶剂剥离脊形台面上方的光刻胶及电绝缘膜。

(5)在已形成台面的镓砷欧姆接触层上制备P面电极。

(6)将N面衬底减薄、抛光并制备N面电极。

(7)将具有P、N电极的片子解理做为谐振腔面，并在前、后腔面分别蒸镀增透膜和高反膜，并解理成单管芯。

(8)将单管芯激光器13用焊料烧结在铜热沉12上。

(9)选用与光纤芯径差不多的光纤棒14做柱透镜，对激光器的快轴进行压缩。

(10)用自聚焦透镜15对光束进一步聚集后，耦合到红光用多模光纤16中。

本发明提供的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，制备工艺简单、出纤激光功率高。具体工艺包括用金属有机化合物气相沉淀法在N型偏角镓砷衬底上进行镓铟磷和铝镓铟磷材料生长，光刻形成一定宽度的出光台面，制备红光铝镓铟磷激光器管芯并烧结到铜热沉上，用透镜先将发散角进行一定的角度压缩后再耦合到红光多模光纤中。

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

Claims (12)

1、一种红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，该方法包括：

A、在N型镓砷衬底上依次制备镓砷缓冲层和镓铟磷缓冲层；

B、在镓铟磷缓冲层上依次制备铝镓铟磷限制层、光波导层和有源层，并形成分别限制异质结构；

C、在外延片上光刻腐蚀出光台面；

D、在出光台面上淀积电绝缘膜；

E、在电绝缘膜上制备P面电极；

F、对N型衬底减薄抛光后制备N面电极；

G、将具有P、N电极的片子解理成条作为激光器的谐振腔面，并在激光器前后腔面蒸镀增透膜和高反膜；

H、将单管芯激光器烧结到铜热沉上；

I、采用柱透镜压缩半导体激光器的垂直发散角；

J、采用自聚焦透镜将半导体激光器的光束进一步压缩聚焦并耦合到多模光纤中。

2、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，步骤A中所述N型镓砷衬底为(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，所述步骤A包括：

选用(100)面偏<111>A方向15°的N型偏角镓砷衬底，采用金属有机化合物气相沉淀法在选用的N型镓砷衬底(1)上外延生长N型镓砷缓冲层(2)和N型镓铟磷缓冲层(3)。

3、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，所述步骤B包括：

在所述镓铟磷缓冲层(3)上依次外延生长N型铝镓铟磷下限制层(4)、铝镓铟磷下光波导层(5)、有源区(6)、铝镓铟磷上光波导层(7)、P型铝镓铟磷上限制层(8)、重掺杂的P型镓铟磷带间层(9)和重掺杂的P型镓砷欧姆接触层(10)。

4、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，

所述N型铝镓铟磷下限制层(4)、铝镓铟磷下光波导层(5)、铝镓铟磷上光波导层(7)和P型铝镓铟磷上限制层(8)的材料均采用铝镓铟磷，且N型铝镓铟磷下限制层(4)和P型铝镓铟磷上限制层(8)中的铝组分高于铝镓铟磷下光波导层(5)和铝镓铟磷上光波导层(7)中的铝组分，用于形成分别限制异质结构；

所述有源区(6)由镓铟磷量子阱和铝镓铟磷量子垒组成，为镓铟磷和铝镓铟磷材料系形成的压应变量子阱，有源区(6)与光波导层和上下限制层共同形成分别限制异质结构。

5、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，所述步骤C包括：

在外延片上进行光刻保留台面上的光刻胶，将此光刻胶做腐蚀的掩蔽膜层，腐蚀台面以外的镓砷欧姆接触层，形成一定宽度的台面，腐蚀台面后不去光刻胶。

6、根据权利要求5所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，所述台面的宽度与器件的输出功率紧密相关，宽度为20至300微米。

7、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，所述步骤D包括：

在台面上采用附带光刻胶低温淀积的方法淀积一层二氧化硅或氮化硅，随后再采用剥离的方法去掉光刻胶。

8、根据权利要求7所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，所述附带光刻胶低温淀积的方法为电子回旋共振等离子体化学气相沉积法ECR plasma CVD，所述淀积的二氧化硅或氮化硅的厚度为50至400纳米，所述剥离采用丙酮。

9、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，步骤F和步骤E中所述的P面和N面电极，其材料为与砷化镓形成良好欧姆接触的电极材料。

10、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，步骤H中所述烧结采用焊料进行，所述焊料为铟焊料，或为金锡合金焊料。

11、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，所述步骤I包括：

采用单一折射率光纤做为柱透镜，压缩半导体激光器垂直发散角，并将柱透镜蒸镀增透膜。

12、根据权利要求1所述的红光铝镓铟磷半导体激光器光纤耦合模块的制备方法，其特征在于，步骤J中所述自聚焦透镜和多模光纤的端面分别蒸镀增透膜。

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