CN104682195A - 一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，包括N面电极1、具有隧道结结构的外延结构，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层8，电绝缘层上层叠P面电极9。本发明提供的这种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，减少了P型限制层中空穴的损耗，提高了载流子的注入效率，从而提高了器件的输出功率；同时消除了某些半导体P型重掺杂较为困难的问题，降低了器件的工作电压，从而提高了半导体激光器的功率转化效率。本发明提供的这种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，广泛适用于各种材料系的边发射半导体激光器。

Description

一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光器发展至今已有将近60年的发展历史，在这期间无论国外还是国内都在半导体外延材料、激光器结构设计、激光器工艺制备和器件封装等方面进行了***的研究。半导体激光器以其重量轻、价格便宜、寿命长及易集成等优点广泛用于光纤通信、机械加工、光盘存取、生物医学、光谱分析和光信息处理等重要领域。

随着研究的深入，为了进一步满足工业和军事要求，半导体激光器功率的提高以及工作电压的降低成为研究的热点，为此研究者们尝试了很多的办法。早期研究者通过改变电极材料来改善金属与半导体接触，从而实现注入效率的提高。后来研究者在工艺上通过改变合金温度和时间来改善金属与半导体的接触。但这些方法都无法较大程度控制P型欧姆接触的空穴损耗，并且有些半导体材料的P型掺杂本身就很困难，这样要实现良好的欧姆接触就显得比较困难。因此急需新的结构来实现具有高注入效率及低工作电压的半导体激光器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器及其制备方法，改善载流子的注入效率及器件的工作电压，降低激光器的阈值电流，提高激光器的输出功率及光电转化效率。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，包括N面电极、具有隧道结结构的外延结构，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层，所述电绝缘层上光刻出引线孔，电绝缘层上层叠P面电极。

本发明的有益效果是：本发明提供的这种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，减少了P型限制层中空穴的损耗，提高了载流子的注入效率，从而提高了器件的输出功率；同时消除了某些半导体P型重掺杂较为困难的问题，降低了器件的工作电压，从而提高了半导体激光器的功率转化效率。本发明提供的这种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，广泛适用于各种材料系的边发射半导体激光器。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述具有隧道结结构的外延结构包括依次层叠的半导体衬底层波导结构区域、隧道结结构和N型欧姆接触层。

采用上述进一步方案的有益效果：所述隧道结结构的引入降低了器件的内部损耗以及器件的工作电压；所述N型欧姆接触层与P面电极形成上电极，形成了具有隧道结结构的边发射半导体激光器，由于很多半导体材料的P型欧姆接触不好形成，从而会导致开启电压变大，但半导体材料的N型欧姆接触都会比较容易实现，最终达到降低器件的开启电压的效果。

进一步，所述波导结构区域包括依次层叠的N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层和P型限制层。

进一步，限制层、波导层和多量子阱有源区的折射率依次升高，从而在横向形成三层波导结构，使得多量子阱有源区发出的光被限制在多量子阱有源区中，其中所述限制层包括N型限制层和P型限制层,所述波导层包括N型波导层和P型波导层。

采用上述进一步方案的有益效果：使光能集中的从有源区中发射出来，从而提高激光器的输出光功率密度，方便激光功率的耦合输出。

进一步，所述的隧道结结构包括依次层叠的P型的重掺杂层和N型的重掺杂层。

采用上述进一步方案的有益效果：使得P型波导层中的空穴浓度大大提高，提高器件的载流子注入效率，提高器件的斜率效率和输出功率。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，包括如下步骤：

步骤1，外延生成具有隧道结结构的外延结构；

步骤2，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台；

步骤3，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层；

步骤4,在电绝缘层上光刻出引线孔；

步骤5，在电绝缘层上制备P面电极；

步骤6，对具有隧道结结构的外延结构的衬底进行减薄抛光处理，进而制备N面电极。

本发明的有益效果是：本发明在工艺实现上只增加了MOCVD外延过程中的层数，增加了隧道结结构，以及N型重掺杂层，制作工艺简单、成本低、重复性好。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，其特征在于，步骤1的具体实现为在半导体衬底层上依次外延波导结构区域、隧道结结构和N和型欧姆接触层。

进一步，所述波导结构区域包括依次层叠的N型限制层、N型波导层、多量子阱有源区、P型波导层和P型限制层。

进一步，限制层、波导层和多量子阱有源区的折射率依次升高，从而在横向形成三层波导结构，使得多量子阱有源区发出的光被限制在多量子阱有源区中，其中所述限制层包括N型限制层和P型限制层,所述波导层包括N型波导层和P型波导层。

进一步，所述的隧道结结构包括依次层叠的P型的重掺杂层和N型的重掺杂层。

附图说明

图1为本发明所述一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器的侧向剖面示意图；

图2为本发明所述一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法流程图；

图3为本发明所述一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器的立体示意图

图4为本发明所述具有隧道结结构的边发射半导体激光器的P-I-V特性曲线与普通边发射激光器的P-I-V特性曲线的对比图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、N面电极，2、半导体衬底层，3、N型限制层，4、N型波导层，5、多量子阱有源区，6、P型波导层，7、P型限制层，8、电绝缘层，9、P面电极，10、N型重掺杂层，11、P型重掺杂层，12、N型欧姆接触层，13、引线孔，14、隧道结结构，15、窗口结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，包括N面电极1、具有隧道结结构的外延结构，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层8，所述电绝缘层8上光刻出引线孔13，电绝缘层上层叠P面电极9。本发明中所述隧道结结构的引入抑制了器件内部的吸收损耗，提高了器件的斜率效率和输出功率。此外，对于某些半导体材料，P型重掺杂比较困难。因此在P面，金属电极与半导体材料的欧姆接触较难形成，从而使得器件的工作电压较大，隧道结的引入可以利用金属电极与N型重掺杂的半导体材料形成良好的欧姆接触，从而降低器件的工作电压，从而提高器件的光电转化效率。

所述具有隧道结结构的外延结构包括依次层叠的半导体衬底层2、波导结构区域、隧道结结构14和N型欧姆接触层12。所述波导结构区域包括依次层叠的N型限制层3、N型波导层4、多量子阱有源区5、P型波导层6和P型限制层7。所述的隧道结结构14包括依次层叠的P型的重掺杂层11和N型的重掺杂层10。所述半导体陈底层采用N型半导体衬底。

本实施例中，所述电绝缘层8采用二氧化硅绝缘层。

如图2所示，一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，包括如下步骤：

步骤1，外延生成具有隧道结结构的外延结构。

具体地，在N型镓砷衬底上依次制备N型铝镓砷限制层、N型铝镓砷光波导层、铟镓砷或镓砷量子阱有源层、P型铝镓砷光波导层、P型铝镓砷限制层、P型镓砷重掺杂层、N型镓砷重掺杂层、N型镓砷欧姆接触层，其中P型镓砷重掺杂层和N型镓砷重掺杂层组成隧道结结构，形成了具有隧道结结构的半导体激光器的外延结构。所述N型半导体层为(100)面偏<111>方向15°N型偏角镓砷衬底。选用(100)面偏<111>方向15°N型偏角镓砷衬底一方面能抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成；另一方面还能提高限制层中P型杂志掺杂浓度，提高电子的有效势垒，抑制有源区的电子泄露，有利于制备大功率半导体激光器。

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在N型偏角镓砷衬底上进行外延。

步骤2，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台。

具体地，将具有隧道结结构的外延结构上旋涂满光刻胶，通过显影将脊形台面以外区域的光刻胶去除，再利用湿法腐蚀方法腐蚀出脊形台面。

步骤3，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层8。

具体地，在具有隧道结结构的外延结构上采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)淀积一层电绝缘层8，该绝缘层为二氧化硅层。

步骤4，在电绝缘层8上光刻出引线孔13。

具体地，在长好电绝缘层8的外延结构的脊形台面上利用湿法刻蚀法光刻出引线孔13，上述的引线孔13的宽度比脊形台面的宽度小。

步骤5，在电绝缘层上制备P面电极。

具体地，在具有隧道结结构上制备P面电极9，该P面电极9为能与N型镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料，该P面电极9厚度一般超过1um，所述的P面电极9采用溅射的方法制备。

步骤6，对具有隧道结结构的外延结构的衬底进行减薄抛光处理，进而制备N面电极。

具体地，为了减少器件的体电阻，利用机械减薄的方法将外延片上减薄，减薄的厚度一般为将外延片减薄至120um-140um即可。然后制备N面电极1，该N面电极1为能与N型镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料，该N面电极1厚度一般超过1um，所述的N面电极1采用溅射的方法制备。

如图3所示，该方法在步骤2和步骤3之间还可以进一步包括：在具有隧道结结构的外延结构上光刻出窗口结构15。

具体地，将具有隧道结结构的外延结构上旋涂满光刻胶，通过显影将窗口区域15的光刻胶去除，再利用湿法腐蚀方法腐蚀出窗口结构15。

该方法在步骤5和步骤6之间还可以进一步包括，在长好P面电极的具有隧道结结构的外延结构上光刻出解理线。

具体地，由于P面电极9采用厚金工艺，为了方便后续解理工艺，需要通过光刻形成解理线。在长好P面电极9的外延片上利用湿法腐蚀法光刻出解理线，上述解理线的宽度为15um-25um。

该方法在步骤6之后还可以进一步包括：将具有电极的外延片解成条，在激光器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜。这样便可以提高激光器的输出功率，还能保护激光器的腔面。

如图4所示，具有隧道结结构的边发射半导体激光器P-I-V特性曲线与普通边发射激光器对比图，其中实线-I-V曲线为具有隧道结结构的边发射半导体激光器的P-I-V曲线，虚线-I-V曲线为普通结构的边发射半导体激光器的P-I-V曲线，从图中可以看出具有隧道结结构的半导体激光器的阈值电流较小，开启电压较小，输出光功率较大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，其特征在于，包括N面电极(1)、具有隧道结结构的外延结构，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层(8)，所述电绝缘层(8)上光刻出引线孔(13)，电绝缘层(8)上层叠P面电极(9)。

2.根据权利要求1所述一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，其特征在于，所述具有隧道结结构的外延结构包括依次层叠的半导体衬底层(2)、波导结构区域、隧道结结构(14)和N型欧姆接触层(12)。

3.根据权利要求2所述一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，其特征在于，所述波导结构区域包括依次层叠的N型限制层(3)、N型波导层(4)、多量子阱有源区(5)、P型波导层(6)和P型限制层(7)。

4.根据权利要求3所述一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，其特征在于，限制层、波导层和多量子阱有源区(5)的折射率依次升高，从而在横向形成三层波导结构，使得多量子阱有源区(5)发出的光被限制在多量子阱有源区(5)中,其中所述限制层包括N型限制层(3)和P型限制层(7),所述波导层包括N型波导层(4)和P型波导层(6)。

5.根据权利要求2所述一种具有隧道结结构的边发射半导体激光器，其特征在于，所述的隧道结结构(14)包括依次层叠的P型的重掺杂层(11)和N型的重掺杂层(10)。

6.一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，外延生成具有隧道结结构的外延结构；

步骤2，光刻具有隧道结结构的外延结构两侧形成脊形台；

步骤3，在形成脊形台的外延结构表面沉淀电绝缘层；

步骤4：在电绝缘层上光刻出引线孔；

步骤5，在电绝缘层上制备P面电极；

步骤6，对具有隧道结结构的外延结构的衬底进行减薄抛光处理，进而制备N面电极。

7.根据权利要求6所述一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，其特征在于，步骤1的具体实现为在半导体衬底层上依次外延波导结构区域、隧道结结构(14)和N和型欧姆接触层(12)。

8.根据权利要求7所述一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，其特征在于，所述波导结构区域包括依次层叠的N型限制层(3)、N型波导层(4)、多量子阱有源区(5)、P型波导层(6)和P型限制层(7)。

9.根据权利要求8所述一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，其特征在于，限制层、波导层和多量子阱有源区(5)的折射率依次升高，从而在横向形成三层波导结构，使得多量子阱有源区(5)发出的光被限制在多量子阱有源区(5)中，其中所述限制层包括N型限制层(3)和P型限制层(7),所述波导层包括N型波导层(4)和P型波导层(6)。

10.根据权利要求7所述一种制备具有隧道结结构的边发射半导体激光器的方法，其特征在于，所述的隧道结结构(14)包括依次层叠的P型的重掺杂层(11)和N型的重掺杂层(10)。