CN107645122A - 脊形半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脊形半导体激光器，包括衬底、形成于所述衬底上的外延结构，所述外延结构的顶部具有脊形半导体层，所述脊形半导体层包括脊形部以及位于脊形部两侧的第一台阶部和第二台阶部；在所述脊形部的两侧面以及所述第一台阶部和第二台阶部的上表面，应用离子注入工艺分别形成有离子注入层。本发明提出的半导体激光器能够抑制载流子向脊形两侧的扩展，提高载流子的注入效率。此外，P型氮化铝镓上限制层与N型氮化铝镓离子注入层形成P‑N结，当激光器工作在正向时，此P‑N结工作在反向，漏电较小，即使激光器无绝缘层，也可以阻止电流从脊形部两侧注入。

Description

脊形半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种脊形半导体激光器及其制作方法。

背景技术

随着第一代和第二代半导体的发展，第三代半导体应运而生，尤其是Ⅲ族氮化物半导体GaN、AlN、InN及其三元四元合金化合物具有临界击穿电压高、介电常数小、抗辐射能力强、电子迁移率高和化学稳定性好等优良的物理和化学性质，在光电子学和微电子学领域内有巨大的应用价值。氮化镓基半导体材料内、外量子效率高，具备高发光效率，高热导率、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是目前世界上最先进的半导体材料，可制成高效蓝、绿、紫、白色发光二极管和激光器。用氮化镓基半导体材料研制成的氮化镓基激光器在国防安全领域和光信息存储、激光全色显示、激光打印、大气环境监测、水下通信、双色激光探测等领域具有重要的应用价值。

对于氮化镓基激光器，注入效率特别重要，其影响激光器的阈值电流和斜率效率，以及激光器的寿命。另外脊形波导氮化镓基激光器可以实现光和载流子的二维限制，电流流过二氧化硅绝缘层上的脊形注入到激光器的有源区。但是由于电流在注入过程中会向脊形两侧扩展，从而降低了载流子的注入效率，降低激光器的斜率效率和输出功率，阻碍了氮化镓基激光器在实际生活中的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出的脊形半导体激光器能够抑制载流子向脊形部两侧的扩展，提高载流子的注入效率。

本发明提出的具体技术方案为：提供一种脊形半导体激光器，包括衬底、形成于所述衬底上的外延结构，所述外延结构的顶部具有脊形半导体层，所述脊形半导体层包括脊形部以及位于脊形部两侧的第一台阶部和第二台阶部；在所述脊形部的两侧面以及所述第一台阶部和第二台阶部的上表面，应用离子注入工艺分别形成有离子注入层。

进一步地，所述脊形半导体层为P型半导体，所述离子注入层为N型半导体，所述脊形半导体层和所述离子注入层之间形成P-N结。

进一步地，所述第一台阶部和第二台阶部中未注入离子区域的厚度为15～25nm。

进一步地，所述脊形部的宽度为4～10μm。

进一步地，所述第一台阶部与所述第二台阶部对称位于所述脊形部的两侧。

进一步地，所述外延结构包括依次设置于所述衬底上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层以及上限制层，所述上限制层为所述脊形半导体层。

进一步地，所述衬底的底部形成有底电极；所述脊形部上依次形成有欧姆接触层及顶电极，所述离子注入层与所述顶电极之间形成有绝缘层。

进一步地，所述衬底的材质为自支撑氮化镓，所述缓冲层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述下限制层的材质为N型掺杂的氮化铝镓，所述下波导层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述电子阻挡层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述上波导层的材质为P型掺杂的氮化镓，所述上限制层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述欧姆接触层的材质为P型掺杂的氮化镓，所述绝缘层的材质为二氧化硅，所述有源层为量子阱，其包括多个周期交替生长的氮化镓势垒层和氮化铟镓势阱层。

进一步地，所述欧姆接触层至少完全覆盖所述脊形部的顶部，所述脊形部的厚度大于所述欧姆接触层的厚度。本发明还提供

一种如上所述的脊形半导体激光器的制作方法，包括步骤：

提供一衬底并在所述衬底上依次生长形成有外延结构；

应用刻蚀工艺刻蚀所述外延结构，在所述外延结构的顶部形成脊形半导体层，所述脊形半导体层包括脊形部以及位于脊形部两侧的第一台阶部和第二台阶部；

在所述脊形部的两侧面以及所述第一台阶部和第二台阶部的上表面，应用离子注入工艺分别形成有离子注入层。

本发明提出的脊形半导体激光器相对于现有技术具有以下优点：

(1)在脊形部的两侧面以及第一台阶部和第二台阶部的上表面应用离子注入硅工艺分别形成有一层薄层N型氮化铝镓离子注入层，与剩余的P型氮化铝镓上限制层形成一个空间电荷区，一方面空间电荷区内存在较强的内建电场，会阻挡两边的多数载流子向脊形部两侧的扩散，电流注入时可以抑制空穴载流子向脊形部两侧的扩展，从而提高载流子的注入效率。

(2)P型氮化铝镓上限制层与N型氮化铝镓离子注入层形成P-N结，当激光器工作在正向时，此P-N结工作在反向，漏电较小，即使激光器无绝缘层，也可以阻止电流从脊形部两侧注入。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1为本发明半导体激光器的结构示意图；

图2为本发明半导体激光器的具体的结构示意图；

图3a至图3f为本发明半导体激光器的制作流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

参照图1，本实施例提供的脊形半导体激光器，包括衬底10，衬底10的顶部形成有外延结构20，外延结构20的顶部具有脊形半导体层21，脊形半导体层21包括脊形部210以及位于脊形部两侧的第一台阶部211和第二台阶部212；在脊形部210的两侧面以及第一台阶部211和第二台阶部212的上表面，应用离子注入工艺分别形成有离子注入层213。

衬底10的材质为氮化镓、蓝宝石或碳化硅，优选的，衬底10的材质为自支撑氮化镓。脊形半导体层21为P型半导体，离子注入层213为N型半导体，脊形半导体层21和离子注入层213之间形成P-N结。其中，第一台阶部211和第二台阶部212中未注入离子区域的厚度为15～25nm，优选的，第一台阶部211与第二台阶部212对称位于脊形部210的两侧。外延结构20的顶部具有脊形部210能够形成横向的光场限制和电流限制，脊形部210的不同宽度对于电流扩展的影响不同，脊形部210的宽度越宽，其对电流扩展的影响越小，而阈值电流会增加，所以，本实施例中脊形部210的宽度为4～10μm。

具体的，衬底10的底部形成有底电极30，脊形部210上依次形成有欧姆接触层40及顶电极50，离子注入层213与顶电极50之间形成有绝缘层60，绝缘层60至少完全覆盖离子注入层213以及欧姆接触层40的两侧面。欧姆接触层40的材质为P型掺杂的氮化镓，其用于与顶电极50形成欧姆接触，其中，欧姆接触层40至少完全覆盖脊形部210的顶部；脊形部210的厚度大于欧姆接触层40的厚度，在实际制作过程中，脊形部210的厚度根据欧姆接触层40的厚度来确定。离子注入层213的材质为N型的氮化铝镓，绝缘层60的材质为二氧化硅，其用于防止电流泄漏。底电极30和顶电极50为金属电极，用于形成欧姆接触，便于引出电极引线。

参照图2，外延结构20包括依次设置于衬底10上的的缓冲层22、下限制层23、下波导层24、有源层25、电子阻挡层26、上波导层27以及上限制层，这里的上限制层即为脊形半导体层21。具体的，缓冲层22的材质为N型掺杂的氮化镓，其用于缓冲晶格失配产生的应力，以利于其余外延层的生长。下限制层23的材质为N型掺杂的氮化铝镓，上限制层21的材质为P型掺杂的氮化铝镓，其中，下限制层23用于限制光场在朝向衬底10的方向上扩展，上限制层21用于限制光场在背离衬底10的方向上扩展。下波导层24的材质为N型掺杂的氮化镓，上波导层27的材质为P型掺杂的氮化镓，下波导层24和上波导层27用于增加对载流子的限制作用，增加载流子在有源区的分布，提高光限制因子，减小阈值，增加发光效率。有源层25为量子阱，其包括多个周期交替生长的氮化镓势垒层和氮化铟镓势阱层，用于提供光增益。电子阻挡层26的材质为P型掺杂的氮化铝镓，用于阻挡有源层25中溢出的电子。

本实施例中的脊形半导体激光器，由于上限制层21的材质为P型掺杂的氮化铝镓，离子注入层213的材质为N型的氮化铝镓，因此，上限制层21与离子注入层213之间形成一个空间电荷区，空间电荷区内存在较强的内建电场，会阻挡两边的多数载流子向两侧的扩散，电流注入时可以抑制空穴载流子向两侧的扩展，从而提高载流子的注入效率。除此之外，上限制层21与离子注入层213形成P-N结，当激光器工作在正向时，此P-N结工作在反向，漏电较小，即使激光器无绝缘层60，也可以阻止电流从脊形部210两侧注入。

参照图3a～图3f所示，本实施例还提供如上所述的半导体激光器的制作方法，以工作波长为450nm的氮化镓基激光器为例，所述制作方法包括以下步骤：

步骤S1、提供一衬底10并在衬底10的顶部生长形成有外延结构20。

具体的，步骤S1包括在衬底10上依次沉积缓冲层22、下限制层23、下波导层24、有源层25、电子阻挡层26、上波导层27、上限制层21及欧姆接触层40(如图3a所示)，其中，沉积工艺为金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)工艺或分子束外延(MBE)工艺。其中，缓冲层22的厚度为5μm，其材质为N型掺杂的氮化镓，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；下限制层23的厚度为0.8μm，其材质为N型掺杂的氮化铝镓，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3；下波导层24的厚度为0.08μm，其材质为N型掺杂的氮化镓，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3；有源层25包括3个周期交替生长的氮化镓势垒层和氮化铟镓势阱层，其中，氮化镓势垒层的厚度为8nm、掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3，氮化铟镓势阱层的厚度为3纳米，其材质为In_0.15Ga_0.85N；电子阻挡层26的厚度为20nm，其材质为Al_0.2Ga_0.8N，掺杂浓度为5×10¹⁵cm^-3；上波导层27的厚度为0.08μm，其材质为P型掺杂的氮化镓，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3；上限制层21的厚度为0.6μm，其材质为P型Al_0.08Ga_0.92N，掺杂浓度为8×10¹⁹cm^-3；欧姆接触层40的厚度为0.2μm，其材质为P型掺杂的氮化镓，掺杂浓度为2.4×10²⁰cm^-3。

步骤S2、应用刻蚀工艺从欧姆接触层40的顶部刻蚀至所述外延结构20，以使得外延结构20的顶部形成有上限制层21，上限制层21包括脊形部210以及位于脊形部210两侧的第一台阶部211和第二台阶部212(如图3b所示)。

具体的，应用刻蚀工艺从欧姆接触层40的顶部刻蚀至上限制层21，以使得上限制层21的顶部形成一宽度为10μm、高度为0.7μm的脊形部210，脊形部210的两侧形成有第一台阶部211和第二台阶部212，优选的，第一台阶部211与第二台阶部212对称位于脊形部210的两侧，其中，刻蚀工艺为干法刻蚀工艺。

步骤S3、在脊形部210的两侧面以及第一台阶部211和第二台阶部212的上表面，应用离子注入硅的工艺制备形成离子注入层213(如图3c所示)。其中，通过离子注入硅的工艺形成离子注入层213后，第一台阶部211和第二台阶部212中未注入离子区域的厚度为20nm。

步骤S4、在所述离子注入层213上依次生长形成绝缘层60及顶电极50，其中，绝缘层60至少完全覆盖离子注入层213以及欧姆接触层40的两侧面，但不覆盖欧姆接触层40的顶部(如图3d所示)。其中，通过蒸镀工艺制备绝缘层60和顶电极50，再对顶电极50进行热退火实现欧姆接触电极。

步骤S5、从所述衬底10的底部减薄所述衬底10(如图3e所示)。具体的，将衬底10的底部减薄至100μm。

步骤S6、在所述衬底10的底部通过蒸镀工艺制备底电极30(如图3f所示)。

在实际制备过程中，将通过上述方法制备的外延片沿氮化镓的[11-20]方向划片分割成多个长条，将每个长条沿氮化镓的(11-20)面解理成腔长为600μm的激光器管芯，在激光器管芯的前腔面蒸镀一对TiO₂/SiO₂反射膜，后腔面蒸镀两对TiO₂/SiO₂反射膜，最后经过压焊引出电极、封装成激光器器件。

我们用加速老化实验记录寿命的方法并表征其电学特性，进行了对比，其中：

对于普通的未经过离子注入的脊形氮化镓激光器，当脊形部210的宽度为10μm、高度为0.7μm时，对激光器进行加速老化实验，其输出功率随老化时间快速下降，300h约降低28％，老化后的阈值电流相比老化前约增加了20％，而当脊形部210两侧的P型AlGaN上限制层21经过离子注入硅工艺形成薄层N型AlGaN离子注入层213，N型AlGaN离子注入层213与剩余20nm的P型AlGaN上限制层21形成一个空间电荷区，老化实验中输出功率随老化时间降低较为平缓，为正常的老化趋势。由于只有P型AlGaN上限制层21一侧加电压，而薄层N型AlGaN离子注入层213一侧未加电压，当电流注入到脊形部210并流入到有源层25时，空间电荷区是一个耗尽层，会抑制注入的空穴载流子在P型AlGaN上限制层21向脊形部210两侧的扩展，有效的提高了载流子的注入效率，延长了激光器的寿命。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种脊形半导体激光器，包括衬底、形成于所述衬底上的外延结构，所述外延结构的顶部具有脊形半导体层，所述脊形半导体层包括脊形部以及位于脊形部两侧的第一台阶部和第二台阶部；其特征在于，在所述脊形部的两侧面以及所述第一台阶部和第二台阶部的上表面，应用离子注入工艺分别形成有离子注入层。

2.根据权利要求1所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述脊形半导体层为P型半导体，所述离子注入层为N型半导体，所述脊形半导体层和所述离子注入层之间形成P-N结。

3.根据权利要求1所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述第一台阶部和第二台阶部中未注入离子区域的厚度为15～25nm。

4.根据权利要求1所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述脊形部的宽度为4～10μm。

5.根据权利要求1所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述第一台阶部与所述第二台阶部对称位于所述脊形部的两侧。

6.根据权利要求1-5任一所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述外延结构包括依次设置于所述衬底上的缓冲层、下限制层、下波导层、有源层、电子阻挡层、上波导层以及上限制层，所述上限制层为所述脊形半导体层。

7.根据权利要求6所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述衬底的底部形成有底电极；所述脊形部上依次形成有欧姆接触层及顶电极，所述离子注入层与所述顶电极之间形成有绝缘层。

8.根据权利要求7所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述衬底的材质为自支撑氮化镓，所述缓冲层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述下限制层的材质为N型掺杂的氮化铝镓，所述下波导层的材质为N型掺杂的氮化镓，所述电子阻挡层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述上波导层的材质为P型掺杂的氮化镓，所述上限制层的材质为P型掺杂的氮化铝镓，所述欧姆接触层的材质为P型掺杂的氮化镓，所述绝缘层的材质为二氧化硅，所述有源层为量子阱，其包括多个周期交替生长的氮化镓势垒层和氮化铟镓势阱层。

9.根据权利要求7所述的脊形半导体激光器，其特征在于，所述欧姆接触层至少完全覆盖所述脊形部的顶部，所述脊形部的厚度大于所述欧姆接触层的厚度。

10.一种如权利要求1～9任一所述的脊形半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括步骤：

提供一衬底并在所述衬底上依次生长形成有外延结构；

应用刻蚀工艺刻蚀所述外延结构，在所述外延结构的顶部形成脊形半导体层，所述脊形半导体层包括脊形部以及位于脊形部两侧的第一台阶部和第二台阶部；

在所述脊形部的两侧面以及所述第一台阶部和第二台阶部的上表面，应用离子注入工艺分别形成有离子注入层。