CN108110617A - 一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法。本方法根据半导体激光器中各原子的不同扩散机理，在激光增益区上生长一层P‑型掺杂扩散源，而在非激光增益区上，如腔面或激光波导区二侧，生长一层N‑型掺杂扩散源，这样通过扩散退火，一方面在增益区由于P‑型杂质原子和N‑型杂质原子的相对扩散，产生空穴和间隙原子的涅灭结合，有效地阻止有源层的无序化，减少有源层的缺陷；另一方面，在非增益区N‑型杂质原子上下相互扩散，大大增强了基体原子的无序化，使腔面处的有源层消失变成了非吸收层；再者，在P‑型和N‑型扩散源交接处产生的类似PNP结界面，能有效阻止载流子向腔面运动，从而大大提高激光器控腔面光学灾变损伤能力。

Description

一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器芯片制作工艺技术领域，具体涉及一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法。
背景技术
工业加工、医疗美容、国防安全等领域使用的半导体激光器要求激光出光功率高、使用寿命长。而影响功率和寿命的主要因素之一是半导体激光器腔面的光学灾变损伤(catastrophic optical mirror damage，COMD)。文献“Lattice disorder，facet heatingand catastrophic optical mirror damage of AlGaAs quantum well lasers，P.W.Epperlein，P.Buchmann，and A.Jakubowicz，Appl.Phys.Lett.，Vol.62，No.5，1993，455-457”分析了腔面处的晶格缺陷易成为载流子(电子和空穴)非辐射复合点，导致光能的吸收从而引起腔面局部温度的升高，当温度高于材料的溶点时就产生COMD。所以，减少腔面处的晶格缺陷数量、降低载流子通过腔面的浓度和避免腔面处光能的吸收是提高半导体激光器控COMD能力的关键。要达到上述三个目的，通常要求同时采用多种技术，如腔面真空钝化、离子注入、非吸收窗口等，增加了工艺难度，产品生产成本也相应提高。因此开发新的适合于提高半导体激光器控腔面光学灾变损伤的简单有效方法具有广阔的应用前景。
半导体激光器的晶体结构通常是在衬底的基础上生长有外延层，此外延层根据掺杂的不同，可以分为三层，上层为P-型掺杂层，中间层为未掺杂有源层和下层的N-型掺杂层。此晶体结构包含有多种原子，如GaAs基半导体激光器，含有基体原子Al、Ga、In、As和杂质原子Si、Se、Te(N-型杂质)和C、B、Zn(P-型杂质)。晶体中原子的扩散通常是借助晶体中的空穴或间隙位置来实现的。如N-型掺杂Si原子，通常位于基体原子Ga的位置，它是依靠晶体中Ga位置上的空穴来配对扩散，而P-型掺杂Zn原子是位于晶体的间隙位置，它是通过依靠与基体Ga原子的置换来进行扩散。对于基体原子的扩散，也因掺杂的不同，表现出不同的机理，P-型掺杂的基体原子扩散是通过间隙位置的置换进行，N-型掺杂的基体原子扩散是通过晶体的空穴配对进行扩散，人们正是利用这种机理来实现杂质Si或杂质Zn诱导量子阱无序化，从而提高半导体激光器控腔面光学灾变损伤能力。
发明内容
本发明基于上述现有半导体激光器腔面存在COMD问题和半导体中各种原子的扩散机理不同，利用扩散过程中存在空穴和间隙原子相互结合导致缺陷涅灭现象，提出一种新的半导体激光器腔面结构的形成方法。这种方法采用了全新的双杂质原子扩散源设计，该双杂质原子的其中一种原子是依靠间隙原子置换来扩散的P-型掺杂原子，另一种是依靠空穴对来扩散的N-型掺杂原子，这二种扩散源在半导体激光器外延片的表面交替分布，由于原半导体激光器外延片里的P-型掺杂原子不容易扩散，因此在半导体激光器的扩散过程中，表面的P-型扩散源向下扩散，同时半导体本身的N-型掺杂向上扩散，它们在有源层附近相遇，产生空穴与间隙原子涅灭，一方面减少了有源层的空穴和位错缺陷，同时也阻止了有源层中基体原子的无序化。另一方面，表面的N-型扩散源向下扩散，加上半导体本身的N-型掺杂向上扩散，增强了有源层的无序化，使此处的有源层变成了非吸收层。再一方面，在P-型扩散源和N-型扩散源的交接处，由于扩散源的浓度不同，P-型杂质原子与N-型杂质原子的扩散系数不同，有可能形成类似PNP结的界面，可以起到限制载流子在界面处通过的作用。这样当从靠近界面处N-型扩散源一侧解理，所形成的激光器腔面，就具有三个方面的特点，一是有源层空穴和位错缺陷少，二是腔面处无序化增强产生非吸收窗口，三是靠近腔面区域有类似PNP结的界面，限制了载流子从腔面通过。这三个特点通过双扩散源结构一步完成，即有效地提高半导体激光器控腔面光学灾变损伤能力，又降低半导体激光器芯片的制作成本。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，具体步骤如下：
1)在半导体激光器外延片上采用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)技术生长一层P-型掺杂的InGaAs层作为P-型杂质原子扩散源，厚度然后其上采用PECVD(等离子增强化学气相沉积)技术生长一层SiNx作为扩散阻挡层，厚度
2)采用光刻方法在激光器非增益区的地方用RIE刻蚀或化学腐蚀去掉SiNx层，接着再用化学腐蚀去掉InGaAs层，露出原半导体激光器外延片层。
3)光刻腐蚀后的外延片经过彻底清洗后采用MOCVD技术生长一层掺As的Si层，作为N-型杂质原子的扩散源，厚度其上再采用PECVD技术生长一层SiNx扩散保护层，厚度
4)在N2保护下，采用扩散炉对表面带有双扩散源的半导体激光器外延片进行扩散退火，扩散温度750-850℃，扩散时间8-15小时。
5)扩散完后的半导体激光器外延片采用RIE或化学腐蚀去掉SiNx层和Si层，再用化学腐蚀去掉InGaAs层。此后，扩散处理后的半导体激光器外延片可以进行其他激光器芯片的后续制作工艺。
6)通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：由于采用具有不同扩散机理的P-型和N-型双扩散源的扩散方法，一方面在激光增益区通过P-型杂质原子和N-杂质原子相对扩散，产生空穴和间隙原子的涅灭结合，有效地阻止了有源层的无序化，同时，降低了有源层的缺陷浓度，保证了有源层的发光效率和光谱特性；另一方面，在激光器非增益区，如激光器腔面处，N-型杂质原子上下相互扩散，大大增强了基体原子的无序化，使腔面处的有源层消失变成了非吸收层，同时，伴随腔面有源层的消失，腔面处的波导效果也消失，使得腔面处出光斑点面积增加，所以，在提高激光器控腔面光学灾变损伤能力的同时，又对激光器的近场模式不产生影响；再者，P-型扩散源和N-型扩散源交接处的相互扩散产生类似PNP结的界面，能有效阻止载流子向腔面运动，即提高了激光器的出光效率，又减少了载流子在腔面处的非辐射复合，也可以进一步改善激光器控腔面光学灾变损伤能力。此外，这种方法，不会增加半导体激光器芯片制作任何额外的设备投资，而且能保证半导体芯片制作快捷、简便，因此具有广阔的市场推广应用前景。
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图说明
附图1为采用本发明带有双元素扩散源的半导体激光器的腔面结构示意图。
附图2为采用本发明方法扩散后的半导体激光器腔面结构截面的扩散显结SEM照片。
图中各附图标记的含义如下：
1-半导体激光器外延片，2-半导体激光器衬底，3-N-型掺杂外延层，4-无掺杂有源层，5-P-型掺杂外延层，6-P-型扩散源层，7-扩散阻挡层，8-N-型扩散源层，9-扩散保护层，10-P-型与N-型扩散界面，11-激光增益区，12-激光非增益区。
具体实施方式
结合附图1说明本发明提出的一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法。本发明制作半导体激光器的外延片1的结构从下而上由衬底2，N-型掺杂外延层3，无掺杂的有源层4和P-型掺杂外延层5组成。N-型掺杂原子通常为Si或Se或Te，优选Se；P-型掺杂原子有C或B或Zn，优选不容易扩散的原子，如C；不掺杂的有源层通常为量子阱InGaAs或AlGaAs，优选InGaAs。激光器外延片中间部分的激光增益区上面生长有厚度的P-型掺杂扩散源层6，优选的掺Zn的InGaAs层；在激光器外延片二侧的非增益区上面，如腔面二端的区域，生长有厚度的N-型掺杂扩散源层8，优选的掺As的Si层；P-型扩散源层6与N-扩散源层8由厚度为的扩散阻挡层7隔离开，优选的SiNx层；最后在所有生长层上面生长一层厚度的扩散保护层9，优选的SiNx层。
本发明采用一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，具体实施步骤如下：
步骤1、采用MOCVD方法在激光器外延片1的P-型外延层5上生长厚度的掺Zn的InGaAs层，作为P-型扩散源层6，其中Zn的浓度＞＝5x1019/cm3；
步骤2、采用PECVD方法在P-型扩散源层6的上面生长厚度的SiNx层，作为扩散阻挡层7；
步骤3、利用光刻的方法在激光器非增益区，如激光器腔面二端的10-30微米区域，采用RIE或化学腐蚀方法首先去掉扩散阻挡层SiNx，其中SiNx的化学腐蚀液可为BOE或HF水溶液；然后采用化学腐蚀方法去掉P-型扩散源层InGaAs，其中InGaAs的化学腐蚀液可为柠檬酸和双氧水的水溶液；
步骤4、采用MOCVD方法在外延片上生长厚度的掺As的Si层，作为N-型扩散源层8，其中As的浓度＞＝2x1020/cm3；
步骤5、采用PECVD方法在N-型扩散源层8的上面生长厚度1000-1200A的SiNx层，作为扩散保护层9；
步骤6、在惰性气体，如N2气的保护下，把带有双元素扩散源的外延片放入扩散炉里进行扩散退火，扩散条件为750-850℃，时间10-15小时，优选800℃，11-12小时；
步骤7、扩散后的外延片表面上的扩散保护层9、N-型扩散源层8和扩散阻挡层7采用化学腐蚀法去除，如BOE或HF水溶液；外延片上面的P-型扩散源层6采用柠檬酸和双氧水的水溶液去除；
步骤8、经过表面清除后的外延片可以进行常规的激光器芯片制作后续工艺。
对扩散后的激光器外延片进行PL谱(光致发光光谱)分析，证实中间增益区域的激射波长蓝移小于30nm，而二端腔面区域的激射波长蓝移大于100nm，并且二者峰值高度相差2倍以上。同时对扩散截面进行扫描电镜组织分析(图2)，可以看出采用本发明基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，在双扩散源的交接处处形成有类似PNP结的界面10。
在实际应用中，本发明的基于双元素相互扩散方法，不仅可以制作半导体激光器的腔面结构，而且也可以制作半导体激光器的波导结构。这些变换都属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，其特征在于，在激光器外延片1中间部分的激光增益区11上生长有P-型掺杂扩散源层6，在激光器外延片二端的非激光增益区12上，如腔面或激光器波导区二侧，生长有N-型掺杂扩散源层8，P-型扩散源与N-扩散源之间由扩散阻挡层7隔离开，最后在所有生长层上面生长有扩散保护层9。
2.根据权利要求1所述的一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，其特征在于，所述外延片1的结构从下而上由衬底2，N-型掺杂外延层3，无掺杂的有源层4和P-型掺杂外延层5组成；N-型掺杂原子通常为Si或Se或Te，优选Se；P-型掺杂原子有C或B或Zn，优选不容易扩散的原子，如C；不掺杂的有源层通常为量子阱InGaAs或AlGaAs。
3.根据权利要求1所述的一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，其特征在于，所述P-型掺杂扩散源层6为厚度的掺Zn或B的InGaAs层；所述N-型掺杂扩散源层8为厚度掺As的Si层；所述扩散阻挡层7为厚度的SiNx层；所述最后的扩散保护层9为厚度的SiNx层。
4.根据权利要求1所述的一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，其特征在于，所述激光增益区11为载流子产生受激辐射区域；所述激光非增益区12包括半导体激光器二端的端面、半导体激光器波导区的二侧区域等，此区不需要载流子通过。
5.根据权利要求1所述的一种基于双元素相互扩散制作半导体激光器腔面结构的方法，其特征在于，包括如下具体实施步骤：
步骤1、采用MOCVD方法在激光器外延片1的P-型外延层5上生长P-型扩散源层6；
步骤2、采用PECVD方法在P-型扩散源层6的上面生长扩散阻挡层7；
步骤3、利用光刻的方法在激光器的非增益区，如腔面二端，采用RIE或化学腐蚀方法去掉扩散阻挡层7和P-型扩散源层6；
步骤4、采用MOCVD方法生长N-型扩散源层8；
步骤5、采用PECVD方法生长扩散保护层9；
步骤6、在惰性气体，如N2气的保护下，把带有双元素扩散源的外延片放入扩散炉里进行扩散退火；
步骤7、扩散后的外延片表面上的扩散保护层9、N-型扩散源层8、扩散阻挡层7和P-型扩散源层6采用化学腐蚀法去除。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111463653A (zh) * 2020-04-21 2020-07-28 四川大学 一种半导体激光器及其制备方法

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