CN108336641A - 一种图形衬底半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

一种图形衬底半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种图形衬底半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源层、上包层和接触层，衬底的与下包层接触面上排布有梯形台，接触层上方设置有绝缘层，绝缘层上表面设置有上电极，衬底下表面设置有下电极。其制备方法的步骤包括：（1）在排布有梯形台的图形衬底上依次生长下包层、有源层、上包层和接触层；（2）在接触层上方生长绝缘层；（3）在绝缘膜上形成条状电流注入区；（4）减薄衬底背面；在绝缘层上表面蒸镀上电极，在衬底下表面蒸镀下电极；（5）解理成巴条；（6）解理成管芯。本发明既能形成侧向折射率波导，降低阈值电流，又能形成非吸收窗口，提高腔面COD功率；简化了半导体激光器的芯片制程，降低了生产成本。

Description

一种图形衬底半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种图形衬底半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器的技术领域。
背景技术
半导体激光器的横模是描述输出光束轴线上某处的光强分布，也称为远场分布，通俗来说就是激光器的光斑。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构。在垂直异质结平面方向靠异质结形成折射率波导，可以很好的限制光场，并且异质结有源层比较薄，能保证在单横模工作。在平行异质结平面方向，有增益波导、弱折射率波导及强折射率波导，并且条宽一般较宽，对侧向模式的限制及稳定工作有一定难度。增益波导及弱折射率波导对光的限制作用并不强，且受工作温度及电流的影响，容易发生光模式的跳变，所以在高速调制器件中经常使用强折射率波导结构。
文献Electronics Letters,Vol.36(2000),pp.1284报道了一种低阈值的实折射率导引650nm激光器，使用AlInP作为掩埋侧向限制层，提高了光限制因子，降低了阈值电流密度，具有很好的光模式稳定性及可靠性。此文献在侧向限制上就是使用了强折射率波导，增强了侧向光限制，因此激光器具有优良的光电性能。美国专利US6304587B1公开了一种掩埋脊型半导体激光器，使用无铝的GaInP材料作为侧向限制，易于生长，可以获得稳定的横模输出。但是这些掩埋结构必须使用多次外延才能实现，增加了工艺的复杂性，同时降低了芯片的产出率，提高了芯片成本，不适合激光器的批量化生产。
半导体激光器的发光区面积较小，高功率工作时，腔面需要承受很高的光功率密度，对腔面的抗灾变性损伤(COD)能力要求很高。提高半导体激光器COD的方法一般有两种，一是在腔面处生长一层高带隙材料，还有一种方法是利用量子阱混杂的方法在腔面处直接形成非吸收窗口，这两种方法都能减弱腔面对光的吸收，从而提高腔面的COD功率。
IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.1(1995),pp.728介绍了一种生长腔面窗口的AlGaInP半导体激光器。巴条解理后放入MOCVD腔室中生长一层高带隙的AlGaInP材料降低腔面的吸收，使得COD功率提高两倍，获得高功率及高可靠性的半导体激光器。不过解理后的巴条很小，需要高精度的夹具及合适的托盘才能实现材料的生长，不具有很强的可操作性。
发明内容
针对现有半导体激光器技术存在的不足，本发明提供一种腔面COD功率高的图形衬底半导体激光器，同时提供一种该半导体激光器的制备方法。
本发明的图形衬底半导体激光器，采用以下技术方案：
该图形衬底半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源层、上包层和接触层，衬底的与下包层接触面上排布有梯形台，梯形台横向平行于衬底的解理面，梯形台纵向垂直于衬底的解理面，且解理面是半导体激光器的腔面；接触层上方设置有绝缘层，绝缘层上表面设置有上电极，衬底下表面设置有下电极。
所述梯形台的横向截面与纵向截面都为等腰梯形，下底角为30-60度；梯形台的下底面横向长度为5-100μm，纵向长度为300-1500μm，梯形台的高度为0.2-0.5μm。
所述梯形台在衬底上排布的横向周期为200-500μm，纵向周期为350-1550μm。
所述下包层与图形衬底接触紧密，梯形台拐角处的下包层不能断裂。
所述有源层的厚度为0.1-0.3μm，且小于所述梯形台的高度。
所述下包层与上包层的折射率低于有源层的折射率，所述下包层与上包层的带隙高于有源层的带隙。
此处设计的优势在于，梯形台上方的发光区有源层与梯形台两侧的有源层在垂直衬底方向上可以错开，使得梯形台上方的发光区有源层四周为低折射率高带隙的上包层。
上述图形衬底半导体激光器的制备方法，具体步骤包括：
(1)将图形衬底放入气相外延炉中，使用气相外延的方法在图形衬底上依次外延生长下包层、有源层、上包层和接触层；
(2)在接触层上方生长一层绝缘层；
(3)利用光刻的方法在绝缘膜上形成条状电流注入区，电流注入区大小及位置与图形衬底的梯形台上表面一致。
(4)减薄衬底背面至80-120μm，在绝缘层上表面蒸镀上电极，在衬底下表面蒸镀下电极，并进行合金。
(5)以图形衬底的梯形台的纵向排布周期作为管芯腔长，解理成巴条，进行腔面镀膜。
(6)以图形衬底的梯形台的横向排布周期作为管芯周期，解理成管芯，形成半导体激光器。
本发明使用图形衬底，具有以下特点：
1.发光区有源层四周都为低折射率高带隙的上包层，既能形成侧向折射率波导，降低阈值电流，又能形成非吸收窗口，提高腔面COD功率。
2.外延生长后只需要一次光刻形成电流注入区，简化了半导体激光器的芯片制程，降低了生产成本，适合批量化的生产。
3.外延生长后不需要对外延层进行刻蚀，不会产生外延材料的废料，避免了环境污染，降低了废料回收的成本。
附图说明
图1是本发明图形衬底半导体激光器的横向截面示意图。
图2是本发明图形衬底半导体激光器的纵向截面示意图。
图3是本发明中衬底的结构示意图。
图4是本发明中衬底的横向截面示意图。
图5是本发明中衬底的纵向截面示意图。
图中：1、衬底，2、下包层，3、有源层，4、上包层，5、接触层，6、绝缘层，7、上电极层，8、下电极层，9、发光区,10、梯形台。
具体实施方式
本发明的图形衬底半导体激光器，如图1和图2，包括从下至上依次设置的衬底1、下包层2、有源层3、上包层4和接触层5。其中，衬底1为GaAs(100)单晶片。衬底1的材料也可以是InP、GaN、Al2O3、SiC或Si。在接触层5上设置有绝缘层6，绝缘层6的上面设置有上电极层7，衬底1的底面设置有下电极层8。
如图3所示，衬底1与下包层2接触的表面上分布有向上凸起的梯形台10。参见图4和图5，梯形台10的横向(相当于图3中衬底1底侧定位边的方向，图4为在此方向上的截面)平行于衬底1的解理面(110)，梯形台10的纵向(相当于图3中衬底1底侧定位边的垂直方向，图5为在此方向上的截面)垂直于衬底1的解理面(110)。
梯形台10的横向截面与纵向截面都为等腰梯形，下底角取值为30-60度。梯形台10的下底面横向长度为5-100μm，纵向长度为300-1500μm。梯形台10的高度为0.2-0.5μm。
梯形台10在衬底1上排布的横向周期为200-500μm，纵向周期为350-1550μm。
下包层2及上包层4为Al0.5In0.5P，带隙为2.3eV，折射率为3.2。下包层2与衬底1接触紧密，梯形台拐角处的下包层2不能断裂。
有源层3为(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P/Ga0.5In0.5P量子阱结构，总厚度为0.1-0.3μm，且要小于所述梯形台的高度。量子阱Ga0.5In0.5P的带隙为1.9eV，折射率为3.6。
下包层2和上包层4的折射率低于有源层3的折射率。下包层2和上包层4的带隙高于有源层3的带隙。
如图1和图2所示，有源层3所产生的发光区9四周被上包层4所包覆。Al0.5In0.5P与Ga0.5In0.5P的折射率差为0.4，形成强折射率波导结构，可以很好的限制激光器侧向模式，降低阈值电流。Al0.5In0.5P与Ga0.5In0.5P的带隙差为0.4eV，量子阱Ga0.5In0.5P发出的激光不会被Al0.5In0.5P材料吸收，腔面处就形成了一个非吸收窗口，提高了COD功率。
上述图形衬底半导体激光器的制备步骤为：
(1)将排布有梯形台10的衬底1放入气相外延炉中，依次外延生长下包层2、有源层3、上包层4的接触层5；
(2)在接触层5上方生长一层绝缘层6；
(3)利用光刻的方法在绝缘层6上形成条状电流注入区，电流注入区大小及位置与衬底1上排布的梯形台上表面一致。
(4)减薄衬底1背面，至衬底1的厚度为80-120μm，在绝缘层6上表面蒸镀上电极层7，在衬底1的下表面蒸镀下电极层8，并进行合金。
(5)以衬底1上梯形台的纵向排布周期作为管芯腔长，解理成巴条，进行腔面镀膜。
(6)以衬底1上梯形台的横向排布周期作为管芯周期，解理成管芯，形成半导体激光器。半导体激光器的横向截面如图1所示，纵向截面如图2所示。

Claims (7)

1.一种图形衬底半导体激光器，包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源层、上包层和接触层，其特征是：衬底的与下包层接触面上排布有梯形台，梯形台横向平行于衬底的解理面，梯形台纵向垂直于衬底的解理面，且解理面是半导体激光器的腔面；接触层上方设置有绝缘层，绝缘层上表面设置有上电极，衬底下表面设置有下电极。
2.如权利要求1所述的一种图形衬底半导体激光器，其特征是：所述梯形台的横向截面与纵向截面都为等腰梯形，下底角为30-60度；梯形台的下底面横向长度为5-100μm，纵向长度为300-1500μm，梯形台的高度为0.2-0.5μm。
3.如权利要求1所述的一种图形衬底半导体激光器，其特征是：所述梯形台在衬底上排布的横向周期为200-500μm，纵向周期为350-1550μm。
4.如权利要求1所述的一种图形衬底半导体激光器，其特征是：所述有源层的厚度为0.1-0.3μm，且小于所述梯形台的高度。
5.如权利要求1所述的一种图形衬底半导体激光器，其特征是：所述下包层与上包层的折射率低于有源层的折射率。
6.如权利要求1所述的一种图形衬底半导体激光器，其特征是：所述下包层与上包层的带隙高于有源层的带隙。
7.一种权利要求1所述图形衬底半导体激光器的制备方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将图形衬底放入气相外延炉中，使用气相外延的方法在图形衬底上依次外延生长下包层、有源层、上包层和接触层；
(2)在接触层上方生长一层绝缘层；
(3)利用光刻的方法在绝缘膜上形成条状电流注入区，电流注入区大小及位置与图形衬底的梯形台上表面一致。
(4)减薄衬底背面至80-120μm，在绝缘层上表面蒸镀上电极，在衬底下表面蒸镀下电极，并进行合金。
(5)以图形衬底的梯形台的纵向排布周期作为管芯腔长，解理成巴条，进行腔面镀膜。
(6)以图形衬底的梯形台的横向排布周期作为管芯周期，解理成管芯，形成半导体激光器。
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