CN113659437A - 一种高亮度条型半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高亮度条型半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器件的技术领域，该结构的激光器制备在衬底层上，由衬底层往上依次为下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、接触层和金属电极，其中，上限制层的部分区域进行离子注入，接触层的部分区域进行腐蚀去除，通过离子注入限制激光器注电区域，通过欧姆接触控制电流的扩展，在控制电流分布的同时降低慢轴方向的波导限制，可提高慢轴亮度，同时，在制备条型半导体激光器时无需使用绝缘膜，无需进行绝缘膜电极窗口工艺，减小芯片中的应力，避免电极窗口光刻时的对准问题，改善芯片的散热，提高芯片偏振度，提高条型半导体激光器的一致性和可靠性。

Description

一种高亮度条型半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体激光器件的技术领域，具体而言，涉及一种高亮度条型半导体激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器由于具有结构紧凑、成本较低、光场易于调控等优点，被广泛应用于泵浦固体和光纤激光器、材料加工、激光医疗等方面。对于宽发光区条型激光器，虽然功率较高(单个芯片可达10～25W)，但由于其侧向宽度较大(100～200μm)易受到多侧模、丝状发光效应的影响，光束质量较差(M2 x＞10)，亮度低。慢轴光束质量较差使得半导体激光器在高能激光应用中受到了很大的局限，要实现高质量、宽范围的半导体激光应用，半导体激光必须同时满足高功率和高光束质量，也就是实现高亮度激光，以满足多种类高能激光应用需求。
在制备半导体激光器时，需要限制电流的注入区域以提高电光转换效率或者限制束腰的大小。通常通过腐蚀去除外延中导电率较高的P型材料，并在未腐蚀的区域制备欧姆接触电极区域进行电流注入。然而，材料的去除虽然可以很好地限制电流，但同时在慢轴方向带来波导效应，使电流注入区的波导模式增多，并增强了丝状发光，因此，慢轴发散角变大，光束质量退化，亮度难以提升。
发明内容
鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高亮度条型半导体激光器及其制备方法以达到能在控制电流注入区域的同时减小慢轴发散角的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种高亮度条型半导体激光器，包括衬底层，还包括：依次堆叠在衬底层上方的下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、接触层和金属电极；
所述上限制层内相对布置有离子注入区，各所述离子注入区由该半导体激光器的前腔面贯穿至后腔面；
所述接触层在慢轴方向的宽度小于两所述离子注入区之间的宽度，且接触层嵌入至金属电极内。
进一步地，所述衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、接触层和金属电极位于同一对称线上，且各所述离子注入区对称布置于对称线的两侧，以确保条型半导体激光器的一致性和可靠性。
进一步地，所述离子注入区设为条形状且离子注入区所在方向垂直于半导体激光器的慢轴方向，在限制电流的同时不会形成较强的波导效应，电流不会在注入区的边缘积累。
进一步地，所述离子注入区的深度大于上限制层的厚度且小于上限制层与上波导层的厚度之和，在确保离子注入区具有限制电流扩展的作用，又不会对其下层的量子阱材料造成损伤。
进一步地，所述金属电极与接触层之间形成欧姆接触，良好的欧姆接触有利于电流的注入；所述金属电极与上限制层之间形成肖特基接触，以限制电流从两侧的限制层直接注入。
在本发明中还提供了一种高亮度条型半导体激光器的制备方法，该制备方法包括：
S1：在衬底层上依次生长下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层和接触层，以形成外延结构；
S2：通过第一光刻胶在外延结构的表面上进行光刻，以定义欧姆接触电极图形；
S3：以第一光刻胶为掩膜，腐蚀接触层以形成欧姆接触电极区域，且腐蚀完成后去除第一光刻胶；
S4：继续通过第二光刻胶在外延结构的表面上进行光刻，定义由外延结构的前腔面贯穿至后腔面的离子注入区且离子注入区分布于欧姆接触电极区域的两侧；
S5：以第二光刻胶为掩膜，对离子注入区进行离子注入且注入完成后去除第二光刻胶；
S6：在外延结构的表面上蒸镀金属电极。
进一步地，所述离子注入区设为条形状且离子注入区所在方向垂直于外延结构的慢轴方向，在限制电流的同时不会形成较强的波导效应，电流不会在注入区的边缘积累。
进一步地，所述离子注入区的深度大于上限制层的厚度且小于上限制层与上波导层的厚度之和，在确保离子注入区具有限制电流扩展的作用，又不会对其下层的量子阱材料造成损伤。
进一步地，在金属电极与欧姆接触电极区域之间形成欧姆接触，良好的欧姆接触有利于电流的注入；在金属电极与上限制层之间形成肖特基接触，以限制电流从两侧的限制层直接注入。
进一步地，所述上限制层为AlGaAs、AlGaInP或者GaInP材料，且上限制层的掺杂浓度小于2×1018cm-3；所述接触层为GaAs材料，且接触层的掺杂浓度大于1×1020cm-3。
本发明的有益效果为：
1.采用本发明所提供的高亮度条型半导体激光器，在应用时，电流通过接触层注入，并在接触层两侧以外的上限制层中向两侧扩展，而离子注入区限制了电流扩展的边缘，该结构的半导体激光器在限制电流的同时不会形成较强的波导效应，电流不会在离子注入区的边缘积累，进而实现在控制电流分布的同时降低慢轴方向的波导限制，以提高慢轴亮度。
2.采用本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法，其在制备中采用光刻胶定义欧姆接触电极图形和离子注入区，无需使用绝缘膜并进行绝缘膜电极窗口工艺，减小芯片中的应力，避免电极窗口光刻时的对准问题，改善芯片的散热，提高芯片偏振度，提高条型半导体激光器的一致性和可靠性。
附图说明
图1是本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法中S1的结构示意图；
图2是本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法中S2的结构示意图；
图3是本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法中S3的结构示意图；
图4是本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法中S4的结构示意图；
图5是本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法中S5的结构示意图；
图6是本发明所提供的高亮度条型半导体激光器的制备方法中S6的结构示意图；
附图中标注如下：
101-N型衬底层，102-N型下限制层，103-N型下波导层，104-量子阱有源层，105-P型上波导层，106-P型上限制层，107-P型接触层，208-第一光刻胶，409-第二光刻胶，501-带有离子注入的上限制层，502-离子注入区，601-金属电极，701-欧姆接触电极区域。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
在本发明中还提供了一种高亮度条型半导体激光器的制备方法，该制备方法包括：
S1：如图1所示，在衬底层上依次生长下限制层、下波导层、量子阱有源层104、上波导层、上限制层和接触层，以形成半导体激光器的外延结构；具体的：依次生长在N型衬底层101上方的N型下限制层102、N型下波导层103、量子阱有源层104、P型上波导层105、P型上限制层106、P型接触层107和金属电极601。
在实际应用时，分别设计如下：N型衬底层101为GaAs材料；N型下限制层102的厚度为1000nm且为Al0.42Ga0.58As材料；N型下波导层103的厚度为1600nm且为Al0.15Ga0.85As材料；量子阱有源层104的厚度为8nm且为In0.2Ga0.8As材料；P型上波导层105的厚度为700nm且为Al0.15Ga0.85As材料；P型上限制层106的厚度为700nm且为Al0.42Ga0.58As材料；P型接触层107的厚度为200nm且为GaAs材料。其中，同时，P型上限制层106的掺杂浓度为1×1018cm-3，P型接触层107的掺杂浓度为5×1020cm-3。
S2：如图2所示，制备第一光刻胶208且第一光刻胶208的图形宽度为80μm，厚度为1500nm，通过第一光刻胶208在外延结构的表面上进行光刻，以定义欧姆接触电极图形。
S3：如图3所示，以第一光刻胶208为掩膜，采用磷酸：双氧水：水＝1：1：50的溶液腐蚀接触层，对接触层部分区域腐蚀后以形成欧姆接触电极区域701，且在腐蚀完成后去除第一光刻胶208。
S4：如图4所示，制备第二光刻胶409，且第二光刻胶409的图像宽度为100μm，厚度为5100nm，继续通过第二光刻胶409在外延结构的表面上进行光刻，定义由外延结构的前腔面(图4中的正对面为前腔面，另一相对的则为后腔面)贯穿至后腔面的离子注入区502且离子注入区502分布于欧姆接触电极区域701的两侧。其中，离子注入区502设为条形状且离子注入区502所在方向垂直于外延结构的慢轴方向，以通过离子注入区502对电流扩展的边缘进行限制，离子注入区502的深度大于上限制层的厚度且小于上限制层与上波导层的厚度之和，在确保离子注入区502具有限制电流扩展的作用，又不会对其下层的量子阱材料造成损伤。
S5：如图5所示，以第二光刻胶409为掩膜，对离子注入区502进行离子注入(离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中的这一现象叫作离子注入)且离子注入完成后去除第二光刻胶409；其中，离子注入的离子源为He+离子，注入的能量为150keV，注入深度为1000nm，以形成带有离子注入的上限制层501。
S6：如图6所示，在外延结构的表面上蒸镀金属电极601，金属电极601采用Ti/Pt/Au＝30nm/70nm/1000nm，并通过退火使金属电极601在接触层上形成欧姆接触，通过欧姆接触控制电流的扩展，在配合离子注入区502控制电流分布的同时降低慢轴方向的波导限制，可提高慢轴亮度；在金属电极601在上限制层之间形成肖特基接触，以限制电流从两侧的限制层直接注入。
实施例2
如图1-图6所示，在本发明中还提供了另一种高亮度条型半导体激光器的制备方法，该制备方法包括：
S1：如图1所示，在衬底层上依次生长下限制层、下波导层、量子阱有源层104、上波导层、上限制层和接触层，以形成半导体激光器的外延结构；具体的：依次生长在N型衬底层101上方的N型下限制层102、N型下波导层103、量子阱有源层104、P型上波导层105、P型上限制层106、P型接触层107和金属电极601。
在实际应用时，分别设计如下：N型衬底层101为GaAs材料；N型下限制层102的厚度为1000nm且为AlGaInP材料；N型下波导层103的厚度为1200nm且为GaInP材料；量子阱有源层104的厚度为8nm且为GaAsP材料；P型上波导层105的厚度为500nm且为GaInP材料；P型上限制层106的厚度为1000nm且为AlGaInP材料；P型接触层107的厚度为200nm且为GaAs材料。其中，同时，P型上限制层106的掺杂浓度为1.5×1018cm-3，P型接触层107的掺杂浓度为5×1020cm-3。
S2：如图2所示，制备第一光刻胶208且第一光刻胶208的图形宽度为100μm，厚度为1500nm，通过第一光刻胶208在外延结构的表面上进行光刻，以定义欧姆接触电极图形。
S3：如图3所示，以第一光刻胶208为掩膜，采用磷酸：双氧水：水＝1：1：50的溶液腐蚀接触层，对接触层部分区域腐蚀后形成欧姆接触电极区域701，且腐蚀完成后去除第一光刻胶208。
S4：如图4所示，制备第二光刻胶409，且第二光刻胶409的图像宽度为200μm，厚度为5100nm，继续通过第二光刻胶409在外延结构的表面上进行光刻，定义由外延结构的前腔面贯穿至后腔面的离子注入区502且离子注入区502分布于欧姆接触电极区域701的两侧，以离子注入区502限制半导体激光器的注电区域。其中，离子注入区502设为条形状且离子注入区502所在方向垂直于外延结构的慢轴方向，以通过离子注入区502对电流扩展的边缘进行限制，离子注入区502的深度大于上限制层的厚度且小于上限制层与上波导层的厚度之和，在确保离子注入区502具有限制电流扩展的作用，又不会对其下层的量子阱材料造成损伤。
S5：如图5所示，以第二光刻胶409为掩膜，对离子注入区502进行离子注入且注入完成后去除第二光刻胶409；其中，离子注入的离子源为He+离子，注入的能量为200keV，注入深度为1200nm，以形成带有离子注入的上限制层501。
S6：如图6所示，在外延结构的表面上蒸镀金属电极601，金属电极601采用Ti/Pt/Au＝30nm/70nm/1000nm，并通过退火使金属电极601在接触层上形成欧姆接触，通过欧姆接触控制电流的扩展，在配合离子注入区502控制电流分布的同时降低慢轴方向的波导限制，可提高慢轴亮度，金属电极601在上限制层之间形成肖特基接触，以限制电流从两侧的限制层直接注入。
实施例3
如图6所示，在本实施例中提供了一种高亮度条型半导体激光器，该半导体激光器应用上述实施例1和实施例2所提供的制备方法制备而成。包括N型衬底层101，依次堆叠于N型衬底层101上的N型下限制层102、N型下波导层103、量子阱有源层104、P型上波导层105、P型上限制层106、P型接触层107和金属电极601，其中，衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层104、上波导层、上限制层、接触层和金属电极601位于同一对称线上，且各所述离子注入区502对称布置于对称线的两侧。
在应用时，接触层在慢轴方向的宽度小于两所述离子注入区502之间的宽度，且接触层嵌入至金属电极601内，金属电极601与P型接触层107之间形成欧姆接触，欧姆接触注入电流且良好的欧姆接触有利于电流的输入和输出，且金属电极601与上限制层之间形成肖特基接触，肖特基接触在金属材料和半导体材料相接触的时候，界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒，限制电流从两侧的限制层直接注入。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高亮度条型半导体激光器，包括衬底层，其特征在于，还包括：依次堆叠在衬底层上方的下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、接触层和金属电极；
所述上限制层内相对布置有离子注入区，各所述离子注入区由该半导体激光器的前腔面贯穿至后腔面；
所述接触层在慢轴方向的宽度小于两所述离子注入区之间的宽度，且接触层嵌入至金属电极内。
2.根据权利要求1所述的高亮度条型半导体激光器，其特征在于，所述衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、接触层和金属电极位于同一对称线上，且各所述离子注入区对称布置于对称线的两侧。
3.根据权利要求1所述的高亮度条型半导体激光器，其特征在于，所述离子注入区设为条形状且离子注入区所在方向垂直于半导体激光器的慢轴方向。
4.根据权利要求1所述的高亮度条型半导体激光器，其特征在于，所述离子注入区的深度大于上限制层的厚度且小于上限制层与上波导层的厚度之和。
5.根据权利要求1所述的高亮度条型半导体激光器，其特征在于，所述金属电极与接触层之间形成欧姆接触，且金属电极与上限制层之间形成肖特基接触。
6.一种高亮度条型半导体激光器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：
S1：在衬底层上依次生长下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层和接触层，以形成外延结构；
S2：通过第一光刻胶在外延结构的表面上进行光刻，以定义欧姆接触电极图形；
S3：以第一光刻胶为掩膜，腐蚀接触层以形成欧姆接触电极区域，且腐蚀完成后去除第一光刻胶；
S4：继续通过第二光刻胶在外延结构的表面上进行光刻，定义由外延结构的前腔面贯穿至后腔面的离子注入区且离子注入区分布于欧姆接触电极区域的两侧；
S5：以第二光刻胶为掩膜，对离子注入区进行离子注入且注入完成后去除第二光刻胶；
S6：在外延结构的表面上蒸镀金属电极。
7.根据权利要求6所述的高亮度条型半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述离子注入区设为条形状且离子注入区所在方向垂直于外延结构的慢轴方向。
8.根据权利要求6所述的高亮度条型半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述离子注入区的深度大于上限制层的厚度且小于上限制层与上波导层的厚度之和。
9.根据权利要求6所述的高亮度条型半导体激光器的制备方法，其特征在于，在金属电极与欧姆接触电极区域之间形成欧姆接触，在金属电极与上限制层之间形成肖特基接触。
10.根据权利要求6所述的高亮度条型半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述上限制层为AlGaAs、AlGaInP或者GaInP材料，且上限制层的掺杂浓度小于2×1018cm-3；所述接触层为GaAs材料，且接触层的掺杂浓度大于1×1020cm-3。
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