一种具有PN结非注入层的激光器的结构及其制备方法与流程

一种具有pn结非注入层的激光器的结构及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体激光器技术领域，涉及一种具有pn结非注入层的激光器的结构及其制备方法。


背景技术：

2.半导体激光器具有体积小、功耗低、寿命长、电光转换效率高、覆盖的波段范围广以及价格便宜等优点，在光纤激光器、激光通信、医疗和军事等诸多领域有着广泛的应用。
3.然而腔面光学灾变性损伤（catastrophic optical damage，cod）是大功率半导体激光器面临的主要问题。在半导体激光器工作时，随着输出功率的增加，器件出光腔面的光功率密度不断增大，由缺陷引起的腔面处的光吸收增加，从而导致腔面处的温度升高，带隙收缩，使光吸收进一步增大，温度进一步升高；当腔面处温度达到发光区材料熔点时，会使器件腔面融毁，发生cod，导致器件发生永久性损毁。针对如何抑制大功率半导体激光器腔面处发生cod，目前主要有以下几个方法：腔面钝化处理技术、腔面镀膜工艺、非吸收窗口技术、在腔面附近引入电流非注入区和电流阻挡层技术。其中腔面非注入区技术是目前最常用的一种方法：通过在前后腔面附近引入一段电流非注入区，减少腔面附近的电流注入，限制载流子注入腔面，减少腔面处的载流子浓度，降低载流子在腔面处的非辐射复合，减少腔面处的热量产生，从而提高cod阈值。
4.传统的腔面非注入区技术的主要不足之处在于：在腔面附近引入绝缘性能良好的sio2介质薄膜作为电流非注入区时，由于sio2薄膜导热性差，不利于散热，导致腔面温度升高；而且sio2薄膜使腔面在光传播方向上存在材料折射率差异，因此sio2薄膜太厚会急剧增加腔面的光学散射损耗，但是太薄的话又无法有效抑制载流子横向注入到腔面，从而影响器件的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的为针对当前半导体激光器腔面非注入区技术的不足，提供一种具有pn结非注入层的激光器的结构及其制备方法。本发明通过在外延片上二次外延生长n型材料，该n型材料位于脊波导前端面附近，利用形成的pn结，有效的阻挡电流注入，同时保证材料的折射率相同；而且激光器正常工作时，形成的pn结是反偏，这可以使pn结的耗尽区尽可能的接触有源区，在不会增加光的散射的同时，最大限度的抑制载流子横向扩展，减少腔面载流子浓度；而且n型材料的吸收是小于p型材料，因此还可以避免p型材料的高吸收，有效提升了器件的性能。
6.本发明提供一种具有pn结非注入层的激光器，包括：沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、电流非注入层以及脊波导，所述电流非注入层为n型材料；一阴极电极分布在所述衬底层的下表面，一阳极电极分布在所述脊波导的上表面；所述具有pn结非注入层的激光器还包括发射前端面和发射后端面，所述发射前端面设置有增透膜，所述发射后端
面设置有反射膜；一钝化层包覆除了所述阴极电极、所述阳极电极、所述发射前端面和所述发射后端面以外的部分。
7.所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构的电流非注入层为n型algaas，位于脊波导前端面附近，并且厚度小于上限制层厚度和脊波导厚度的总和；所述衬底层采用gaas组成，厚度为200nm；所述下限制层采用algaas组成，厚度为0.3μm；所述下波导层采用algaas组成，厚度为0.5-3μm；所述量子阱有源层包括交替生长的algaas阱层-algaas垒层，厚度为0.1μm；所述上波导层采用p型algaas组成，厚度为0.1-0.3μm；所述上限制层采用p型algaas组成，厚度为0.3-1μm；所述钝化层采用氮化硅或sio2组成，厚度为10-300nm；所述阴极电极和所述阳极电极采用cr/au、ti/au或ni/au组成；所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。
8.本发明还提供一种具有pn结非注入层的激光器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：提供一衬底层，将所述衬底层放在mocvd设备生长室内，在h2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入ash3，去除所述衬底层表面的水氧，完成表面热处理；步骤二：mocvd设备生长室内温度保持在680~720℃之间，通入tmga(三甲基镓)、tmal(三甲基铝)、和ash3，在步骤一的衬底层上生长下限制层；步骤三：mocvd设备生长室内温度降至630~670℃之间，在步骤二中所述下限制层的上表面生长下波导层；步骤四：保持mocvd设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤三的下波导层的上表面生长量子阱有源层，其中，所述量子阱有源层包括交替生长的algaas阱层-algaas垒层；步骤五：保持mocvd设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤四的量子阱有源层的上表面生长上波导层；其中，所述上波导层为p型algaas；步骤六：将mocvd设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的上波导层的上表面生长上限制层；其中，所述上限制层为p型algaas；步骤七：步骤六的上限制层的上表面生长p型algaas化合物层，通过光刻技术和薄膜沉积技术，在所述p型algaas化合物层的上表面自下而上依次形成sio2掩膜和金属ni硬掩膜，然后通过干法刻蚀所述p型algaas化合物层和上限制层，刻蚀深度为0.5μm，然后去掉残留所述金属ni硬掩膜但保留sio2掩膜，从而刻蚀出一个台面，所述台面深度为0.5μm；步骤八：保持mocvd设备生长室内温度在680~720℃之间，在步骤七刻蚀出的台面的上表面二次外延生长电流非注入层；其中，所述电流非注入层为n型algaas；步骤九：去除步骤八sio2掩膜，通过光刻技术，在步骤七所述p型algaas化合物层和步骤八所述电流非注入层的上表面形成光刻胶掩膜，然后通过干法刻蚀步骤七所述p型
algaas化合物层和步骤八所述电流非注入层，刻蚀深度为270nm，然后去掉残留所述光刻胶掩膜，从而制备得到脊波导，所述脊波导高度为270nm；步骤十：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极、阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；步骤十一：使用pecvd在步骤八中制备的结构的表面沉积厚度为300nm的sio2钝化层；步骤十二：利用光刻技术，并使用boe腐蚀液去除阴极电极和阳极电极所在位置的sio2钝化层，得到钝化层，所述钝化层可以保护激光器的表面不被空气中的水氧侵入，从而提高其可靠性；步骤十三：通过化学镀、电镀等方法在步骤十一得到的结构的发射后端面镀上反射系数为99％的反射层，发射前端面镀上反射系数为5％的增透膜，从而得到具有pn结非注入层的激光器。
9.本发明的有益效果是：本发明通过在脊波导前端面附近引入一段pn结电流非注入区，减少腔面附近电流的注入，限制载流子横向扩展注入腔面，减小腔面处的载流子浓度，降低载流子在腔面处的非辐射复合，减小腔面处热量的产生，从而提高器件的cod阈值；并且保证了沿光的传播方向上材料折射率相同，从而减少了由于电流非注入区引入而增加的光学散射损耗，而通过更小吸收系数的n型材料取代腔面处的p型材料，可以有效避免腔面p型材料的高吸收，进一步下降腔面的产热，降低腔面温度。
10.（2）本发明一种具有pn结非注入层的激光器的结构及其制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员所具备的，其所涉及的原材料均可通过一般性途径获得，工艺简单可靠，可重复性强，生产成本低，适于产业推广，可应用于激光器领域。
附图说明
11.图1为本发明的一种具有pn结非注入层的激光器截面图；图2为本发明的一种具有pn结非注入层的激光器沿图1虚线方向的横截面俯视图；图3为本发明的一种具有pn结非注入层的激光器的俯视图；图4为本发明刻蚀台面步骤的截面图；图5为本发明刻蚀台面步骤的俯视图；图6为本发明二次外延生长n型algaas材料的截面图；图7为本发明二次外延生长n型algaas材料的俯视图；图8为本发明刻蚀脊波导的截面图；图9为本发明刻蚀脊波导的俯视图；其中，101.衬底层，102.下限制层，103.下波导层，104. 量子阱有源层，105. 上波导层，106.上限制层，107.脊波导，108.电流非注入层，109，阳极电极，110.阴极电极，111.增透膜，112.反射膜，113.钝化层，114.前端面，115.后端面，116.sio2掩膜，117.金属ni硬掩膜，118.p型algaas化合物层。
具体实施方式
12.下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本技术权利要求保护范围的限定。
实施例1
13.面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本技术权利要求保护范围的限定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。
14.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
15.请参阅图1~图2，本发明实施例提供一种具有pn结非注入层的激光器，包括：沿着芯片外延生长方向依次为衬底层101、下限制层102、下波导层103、量子阱有源层104、上波导层105、上限制层106、脊波导107以及电流非注入层108，所述的上波导层105和上限制层106为p型algaas，所述的电流非注入层108为n型algaas；一阴极电极110分布在所述衬底层101的下表面，一阳极电极109分布在所述脊波导107的上表面；所述具有pn非注入层的激光器还包括发射前端面114和发射后端面115，所述发射前端面114设置有增透膜111，所述发射后端面115设置有反射膜112；一钝化层113包覆除了所述阴极电极110、所述阳极电极109、所述发射前端面114和所述发射后端面115以外的部分。
16.所述发射前端面114和所述发射后端面115设置在激光器沿着激光发射方向的两个侧面，组成一谐振腔结构，半导体激光器产生的激光最终通过所述发射前端面114（发光腔面）输出。
17.所述电流非注入层108的材料为n型algaas ，其厚度约为0.5μm；所述衬底层101采用gaas组成，厚度为200nm；所述下限制层102采用algaas组成，厚度为0.3μm；所述下波导层103采用algaas组成，厚度为0.5-3μm；所述量子阱有源层104包括交替生长的algaas阱层-algaas垒层，厚度为0.1μm；所述上波导层105采用p型algaas组成，厚度为0.1-0.3μm；所述上限制层106采用p型algaas组成，厚度为0.3-1μm；所述钝化层113采用氮化硅或sio2组成，厚度为300nm；所述阴极电极110和所述阳极电极109采用cr/au、ti/au或ni/au组成；所述反射膜112的反射率为50％-100％，所述增透膜111的反射率小于等于10％。
18.请参阅图1~图2，本发明实施例还提供一种具有pn结注入层的激光器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：提供一衬底层，将所述衬底层放在mocvd设备生长室内，在h2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入ash3，去除所述衬底层表面的水氧，完成表面热处
理；步骤二：mocvd设备生长室内温度保持在680~720℃之间，通入tmga(三甲基镓)、tmal(三甲基铝)、和ash3，在步骤一的衬底层上生长下限制层；步骤三：mocvd设备生长室内温度降至630~670℃之间，在步骤二中所述下限制层的上表面生长下波导层；步骤四：保持mocvd设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤三的下波导层的上表面生长量子阱有源层，其中，所述量子阱有源层包括交替生长的algaas阱层-algaas垒层；步骤五：保持mocvd设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤四的量子阱有源层的上表面生长上波导层；其中，所述上波导层为p型algaas；步骤六：将mocvd设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的上波导层的上表面生长上限制层；其中，所述上限制层为p型algaas；步骤七：在步骤六的上限制层的上表面生长p型algaas化合物层，通过光刻技术和薄膜沉积技术，在所述p型algaas化合物层的上表面自下而上依次形成sio2掩膜和金属ni硬掩膜，然后通过干法刻蚀所述p型algaas化合物层和上限制层，刻蚀深度约为0.5μm，然后去掉残留所述金属ni硬掩膜但保留sio2掩膜，从而刻蚀出一个台面，所述台面深度约为0.5μm；步骤八：保持mocvd设备生长室内温度在680~720℃之间，在步骤七刻蚀出的台面的上表面二次外延生长电流非注入层；其中，所述电流非注入层为n型algaas；步骤九：去除步骤八sio2掩膜，通过光刻技术，在步骤七所述p型algaas化合物层和步骤八所述电流非注入层的上表面形成光刻胶掩膜，然后通过干法刻蚀步骤七所述p型algaas化合物层和步骤八所述电流非注入层，刻蚀深度为270nm，然后去掉残留所述光刻胶掩膜，从而制备得到脊波导，所述脊波导高度为270nm；步骤十：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极、阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；步骤十一：使用pecvd在步骤八中制备的结构的表面沉积厚度为300nm的sio2钝化层；步骤十二：利用光刻技术，并使用boe腐蚀液去除阴极电极和阳极电极所在位置的sio2钝化层，得到钝化层，所述钝化层可以保护激光器的表面不被空气中的水氧侵入，从而提高其可靠性；步骤十三：通过化学镀、电镀等方法在步骤十一得到的结构的发射后端面镀上反射系数为99％的反射层，发射前端面镀上反射系数为5％的增透膜，从而得到一种具有pn结非注入层的激光器。
19.上述实施例中一种具有pn结非注入层的激光器均可实现，并且能减少腔面处的电流注入，提高器件的cod阈值，提升了器件的性能。
20.此外，具有pn结非注入层的激光器的作用效果会受到激光器中波导层、限制层层、
有源区的材料、工艺和尺寸变化的影响，因此需要依据不同的器件结构、工艺方法做适当的优化，从而使具有pn结非注入层的激光器起到最佳效果。
21.上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，这些对本发明权利要求进行等同替换后的技术方案，均落于本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
22.本发明未尽事宜为公知技术。

技术特征：
1.一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征为该结构为以下结构：所述结构沿着外延生长方向依次包括衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、电流非注入层以及脊波导。2.如权利要求1所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征为所述的电流非注入层为n型algaas，并且厚度小于上限制层厚度和脊波导厚度的总和。3.如权利要求1所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征为所述的电流非注入层位于脊波导前端面附近。4.如权利要求1所述的具有pn结非注入层的激光器结构，其特征为以下结构：所述衬底层采用gaas组成，厚度为200nm；所述下限制层采用algaas组成，厚度为0.3μm；所述下波导层采用algaas组成，厚度为0.5-3μm；所述量子阱有源层包括交替生长的algaas阱层-algaas垒层，厚度为0.1μm；所述上波导层采用p型algaas组成，厚度为0.1-0.3μm；所述上限制层采用p型algaas组成，厚度为0.3-1μm。5.如权利要求1~4任一项所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征还包括阴极电极和阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；所述阴极电极和所述阳极电极由cr/au、ti/au或ni/au的一种组成。6.如权利要求5所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征还包括发射前端面和发射后端面；所述发射前端面设置有增透膜，所述发射后端面设置有反射膜。7.如权利要求6所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征为所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。8.如权利要求7所述的一种具有pn结非注入层的激光器结构，其特征还包括钝化层，所述钝化层包覆除了所述阴极电极、所述阳极电极、所述发射前端面以及所述发射后端面以外的部分，所述钝化层由氮化硅或sio2的一种组成，厚度为300nm。9.一种具有pn结非注入层的激光器的制备方法，包括以下步骤：步骤一：提供一衬底层，将所述衬底层放在mocvd设备生长室内，在h2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入ash3，去除所述衬底层表面的水氧，完成表面热处理；步骤二：mocvd设备生长室内温度保持在680~720℃之间，通入tmga、tmal、和ash3，在步骤一的衬底层上生长下限制层；步骤三：mocvd设备生长室内温度降至630~670℃之间，在步骤二中所述下限制层的上表面生长下波导层；步骤四：保持mocvd设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤三的下波导层的上表面生长量子阱有源层;其中，所述量子阱有源层包括交替生长的algaas阱层-algaas垒层；步骤五：保持mocvd设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤四的量子阱有源层的上表面生长上波导层；其中，所述上波导层为p型algaas；步骤六：将mocvd设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的上波导层的上表面生长上限制层；
其中，所述上限制层为p型algaas；步骤七：在步骤六的上限制层的上表面生长p型algaas化合物层，通过光刻技术和薄膜沉积技术，在所述p型algaas化合物层的上表面自下而上依次形成sio2掩膜和金属ni硬掩膜，然后通过干法刻蚀所述p型algaas化合物层和上限制层，刻蚀深度为0.5μm，然后去掉残留所述金属ni硬掩膜但保留sio2掩膜，从而刻蚀出一个台面，所述台面深度为0.5μm；步骤八：保持mocvd设备生长室内温度在680~720℃之间，在步骤七刻蚀出的台面的上表面二次外延生长电流非注入层；其中，所述电流非注入层为n型algaas；步骤九：去除步骤八sio2掩膜，通过光刻技术，在步骤七所述p型algaas化合物层和步骤八所述电流非注入层的上表面形成光刻胶掩膜，然后通过干法刻蚀步骤七所述p型algaas化合物层和步骤八所述电流非注入层，刻蚀深度为270nm，然后去掉残留所述光刻胶掩膜，从而制备得到脊波导，所述脊波导高度为270nm；步骤十：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极、阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；步骤十一：使用pecvd在步骤八中制备的结构的表面沉积厚度为300nm的sio2钝化层；步骤十二：利用光刻技术，并使用boe腐蚀液去除阴极电极和阳极电极所在位置的sio2钝化层，得到钝化层，所述钝化层可以保护激光器的表面不被空气中的水氧侵入，从而提高其可靠性；步骤十三：通过化学镀、电镀等方法在步骤十一得到的结构的发射后端面镀上反射系数为99％的反射层，发射前端面镀上反射系数为5％的增透膜，从而得到一种具有pn结非注入层的激光器。

技术总结
本发明提供一种具有PN结非注入层的激光器的结构及其制备方法。所述结构沿着外延生长方向依次包括衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、电流非注入层以及脊波导。该结构通过在外延片上二次外延生长N型半导体材料作为电流非注入层，从而在脊波导前端面附近引入一段PN结，阻挡电流注入腔面。这不仅保证了沿光传播方向上材料的折射率相同，减少了由于电流非注入区引入而增加的光学散射损耗；还最大限度的减少腔面处载流子的浓度；也避免P型材料的高吸收，降低腔面温度，有效的提升了器件的性能。有效的提升了器件的性能。有效的提升了器件的性能。


技术研发人员：周少丰 刘鹏 丁亮 陈华为
受保护的技术使用者：深圳市星汉激光科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/7/12