一种具有光栅结构的边发射半导体激光器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102545052 A (43)申请公布日 2012.07.04 CN 102545052 A *CN102545052A* (21)申请号 201210060694.9 (22)申请日 2012.03.09 H01S 5/22(2006.01) (71)申请人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园 100 号 (72)发明人 崔碧峰 计伟 陈京湘 郭伟玲 张松 王晓玲 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 刘萍 (54) 发明名称 一种具有光栅结构的边发射半导体激光器 (57) 摘要 一种具有光栅结构的边发射半

2、导体激光器， 属于半导体光电子技术领域。包括衬底、 N 型限 制层、 N 型波导层、 多量子阱有源区、 P 型波导层、 P 型限制层、 P 型欧姆接触层构成的半导体激光器 外延结构 ； 同时包括了二氧化硅绝缘层、 上层 P 型 电极、 下层 N 型电极， 其中光栅结构生长在脊形台 上， 制作过程采用光刻工艺 ； 划片后， 将芯片烧结 在铜热沉上， 封装固定在散热基座上。 此结构中脊 形台上光栅结构的引入抑制了注入到有源层载流 子的侧向扩散， 提高有源区载流子分布的均匀性， 从而降低半导体激光器的阈值电流。本发明制作 工艺简单、 成本低、 重复性好。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页

3、说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种具有光栅结构的边发射半导体激光器， 其特征在于 ： 依次包括衬底、 N 型限制 层、 N 型波导层、 多量子阱有源区、 P 型波导层、 P 型限制层、 P 型欧姆接触层构成的外延 片结构 ； 且利用湿法腐蚀将外延片两侧腐蚀 P 型欧姆接触层到 P 型限制层， 深度范围为 ： 400nm-600nm， 从而形成脊形台， 在脊形台上腐蚀出具有周期性的光栅结构。 权 利 要 求 书 CN 102545052 A 2 1/4 页 3 一种

4、具有光栅结构的边发射半导体激光器 技术领域 0001 具有光栅结构的边发射半导体激光器， 属于半导体光电子技术领域， 涉及一种半 导体激光器。 背景技术 0002 半导体激光器以其体积小、 重量轻、 价格便宜等优点广泛用于光纤通信、 光盘存 取、 光谱分析和光信息处理等重要领域。而且特别适用于激光夜视、 激光引信、 激光雷达等 军事领域。边发射半导体激光器是半导体激光器领域的重要组成部分， 它是直接利用半导 体材料的自然解理面来做谐振腔面， 工艺简单、 晶面完美。 边发射半导体激光器具有以下优 点 ： 0003 1. 由于有源层侧向尺寸减小， 光场对称性增加， 因而能提高光源与光纤的耦合效 率

5、。 0004 2. 因为在侧向对电子和光场有限制， 有利于降低激光器的阈值电流。 0005 3. 由于有源区面积小， 容易获得缺陷尽可能少或无缺陷的有源层， 同时除用作谐 振腔的解理面外， 整个有源区与外界隔离， 有利于提高器件的稳定性和可靠性。 0006 由于边发射半导体激光器是将注入电流加在一条形电极上， 这样注入到有源层的 非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度使其不可避免的会发生侧向扩散， 这样 就会对有源区载流子分布的均匀性产生影响， 从而对边发射激光器的阈值特性、 输出模式、 输出功率都产生了不良影响。 0007 本发明的用于改善有源区载流子分布均匀性的边发射半导体激光器，

6、其制作方法 只在传统边发射半导体激光器工艺的基础上增加了一步光刻工艺， 因此它的制作工艺简 单、 成本低、 重复性。 发明内容 0008 本发明的目的在于改善边发射的半导体激光器有源区载流子分布均匀性， 减少有 源区的载流子泄露， 从而降低激光器的阈值电流。 0009 为了达到上述目的， 本发明提供了一种具有光栅结构的边发射半导体激光器， 其 特征在于 ： 依次包括衬底、 N 型限制层、 N 型波导层、 多量子阱有源区、 P 型波导层、 P 型限制 层、 P 型欧姆接触层构成的外延片结构 ； 且利用湿法腐蚀将外延片两侧腐蚀 P 型欧姆接触层 到 P 型限制层， 深度范围为 ： 400nm-60

7、0nm， 从而形成脊形台， 在脊形台上腐蚀出具有周期性 的光栅结构。 0010 上述方案中， 在脊形台上形成光栅结构， 该光栅结构可以改善有源区的载流子分 布均匀性， 减少有源区的载流子泄露， 从而降低激光器的阈值电流。 0011 从上述技术方案可以得出， 本发明具有以下有益效果 ： 0012 1、 本发明提供的这种用于改善有源区载流子分布均匀性的边发射半导体激光器， 减少了有源区的载流子泄露， 从而降低激光器的阈值电流。 说 明 书 CN 102545052 A 3 2/4 页 4 0013 2、 本发明提供的这种用于改善有源区载流子分布均匀性的边发射半导体激光器， 其制作方法在传统边发射半

8、导体激光器工艺的基础上只增加了一步光刻工艺， 与现有的边 发射半导体激光器制备工艺完全兼容， 制备工艺简单， 成本低。 0014 3、 本发明提供的这种用于改善有源区载流子分布均匀性的边发射半导体激光器， 广泛适用于各种材料系的边发射半导体激光器。 附图说明 0015 图 1 ： 本发明提供的边发射半导体激光器的侧向剖面示意图 ； 0016 图中 ： 1、 多量子阱有源区， 2、 P 型波导层， 3、 N 型波导层， 4、 P 型限制层， 5、 N 型限制 层， 6、 P 型欧姆接触层， 7、 砷化镓衬底， 8、 二氧化硅绝缘层， 9、 上层 P 型电极， 10、 下层 N 型电 极。 001

9、7 图 2 ： 本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法流程图。 0018 图 3 ： 本发明提供的改善有源区光场分布的边发射半导体激光器的光栅结构立体 示意图。 0019 图中 ： 11、 多量子阱有源区， 12、 P 型波导层， 13、 N 型波导层， 14、 P 型限制层， 15、 N 型限制层， 16、 P 型欧姆接触层， 17、 半导体衬底。 0020 图 4 ： 本发明提供的改善有源区光场分布的边发射半导体激光器的封装结构示意 图 ； 0021 图中 ： 18、 铜热沉， 19、 陶瓷片， 20、 铜带， 21、 陶瓷片上的金层， 22、 金线， 23、 半导体 激光器芯片， 24

10、、 铟层。 0022 图 5 ： 无光栅结构的半导体激光器 P-I 特性曲线。 0023 图 6 ： 本发明提供的具有光栅结构的半导体激光器的 P-I 特性曲线。 具体实施方式 0024 为了使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚明白， 以下结合具体实施例， 并参 照附图， 对本发明进一步详细说明。 0025 实施例 1 0026 本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法， 广泛适用于各种材料系的边发射 半导体激光器， 下面以 980nm 的铟镓砷系量子阱边发射半导体激光器为例说明其原理。 0027 如图 1 所示， 本实施例一种用于改善有源区载流子分布均匀性的边发射半导体激 光器的结构包括

11、 ： 0028 A、 衬底 7， 该衬底 7 为 N 型镓砷材料， 厚度约为 300-400um， 该衬底 10 用于在其上 进行激光器各层材料的外延生长 ； 0029 B、 N 型限制层 5， 该 N 型限制层 5 制作在衬底 7 上， 该 N 型限制层 5 为 N 型铝镓砷 材料， 可以有效的限制光场 ； 0030 C、 N型波导层3和P型波导层2组成波导层， 该波导层制作在量子阱层1的两侧， N 型限制层 5 和 P 型限制层 4 以内， 其材料为低掺杂的铝镓砷材料， 铝组分是渐变的， 范围为 ： 0.05-0.35， 波导层采用材料组分渐变后， 其折射率将变小， 光限制因子变大， 从而

12、降低阈值 电流 ； 说 明 书 CN 102545052 A 4 3/4 页 5 0031 D、 量子阱层 1， 该量子阱层 1 制作在 N 型波导层 3 和 P 型波导层 2 以内， 其材料为 铟镓砷材料 ； 0032 E、 P 型限制层 4， 该 P 型限制层 4 制作在 P 型波导层 2 上， 其材料为铝镓砷材料 ； 0033 F、 P 型欧姆接触层 6， 其材料为能与镓砷材料形成良好的欧姆接触的材料 ； 0034 同时， 由于边发射半导体激光器是将注入电流加在一条形电极上， 这样注入到有 源层的非平衡少数载流子由中心向两侧所形成的浓度梯度使其不可避免的会发生侧向扩 散， 在脊形台上形成

13、光栅结构可以有效地改善有源区的载流子分布均匀性， 减少有源区的 载流子泄露， 从而降低激光器的阈值电流。 0035 实施例 2 0036 图 2 为本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法流程图， 该方法包括以下步 骤 ： 0037 步骤 101 ： 在 N 型镓砷衬底上依次制备铝镓砷限制层、 铝镓砷光波导层、 铟镓砷量 子阱有源层， 并形成分别限制异质结构 ； 0038 步骤 102 ： 在外延片上光刻出脊波导 ； 0039 步骤 103 ： 在外延片上淀积电绝缘层 ； 0040 步骤 104 ： 在电绝缘层上光刻出引线孔 ； 0041 步骤 105 ： 在脊形台上的引线孔处光刻出光栅结构

14、； 0042 步骤 106 ： 在外延片上制备 P 面电极 ； 0043 步骤 107 ： 对 N 型面衬底进行减薄抛光后制备 N 面电极 ； 0044 针对上述本发明提供的制作边发射半导体激光器的方法流程图， 下面结合图 1 所 示的边发射半导体激光器侧向剖面的示意图， 对本发明进一步详细说明。 0045 上述步骤 101 中所述的 N 型衬底为 (100) 面偏 方向 15 N 型偏角镓砷衬底 7。选用该衬底， 采用金属有机物化学气相沉积 (MOCVD) 在 N 型偏角镓砷衬底上外延生长了 N 型铝镓砷下限制层 5、 N 型铝镓砷下光波导层 3、 P 型铝镓砷上限制层 4、 P 型铝镓砷上

15、光波 导层 2、 铟镓砷量子阱有源层 1， 重掺杂的 P 型镓砷欧姆接触层 6。选用 (100) 面偏 方 向 15 N 型偏角镓砷衬底一方面能抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成 ； 另一方面还能 提高限制层中 P 型杂志掺杂浓度， 提高电子的有效势垒， 抑制有源区的电子泄露， 有利于制 备大功率半导体激光器。 0046 上述步骤 102 包括 ： 将外延片上旋涂满光刻胶， 通过显影将脊形台面以外区域的 光刻胶去除， 再利用湿法腐蚀方法腐蚀出脊形台面。 0047 上述步骤 103 包括 ： 在外延片上采用等离子体增强化学气相沉积法 (PECVD) 淀积 一层电绝缘层， 该绝缘层为二氧化硅层。

16、0048 上述步骤 104 包括 ： 在长好电绝缘层的外延片的脊形台面上利用湿法刻蚀法光刻 出引线孔， 上述的引线孔的宽度应当比脊形台面的宽度小。 0049 上述步骤 105 包括 ： 在引线孔上利用湿法腐蚀法光刻出具有周期结构的光栅结 构。 0050 上述步骤 106 和步骤 107 包括 ： 在外延片上制备 P 面电极 9 和 N 面电极 10， 该电 极为能与镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料， 所述的 P 面电极采用溅射的方法制备， N 面电极采用蒸发的方法制备。 说 明 书 CN 102545052 A 5 4/4 页 6 0051 该方法在步骤 107 之后还可以进一步包括 ： 将

17、具有电极的外延片解成条， 在激光 器的前后腔面上分别镀上增透膜和高反膜。这样便可以提高激光器的输出功率， 还能保护 激光器的腔面。 0052 通过上述步骤制备好半导体激光器外延片， 划片后烧结在热沉上， 然后封装固定 在散热基座上， 在 28温度下测试， 得到如图 6 的输出特性曲线， 图 5 为无光栅结构的半 导体激光器的输出特性曲线 ； 采用光栅结构后半导体激光器的阈值电流由 0.5A 降低到 0.42A， 并且其输出功率也有了一定的提高。 0053 以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步的 详细说明， 应当理解的是， 以上所述仅为本发明的实施例， 并不用于限制本发明， 凡在本发 明的精神和原则之内， 所做的任何修改， 等同替换， 改进等， 均应在本发明保护范围之内。 说 明 书 CN 102545052 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102545052 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102545052 A 8 3/3 页 9 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102545052 A 9