專(zhuān)利名稱(chēng)：傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光器，特別是涉及一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器是一種與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器有著顯著不同的激光器。這種激光器的出射光斑呈圓形，發(fā)散角很小，利于與光纖耦合。該激光器件最顯著的一個(gè)特點(diǎn)是由于出光方向垂直于外延片方向因此不用解理就可以進(jìn)行測(cè)試，適合工業(yè)化生產(chǎn)；還可以進(jìn)行二維光子集成，制成大面積的激光器列陣。垂直腔面發(fā)射激光器可以廣泛應(yīng)用于光纖通訊、光存儲(chǔ)、光互聯(lián)等許多領(lǐng)域中，因此世界先進(jìn)國(guó)家爭(zhēng)先研制，并已有產(chǎn)品銷(xiāo)售。
現(xiàn)有的較好的幾種垂直腔面發(fā)射激光器從下向上由這幾個(gè)主要部分構(gòu)成——下電極、n-GaAs襯底、在襯底上外延生長(zhǎng)形成多層1/4波長(zhǎng)的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x為0.05～0.2，y為0.5～1)異質(zhì)薄膜下反射鏡、n-AlzGa1-zAs(z為0.3～0.5)下限制層、GaAs有源層、p-AlzGa1-zAs上限制層、多層1/4波長(zhǎng)p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射鏡、上電極。為了把電流限制在面積較小的電流注入有源區(qū)內(nèi)，有的器件結(jié)構(gòu)是將GaAs襯底以外的外延層刻蝕成直徑幾微米至幾十微米的小圓柱結(jié)構(gòu)，有的將上鏡面刻成小園臺(tái)結(jié)構(gòu)，有的用氧化的方法形成電流隔離層窗口。其中和本實(shí)用新型最接近的技術(shù)是我們已經(jīng)獲得專(zhuān)利權(quán)的“鎢絲做掩膜二次質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器”(專(zhuān)利號(hào)ZL93118240.9)和使用光刻膠做掩膜質(zhì)子轟擊形成隔離電流高阻區(qū)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)Appl.Phys.Lett.，Vol.57(18)，p1855，1990)。但是這種一般質(zhì)子轟擊結(jié)構(gòu)的垂直腔面激光器有源區(qū)不能做得太小，因而閾值和氧化窗口結(jié)構(gòu)相比還偏高。而且由于發(fā)光面積較大，也不容易獲得基橫模工作，同時(shí)器件串連電阻也偏高。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是克服這些困難，降低器件閾值，改善器件模式，提高器件均勻性和成品率，降低器件串聯(lián)電阻，從而提供一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器及提供一種該激光器的制作方法。
本實(shí)用新型所設(shè)計(jì)的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器(見(jiàn)附圖和附圖說(shuō)明)，由下電極1，n-GaAs襯底2，多層1/4波長(zhǎng)的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x為0.05-0.2，y為0.5-1)異質(zhì)薄膜下反射鏡3，n-AlzGa1-zAs(z為0.3-0.5)下限制層4，GaAs有源層5，p-AlzGa1-zAs上限制層6，多層1/4波長(zhǎng)p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射鏡7和上電極8，出光窗口9，可以隔離電流的離子注入高阻區(qū)10和非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)11等部件構(gòu)成，其特征是離子注入高阻區(qū)10下面的面積大、上面的面積小，呈傾斜狀，也就是說(shuō)，非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)11呈上面大、下面小的漏斗狀，這種傾斜形狀的離子注入高阻區(qū)10是由鎢絲做掩膜垂直交叉四面(四個(gè)方向)四次傾斜離子注入形成的，或者用光刻膠做掩膜四面(四個(gè)方向)四次傾斜離子注入形成的。
本實(shí)用新型和我們已有的鎢絲做掩膜二次質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器相比可以采用直徑較粗一些的鎢絲做掩膜，這樣鎢絲掩膜架可以制作得面積大一些，有利于提高生產(chǎn)效率；和現(xiàn)在已有的光刻膠做掩膜離子注入形成隔離電流高阻區(qū)結(jié)構(gòu)相比，光刻膠掩模也可以做得尺寸大一些，以降低光刻膠掩模制備的工藝難度，提高成品率，同時(shí)這樣的結(jié)構(gòu)使有源區(qū)尺寸較小，有利于降低閾值和實(shí)現(xiàn)單基橫模激射；還可以把上電極出光窗口做得尺寸小一些，即可以做得比漏斗狀的非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)上面的尺寸小一些，這樣有利于降低器件串連電阻。從我們目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這種器件結(jié)構(gòu)對(duì)改善器件特性確實(shí)有較大效果。我們用以前的專(zhuān)利技術(shù)“鎢絲做掩膜二次質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器”制作器件時(shí)一般采用直徑8～12μm的鎢絲，制得的器件一般閾值為6～10mA，串連電阻一般為300～200Ω。而現(xiàn)在制作的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器采用直徑20μm的鎢絲，而器件閾值一般為2～3mA，最低可達(dá)1.4mA，串連電阻一般為100～200Ω。


圖1傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器示意圖；圖2離子注入傾斜角度示意圖。
圖1中，部件1為下電極，2為n-GaAs襯底，3為多層1/4波長(zhǎng)的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜下反射鏡，4為n-AlzGa1-zAs下限制層，5為GaAs有源層，6為p-AlzGa1-zAs上限制層，7為多層1/4波長(zhǎng)p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜上反射鏡，8為上電極，9為出光窗口，10為離子注入的高阻區(qū)，11為非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)，其位于有源層5內(nèi)的區(qū)域稱(chēng)為可以注入電流的有源區(qū)。
圖2中，部件12為外延片，13為鎢絲，14為外延片法線，15為進(jìn)行注入的離子束流。
制備實(shí)施例本實(shí)用新型的制備實(shí)施例分別描述如下實(shí)施例1鎢絲做掩膜四次傾斜離子注入垂直腔面發(fā)射激光器。
這種激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)施工藝簡(jiǎn)述如下選用n-GaAs做為襯底2，在GaAs襯底2上用薄層外延技術(shù)<如分子束外延(MBE)，有機(jī)金屬化合物氣相沉積(MOCVD)技術(shù)等>首先生長(zhǎng)上多層1/4波長(zhǎng)的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜下反射鏡3(x為0.05-0.2，y為0.5-1)，為了減少器件串連電阻，在AlxGa1-xAs層和AlyGa1-yAs層之間生長(zhǎng)一層Al組分漸變的過(guò)渡層，然后生長(zhǎng)n-AlzGa1-zAs下限制層4(z為0.3-0.5)，GaAs有源層5，p-AlzGa1-zAs上限制層6，再生長(zhǎng)多層1/4波長(zhǎng)p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜上反射鏡7，同下反射鏡一樣為了減少器件串連電阻，在AlxGa1-xAs層和AlyGa1-yAs層之間生長(zhǎng)一層Al組分漸變的過(guò)渡層。外延片制備好后用鎢絲13做掩膜進(jìn)行兩次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和對(duì)外延片12進(jìn)行四次有一定傾斜角度的離子注入，第一次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和第一、第二次離子注入時(shí)鎢絲為一個(gè)方向，第二次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和第三、第四次離子注入時(shí)鎢絲和前次方向垂直并交叉。第一離子注入時(shí)以順著鎢絲的方向?yàn)檩S偏斜外延片使其法線方向14與離子注入的束流15方向有一定的傾斜角度α，角度α值可以在6～45度之間選擇，第二次注入時(shí)傾斜的角度變成-α，如圖2所示。然后，取下鎢絲掩膜后再用鎢絲做掩膜進(jìn)行第二次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和第三、第四次有一定傾斜角度的離子注入。這次的鎢絲方向和第一次的方向垂直并交叉，其交叉點(diǎn)兩次都沒(méi)有蒸上金屬薄膜上電極8，形成出光窗口9，最后減薄、蒸下電極1并合金退火。在離子注入的離子停留區(qū)域形成了傾斜形狀的離子注入高阻區(qū)10，在有源層內(nèi)離子沒(méi)有注入的區(qū)域形成可以進(jìn)行電流注入的有源區(qū)。適當(dāng)控制離子注入的能量和劑量，使離子停留的前沿濃度最高并位于有源層，越接近外延片表面離子停留濃度越低，合金退火后外延片表面附近可以導(dǎo)電，這樣電流就可以通過(guò)上電極8漏斗狀地注入到非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)11中。
實(shí)施例2光刻膠做掩膜四次傾斜離子注入垂直腔面發(fā)射激光器。
這種激光器結(jié)構(gòu)的外延片結(jié)構(gòu)和鎢絲做掩膜四次傾斜離子注入垂直腔面發(fā)射激光器一樣，不同之處是進(jìn)行離子注入時(shí)采用光刻膠做掩膜。上電極8可以在離子注入光刻膠掩模制備前蒸發(fā)完成，出光窗口9的尺寸可以小于離子注入光刻膠掩模尺寸，而有利于降低器件串連電阻。光刻膠掩模制備好后，如同鎢絲做掩模一樣從四個(gè)方向四次傾斜地對(duì)外延片進(jìn)行離子注入。
實(shí)施例3有源區(qū)為GaAs量子阱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)只是有源層5生長(zhǎng)成GaAs量子阱結(jié)構(gòu)，其余的工藝同實(shí)施1或2。
實(shí)施例4有源區(qū)為InGaAs量子阱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也是改變有源層材料和結(jié)構(gòu)，把有源層5生長(zhǎng)成InGaAs量子阱結(jié)構(gòu)，其余的工藝同實(shí)施例1或2。
實(shí)施例5有源區(qū)為InGaNAs量子阱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也只是改變有源層材料和結(jié)構(gòu)，把有源層5生長(zhǎng)成InGaNAs量子阱結(jié)構(gòu)，其余的工藝同實(shí)施例1或2。
權(quán)利要求1.一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，由下電極(1)，n-GaAs襯底(2)，多層1/4波長(zhǎng)的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x為0.05-0.2，y為0.5-1)異質(zhì)薄膜下反射鏡(3)，n-AlzGa1-zAs(z為0.3-0.5)下限制層(4)，GaAs有源層(5)，p-AlzGa1-zAs上限制層(6)，多層1/4波長(zhǎng)p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射鏡(7)和上電極(8)，出光窗口(9)，可以隔離電流的離子注入高阻區(qū)(10)和非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)(11)構(gòu)成，其特征在于離子注入高阻區(qū)(10)下面的面積大、上面的面積小，呈傾斜狀，即非離子注入的電流導(dǎo)通區(qū)(11)呈上面大、下面小的漏斗狀。
2.如權(quán)利要求1所述的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于有源層(5)生長(zhǎng)成GaAs量子阱結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于有源層(5)生長(zhǎng)成InGaAs量子阱結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于有源層(5)生長(zhǎng)成InGaNAs量子阱結(jié)構(gòu)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，由下電極1，n－GaAs襯底2，多層1/4波長(zhǎng)的n－Al
文檔編號(hào)H01S5/00GK2587096SQ0225109
公開(kāi)日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月6日
發(fā)明者杜國(guó)同 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)