抑制GaAs基激光器高階模的方法
【專利摘要】一種抑制GaAs基激光器高階模的方法，包括以下步驟：步驟1：在砷化鎵襯底上依次制作n型限制層、n型高折射率插入層、n型低折射率插入層、n型波導(dǎo)層、量子阱有源區(qū)、p型波導(dǎo)層、p型低折射率插入層、p型高折射率插入層、p型限制層和p型接觸層；步驟2：將P型接觸層和P型限制層濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型；步驟3：在制作成脊型的上面生長一層氧化模，并采用光刻的方法在p型接觸層的上表面制作p型歐姆電極；步驟4：將砷化鎵襯底減薄、清洗，并在砷化鎵襯底的背面制作n型歐姆電極，形成激光器；步驟5：進行解理，在激光器的腔面鍍膜，最后封裝在管殼上，完成制備。本發(fā)明通過對高折射率層合適的摻雜來增加高階模的光學(xué)損耗，提高高階模的激射閾值。
【專利說明】抑制GaAs基激光器高階模的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到半導(dǎo)體光電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種抑制GaAs基激光器高階模的激光器的設(shè)計和制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體光電子器件的迅速發(fā)展，大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)運而生。由于半導(dǎo)體激光器體積小、價格便宜、電光轉(zhuǎn)換效率高以及壽命長等優(yōu)點，半導(dǎo)體激光器在光電子領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器在工業(yè)加工領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及理論研究領(lǐng)域都扮演著重要的角色。目前為止，與其它半導(dǎo)體II1-V族材料相比，對砷化鎵材料的研究是最成熟的。因而，人們對砷化鎵激光器的性能要求也是最高的，這表現(xiàn)在砷化鎵激光器可以有很低的閾值電流、很低的垂直發(fā)散角、較高的電光轉(zhuǎn)換效率等等其它半導(dǎo)體激光器不可比擬的優(yōu)點。
[0003]砷化鎵激光器材料層主要分為三部分:單量子阱或多量子阱形成的有源區(qū)、有源區(qū)一側(cè)為有源區(qū)提供電子的N區(qū)、有源區(qū)另一側(cè)為有源區(qū)提供空穴的P區(qū)。通過施加外加偏壓驅(qū)動電子和空穴在垂直于結(jié)平面的方向上注入到有源區(qū)進行復(fù)合并產(chǎn)生光。通過側(cè)面兩端的理解鏡面形成反饋腔，使得電子空穴復(fù)合產(chǎn)生的光在腔內(nèi)不斷諧振并且形成波前平行于鏡面的駐波。如果有源區(qū)內(nèi)的光增益超過了激光器結(jié)構(gòu)里的光損耗，就會產(chǎn)生放大的受激輻射，激光便會從鏡面端面發(fā)射出來。
[0004]為了提高激光器的災(zāi)變光學(xué)損傷閾值、降低內(nèi)部損耗以及改善光束質(zhì)量，使用超大厚度的波導(dǎo)層是一種常用的方法。但超大厚度的波導(dǎo)層會使波動方程的解存在高階模，即超大厚度的波導(dǎo)層會使激光器的諧振器中存在高階模。為了保證激光器的單模激射特性，可以通過提高高階模的閾值讓其難以激射。針對這個問題，有一些解決方案。比如，改變波導(dǎo)層和限制層的厚度來增大基模與高階模的光學(xué)限制因子的差值，還有通過引入低折射率插入層把聞階I旲的光場移入聞慘雜的限制層,提聞聞階I旲的損耗。但是,這些方法提聞基模與高階模的差值是有一定限制的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提出一種抑制GaAs基激光器高階模的方法。該方法是在波導(dǎo)層和限制層之間對稱插入相應(yīng)摻雜類型的高低折射率層。低折射率層的引入是為了阻擋電子或空穴進入緊鄰的高折射率層形成的勢阱。另外，之所以對低折射率分別摻雜為η型和P型是為了避免阻擋電子和空穴注入到有源區(qū)。高折射率層的引入是為了將附近較強的高階模限制在該區(qū)域。另外，通過對高折射率層合適的摻雜來增加高階模的光學(xué)損耗，提高高階模的激射閾值。
[0006]本發(fā)明提供一種抑制GaAs基激光器高階模的方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1:在砷化鎵襯底上依次制作η型限制層、η型高折射率插入層、η型低折射率插入層、η型波導(dǎo)層、量子阱有源區(qū)、P型波導(dǎo)層、P型低折射率插入層、P型高折射率插入層、P型限制層和P型接觸層；
[0008]步驟2:將P型接觸層和P型限制層濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型；
[0009]步驟3:在制作成脊型的上面生長一層氧化模，并采用光刻的方法在P型接觸層的上表面制作P型歐姆電極；
[0010]步驟4:將砷化鎵襯底減薄、清洗，并在砷化鎵襯底的背面制作η型歐姆電極，形成激光器；
[0011]步驟5:進行解理，在激光器的腔面鍍膜，最后封裝在管殼上，完成制備。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:第一，對低折射率插入層分別進行η型和P型摻雜，盡量減小η(ρ)型插入層對電子(空穴)注入的影響。第二，選擇合適的高低折射率插入層的位置。在該位置，基模的光場強度遠小于高階模的光場強度。因此，在摻雜的高折射率區(qū)域，高階模的光學(xué)損耗遠大于基模的光學(xué)損耗，從而高階模的激射閾值遠大于基模的激射閾值，保證了激光器的單模激射特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，以下結(jié)合實例及附圖詳細說明如后，其中:
[0014]圖1是本發(fā)明一種抑制高階模的激光器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2是激光器結(jié)構(gòu)在生長方向的導(dǎo)帶示意圖，在摻雜的高折射率區(qū)域?qū)л^低，以此限制高階模到該區(qū)域。

【具體實施方式】
[0016]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種抑制GaAs基激光器高階模的方法，包括以下步驟:
[0017]步驟1:在砷化鎵襯底10上依次制作η型限制層11、η型高折射率插入層12、η型低折射率插入層13、η型波導(dǎo)層14、量子阱有源區(qū)15、ρ型波導(dǎo)層16、ρ型低折射率插入層17、ρ型高折射率插入層18、ρ型限制層19和ρ型接觸層20 ；
[0018]步驟2:將ρ型接觸層20和ρ型限制層19濕法腐蝕或干法刻蝕脊型，該脊型刻蝕的深度到達P型限制層19內(nèi)。濕法腐蝕操作比較簡單，當腐蝕深度不是很深時可以采用，但是容易造成鉆蝕，對器件的影響比較大。如果腐蝕深度很深，最好采用ICP等干法腐蝕。
[0019]步驟3:在制作成脊型的上面生長一層氧化模，并采用光刻的方法在ρ型接觸層20的上表面制作P型歐姆電極21。首先，利用PECVD淀積的S12薄膜與原GaAs表面粘附特性較好及S12薄膜良好的電絕緣特性，與光刻工藝有效配合，可將S12層覆蓋在除引線孔以外的所有上表面上。其次，用腐蝕液腐蝕氧化硅。該腐蝕液是由氫氟酸:氟化銨:去離子水=3ml: 6g: 1ml配比而成。最后,?賤射Ti/Pt/Au做正面電極,?賤射T1-Au時襯底要保持足夠高的溫度(80度)，使得表面吸附的水分及其無用物質(zhì)揮發(fā)干凈，形成完全潔凈的表面，保證濺射時的金屬層，能夠牢固的粘附在片子表面。濺射時要保證足夠高的真空度，使濺射時的金屬原子，氬離子在加速場運動時有足夠的自由程，使之能夠有力的打到靶上，和金屬原子有力的打到片子上，形成牢固的金屬膜，同時防止金屬及表面氧化。
[0020]步驟4:將砷化鎵襯底10減薄、清洗，并在砷化鎵襯底10的背面制作η型歐姆電極22，形成激光器。拋光后厚度一定要控制在80-100um之間，太厚不易解理，管芯易碎，易破壞腔面；太薄了使片子損傷層接近結(jié)構(gòu)區(qū)造成損傷，影響器件壽命。大于10um不易解理，解理時破壞腔面。磨拋過程中要保證不要碎片。粘片，起片時一定要充分熔化蠟。磨拋片子清洗時，加熱溫度不易過高，否則易碎片。
[0021]步驟5:進行解理，在激光器的腔面鍍膜，最后封裝在管殼上，完成制備。在激光器的腔面鍍上增透膜和增反膜，可以減少激光器閾值電流，和峰值半寬。增強激光器的選模能力。
[0022]其中砷化鎵襯底10的厚度為500-1000 μ m。
[0023]其中η型高折射率插入層12的材料為η型鋁鎵砷或銦鎵砷材料，厚度為0.1-0.8 μ m，其中η型鋁鎵砷中的鋁組分為0.1-0.4，銦鎵砷材料中的銦組分為0.3-0.7，其帶隙寬度低于η型波導(dǎo)層14的帶隙寬度。
[0024]其中η型低折射率插入層13的材料為η型鋁鎵砷或銦鎵砷材料，厚度為0.1-0.6 μ m，η型鋁鎵砷中的鋁組分為0.7_1，銦鎵砷材料中的銦組分為0.1-0.3，其帶隙寬度高于η型波導(dǎo)層14的帶隙寬度。
[0025]其中η型波導(dǎo)層14的材料為不摻雜或輕摻雜的砷化鎵或者銦鎵砷材料，厚度為0.2-2 μ m。
[0026]其中量子阱有源區(qū)的15量子阱的個數(shù)為1-5個，每一量子阱的材料為砷化鎵、鎵砷磷以及銦鎵砷，每一量子阱的厚度為Ι-lOnm，量子壘材料分別對應(yīng)為鋁鎵砷、銦鎵磷以及鎵砷磷。
[0027]其中ρ型波導(dǎo)層16的材料為不摻雜或輕摻雜的砷化鎵或者銦鎵砷，厚度為0.2-2 μ m。
[0028]其中ρ型低折射率插入層17的材料為ρ型鋁鎵砷或銦鎵砷，厚度為0.1-0.6 μ m，P型鋁鎵砷中的鋁組分為0.7-1，銦鎵砷中的銦組分為0.1-0.3，其帶隙寬度高于P型波導(dǎo)層16的帶隙寬度。
[0029]其中ρ型高折射率插入層18的材料為ρ型鋁鎵砷或銦鎵砷，厚度為0.1-0.8 μ m，P型鋁鎵砷中的鋁組分為0.1-0.4，銦鎵砷中的銦組分為0.3-0.7，其帶隙寬度低于P型波導(dǎo)層16的帶隙寬度。
[0030]請參閱圖2所示，該圖是對應(yīng)激光器結(jié)構(gòu)在生長方向的導(dǎo)帶示意圖。η型和ρ型低折射率插入層的導(dǎo)帶較高，用來阻擋載流子進入對側(cè)的摻雜高折射率層。η型和ρ型高折射率插入層用來限制高階模光場，增加高階模的損耗。
[0031]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種抑制GaAs基激光器高階模的方法，包括以下步驟: 步驟1:在砷化鎵襯底上依次制作η型限制層、η型高折射率插入層、η型低折射率插入層、η型波導(dǎo)層、量子阱有源區(qū)、P型波導(dǎo)層、P型低折射率插入層、P型高折射率插入層、P型限制層和P型接觸層； 步驟2:將P型接觸層和P型限制層濕法腐蝕或干法刻蝕成脊型； 步驟3:在制作成脊型的上面生長一層氧化模，并采用光刻的方法在P型接觸層的上表面制作P型歐姆電極； 步驟4:將砷化鎵襯底減薄、清洗，并在砷化鎵襯底的背面制作η型歐姆電極，形成激光器； 步驟5:進行解理，在激光器的腔面鍍膜，最后封裝在管殼上，完成制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中砷化鎵襯底的厚度為500-1000 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中η型高折射率插入層的材料為η型鋁鎵砷或銦鎵砷材料，厚度為0.1-0.8 μ m，其中η型鋁鎵砷中的鋁組分為0.1-0.4，銦鎵砷材料中的銦組分為0.3-0.7，其帶隙寬度低于η型波導(dǎo)層的帶隙寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中η型低折射率插入層的材料為η型鋁鎵砷或銦鎵砷材料，厚度為0.1-0.6 μ m，η型鋁鎵砷中的鋁組分為0.7-1,銦鎵砷材料中的銦組分為0.1-0.3，其帶隙寬度高于η型波導(dǎo)層的帶隙寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中η型波導(dǎo)層的材料為不摻雜或輕摻雜的砷化鎵或者銦鎵砷材料，厚度為0.2-2 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中量子阱有源區(qū)的量子阱的個數(shù)為1-5個，每一量子阱的材料為砷化鎵、鎵砷磷以及銦鎵砷，每一量子阱的厚度為Ι-lOnm，量子壘材料分別對應(yīng)為鋁鎵砷、銦鎵磷以及鎵砷磷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中P型波導(dǎo)層的材料為不摻雜或輕摻雜的砷化鎵或者銦鎵砷，厚度為0.2-2 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中P型低折射率插入層的材料為P型鋁鎵砷或銦鎵砷，厚度為0.1-0.6 μ m，p型鋁鎵砷中的鋁組分為0.7-1，銦鎵砷中的銦組分為0.1-0.3，其帶隙寬度高于P型波導(dǎo)層的帶隙寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中P型高折射率插入層的材料為P型鋁鎵砷或銦鎵砷，厚度為0.1-0.8 μ m，P型鋁鎵砷中的鋁組分為0.1-0.4，銦鎵砷中的銦組分為0.3-0.7，其帶隙寬度低于P型波導(dǎo)層的帶隙寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制GaAs基激光器高階模的方法，其中脊型刻蝕的深度到達P型限制層內(nèi)。
【文檔編號】H01S5/343GK104300367SQ201410564609
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】李翔, 趙德剛, 江德生, 劉宗順, 陳平, 朱建軍 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所