利用氧化鋅量子阱混雜制作的半導(dǎo)體激光器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用氧化鋅量子阱混雜制作的半導(dǎo)體激光器，本發(fā)明還涉及該種激光器的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器以其波長(zhǎng)選擇范圍廣、體積小、功耗小、效率高、繼承性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為最重要的半導(dǎo)體光電子器件之一。其中大功率半導(dǎo)體激光器在激光存儲(chǔ)、激光顯示、激光打印、材料加工、激光打標(biāo)、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療器械、空間光通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，同時(shí)在軍事領(lǐng)域也可應(yīng)用于激光打靶、激光制導(dǎo)、激光夜視、激光雷達(dá)、激光引信、激光武器、戰(zhàn)爭(zhēng)模擬等。大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)涵蓋了幾乎所有光電子領(lǐng)域，研制高性能大功率激光器需要從激光器外延片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料生長(zhǎng)、器件制作、腔面光學(xué)鍍膜、器件封裝、光束整形與耦合等多方面協(xié)調(diào)入手，但無(wú)疑半導(dǎo)體激光器外延片和芯片的制作是最核心的技術(shù)。
[0003]對(duì)實(shí)用化的大功率半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)，不但要保證閾值電流低、輸出功率高、器件壽命長(zhǎng)，還要求半導(dǎo)體激光器具有較好的光斑質(zhì)量和光場(chǎng)模式。但是隨著大功率工作的激光器功率-電流特性及電壓-電流特性中出現(xiàn)的腔面光學(xué)災(zāi)變損傷、曲線扭折、熱飽和、熱擊穿、工作中的緩慢老化等現(xiàn)象，激光器的光輸出功率、壽命和可靠性常常受到限制。其中，光學(xué)災(zāi)變損傷作為限制大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展的最主要原因之一受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。
[0004]光學(xué)災(zāi)變損傷是指當(dāng)半導(dǎo)體激光器的光功率密度超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，使得器件的光輸出端面局部溫度達(dá)到了半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)，從而導(dǎo)致激光器的腔面融化和快速重結(jié)晶，這對(duì)激光器工作效率的影響是瞬間的、嚴(yán)重的、完全破壞性的。光學(xué)災(zāi)變損傷屬于不可恢復(fù)性損傷，一旦出現(xiàn)了光學(xué)災(zāi)變損傷，整個(gè)器件都將完全失效，因而它是限制大功率半導(dǎo)體激光器輸出功率和可靠性的主要因素。
[0005]對(duì)于大功率半導(dǎo)體激光器，主要有下幾種方法來(lái)直接或間接地抑制光學(xué)災(zāi)變損傷的發(fā)生。第一，腔面附近電流阻擋技術(shù)來(lái)減少腔面附近處的載流子注入；第二，通過(guò)腔面鈍化技術(shù)、真空解理鍍膜等來(lái)減小腔面處表面態(tài)或界面態(tài)形成的非輻射復(fù)合中心密度；第三，通過(guò)寬波導(dǎo)、大光腔結(jié)構(gòu)，使得出光面積和光斑增大，減小在腔面處的光密度；第四，采用張應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，雙軸內(nèi)應(yīng)力在腔面處自然釋放，導(dǎo)致帶隙增寬，減小腔面的光吸收；第五，采用非吸收窗口技術(shù)，使得腔面處有源層的帶隙大于激射光子的能量，來(lái)減小腔面處的光吸收，達(dá)到提高光學(xué)災(zāi)變損傷功率的目的。非吸收窗口的制作可采用多次外延技術(shù)和量子阱混雜技術(shù)。多次外延技術(shù)是在腔面處再生長(zhǎng)一種帶隙比腔面材料大的新材料，但由于材料生長(zhǎng)工藝復(fù)雜，且新材料和腔面處形成的界面態(tài)控制難度很大，該方案并未取得有說(shuō)服力的實(shí)用效果，因而采用量子阱混雜技術(shù)來(lái)制作非吸收窗口是更佳的選擇。
[0006]雖然采用各種類型的量子阱混雜技術(shù)均可成功地在條形結(jié)構(gòu)大功率半導(dǎo)體激光器的腔面處制造出非吸收窗口，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后也能有效改善輸出功率，但新加入的工藝僅為非吸收窗口服務(wù)，效果單一，并不能在發(fā)光區(qū)側(cè)面對(duì)光形成有效限制。同時(shí)為了減小非發(fā)光區(qū)外的電流注入，通常需要重新制作二氧化硅介質(zhì)膜，如果介質(zhì)膜致密度等參數(shù)不佳，激光器便會(huì)存在一定的漏電流，影響其工作效率。本發(fā)明所提出的利用氧化鋅量子阱混雜制作的條形結(jié)構(gòu)大功率半導(dǎo)體激光器，同時(shí)具備非吸收窗口和電流注入阻擋區(qū)。非吸收窗口處減小了激光器近腔面處的光吸收，有效改善了激光器的光學(xué)災(zāi)變損傷閾值，使輸出功率大幅增加；條形發(fā)光區(qū)域側(cè)面區(qū)域由于量子阱混雜所造成的能帶展寬，使其折射率減小，剛好形成對(duì)激光器諧振腔內(nèi)的窄禁帶對(duì)折射率波導(dǎo)限制，大大地提高了出光性能；N型氧化鋅薄膜與激光器的PN結(jié)構(gòu)形成了 NPN結(jié)構(gòu)，極大地減小了電流泄漏，增加光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種利用氧化鋅量子阱混雜制作的半導(dǎo)體激光器，解決現(xiàn)有技術(shù)中采用量子阱混雜技術(shù)制作非吸收窗口后，無(wú)法避免發(fā)光區(qū)側(cè)面光學(xué)限制和發(fā)光區(qū)外漏電流的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明的另一目的是提供上述激光器的制造方法。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0010]一種利用氧化鋅量子阱混雜制作的半導(dǎo)體激光器，包括外延片，外延片上設(shè)置有條形發(fā)光區(qū)域，外延片的上表面生長(zhǎng)有氧化鋅薄膜層，氧化鋅薄膜層分為兩部分，其中第一部分氧化鋅薄膜層誘導(dǎo)量子阱混雜后在激光器兩端的出光腔面處形成非吸收窗口，非吸收窗口的深度超過(guò)外延片中的有源區(qū)，第二部分氧化鋅薄膜層誘導(dǎo)量子阱混雜后在激光器條形發(fā)光區(qū)域的兩端形成折射率光波導(dǎo)區(qū)域。
[0011]本發(fā)明的特點(diǎn)還在于:
[0012]外延片的具體結(jié)構(gòu)從下到上依次設(shè)置為:襯底、緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱和量子皇區(qū)組成的有源區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和上歐姆接觸層，條形發(fā)光區(qū)域設(shè)置在上歐姆接觸層的縱向中心線處。
[0013]氧化鋅薄膜層生長(zhǎng)在腐蝕掉上歐姆接觸層后的條形發(fā)光區(qū)域四周，氧化鋅薄膜層的厚度與上歐姆接觸層的厚度相等，第一部分氧化鋅薄膜層為氧化鋅薄膜層a，第二部分氧化鋅薄膜層為氧化鋅薄膜層b，氧化鋅薄膜層a鄰接條形發(fā)光區(qū)域并且位于條形發(fā)光區(qū)域縱向的兩端處，氧化鋅薄膜層b鄰接條形發(fā)光區(qū)域并且位于條形發(fā)光區(qū)域橫向的兩端處。
[0014]非吸收窗口的中心區(qū)域與條形發(fā)光區(qū)域的中心區(qū)域重合，非吸收窗口的寬度大于或等于條形發(fā)光區(qū)域的寬度，非吸收窗口的深度為依次穿過(guò)部分上波導(dǎo)層、整個(gè)量子阱和量子皇區(qū)組成的有源區(qū)以及部分下波導(dǎo)層。
[0015]襯底的底面制作有N面電極，在條形發(fā)光區(qū)域、氧化鋅薄膜層a及氧化鋅薄膜層b上同時(shí)制作有P面電極，氧化鋅薄膜層a及氧化鋅薄膜層b的N型摻雜和上限制層以及襯底、緩沖層、下限制層形成阻擋電流通過(guò)的NPN結(jié)構(gòu)。
[0016]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是，
[0017]利用氧化鋅量子阱混雜制作的半導(dǎo)體激光器的制造方法，具體按照以下步驟實(shí)施:
[0018]步驟1、選定襯底；
[0019]步驟2、采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在襯底上依次生長(zhǎng)緩沖層、下限制層、下波導(dǎo)層、量子阱和量子皇區(qū)、上波導(dǎo)層、上限制層和上歐姆接觸層，即形成激光器的外延片；
[0020]步驟3、利用濺射方法在步驟2中形成的激光器外延片表面生長(zhǎng)氧化鋅薄膜層a及氧化鋅薄膜層b ;
[0021]步驟4、制作非吸收窗口及折射率光波導(dǎo)區(qū)域；
[0022]步驟5、采用濺射工藝制作P面電極，然后對(duì)襯底進(jìn)行減薄拋光后，再采用蒸發(fā)工藝在襯底的底面制作N面電極，然后再進(jìn)行激光器巴條解理，最后再采用蒸發(fā)工藝對(duì)激光器進(jìn)行腔面鍍膜，即完成該半導(dǎo)體激光器的制作。
[0023]本發(fā)明另一個(gè)技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，
[0024]步驟3具體按照以下步驟實(shí)施:
[0025]步驟3.1、在激光器外延片的上歐姆接觸層上表面生長(zhǎng)一層致密的二氧化硅介質(zhì)薄膜；
[0026]步驟3.2、采用光刻技術(shù)在上歐姆接觸層的縱向中心線處形成條形發(fā)光區(qū)域，然后用氫氟酸溶液腐蝕條形發(fā)光區(qū)域外的二氧化硅介質(zhì)薄膜；
[0027]步驟3.3、采用濕法腐蝕的方法腐蝕掉條形發(fā)光區(qū)域四周的上歐姆接觸層，并控制好腐蝕深度確保其為上歐姆接觸層的厚度；
[0028]步驟3.4、將經(jīng)過(guò)以上步驟處理的激光器外延片放入到濺射室中，在氬氣和氧氣的混合氣氛下濺射氧化鋅靶材，在外延片表面生長(zhǎng)氧化鋅薄膜，并控制氧化鋅薄膜層a及氧化鋅薄膜層b的厚度等于上歐姆接觸層的厚度200納米；
[0029]步驟3.5、利用光刻膠做保護(hù)層，采用鹽酸溶液腐蝕掉條形發(fā)光區(qū)域上面生長(zhǎng)的氧化鋅薄膜，并且保留