一种简单的提高半导体激光器COD阈值的方法

摘要

一种简单的提高半导体激光器COD阈值的方法，属于半导体光电子器件技术领域。该领域已知技术难以大幅度提高器件抗COD能力，同时使工艺难度和成本控制在较低水平。本发明一种简单的提高半导体激光器COD阈值的方法，基于量子阱混杂原理，制作了激光器非吸收窗口，整个过程中只采用一次光刻，结合电子束蒸发和常规湿法腐蚀工艺，同时完成激光器条形结构刻蚀、选择性SiO2/TiO2薄膜蒸镀以及电绝缘层的制备。本发明适用于GaAs基无铝半导体激光器，制作工艺简单，并能显著提高半导体激光器的输出功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种简单的提高半导体激光器COD阈值的方法，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术

灾变性光学镜面损伤(COD)是限制半导体激光器光输出功率提高的主要原因之一。由于激光器腔面位于热沉边缘，散热较差，在高光功率密度工作情况下，导致腔面温度迅速升高，引起腔面光输出位置材料的带隙收缩，致使其对光吸收增加，温度剧增，温度剧增反过来又增加了其光吸收，如此恶性循环下去，使得激光器发生灾变性光学镜面损伤。采用非吸收窗口的方法可以有效增加腔面区域初始带隙，大幅度提高激光器抗COD能力。国内制作激光器非吸收窗口，常采用注入离子诱导或杂质扩散的方法。但前种方法中的离子能量常常对激光器芯片造成无法修复的晶格损伤而导致器件性能下降；后者在扩大腔面区域材料带隙的同时，也将杂质引入有源区，造成激光器自由载流子吸收增强，从而也导致器件性能下降。为此，国际上多采用无杂质空位诱导量子阱混杂法来增大半导体激光器量子阱附近的材料带隙，因该方法没有向芯片中引入有害杂质，虽然退火温度较高，但处理时间短，因而能保持芯片的光学质量。但是，该方法在实际操作过程中，需要满足在特定区域沉积不同特性的薄膜，同时需要考虑退火后薄膜的去除以及激光器的条形刻蚀问题，因此外延片要经过多次套刻；此外，常用的TiO₂薄膜需要借助干法刻蚀技术来去除，这些都大大增加了工艺的成本和复杂性，成品率低，严重的限制了该技术在该领域的实际应用。

发明内容

本发明提出了一种简单的提高半导体激光器COD阈值的方法，既能使激光器的抗COD能力得到很大的提高，又可以降低制备成本和工艺难度。

本发明是这样实现的，如图1所示，半导体激光器由条形注入区(1)，窗口区(2)，条形以外侧向区域(3)构成。首先采用电子束蒸发的方法在条形注入区(1)的GaAs欧姆接触层上蒸镀0.5-1.2微米厚的SiO₂，窗口区(2)和条形区以外侧向区域(3)的GaInP刻蚀截止层上蒸镀0.7-1.8微米厚的TiO₂。然后，利用快速热退火技术对激光器外延片进行退火处理。最后去掉条形注入区(1)上的SiO₂，完成P面电极蒸镀等其它激光器制做后工艺。

本发明的效果在于，条形注入区(1)采用电子束蒸发法镀制SiO₂，抑制该处有源区带隙在退火后发生较大变化，进而保证激光器发射波长稳定。根据外延片结构特点，对其采用先结构腐蚀，后进行窗口区(2)和条形以外侧向区域(3)的TiO₂电子束蒸发镀，这样芯片经退火后，不但增大了窗口区(2)中有源区带隙，达到抑制腔面对输出光吸收的目的，同时降低了条形以外侧向区域(3)中量子阱材料的有效折射率，达到对激光进行侧向限制，优化横模模式的效果，更重要的是整个工艺过程十分简单，既避免了以往采用多次套刻实现选择性薄膜蒸镀和退火后薄膜的去除，又同时刻蚀出激光器条形结构，而且退火后的TiO₂薄膜无需去除，直接充当电绝缘层的作用，这与器件制作工艺是相兼容的。

附图说明

图1为带有非吸收窗口的半导体激光器结构示意图

图2本发明所采用的GaAs基无铝半导体激光器外延结构示意图

图中数码的意义：

条形电流注入区(1)，激光器窗口区(2)，条形以外侧向区域(3)，GaAs衬底层(4)，Al_0.2GaIn_0.49P下限制层(5)，GaIn_0.49P下波导层(6)，GaIn_0.11As/GaAs_0.49P量子阱有源区(7)，GaIn_0.49P上波导层(8)，Al_0.2GaIn_0.49P上限制层(9)，GaIn_0.49P刻蚀截止层(10)，GaAs欧姆接触层(11)。

具体实施方法

1、激光器外延片清洗后，采用电子束蒸发的方法蒸镀0.5-1.2微米厚的SiO₂。

2、采用光刻的方法使涂光刻胶的外延片曝光显影后，区域(1)上的SiO₂得到光刻胶的保护，而其它区域上的SiO₂裸露出来。

3、使用氢氟酸溶液(氢氟酸与水的体积比为1：20)和磷酸溶液先后腐蚀掉裸露的SiO₂及其下的GaAs欧姆接触层，刻蚀出激光器条形结构。

4、在激光器外延片表面采用电子束蒸发的方法蒸镀0.7-1.8微米厚的TiO₂，随后采用热丙酮结合超声工艺去除光刻胶及其上的TiO₂，这样区域(1)由SiO₂+光刻胶+TiO₂结构变成单层SiO₂结构，而区域(2)，(3)上是单层TiO₂结构。

5、将整个外延片进行880℃快速热退火1分钟，退火过程中外延片置于两片GaAs片之间，防止外延片As析出。由于(2)，(3)区域腐蚀掉GaAs欧姆接触层后，露出GaInP层，而GaInP层中的In原子在高温退火过程中易容于其上的TiO₂，引起填隙式P原子向下扩散，从而诱导量子阱混杂。而(1)区的GaAs跟电子束蒸发的多孔SiO₂薄膜几乎不反应，SiO₂只起到保护样品形貌的作用，因此区域(1)和区域(2)，(3)之间形成了较大的带隙差异(不同外延片结构带隙差会有所不同，本发明采用的外延结构相对波长蓝移量达24纳米)。

6、采用氢氟酸溶液(氢氟酸与水的体积比为1：10)去除区域(1)中的SiO₂，而区域(2)，(3)中的TiO₂在高温退火后极难溶于氢氟酸，因而得以保留。这样在完成P面电极蒸镀后，区域(1)成为条形电流注入区，而区域(2)，(3)由于去除了欧姆接触层以及在TiO₂绝缘膜的覆盖下成为电流阻挡区。

7、完成P面电极蒸镀等其它激光器制做后工艺。