一种双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器

摘要

一种双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器及其制作方法，属于半导体激光器制造技术领域。相关的现有技术采用p型与n型电极均为内腔接触式的，但其电极只在p侧引入，以减少双侧DBR电阻。该技术存在的主要问题是，p型与n型电极开在同一侧，其电极不可能制备成封闭环形，由于是半环型，电流的分配不对称，注入载流子诱发光子形成的光场分布不均匀。本发明提出的激光器结构， p型与n型电极在器件两侧，形成双内腔接触式结构，使注入电流绕过p型DBR和n型DBR直接进入有源区；同时n侧采用框架支撑结构及其制作方法，解决了形成n型电极窗口的刻蚀过程中，器件结构连接强度不足所造成的有源区崩落问题。

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光器制造技术领域，涉及一种双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器及其制作方法。 

背景技术

传统面发射半导体激光器的输出功率不及边发射激光器，这是因为传统结构的面发射半导体激光器主要是由p型DBR、有源层、n型DBR构成，电流经由p型电极，经过p型DBR、有源区、n型DBR、n型衬底以及n型电极构成回路，这种结构引进的等效电阻很大，且阻抗主要由DBR形成，导致器件发热严重，阈值电流升高、内量子效率降低。因此降低器件的等效电阻，是获取高功率高效率面发射半导体激光器的有效途径之一。为了改变这种状况，有文献报道，仅在p侧制作内腔接触电极，绕过了p型DBR电阻，对器件的电阻有一定程度的降低；还有报道p型与n型电极都在p侧引入，以减少双侧DBR电阻，但是带来的问题是，p型与n型电极开在一侧，其电极不可能制备成封闭环形，由于是半环型，根据电流流经电阻的分配原则，电流的分配形成不对称性，注入载流子诱发光子形成的光场分布不均匀。这里面需要指出的是，人们已经认识到双内腔电极可以减少电阻，但其实施和报道中仅仅提出了单侧引入，这里面有一个问题必须解决，当p型与n型电极分别从两侧开环形沟槽引入时，由于剩余的环形连接处仅仅为有源区的厚度，大约数十纳米，在制备工艺过程中，包括抛磨、超声清洗等，极容易造成有源区受力、振动崩落。 

发明内容

本发明提出的一种双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器。这种面发射半导体激光器通过改变器件结构，其电极从双面引入，使注入电流同时绕过p型DBR和n型DBR直接进入有源区，电流注入分布平衡，载流子诱发光场分布对称均匀，整个器件等效电阻有效降低，进而使器件的热特性也得到改善。同时这种框架支撑结构及其制作方法，解决了器件结构连接强度不足，所造成的有源区崩落问题。 

本发明是这样实现的，见剖面结构示意图图1与n侧视图图2。本发明提出了一种双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器。所述激光器的结构包括：p型电极（1），p型DBR（2），p型欧姆接触层（3），氧化限制层（4），p型限制层（5），有源区（6），n型限制层（7），n型欧姆接触层（8），n型DBR（9），缓冲层（10），衬底（11），增透膜（12），n型电极（13），刻蚀区域（14），框架支撑结构（15）。 

其特征在于：p型电极（1）和n型电极（13）都是内腔接触电极，注入电流同时绕过p型DBR和n型DBR直接进入有源区； 

其特征在于：只对p型电极（1）与p型欧姆接触层（3）接触处的p型欧姆接触层（3） 局部进行重掺，垂直谐振腔范围内的p型欧姆接触层（3）不重掺杂，以此保证激射的光子不被重掺杂过的p型欧姆接触层（3）大量吸收； 

其特征在于：只对n型电极（13）与n型欧姆接触层（8）接触处的n型欧姆接触层（8）局部进行重掺，垂直谐振腔范围内的n型欧姆接触层（8）不重掺杂，以此保证激射的光子不被重掺杂过的n型欧姆接触层（8）大量吸收； 

其特征在于：p型欧姆接触层（3）含有相位补偿层，其光学厚度满足激光器谐振波长。 

其特征在于：n型欧姆接触层（8）含有相位补偿层，其光学厚度满足激光器谐振波长。 

其特征在于：在形成n型电极窗口的刻蚀过程中，采用如图2中所示的框架支撑结构（15）来进行掩膜，只有（14）处的n型DBR被刻蚀掉，谐振腔范围内的器件结构与整体的连接稳固性得到加强。 

其特征在于： 框架支撑结构（15）的框架支撑通道可以是四通道，也可是其余数量通道，其宽度和形状不受限制，本案仅提供了一种图示方案示范。 

本发明提出的内腔接触式面发射激光器的制作过程步骤如下： 

1）  在p型DBR（2）表面光刻； 

2）  用光刻胶做掩膜，腐蚀p型DBR（2）至p型欧姆接触层（3）； 

3）  对无光刻胶保护的p型欧姆接触层（3）进行重掺； 

4）  蒸镀p侧欧姆接触电极Ti/Pt/Au； 

5）  剥离； 

6）  套刻，刻蚀到p型限制层（5）的表层； 

7）  将外延片放入湿氮氧化装置中进行氧化，控制氧化时间，使氧化限制层形成大小合适的氧化孔径，以实现良好的光电限制，此时p侧制作完成； 

8）  衬底减薄并抛光，蒸镀一层增透膜ZrO2； 

9）  对n侧进行套刻； 

10）  先用HF酸去除n侧没有光刻胶作掩膜保护的增透膜ZrO,再进行湿法腐蚀，直至刻蚀到n型欧姆接触层（8）的表层，形成n型电极窗口； 

11）对无光刻胶保护电极窗口处的n型欧姆接触层（8）进行重掺； 

12） 完全去胶后，采用负胶套刻； 

13） 在n侧蒸镀电极AuGe/Ni/Au电极； 

14） 剥离。 

至此，工艺完成了n侧出射面发射半导体激光器双内腔接触式电极及其框架支撑结构，注入电流同时绕过p型DBR和n型DBR直接进入有源区，等效电阻大大降低，从而器件具有更好的热特性，克服了常规结构技术之不足。 

[0028] 附图说明

图1：双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器剖面结构示意图：其中：p型电极（1），p型DBR（2），p型欧姆接触层（3），氧化限制层（4），p型限制层（5），有 源区（6），n型限制层（7），n型欧姆接触层（8），n型DBR（9），缓冲层（10），衬底（11），增透膜（12）和n型电极（13） 

图2：双内腔接触式n侧出光框架支撑结构面发射半导体激光器的 n侧图形,其中：刻蚀区域（14），框架支撑结构（15） 

具体实施方案

1、采用金属有机化学气相沉积方法，在厚度约为635μm的n型GaAs衬底上依次外延生长n型GaAs缓冲层；28对由Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As构成的n型DBR；n型GaAs欧姆接触层；n型限制层；3对In_0.17Ga_0.83As/GaAs_0.92P_0.08构成的应变补偿量子阱增益区，其中In_0.17Ga_0.83As为阱材料，厚度为6nm, GaAs_0.92P_0.08为垒材料，厚度为4nm；p型限制层；由Al_0.92Ga_0.08As构成的厚度为30nm的氧化限制层；p型GaAs欧姆接触层；30对由Al_0.9Ga_0.1As/Al_0.1Ga_0.9As构成的渐变p型DBR。 

2、在外延片p侧进行光刻，曝光、显影后形成所要的光刻图形。 

3、光刻图形做掩膜，进行湿法腐蚀或干法刻蚀，刻蚀无光刻胶保护的p型DBR(2)至欧姆接触层(3)的表层。 

4、对欧姆接触层(3)的圆环刻蚀面进行重掺。 

5、采用磁控溅射仪，蒸镀p侧欧姆接触电极Ti（30nm）/Pt（50nm）/Au（200nm）,然后进行表面剥离。 

6、套刻，之后刻蚀无掩膜保护的p型DBR（2），直至p型限制层（5）的表层。 

7、将外延片放入湿氮氧化装置中进行氧化，氧化温度400℃，恒温水浴温度95℃，N₂流量1L/min，控制氧化时间，形成氧化孔径，以实现良好的光电限制。 

8、在外延片的n侧采用机械的的方法对衬底进行减薄并抛光，蒸镀一层增透膜ZrO₂，以提高光的透过率。 

9、在n侧采用双面对准光刻。 

10、先用HF酸溶液腐蚀掉n侧没有光刻胶做掩膜保护的增透膜ZrO₂；采用干法刻蚀技术，直至刻蚀到n型欧姆接触层表层，形成n型电极窗口。 

11、完全去胶后，采用负胶套刻。 

12、对无光刻胶保护电极窗口处的n型欧姆接触层（8）进行重掺。 

13、在n侧蒸镀电极AuGe/Ni/Au电极。 

14、剥离。