專利名稱：含高摻雜隧道結(jié)的垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域，特別是指 一 種含
高摻雜隧道結(jié)的高功率、高亮度、高效率垂直腔面發(fā)
射激光器。
北旦 冃豕技術(shù)
眾所周知，與其他種類的激光器相比，半導(dǎo)體激
光器具有十分突出的優(yōu)點(diǎn)除了體積小、重量輕、轉(zhuǎn)
換效率高、省電等優(yōu)點(diǎn)外，半導(dǎo)體激光器的制造工藝
與半導(dǎo)體電子器件和集成電路的生產(chǎn)工藝兼容，因此
便于與其他器件實(shí)現(xiàn)單片光電子集成。
20世紀(jì)7 0年代初實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器的室溫
連續(xù)激射后，開創(chuàng)了半導(dǎo)體激光器發(fā)展的新時(shí)期。巨
前，小功率半導(dǎo)體激光器已是光纖通信、光纖傳感、光
存儲(chǔ)、光互連等領(lǐng)域中不可替代的重要光源。而自9
0年代以后，半導(dǎo)體激光器的輸出功率取得了顯著提
高，而高功率的半導(dǎo)體激光器可以應(yīng)用在材料加工、
激光印刷、激光醫(yī)療、激光雷達(dá)、激光泵浦、空間激 光通訊等諸多領(lǐng)域。在需求的牽引下，高功率半導(dǎo)體 激光正向高功率密度、高光束質(zhì)量、高轉(zhuǎn)換效率、長(zhǎng) 壽命、低成本等方向發(fā)展。
作為半導(dǎo)體激光器家族中的成員，垂直腔面發(fā)射
激光器的結(jié)構(gòu)主要包括分布布拉格反射鏡(DBR )和夾 在中間的有源區(qū)，出光方向與生長(zhǎng)方向平行。這樣的 結(jié)構(gòu)給它帶來與生俱來的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光
器相比
1 、光束質(zhì)量高，發(fā)散角小，與光纖耦合效率高， 不需要進(jìn)行光束整形。
2、由于出光方向與材料生長(zhǎng)方向平行，模式光
場(chǎng)與增益材料的重疊區(qū)就比邊發(fā)射要大的多，這樣就 更充分利用了增益介質(zhì)。
3 、側(cè)向尺度大，功率密度比邊發(fā)射激光器低， 不易產(chǎn)生災(zāi)變性光學(xué)損傷(C0D)。
4 、外延片不需要解理、鍍腔面膜等工藝就能進(jìn) 行在片測(cè)試。
5、適合二維面陣集成，進(jìn)一步提高功率輸出。
隨著外延材料質(zhì)量的提高和濕法氧化等器件工藝 技術(shù)的進(jìn)展，高功率、高亮度垂直腔面發(fā)射激光器也 迅速發(fā)展起來。為了實(shí)現(xiàn)高功率輸出， 一般來說器件
總的發(fā)光面積應(yīng)相應(yīng)的增大，而為了實(shí)現(xiàn)激光器的咼
殼度，發(fā)光面積又應(yīng)該盡可能的小，所以高功率、咼
亮度面發(fā)射激光器應(yīng)該在發(fā)光面積上進(jìn)行優(yōu)化。
2001年，德國(guó)ULM大學(xué)的研究小組報(bào)道了連
續(xù)輸出達(dá)到8 90 mW的單管器件，激射波長(zhǎng)為980
nm ， tb光窗□ 32 0微米。2 0 0 4年，中國(guó)科學(xué)院
長(zhǎng)春光機(jī)所研制出連續(xù)輸出1 . 9 5 W ，激射波長(zhǎng)98
0 nm的單管器件，出光窗口 6 0 0微米。2 0 0 5年， 美國(guó) Princeton Optronics公司進(jìn)一步將單管功率提 高到3 W 。這些器件都是普通底部發(fā)射的結(jié)構(gòu)，無法避
開P型DBR較大的串聯(lián)電阻和因此產(chǎn)生的高的熱量，
所以效率都低于2 Q % 。
利用隧道結(jié)的反向隧穿電流特性，可以用N型DBR代替P型DBR ，結(jié)合金剛石散熱片和水冷銅熱沉，并優(yōu)
化出光窗口尺寸，可以實(shí)現(xiàn)功率達(dá)到瓦級(jí)，效率高于
20%，亮度滿足應(yīng)用要求的垂直腔面發(fā)射激光器。
北 冃景技術(shù)中傳統(tǒng)普通底部發(fā)射的垂直腔面發(fā)射激
光器由于其固有結(jié)構(gòu)的限制，無法避免使用P型DBR ，這樣會(huì)帶來高的串聯(lián)電阻和產(chǎn)生很高的熱量，對(duì)大功
率輸出不利，更難以達(dá)到高的轉(zhuǎn)換效率，而且，過于
大的出光窗口雖然 一 定程度提高了輸出功率，但降低
了功率密度，無法達(dá)到高亮度的應(yīng)用要求。為了解決
上述問題，本發(fā)明的目的是提高輸出功率，實(shí)現(xiàn)單管 瓦級(jí)以上，提高功率密度，實(shí)現(xiàn)高亮度，提高轉(zhuǎn)換效 率，達(dá)到2 0 %以上。為此，本發(fā)明將提供 一 種含高摻 雜隧道結(jié)的高功率、高亮度、高效率的垂直腔面發(fā)射 激光器。N + /P +隧道結(jié)在其他光學(xué)和電學(xué)器件里已經(jīng)得 到了廣泛的應(yīng)用，在垂直腔面發(fā)射激光器中，隧道結(jié)
作為整個(gè)器件的空穴源，可以將P型DBR用N型DBR 代替。在反向偏置電壓作用下，電子在隧道結(jié)處產(chǎn)生 隧穿效應(yīng)，從而產(chǎn)生空穴，產(chǎn)生的空穴在電壓作用下 流向有源區(qū)與電子進(jìn)行輻射復(fù)合產(chǎn)生光子。用N型DBR 代替P型DBR ，就降低了器件的串聯(lián)電阻，改善了器件 的熱特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供 一 種含高摻雜隧道結(jié)的
垂直腔面發(fā)射激光器，其可實(shí)現(xiàn)垂直腔面發(fā)射激光器
的高功率、咼殼度、高效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種含有高摻雜隧
道結(jié)的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，,包括
一熱沉
一散*惑片，該散熱片制作在熱沉上；
一上N型電極，該上N型電極制作在散熱片上的
中間處；
一上N型DBR層，該上N型DBR層為 一 倒梯形， 該上N型DBR層制作在上N型電極上；
一高鋁組分氧化限制層，該高鋁組分氧化限制層 位于上N型DBR層中間的兩側(cè)；
一絕緣層，該絕緣層制作在上N型DBR層的外側(cè)； 一光學(xué)諧振腔，該光學(xué)諧振腔制作在上N型DBR 層上；
——■下N型DBR層，該下N型DBR層制作在光學(xué)諧
振腔上
一襯底，該襯底制作在下N型DBR層上；
下N型電極，該下N型電極制作在襯底上，該
下N型電極的中間形成出光窗口 。
中光學(xué)諧振腔包括: 一隧道結(jié)；多量子阱有源區(qū)，該多量子阱有源區(qū)制作在隧道結(jié)上。
中隧道結(jié)包括:N型層；一P型層，該P(yáng)型
層制作在N型層上。
中該出光窗口內(nèi)的襯底上鍍有增透膜。
其中鍍有增透膜的出光窗口的直徑范圍在5 0微
米到400微米之間。
中隧道結(jié)處于光學(xué)諧振腔中的駐波節(jié)點(diǎn)處。
其中隧道結(jié)的尺寸與管芯尺寸相同，解理后管芯
為正方形，邊長(zhǎng)為1 0 0微米到1 0 0 Q微米之間。
中隧道結(jié)的反向電流密度大于3 0 0 A/cm2，以
產(chǎn)生較咼的反向隧穿電流。
中執(zhí) V 、"沉為水冷銅熱沉。
中散扭 八"片為金剛石散熱片。


為進(jìn)步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合
《施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中
圖1是本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的示意
圖2是本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器隧道結(jié)的能帶 示意圖3是計(jì)算本發(fā)明實(shí)施例1垂直腔面發(fā)射激光器
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn) 一 步說明，但 本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明 一 種含有高摻雜隧道結(jié)
圖
關(guān)
電
窗
輸
的
的垂直腔面發(fā)射激光器，包括
一熱沉1 ，該熱沉1為水冷銅熱沉；
一散熱片2 ，該散熱片2制作在熱沉1上，該散 熱片2為金剛石散熱片；
一上N型電極3 ，該上N型電極3制作在散熱片
2上的中間處；
一上N型DBR層4 ， 該上N型DBR層4為 一 倒梯 形，該上N型DBR層4制作在上N型電極3上；
一高鋁組分氧化限制層5 ，該高鋁組分氧化限制 層5位于上N型DBR層4中間的兩側(cè)；
一絕緣層6 ，該絕緣層6制作在上N型DBR層4
一光學(xué)諧振腔7 ，該光學(xué)諧振腔7制作在上N型 DBR層4上；該光學(xué)諧振腔7包括 一 隧道結(jié)7 1 ;多 量子阱有源區(qū)7 2，該多量子阱有源區(qū)7 2制作在隧
道結(jié)71上；該隧道結(jié)71包括一N型層711 ;
一P型層7 1 2，該P(yáng)型層7 1 2制作在N型層7 1 1上；其中隧道結(jié)7 1處于光學(xué)諧振腔7中的駐波節(jié) 點(diǎn)處；其中隧道結(jié)7 1的尺寸與管芯尺寸相同，解理 后管芯為正方形，邊長(zhǎng)為1 0 0微米到1 0 Q 0微米 之間；其中隧道結(jié)7 1的反向電流密度大于3 0 0 A/cm2，以產(chǎn)生較高的反向隧穿電流；
一下N型DBR層8 ，該下N型DBR層8制作在光
學(xué)諧振腔7上
一襯底9， 該襯底9制作在下N型固層8上；
一下N型電極1 o ，該下N型電極10制作在襯
底9上，該下N型電極10的中間形成出光窗口 1
1該出光窗口 1 1內(nèi)的襯底9上鍍有增透膜;g巾
鍍有增透膜的出光窗口 11的直徑范圍在50微米到
400微米之間。
實(shí)施例1:請(qǐng)?jiān)俳Y(jié)合參閱圖1 ，其中沉1是采
用水冷銅沉，利用冷卻水將器件工作時(shí)產(chǎn)生的大量
熱量帶走，以免器件溫升對(duì)器件的性能產(chǎn)生不良影響。
散熱片2采用金剛石散熱片，利用金剛石的高的 熱導(dǎo)率，使器件產(chǎn)生的熱量能盡可能多的傳向熱沉。
上下N型電極3和1 Q均由金、鍺、鎳三種金屬 材料制成，并制作成良好的歐姆接觸，降低電極引入 的串聯(lián)電阻。
上N型DBR層4由3 0對(duì)Al。.9Ga?！笰s/GaAs材料交 替制成，每層厚度為設(shè)計(jì)真空中心波長(zhǎng)的四分之 一 再 除以其折射率，為了降低DBR的串聯(lián)電阻，對(duì)AlGaAs 層采用組分漸變技術(shù)。
高鋁組分氧化限制層5是A 1 。 . 9 8 Ga 。 . 。 2 A s制成，高的鋁組分能形成良好的限制層，減少電流注入的橫
向擴(kuò)展，增大電流注入效率。
絕緣層6采用Si02材料制成。
隧道結(jié)71采用GaAs同質(zhì)隧道結(jié)，隧道結(jié)由N型
層711和P型層7 1 2組成，每層厚度1 Q - 2 Q nm，
采用超薄層的隧道結(jié)可以減少對(duì)光子的吸收損耗，隧
道結(jié)放置在光學(xué)諧振腔7的駐波節(jié)點(diǎn)處，這樣可以減
少隧道結(jié)與光場(chǎng)的相互作用，也起到降低損耗的作用，
在垂直腔面發(fā)射激光器中(參閱圖2 )，隧道結(jié)作為整
個(gè)器件的空穴源，可以將P型DBR用N型DBR代替。
在反向偏置電壓作用下，電子在隧道結(jié)處產(chǎn)生隧穿效
應(yīng)，從而產(chǎn)生空穴，產(chǎn)生的空穴在電壓作用下流向有
源區(qū)與電子進(jìn)行輻射復(fù)合產(chǎn)生光子。用N型DBR代替P
型DBR ，就降低了器件的串聯(lián)電阻，改善了器件的熱特 性。由于器件要工作于大的注入電流下，所以隧道結(jié) 必須能提供高的反向電流，本發(fā)明中，反向電流密度 大于3 0 0 A/cm2。
多量子阱有源區(qū)7 2由三個(gè)InGaAs/GaAsP量子阱 組成，GaAsP材料的勢(shì)壘起到應(yīng)變補(bǔ)償?shù)淖饔?，可以?高量子阱材料的生長(zhǎng)質(zhì)量。
下N型DBR由2 0對(duì)Al .9Ga。. ，As/GaAs材料交替制 成，AlGaAs層組分也是漸變的。
襯底9由GaAs材料制成。
出光窗口 1 1的增透膜由Zr02材料制成，Zr02粘
附性好、膜結(jié)構(gòu)致密、均勻無針孔，具有良好的抗激
光損傷的能力
傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器是使襯底面與熱沉相連
接，而在本發(fā)明中，為了使有源區(qū)與熱沉更近，整個(gè)
器件使用倒裝焊結(jié)構(gòu)，即將外延片的外延面與熱沉連
接，這樣產(chǎn)生的熱量可以更快的由執(zhí)沉帶走。為了同
時(shí)實(shí)現(xiàn)咼功率、 咼亮度、高效率輸出，出光窗口 11
直徑在50微米到4 0 Q微米之間選擇。解理后，管
芯為正方形，加上電極區(qū)域，整個(gè)管芯的邊長(zhǎng)在10
0微米到100 0微米之間，隧道結(jié)的尺寸與管芯尺
寸相同
在整個(gè)么±構(gòu)的外延生長(zhǎng)過程中:,用MBE或者M(jìn)OCVD技術(shù)在襯底9上生長(zhǎng)各外延層，主要《《次為下N型DBR層8 ，多量子阱有源層7 2 ，隧道結(jié)7 1，高鋁組分
氧化限制層5，上N型DBR層4整個(gè)含隧道結(jié)的外
延片一次生長(zhǎng)而成
本發(fā)明在工藝方面，采用減薄清洗、生長(zhǎng)絕緣
膜、光刻、套刻、腐蝕臺(tái)面、側(cè)向氧化、上下電極蒸 發(fā)、襯底面減薄拋光、雙面對(duì)準(zhǔn)光刻、生長(zhǎng)增透膜、 解理、壓焊、封裝、散熱等工藝制備垂直腔面發(fā)射激
光器主要依次為以下幾個(gè)步驟
1:外延片的外延面通過標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝形成臺(tái)面
圖形用光刻膠做掩膜進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕，腐蝕深度
以露出咼鋁組分氧化限制層為宜。腐蝕液配比為K2Cr2。7
飽和水溶液:HBr :CH3C00H= 1 :1:1，在常溫下腐蝕。
這種腐蝕液的機(jī)理是K2Cr2。7是氧化劑，HBr起絡(luò)合作
用，CH3C00H起緩沖作用，這三種成分中起主要作用的 是K2Cr2()7。這種腐蝕液腐蝕速率適中，腐蝕面平整無 凹槽，沒有腐蝕溝出現(xiàn)。
2 :進(jìn)行濕法氧化，氧化條件為爐溫4 2 0 °C , 水溫9 0 °C ，氮?dú)饬髁?升/分，氧化時(shí)間3 0-6 0 分鐘。此條件下氧化速度可以精確穩(wěn)定控制，對(duì)于 Al。. ^Ga。. 。2As ， 氧化速率大約1 . 1 um/s。
3 :大面積生長(zhǎng)絕緣層6 ，使用Si02，采用PECVD 方法生長(zhǎng)。
4 :用標(biāo)準(zhǔn)套刻工藝形成上電極圖形，以光刻膠 作掩膜腐蝕掉Si02，去膠以后蒸發(fā)上N型電極。
5 :襯底減薄拋光。為了減少襯底對(duì)出射光的吸 收，采用機(jī)械減薄，將器件的厚度減到1 Q 0 um左右， 并用拋光布和拋光液進(jìn)行拋光。
6 :使用雙面對(duì)準(zhǔn)工藝進(jìn)行光刻，并帶膠蒸發(fā)下N 型電極，接著帶膠剝離形成下N型電極1 0 。
生長(zhǎng)Zr02，米用電子束蒸發(fā)制作，然后帶膠剝離窗口
以外的Zr02。
8 :解理、壓焊、封裝、使用水冷銅熱沉1和金 剛石散熱片2散熱。
本發(fā)明采用半導(dǎo)體激光器輸出特性計(jì)算公式，
《
并結(jié)合含高摻雜隧道結(jié)垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)
特點(diǎn)，計(jì)算獲得不同出光窗口直徑的9 8 0 nm垂直腔
面發(fā)射激光器的P-1特性，并得到其功率密度。計(jì)算 結(jié)果如圖3所示
曲線1 2對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為5 Q微米，最大功
為0 . 5 6 1 2 W，功率密度為2 8 . 6 kW/
c m
曲線l 3對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為1 0 Q微米，最大
功率為0.9 2 4 9W，功率密度為l
7 kW/cm2;
曲線l 4對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為2 0 O微米，最大
功率為l.l 6 1 7W，功率密度為3.7 kW/c
m
曲線1 5對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為3 0 0微米，最大
帶
圖
窗
術(shù)
技
標(biāo)
使
7
功率為2 1 4 2W，功率密度為3.03 kW/cm2;
曲線1 6對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為40 0微米，最大
功率為2.7 2 9W， 功率密度為2.1kW/cm2;
曲絆1 7對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為50 0微米，最大
功率為3.0 6 9W，功率密度為1.56 kW/cm2;
曲線1 8對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為60 0微米，最大
功率為2.9 9W，功率密度為l.O 6kW/cm2;
曲線1 9對(duì)應(yīng)出光窗口直徑為70 0微米，最大
功率為2.9 8 2W，功率密度為0.77 9 kW/cm2;
計(jì)算表明，出光窗口直徑在5 0-4 0 0微米左右
時(shí)，可同時(shí)得到高的輸出功率和高的功率密度，而且
1 00-2:0 O微米為最佳尺寸。解理后，管芯為正方
形，加上出光面電極區(qū)域，管芯邊長(zhǎng)在l 0 Q微米到
1 000微米之間，隧道結(jié)尺寸與管芯尺寸相同。
實(shí)施例2 :請(qǐng)?jiān)俳Y(jié)合參閱圖1 ，高鋁組分氧化限
制層5是AlAs材料制成。絕緣層6用Al2(1:,制成，其他 部件與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3 :中間多量子阱有源區(qū)7采用 InGaAs/GaAs材料，其它部件與實(shí)施例l相同。
實(shí)施例4 :中間多量子阱有源區(qū)7采用 GalnNAs/GaAs材料，其它部件與實(shí)施例1相同。本發(fā)明工作時(shí)器件以電注入方式工作，其中上N 型電極相對(duì)于下N型電極是正電壓，這樣就使隧道結(jié) 反向偏置，電子和空穴在多量子阱有源區(qū)進(jìn)行復(fù)合， 產(chǎn)生受激發(fā)射，并經(jīng)過諧振腔選模振蕩，激光從出光 窗口 11出射。
本發(fā)明采用高摻雜隧道結(jié)、金剛石散熱片和水冷 銅熱沉，并優(yōu)化出光窗口尺寸，可以實(shí)現(xiàn)功率達(dá)到瓦
級(jí)，效率高于2 0%，亮度滿足應(yīng)用要求的垂直腔面發(fā) 射激光器。
權(quán)利要求
1、一種含有高摻雜隧道結(jié)的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，包括一熱沉；一散熱片，該散熱片制作在熱沉上；一上N型電極，該上N型電極制作在散熱片上的中間處；一上N型DBR層，該上N型DBR層為一倒梯形，該上N型DBR層制作在上N型電極上；一高鋁組分氧化限制層，該高鋁組分氧化限制層位于上N型DBR層中間的兩側(cè)；一絕緣層，該絕緣層制作在上N型DBR層的外側(cè)；一光學(xué)諧振腔，該光學(xué)諧振腔制作在上N型DBR層上；一下N型DBR層，該下N型DBR層制作在光學(xué)諧振腔上；一襯底，該襯底制作在下N型DBR層上；一下N型電極，該下N型電極制作在襯底上，該下N型電極的中間形成一出光窗口。
全文摘要
一種含有高摻雜隧道結(jié)的垂直腔面發(fā)射激光器，包括一熱沉；一散熱片，該散熱片制作在熱沉上；一上N型電極，該上N型電極制作在散熱片上的中間處；一上N型DBR層，該上N型DBR層為一倒梯形，該上N型DBR層制作在上N型電極上；一高鋁組分氧化限制層，該高鋁組分氧化限制層位于上N型DBR層中間的兩側(cè)；一絕緣層，該絕緣層制作在上N型DBR層的外側(cè)；一光學(xué)諧振腔，該光學(xué)諧振腔制作在上N型DBR層上；一下N型DBR層，該下N型DBR層制作在光學(xué)諧振腔上；一襯底，該襯底制作在下N型DBR層上；一下N型電極，該下N型電極制作在襯底上，該下N型電極的中間形成一出光窗口。
文檔編號(hào)H01S5/183GK101192739SQ20061014430
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者何國(guó)榮, 宋國(guó)峰, 渠紅偉, 青 王, 陳良惠, 欣 韋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所