[發明專利]一種對紅光半導體激光器進行Zn擴散的方法

有效

• 申請號: 201210085283.5
• 申請日: 2012-03-28
• 公開（公告）號: CN103368072A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 張新;徐現剛;張雨;吳德華;夏偉
• 申請（專利權）人: 山東華光光電子有限公司
• 主分類號: H01S5/343
• 分類號: H01S5/343
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

技術領域

本發明涉及一種利用金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)對紅光半導體激光器進行Zn擴散的方法，屬于半導體技術領域。

背景技術

AlGaInP四元材料系紅光半導體激光器體積小、重量輕、能耗少，此類器件廣泛應用于光盤刻錄、信息存儲、條碼掃描、激光測距、氣體檢測及醫療器械等領域。為了應對市場對激光器輸出功率的要求，通過優化激光器的材料、器件結構和制作工藝來提高激光器輸出功率成為本領域研究的技術熱點。

AlGaInP材料熱導率及導帶差，價帶差較低的帶隙差別，對AlGaInP/GaInP材料半導體激光器的輸出功率和微分量子效率以及最大輸出功率有較大的影響。而且，半導體激光器的最大輸出功率還受到激光器端面的光學災變損傷的限制。當半導體激光器腔面光密度達到閾值時，就會吸收光子，產生熱，使得腔面部分的帶隙收縮變窄，而這樣更容易吸收光子，產生更多的熱量，如此反復，就會燒壞腔面，產生光學災變損傷。

而利用AlGaInP/GaInP材料的量子阱混雜技術可以方便地在紅光半導體激光器的腔面處制作非吸收窗口來提高輸出功率和器件壽命，降低光學災變損傷。從理論上講，完成量子阱混雜的手段大致有五類：離子注入、高溫退火、雜質擴散、無雜質空位擴散、激光誘導混雜。在這五種量子阱混雜技術中利用雜質擴散誘導量子阱混雜這一方法優勢更為明顯：其應用到器件制作中的實驗溫度(400℃～650℃)遠低于快速高溫退火誘導無序的溫度(800℃～1000℃)，并且相對于以上其他四種量子阱混雜工藝相對簡單、易于操作，成本較低。在眾多擴散雜質中，利用Zn原子在GaAs系材料中擴散速度較快的優點，廣泛作為雜質擴散誘導源來使用(如圖1)。具體原理為一定溫度下Zn擴散產生的缺陷移動導致量子阱中阱材料和壘材料組分互擴散，量子阱帶隙平滑并產生藍移，使半導體激光器腔面部分帶隙變大，形成對出射光不吸收的透明區域，這將大大增加激光器的光學災變損傷閾值從而提高激光器輸出功率。

目前國內對AlGaInP/GaInP半導體激光器進行Zn雜質擴散通常是采用閉管擴散的方式來進行，選擇的擴散源是ZnAs。將ZnAs和激光器放入特制的石英管內，抽成真空后進行密封。擴散時，樣品與擴散源分別置于石英管的兩端并固定兩者位置，再將石英管放入擴散爐內(如圖2)。但是閉管擴散方式進行Zn擴散由于其受硬件條件限制，無法對擴散過程進行精確控制，導致其無法滿足大規模生產及商業化的需要。

中國專利文件CN102263162A中提到了一種倒裝焊結構雪崩光電二極管及其陣列的制備方法，該專利的主要技術方案是在外延層上進行Zn擴散用于制備外延層中的P-N結來實現雪崩二極管的制作。雖然MOCVD技術迅猛發展，但是由于其運行成本及操作難度，目前還多采用傳統的閉管擴散的方式(圖2)來制作半導體激光器非吸收窗口。

發明內容

針對紅光半導體激光器采用閉管方式進行Zn擴散的現有技術中存在的工藝參數無法精確控制并且無法實現大規模量產的問題，本發明提供一種基于MOCVD的對紅光半導體激光器進行Zn擴散的方法，利用Zn擴散至量子阱后實現激光器腔面帶隙的變化以此制作非吸收窗口，來提高激光器輸出功率。

術語解釋：

1、DMZn：中文名二甲基鋅，分子式Zn(CH₃)₂，多用于外延生長、化學氣相沉淀中作為摻雜劑。

2、MOCVD：金屬有機化學氣相沉積，MOCVD法是半導體化合物生長的常規技術。MOCVD設備主要包括六大系統：氣體輸運系統、源供給系統、反應室和加熱系統、尾氣處理系統、安全控制系統、計算機控制系統。MOCVD設備為半導體技術領域常用設備。

3、激光器腔面：半導體激光器工作原理是激勵方式，利用半導體物質(即利用電子)在能帶間躍遷發光，用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋、產生光的輻射放大，輸出激光。諧振腔結構示意圖(如圖4)。

4、光致發光(PL)譜測試：其原理為以光作為激勵手段，激發材料中的電子從而實現發光的過程，通過出光來測試光譜波長及強度。

本發明的技術方案如下：

一種基于金屬有機化學氣相沉積法對紅光半導體激光器進行Zn擴散的方法，所述的紅光半導體激光器結構包括GaAs襯底，GaAs緩沖層，n-型限制層，N區本征波導層，多量子阱有源區，P區本征波導層，p-型限制層，GaInP，p-型GaAs歐姆接觸層，氧化硅絕緣層，P面電極，在平行于激光器腔面方向光刻并腐蝕部分氧化硅絕緣層，露出的激光器腔面即為Zn擴散區域；步驟如下：