[发明专利]一种半导体激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，尤其是一种半导体激光器及其制备方法。

背景技术

半导体激光(Semiconductor laser)在1962年被成功激发，在1970年实现室温下连续输出。后来经过改良，开发出双异质接合型激光及条纹型构造的激光二极管(Laser diode)等，广泛使用于光纤通信、光盘、激光打印机、激光扫描器、激光指示器(激光笔)，是目前生产量最大的激光器。

随着技术的进步，半导体激光器的性能不断地得到改善：更低的阈值电流和工作电流，更长的寿命，更好的温度特性，特别是更高的光输出功率。另一方面，实际应用也对半导体激光器提出越来越高的要求，除要求更低的功耗，更高的效率，更好的温度特性以外，大的光输出功率也是一个急需，从几十毫瓦到几百瓦，甚至几千瓦。但是，大的光输出功率对半导体激光器的腔面会产生很严重的损害，因为出光面积小，腔面将承受很大的光功率密度，而且输出功率越大，腔面相应地更容易发生不可逆转的损害，进而导致半导体激光器的失效。

大的光功率密度很容易损伤半导体激光器的腔面，使腔面产生不可逆转的物理性损伤，称为光学灾变损伤(COD:Catastrophic Optical Damage)。在半导体激光器的腔面区域，由于解理、热应力等因素存在大量的缺陷，这些缺陷通过促进表面复合和体复合提高了载流子的复合速率。高功率输出时这种非辐射复合在激光器的表面处产生大量热量；同时，带隙吸收激光产生载流子，从而在表面产生较大的复合电流。非辐射复合产生的大量热量导致表面处带隙局部收缩，使载流子流向腔面，增大了腔面处载流子浓度。这使表面处的光吸收和随之而来的复合电流随温度升高而加剧，导致温度升高很快。正是通过这种正反馈，最后激光器的有源区融化，最终导致了COD的发生。这严重限制了激光器的最大输出功率，降低了可靠性，缩短了激光器的寿命。

为了抑制COD的发生，人们采用了很多不同的方法。比如可以通过在腔面引入非注入区来限制电流注入；通过腔面镀膜和发展无Al激光器减少腔面缺陷；通过采用大光腔结构减小光功率密度等。非吸收窗口结构可以有效地抑制COD，通过增大腔面区域带隙形成对激光器激射波长透明的窗口，减少光的吸收，抑制载流子注入，增强光的透射率。目前制作非吸收窗口的方法主要有两种，即二次外延技术和量子阱混合技术。二次外延是将激光器腔面区域选择性腐蚀后，二次外延生长一种带隙较宽的材料，这种方法工艺较为复杂，而且腐蚀会引入缺陷，外延后结合界面晶体质量难以保证，容易对激光器性能造成复杂的影响。形成非吸收窗口的另一种方法是量子阱混合，该方法在外延片上进行通常的淀积、注入、扩散、光刻、退火等工艺，即可选择性地改变带隙，制作出半导体激光器的非吸收窗口，工艺简单，成本低且效果较好。

时间已进入到二十一世纪的第二个十年，科技快速发展，半导体激光器也因其优异性能在生活和生产中具有巨大的需求；随着民用和军用的需求不断增加，对大功率半导体激光器的性能要求也越来越高。因而大功率半导体激光器急需解决COD问题而提高输出功率，提高器件的可靠性。

本发明通过无杂质空位诱导量子阱混合方法，在不同区域分别促进和抑制量子阱混合，形成光非吸收窗口，使得半导体激光器的输出功率得到显著的提高。图1是现有技术中激光器的结构示意图，图1中，各层代表的含义为：1，生长半导体激光器结构用的N型半导体衬底(砷化镓)；2，激光器外延结构的材料生长缓冲层；3，N型包层；4，激光器有源区(含量子阱区)；5，P型包层；6，电极接触层；7，P面电极；8，N面电极；9，Ga空位诱扩散导量子阱混合区。

发明内容

本发明的目的是抑制半导体激光器腔面发生COD问题，提高半导体激光器的输出功率，即利用无杂质空位诱导量子阱混合的方法，通过在不同区域生长SiO₂和Si₃N₄介质膜再加以高温退火，由于SiO₂促进量子阱混合，而Si₃N₄抑制量子阱混合，使得SiO₂之下半导体材料带隙比Si₃N₄下的大，从而在半导体激光器腔面形成了光非吸收窗口。

为实现上述目的，根据本发明的一方面，提出一种半导体激光器，该半导体激光器由下至上依次包括：衬底、材料生长缓冲层、N型包层、有源区、P型包层和电极接触层，其中：

所述有源区为量子阱区；