本發(fā)明涉及中紅外激光器技術領域，特別是指一種大功率1.8-4μm半導體激光器及其制備方法。

背景技術：

中紅外1.8-4μm波段是重要的大氣窗口，包含了許多重要氣體分子的特征譜線，該波段激光源可以廣泛應用于大氣污染監(jiān)測、氣體檢測等民用項目；另外，工作在該波段的大功率激光器有望在激光雷達、光電對抗等軍用項目中發(fā)揮巨大作用。目前，在國內(nèi)該波段的大功率光源研究仍為空白，大功率的該波段激光器國際禁運也造成了其國內(nèi)市場應用的受阻。因此，自主研發(fā)中紅外半導體激光器是當前我國科研攻關的一個重要方向。

傳統(tǒng)的GaAs基和InP基激光器受限于禁帶寬度等物理機制，很難獲得1.8-4μm激光。(AlGaIn)(AsSb)材料體系在晶格常數(shù)以及禁帶寬度上均為該波段理想的材料體系，因而成為制備該波段激光源的首選材料體系。在工藝方面，與傳統(tǒng)近紅外激光器不同，GaSb材料相對較窄的帶隙具有先天的優(yōu)勢，且材料本身容易氧化，形成銻和鎵的氧化物以及析出銻單質(zhì)。另外，由于選擇比不同，在進行干法刻蝕需要調(diào)試新的刻蝕氣體配方。因此，該材料體系的激光器在制備工藝上有很多難點。

通過固態(tài)源分子束外延生長技術(MBE)控制材料組分可以得到在1.8-4μm波段的激射波長。通過對n面電極酸性處理和利用雙路氣體的燒結工藝可以得到性能優(yōu)良的激光器件。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

傳統(tǒng)激光器在物理機制方面受限于禁帶寬度等原因，很難得到1.8-4μm激光，另外，傳統(tǒng)激光器的腔面電流注入密度過大，從而造成腔面載流子復合率增大腔面發(fā)熱；另一方面，在傳統(tǒng)激光器制備工藝中時，在襯底的拋光過程中，表面氧化鎵、氧化銻以及銻單質(zhì)會對激光器的壽命和性能產(chǎn)生影響；而且傳統(tǒng)退火工藝里，經(jīng)常出現(xiàn)爬銦、焊料氧化以及焊料表面起伏劇烈情況，造成激光器本身的缺陷嚴重。這些勢必將極大地阻礙中紅外激光器的研發(fā)和應用進程。

(二)技術方案

所以為了解決上述問題、能夠獲得功率更大，成品率更高，性能更加穩(wěn)定的半導體激光器，本發(fā)明提出一種半導體激光器，包括：有源區(qū)、非摻雜AlGaInAsSb上波導層、絕緣層，有源區(qū)位于非摻雜AlGaInAsSb上波導層下方，絕緣層位于兩者上方，其中有源區(qū)包括：InGaAsSb量子阱和AlGaInAsSb勢壘層構成量子阱結構；非摻雜AlGaInAsSb上波導層上表面具有刻蝕脊條型寬面波導；絕緣層上具有電注入窗口。

(AlGaIn)(AsSb)材料體系在晶格常數(shù)以及禁帶寬度上均為2μm波段理想的材料體系。非摻雜AlGaInAsSb上波導層為非摻雜的AlGaInAsSb五元化合物材料，其組分比例為Al_0.3-0.4GaAs_0.02-0.04Sb，厚度為200-400nm。

絕緣層為SiO₂或者SiN，厚度為100-300nm；制備過程中，生長絕緣層之后在脊條上開窗口，窗口長度小于脊條長度，形成非注入腔面，可減小腔面電流注入密度，從而減小腔面載流子復合，減小腔面的發(fā)熱，提高其災變損傷閾值。

量子阱為非摻雜的In_0.2-0.5GaAs_0.02-0.1Sb四元化合物材料，厚度為10-15nm；勢壘層為五元Al_0.3-0.4GaInAs_0.02-0.04Sb五元化合物材料，其厚度為10-30nm。

當量子阱個數(shù)為1時，所述的有源區(qū)只具有1個量子阱；當量子阱個數(shù)n＞1個時，所述的有源區(qū)除了具有1個量子阱外，還具有n-1個量子阱和n-1個AlGaInAsSb勢壘層，且量子阱和AlGaInAsSb勢壘層彼此相間疊加。

激光器還包括N型GaSb襯底，以及在N型GaSb襯底基礎上自下而上依次具備N型GaSb緩沖層、N型AlGaInAsSb下限制層、非摻雜AlGaInAsSb下波導層、P型AlGaInAsSb上限制層、P型GaSb緩沖層。通過控制外延參數(shù)，使得各上下結構之間晶格匹配，以在界面處形成高質(zhì)量的異質(zhì)結，可減少界面態(tài)數(shù)目，降低界面載流子復合熱效應引起的升溫，從而提高器件的可靠性和穩(wěn)定性。

N型AlGaInAsSb下限制層為N型摻雜的AlGaInAsSb五元化合物材料，其組分比例為Al_0.5-0.7GaInAs_0.02-0.04Sb，厚度為1μm-2μm。

非摻雜AlGaInAsSb下波導層為非摻雜AlGaInAsSb五元化合物材料，組分比例為Al_03-0.4GaInAs_0.02-0.04Sb，厚度為200nm-400nm。

P型AlGaInAsSb上限制層為P型摻雜的AlGaInAsSb五元化合物材料，其組分比例為Al_0.5-0.7GaAs_0.02-0.04Sb，厚度為1μm-2μm。

P型GaSb緩沖層為P型摻雜的GaSb材料。

所述的包括N型AlGaInAsSb下限制層、非摻雜AlGaInAsSb下波導層、有源區(qū)(包括InGaAsSb量子阱或AlGaInAsSb勢壘層)、非摻雜AlGaInAsSb上波導層、P型AlGaInAsSb上限制層外延生長多元化合物層的各元素組分和層厚可根據(jù)目標波長進行調(diào)節(jié)。

除此之外，本發(fā)明還提出了一種半導體激光器制備方法，包括如下步驟：

步驟1：在N型襯底上依次生長N型緩沖層、N型下限制層、下波導層、有源區(qū)、上波導層、P型上限制層、P型緩沖層；

步驟2：采用光刻技術，在表面制備出刻蝕的掩膜圖形；

步驟3：在P型緩沖層上向下刻蝕，刻蝕深度到達上波導層，形成脊型波導結構；

步驟4：生長絕緣層，并在脊條處刻蝕形成電注入窗口；

步驟5：生長正極接觸電極；

步驟6：將正極金屬腐蝕成解離槽；

步驟7：將襯底研磨拋光至一定厚度；

步驟8：用稀鹽酸溶液處理拋光面；

步驟9：在拋光面上生長負極接觸電極；

步驟10：采用甲酸和氮氣雙路工藝氣體燒結，形成C-MOUNT封裝形式器件；

其中，有源區(qū)為半導體激光器外延層結構的一部分，所述的步驟1中通過固態(tài)源分子束外延生長技術(MBE)依次生長量子阱或勢壘層形成有源區(qū)；所述的步驟3中通過電感耦合等離子體刻蝕工藝(ICP)在所述的外延層結構上刻蝕形成寬面脊型波導結構；所述的步驟4中通過等離子體增強化學氣象沉積(PECVD)的方法制備絕緣層，并采用反應離子刻蝕(RIE)工藝在脊型波導結構中間位置對絕緣層進行刻蝕形成電注入窗口。

脊型波導結構的寬度為100μm-200μm，長度為1mm-4mm，刻蝕深度至非摻雜AlGaInAsSb上波導層中。

對襯底減薄時，首先對襯底進行粗研磨，研磨液為6μm氧化Al研磨粉和水以1比10體積比混合液，襯底厚度小于150μm時進行細研磨，研磨液為3μm氧化Al研磨粉和水以1比10體積比混合液，至120μm時進行拋光，分別用粗拋光絨布和細拋光絨布對研磨表面進行拋光，拋光液為含有次氯酸鈉和氧化鈦的混合溶液，最后用去離子水進行拋光。

稀鹽酸溶液處理拋光面步驟中，稀鹽酸溶液濃度為10％-30％，浸泡時間為30s-90s。

激光器燒結過程中，使用應力較小的軟焊料In作為粘結介質(zhì)，為避免出現(xiàn)爬In、焊料氧化以及焊料表面起伏劇烈情況的發(fā)生，采用雙路通氣工藝通入的氣體分別為氮氣和甲酸，既可以保護器件腔面不被氧化，還可以防止銦焊料起泡等引起的不穩(wěn)定，通入氣體的流量分別為5-15sccm和0.5-1sccm，燒結溫度為170℃-190℃，燒結時間為15-25s。

同時，在拋光n面電極襯底后，用酸性溶液進行處理，可以去除表面氧化Ga、氧化Sb以及Sb單質(zhì)，再生長金鍺鎳合金層，然后依次生長鈦/鉑/金，最后退火，可以提高n面電極接觸質(zhì)量，形成歐姆接觸，降低器件內(nèi)阻，并能與金線高度粘合，提高器件正電極質(zhì)量。

其中脊型波導結構的寬度為100μm-200μm，長度為1mm-4mm。較長的激光器腔長和較寬的脊型波導結構有利于提高激光器的輸出功率和器件散熱。

(三)有益效果

本發(fā)明提供了一種大功率1.8-4μm半導體激光器及其制備方法。該激光器為量子阱結構，通過調(diào)節(jié)量子阱以及勢壘的組分可以得到1.8-4μm激射波長；采用寬區(qū)波導結構，大體積的有源區(qū)可以增大輸出功率，同時減小慢軸發(fā)散角；采用粗磨-細磨-粗拋-細拋-水拋光的步驟，結合合適的研磨液和拋光液可以得到光亮平整缺陷密度低的表面；用稀鹽酸處理磨拋面可以去除表面的氧化物和銻單質(zhì)，提高接觸和合金質(zhì)量；采用甲酸和氮氣雙路保護氣體可以提高燒結工藝的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

附圖說明

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中：

圖1是本發(fā)明的結構截面圖；

圖2是本發(fā)明所述有源區(qū)的結構截面圖

其中，圖1：1-n面電極、2-N型GaSb襯底、3-N型GaSb緩沖層、4-N型AlGaInAsSb下限制層、5-非摻雜AlGaInAsSb下波導層、6-有源區(qū)：包括InGaAsSb量子阱和AlGaInAsSb勢壘層、7-非摻雜型AlGaInAsSb上波導層、8-絕緣層、9-P型AlGaInAsSb上限制層、10-P型GaSb緩沖層、11-p面電極；

圖2：6-1為InGaAsSb量子阱、6-2為AlGaInAsSb勢壘層、6-3為InGaAsSb量子阱、6-4為AlGaInAsSb勢壘層、6-5為InGaAsSb量子阱。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照本附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

需要說明的是，附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本發(fā)明可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種大功率1.8-4μm半導體激光器及其制備方法，通過材料外延生長和器件工藝的改進，可制備大功率、高穩(wěn)定性和長壽命的激光器。

以下分別對本實施例1.8-4μm半導體激光器的各個部分進行詳細的說明。

N型GaSb襯底2為(100)面N型GaSb材料。

外延層包括：N型重摻雜的GaSb下緩沖層3、N型摻雜的AlGaInAsSb下限制層4、非摻雜的AlGaInAsSb下波導層5、包含InGaAsSb量子阱和AlGaInAsSb勢壘層的有源區(qū)6(若為單量子阱則只包含InGaAsSb量子阱)、非摻雜的AlGaInAsSb上波導層7、P型摻雜的AlGaInAsSb上限制層9、P型摻雜的GaSb緩沖層10，其中有源區(qū)可以包括1-3個量子阱結構。

控制外延參數(shù)，使得N型AlGaInAsSb下限制層4與非摻雜的AlGaInAsSb下波導層5晶格匹配，P型AlGaInAsSb上限制層9與非摻雜的AlGaInAsSb上波導層7晶格匹配，在界面處均形成高質(zhì)量的異質(zhì)結，可減少界面態(tài)數(shù)目，降低界免載流子復合熱效應引起的升溫，從而提高激光器的可靠性。

P型緩沖層10可以與TiPtAu形成良好的歐姆接觸，降低激光器的內(nèi)阻，并能與金線高度粘合，提高器件正電極質(zhì)量。

請參照圖，本實施例中，非摻雜AlGaInAsSb上波導層7的部分被刻蝕形成脊型波導，但本發(fā)明并不以此為限。本領域技術人員應當相當清楚，該刻蝕的深度可以是P型AlGaInAsSb上限制層9下表面以下，以及非摻雜的AlGaInAsSb上波導層7下表面以上的任意深度。一般情況下，該脊型波導的深度H介于1.5μm-2.4μm之間，總的寬度介于100μm-200μm之間。

至此，本實施例大功率1.8-4μm半導體激光器介紹完畢。

在本發(fā)明的另一個實施例中，還提供了一種上述激光器的制備方法。該制備方法包括：

步驟1，在N型GaSb襯底2上分別沉積500nm的N型GaSb緩沖層3、2000nm的AlGaInAsSb下限制層4、300nm的非摻雜AlGaInAsSb下波導層5、有源區(qū)6、300nm的非摻雜的AlGaInAsSb上波導層7、2000nm的P型摻雜的AlGaInAsSb的上限制層9、250nm的P型摻雜的GaSb緩沖層10。其中，如附圖二，有源區(qū)包括：10nm的量子阱層6-1、20nm的非摻雜的AlGaInAsSb勢壘層6-2和10nm的量子阱層6-3。

步驟2，在步驟1所述結構材料上制備脊型波導，該步驟進一步包括：

子步驟2-1，在外延片表面涂上光刻膠，用普通的接觸式光刻的方法，用光刻板做掩膜，刻出條形波導圖形。

子步驟2-2，用光刻膠做掩膜，用電感耦合等離子體(ICP)方法對結構材料進行刻蝕，從而在結構材料上表面得到原始的脊型波導，刻蝕深度為2.3μm。該脊型波導寬度為100μm，長度為2mm。

步驟3，在制備的脊條型波導上形成電注入窗口，包括：

子步驟3-1，采用等離子體增強化學氣相沉積的方法沉積SiO₂絕緣層8至300nm。

子步驟3-2，用步驟3得到的樣片上涂上光刻膠，用普通接觸式光刻的方法，用光刻版作掩膜，刻出電注入窗口圖形。

子步驟3-3，用光刻膠做掩膜，用電感耦合等離子體刻蝕的方法對在條形波導中間位置上SiO₂絕緣層進行刻蝕，形成電注入窗口，窗口寬90μm，長1900μm，形成非電注入腔面。

步驟4，在步驟3形成電注入窗口之后，在表面磁控濺射Ti/Pt/Au，厚度為：50nm/50nm/300nm，形成正電極。

步驟5，在沉積正面電極的樣片上涂上光刻膠，經(jīng)過接觸式光刻曝光、顯影后形成膠掩膜，用金腐蝕液腐蝕出解離用溝槽，這樣可以避免在后續(xù)工藝中正電極出現(xiàn)損傷的情況。其中金腐蝕液為碘化鉀和碘的混合溶液。

步驟6，對N型GaSb襯底2進行粗研磨，研磨液為6μm氧化鋁顆粒和水以1比10體積比混合液。厚度小于150μm時進行細研磨，研磨液為3μm氧化Al顆粒和水以1比10體積比混合液，至120微米時進行拋光，分別用粗拋光絨布和細拋光絨布對研磨表面進行拋光，拋光液為含有次氯酸鈉和氧化鈦的混合溶液，最后用去離子水進行拋光。

步驟7，對磨拋好的表面用1∶3的稀鹽酸處理1min，除去表面氧化物。再蒸發(fā)金鍺鎳/金，厚度：50nm/200nm，然后依次補濺Ti/Pt/Au，厚度為50nm/50nm/300nm，并進行退火。

步驟8，激光器燒結時采用甲酸、氮氣雙路工藝氣體，一方面可以保護器件腔面不被氧化，另一方面可以防止In焊料起泡等引起的不穩(wěn)定。

需要說明的是，該大功率1.8-4μm半導體激光器及其制備方法還需要有樣片有機清洗、樣片涂覆HMDS、去光刻膠膠、解理、熱沉的清洗以及蒸鍍焊料、金線鍵合等多個工藝，其并不是本發(fā)明的重點所在，此處不再贅述。

至此，本實施例大功率1.8-4μm半導體激光器及其制備方法介紹完畢。依據(jù)此描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明有了清楚準確的認識。

此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構或者形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知的替換，例如：

(1)電感耦合等離子體(ICP)還可以用反應離子刻蝕(RIE)方法來替代；

(2)SiO₂絕緣層層可以用SiN作替代；

(3)In焊料可以用金錫焊料代替；

綜上所述，本發(fā)明提供了一種大功率1.8-4μm半導體激光器及其制備方法。該激光器為量子阱結構，通過調(diào)節(jié)量子阱以及勢壘的組分可以得到1.8-4μm激射波長；采用寬區(qū)波導結構，大體積的有源區(qū)可以增大輸出功率，同時減小慢軸發(fā)散角；采用粗磨-細磨-粗拋-細拋-水拋光的步驟，結合合適的研磨液和拋光液可以得到光亮平整缺陷密度低的表面；用稀鹽酸處理磨拋面可以去除表面的氧化物和銻單質(zhì)，提高接觸和合金質(zhì)量；采用甲酸和氮氣雙路保護氣體可以提高燒結工藝的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

以上所述的兩個具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。