一种半导体激光器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电技术领域，尤其涉及一种半导体激光器件及其制备方法。

背景技术

随着激光技术的发展，一门崭新的应用学科——激光医学逐步形成，激光的独特优点，解决了传统医学在基础研究和临床应用中不能解决的许多难题，引起国内外医学界的重视。半导体激光器(DL)因其具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖范围广等特点特别适用于医疗设备的制造。此外，半导体激光器还广泛用于光纤通信、光盘存取、光谱分析和光信息处理等重要领域。

X射线自支撑闪耀透射光栅因其宽带高效高分辨的优点，在惯性约束聚变等离子体诊断、天文物理和X射线相衬成像等领域有巨大的应用需求。可以预见，若将X射线自支撑闪耀透射光栅与半导体激光器结合使用，必然能够提高医学诊断中的可靠性，更有利于医生针对性的找出治疗手段。

再者，DL的功率和寿命是衡量其性能的重要指标，目前腔面光学灾变现象是限制高功率DL功率和寿命提高的一个关键因素。为了防止腔面光学灾变的发生，目前主要使用的抗腔面光学灾变的技术包括以下几类：

一、腔面钝化处理技术。

二、腔面钝化薄膜技术。

三、非辐射吸收窗口技术。该技术是通过在激光器腔面二次外延生长或掺杂扩散的方法制备一层宽禁带半导体材料，其目的是减少光子在此区域的辐射吸收，降低腔面的温度。

然而，制备钝化薄膜前需要进行清洗步骤，会对对腔面造成一定的损伤；非辐射吸收窗口技术会额外制备半导体材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种半导体激光器件及其制备方法，目的是提高半导体激光器的高分辨率，使其具有高光束质量优势。

基于上述目的，本发明提供了一种半导体激光器件，包括第一电极、第二电极、设于第一电极及第二电极之间且从第一电极朝向第二电极方向依次设置的衬底、第一限制层、第一波导层、有源区、第二波导层、第二限制层、欧姆接触层和欧姆接触层与第二限制层接触的透射光栅层。

所述透射光栅层为X射线自支撑闪耀透射光栅层。

所述第一电极为N型电极，第一限制层为N型限制层，第一波导层为N型波导层，所述第二电极为P型电极，第二限制层为P型限制层，第二波导层为P型波导层。

所述N型波导层和所述P型波导层采用Al

所述P型限制层采用Al

所述有源区为量子阱有源区或量子点有源区。

所述半导体激光器件的对向两侧面分别设有增透膜和高反膜。

本发明还提供所述半导体激光器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在衬底上依次外延制备N型限制层、N型波导层、有源区、P型波导层、P型限制层和欧姆接触层；

步骤二、在欧姆接触层的中部刻蚀至出P型限制层，以形成光栅凹槽；

步骤三、根据光栅凹槽尺寸制备透射光栅；

步骤四、将透射光栅安装入光栅凹槽；

步骤五、对外延片上制备P型电极；

步骤七、对衬底进行减薄抛光后制备N型电极。

所述透射光栅的制备方法包括如下步骤：

S1、以SOI硅片为基底，在基底的上表面镀Cr膜，在下表面镀氮化硅膜；

S2、在基片上表面及下表面分别涂布光刻胶，利用紫外光刻在上表面制作光栅支撑结构掩模，在下表面制作光栅外框掩模；

S3、在下表面通过反应离子刻蚀氮化硅膜，在上表面湿法刻蚀Cr膜；

S4、去除上表面及下表面的光刻胶；

S5、在基片上表面依次涂布减反膜和光刻胶；

S6、全息光刻制作光栅掩模，光栅掩模的延伸方向垂直于光栅支撑结构掩模的延伸方向；

S7、反应离子刻蚀将光刻胶光栅掩模图案转移到减反膜中；

S8、上表面垂直基片向下沉积催化金属，催化金属为金、银或铂；

S9、去除光刻胶、减反膜、Cr膜、及附着于光刻胶和Cr膜上的催化金属；

S10、在基底上表面涂布耐碱保护胶；

S11、腐蚀下表面的单晶硅，腐蚀截止至中间SiO

S12、去除耐碱保护胶；

S13、去除氮化硅以及窗口内中间SiO2层；

S14、将基片放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中进行金属催化刻蚀；

S15、去除催化金属、漂洗并干燥后，获得X射线自支撑闪耀透射光栅。

所述制备方法还包括将具有电极的外延片边缘线解理后，在半导体激光器前后腔面上通过原子层沉积方法沉积高度致密的钝化层，之后在前腔面的钝化层上沉积增透膜，在后腔面的钝化层上沉积高反射膜。

解里采用超高真空解理。激光器腔面在真空中沉积一层钝化薄膜，然后再沉积一层高度致密的钝化层。其作用是第一层钝化薄膜起到在激光器腔面从真空解理机中取出进入大气环境时保护腔面不接触空气，防止腔面被氧化。此技术与腔面钝化薄膜技术的结合进一步的提高了腔面抗腔面光学灾变的能力。将半导体激光器芯片在超高真空中解理开后原位沉积钝化薄膜可以防止空气中氧气对腔面的氧化损伤，而且可以省略制备钝化薄膜前的清洗步骤，从而防止清洗步骤对腔面的损伤，这在最大限度上保护了腔面结构的完好。

本发明的有益效果：

1、本发明在P面电极与P型限制层之间设置透射光栅层，提高半导体激光器的高分辨率，使其具有高光束质量优势。能同时满足X射线自支撑闪耀透射光栅的大有效面积和侧壁光滑的需求。通过具有透射光栅层的半导体激光器的设置，能够提高医学诊断中的可靠性，更有利于医生针对性的找出治疗手段。

2、高反膜及增透膜的设置，兼顾表面出光和腔面出光效率。增透膜蒸镀在前腔面，高反膜蒸镀在后腔面，提升腔面出光效率，降低腔面损失阈值。

3、本发明采用原子层沉积方法在前后腔面沉积一层高度致密的钝化层，这种钝化层高度致密，因此高度致密的钝化层比现有钝化方法更加有效的阻挡其它原子通过钝化层进入到腔面材料中，从而防止腔面光学灾变，提高腔面损伤阈值，提高半导体激光器的功率与寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的侧向剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的基底上表面镀Cr膜，下表面镀氮化硅膜的结构剖视图；

图3为本发明实施例提供的上表面制作支撑结构掩模，在下表面制作光栅外框掩模的结构剖视图；

图4为本发明实施例提供的下表面刻蚀氮化硅膜，上表面刻蚀Cr膜后的结构剖视图；

图5为本发明实施例提供的去除光刻胶后的结构剖视图；

图6为本发明实施例提供的上表面依次涂布减反膜和光刻胶的结构剖视图；

图7为本发明实施例提供的光刻胶光栅掩模的结构剖视图；

图8为本发明实施例提供的光刻胶光栅掩模转移至减反膜的结构剖视图；

图9为本发明实施例提供的镀催化金属后的结构剖视图；

图10为本发明实施例提供的去除减反膜、光刻胶、Cr膜、及附着于光刻胶和Cr膜上的催化金属的结构剖视图；

图11为本发明实施例提供的涂布耐碱保护胶的结构剖视图；

图12为本发明实施例提供的腐蚀下表面单晶硅后的结构剖视图；

图13为本发明实施例提供的去除耐碱保护胶后的结构剖视图；

图14为本发明实施例提供的去除氮化硅以及中间SiO

图15为本发明实施例提供的金属催化刻蚀过程的剖视图；

图16为本发明实施例提供的X射线自支撑闪耀透射光栅的剖视图。

图中标记为：

1、第一电极；2、第二电极；3、衬底；4、第一限制层；5、第一波导层；6、有源区；7、第二波导层；8、第二限制层；9、欧姆接触层；10、透射光栅层；11、顶层单晶硅；12、中间层SiO2；13、底层单晶硅；14、Cr膜；15、氮化硅膜；16、上光刻胶；17、下光刻胶；18、减反膜；19、光刻胶；20、催化金属膜；21、耐碱保护胶。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书的实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书的实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，一种半导体激光器件，包括第一电极1、第二电极2、设于第一电极1及第二电极2之间且从第一电极1朝向第二电极2方向依次设置的衬底3、第一限制层4、第一波导层5、有源区6、第二波导层7、第二限制层8、欧姆接触层9和欧姆接触层9与第二限制层8接触的透射光栅层10。透射光栅层10优选为X射线自支撑闪耀透射光栅层10。在P面电极与P型限制层之间设置透射光栅层，提高半导体激光器的高分辨率，使其具有高光束质量优势。能同时满足X射线自支撑闪耀透射光栅的大有效面积和侧壁光滑的需求。

本实施例中，第一电极1为N型电极，第一限制层4为N型限制层，第一波导层5为N型波导层，所述第二电极2为P型电极，第二限制层8为P型限制层，第二波导层7为P型波导层。

其中，所述有源区6为量子阱有源区或量子点有源区。本实施例以量子阱有源区进行说明。该量子阱有源区制作在N型波导层和P型波导层以内，其材料为铟镓砷材料。

本实施例中，衬底为N型镓砷材料，厚度约为300-400um，该衬底用于在其上进行激光器各层材料的外延生长。

所述N型波导层和所述P型波导层采用AlxGa1-xAs材料，所述N型波导层和所述P型波导层的厚度比为4：1。该N型波导层和P型波导层厚度不同，从而改变光场分布，有效的提升光子与透射光栅相互作用的几率。

N型限制层制作在衬底上，N型限制层为N型铝镓砷材料，可以有效的限制光场。所述P型限制层采用AlxGa1-xAs材料。该P型限制层制作在P型波导层上。

进一步的，半导体激光器件的对向两侧面分别设有增透膜和高反膜。高反膜及增透膜的设置，兼顾表面出光和腔面出光效率。增透膜蒸镀在前腔面，高反膜蒸镀在后腔面，提升腔面出光效率，降低腔面损失阈值。

本发明还提供所述半导体激光器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、在衬底3上依次外延制备N型限制层、N型波导层、有源区6、P型波导层、P型限制层和欧姆接触层9；N型衬底为(100)面偏<111>方向15°N型偏角镓砷衬底。选用(100)面偏<111>方向15°N型偏角镓砷衬底一方面能抑制生长过程中亚稳态有序结构的形成；另一方面还能提高限制层中P型杂志掺杂浓度，提高电子的有效势垒，抑制有源区的电子泄露，有利于制备大功率半导体激光器。

步骤二、在欧姆接触层9的中部刻蚀至出P型限制层，以形成光栅凹槽；

步骤三、根据光栅凹槽尺寸制备透射光栅；

步骤四、将透射光栅安装入光栅凹槽；

步骤五、对外延片上制备P型电极；

步骤七、对衬底3进行减薄抛光后制备N型电极。在外延片上制备P型电极和N型电极，该电极为能与镓砷材料形成良好欧姆接触的电极材料，所述的P型电极采用溅射的方法制备，N型电极采用蒸发的方法制备。

其中，所述透射光栅的制备方法包括如下步骤：

S1、以SOI硅片为基底，在基底的上表面镀Cr膜14，在下表面镀氮化硅膜15；本发明实施例中采用的SOI硅片结构参数具体如下：顶层单晶硅为<100>晶向，厚度(2～10)微米；中间层SiO

S2、在基片上表面及下表面分别涂布光刻胶19，利用紫外光刻在上表面制作光栅支撑结构掩模，在下表面制作光栅外框掩模；图3为上表面制作光栅支撑结构掩模，在下表面制作光栅外框掩模的结构剖视图，光栅支撑结构掩模图形为线条阵列，周期选在(10～20)微米为佳，线条宽度(2～3)微米，光栅外框掩模图像为正交的网格，格条的宽度为(1～2)毫米，格条的间隔为(4～6)毫米。光刻胶选用正性光刻胶，如AZ MIR-701，涂布厚度(500～1000)nm为佳，使用旋转涂胶法进行光刻胶的涂布，厚度的调整可根据该型光刻胶使用说明书，通过调节转速和光刻胶中溶剂的占比来实现。涂胶过程为：先涂上表面，然后烤胶；再涂下表面，然后再烤胶。烤胶条件可参考该型光刻胶使用说明书，对于AZ MIR-701型光刻胶，单次烤胶参数为热台90℃烘烤2分钟。紫外光刻使用的是中国科学院光电技术研究所的URE-2000/35型紫外光刻机，具体工艺条件可以参考该型光刻胶使用说明书和光刻机使用说明书。由于选用的是正性光刻胶，光刻掩模版图形与目标图形一致。紫外光刻的过程为：上表面接触曝光；下表面接触曝光；显影。

S3、在下表面通过反应离子刻蚀氮化硅膜15，在上表面湿法刻蚀Cr膜14；图4为本发明实施例提供的下表面刻蚀氮化硅膜，上表面刻蚀Cr膜后的结构剖视图；对于氮化硅膜的刻蚀，使用的是中国科学院微电子所研制的ICP-98A型感应耦合等离子体刻蚀机，通过控制反应气体流量、激励电源功率、偏压电源功率、刻蚀时间来控制氮化硅膜的刻蚀深度，大量实验证明对于40nm的氮化硅膜，采用的刻蚀条件如下：反应气体CF

S4、去除上表面及下表面的光刻胶19；采用丙酮超声去除上表面及下表面的光刻胶，去除光刻胶后的结构剖视图如图5所示。

S5、在基片上表面依次涂布减反膜18和光刻胶19；图6为本发明实施例提供的上表面依次涂布减反膜和光刻胶的结构剖视图，为减弱全息曝光中的驻波效应，在涂布光刻胶之前，需要在准备好的基片上先涂布一层减反膜，减反膜选用的是Brewer Science公司的系列，正性光刻胶选用的是AZ MIR-701。减反膜厚度150nm左右，光刻胶厚度为300nm左右。

S6、全息光刻制作光栅掩模，光栅掩模的延伸方向垂直于光栅支撑结构掩模的延伸方向；图7为本发明实施例提供的光刻胶光栅掩模的结构剖视图，在劳埃镜曝光光路上进行全息曝光，显影后得到光刻胶光栅掩模，曝光时使支撑结构掩模的延伸方向平行于光学平台，而产生光刻胶光栅掩模图形的干涉条纹的延伸方向垂直于光学平台，那么显影得到的光刻胶光栅掩模自然与支撑结构相垂直。

S7、反应离子刻蚀将光刻胶19光栅掩模图案转移到减反膜18中；图8为本发明实施例提供的光刻胶光栅掩模转移至减反膜的结构剖视图，通过控制反应气体流量、激励电源功率、偏压电源功率、刻蚀时间来控制减反膜的刻蚀深度，最终将光刻胶光栅掩模图形转移至减反膜中，形成光栅结构的减反膜。

S8、上表面垂直基片向下沉积催化金属，图9为本发明实施例提供的镀催化金属后的结构剖视图，催化金属为金、银或铂；采用离子束溅射或电子束蒸发镀膜的方法沉积获得催化金属膜的光栅结构。

S9、去除光刻胶19、减反膜18、Cr膜14、及附着于光刻胶19和Cr膜14上的催化金属；使用丙酮超声的方法去除减反膜(ARC)、光刻胶及光刻胶上的催化金属，使用去Cr液超声的方法去除Cr及Cr上的催化金属，图10为本发明实施例提供的去除减反膜、光刻胶、Cr膜、及附着于光刻胶和Cr膜上的催化金属的结构剖视图。

S10、在基底上表面涂布耐碱保护胶21；如图11所示。

S11、腐蚀下表面的单晶硅，腐蚀截止至中间SiO2层；图12为本发明实施例提供的腐蚀下表面单晶硅后的结构剖视图，采用质量分数为30％的KOH水溶液作为腐蚀液，腐蚀温度为80℃，腐蚀时间大于6小时。腐蚀到中间SiO

S12、去除耐碱保护胶21；使用Piranha溶液去除耐碱保护胶，在水浴温度为80℃的条件下、水浴30分钟即可去除，去除耐碱保护胶后的结构剖视图如图13所示。

S13、去除氮化硅以及窗口内中间SiO

S14、将基片放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中进行金属催化刻蚀；氧化剂可以是双氧水、高锰酸钾、或硝酸银，具体的刻蚀液各成分浓度和刻蚀温度可通过对比实验获得，优化的目标是刻蚀出侧壁光滑且陡直的光栅结构，以双氧水作为氧化剂为例，刻蚀液中氢氟酸的浓度为(4～6)mol/L，双氧水的浓度为(0.2～0.3)mol/L，刻蚀液温度为(5～15)℃时，获得的光栅结构陡直且侧壁光滑。

S15、去除催化金属、漂洗并干燥后，获得X射线自支撑闪耀透射光栅。

此外，作为进一步的改进，上述制备方法还包括将具有电极的外延片边缘线解理后，在半导体激光器前后腔面上通过原子层沉积方法沉积高度致密的钝化层，之后在前腔面的钝化层上沉积增透膜，在后腔面的钝化层上沉积高反射膜。高度致密的钝化层的厚度为10nm，其材料为Si

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本说明书的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。