專利名稱：傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體激光器及其制作方法，特別是涉及一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器及該激光器的制作方法。
背景技術：
垂直腔面發(fā)射激光器是一種與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器有著顯著不同的激光器。這種激光器的出射光斑呈圓形，發(fā)散角很小，利于與光纖耦合。該激光器件最顯著的一個特點是由于出光方向垂直于外延片方向因此不用解理就可以進行測試，適合工業(yè)化生產(chǎn)；還可以進行二維光子集成，制成大面積的激光器列陣。垂直腔面發(fā)射激光器可以廣泛應用于光纖通訊、光存儲、光互聯(lián)等許多領域中，因此世界先進國家爭先研制，并已有產(chǎn)品銷售。
現(xiàn)有的較好的幾種垂直腔面發(fā)射激光器從下向上由這幾個主要部分構成——下電極、n-GaAs襯底、在襯底上外延生長形成多層1/4波長的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x為0.05～0.2，y為0.5～1)異質(zhì)薄膜下反射鏡、n-AlzGa1-zAs(z為0.3～0.5)下限制層、GaAs有源層、p-AlzGa1-zAs上限制層、多層1/4波長p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射鏡、上電極。為了把電流限制在面積較小的電流注入有源區(qū)內(nèi)，有的器件結構是將GaAs襯底以外的外延層刻蝕成直徑幾微米至幾十微米的小圓柱結構，有的將上鏡面刻成小園臺結構，有的用氧化的方法形成電流隔離層窗口。其中和本發(fā)明最接近的技術是我們已經(jīng)獲得專利權的“鎢絲做掩膜二次質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器”(專利號ZL93118240.9)和使用光刻膠做掩膜質(zhì)子轟擊形成隔離電流高阻區(qū)結構(見Appl.Phys.Lett.，Vol.57(18)，p1855，1990)。但是這種一般質(zhì)子轟擊結構的垂直腔面激光器有源區(qū)不能做得太小，因而閾值和氧化窗口結構相比還偏高。而且由于發(fā)光面積較大，也不容易獲得基橫模工作，同時器件串連電阻也偏高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服這些困難，降低器件閾值，改善器件模式，提高器件均勻性和成品率，降低器件串聯(lián)電阻，從而提供一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器及提供一種該激光器的制作方法。
本發(fā)明所設計的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器(見附圖和
)，由下電極1，n-GaAs襯底2，多層1/4波長的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x為0.05-0.2，y為0.5-1)異質(zhì)薄膜下反射鏡3，n-AlzGa1-zAs(z為0.3-0.5)下限制層4，GaAs有源層5，p-AlzGa1-zAs上限制層6，多層1/4波長p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射鏡7和上電極8，出光窗口9，可以隔離電流的離子注入高阻區(qū)10和非離子注入的電流導通區(qū)11等部件構成，其特征是離子注入高阻區(qū)10下面的面積大、上面的面積小，呈傾斜狀，也就是說，非離子注入的電流導通區(qū)11呈上面大、下面小的漏斗狀，這種傾斜形狀的離子注入高阻區(qū)10是由鎢絲做掩膜垂直交叉四面(四個方向)四次傾斜離子注入形成的，或者用光刻膠做掩膜四面(四個方向)四次傾斜離子注入形成的。
本發(fā)明和我們已有的鎢絲做掩膜二次質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器相比可以采用直徑較粗一些的鎢絲做掩膜，這樣鎢絲掩膜架可以制作得面積大一些，有利于提高生產(chǎn)效率；和現(xiàn)在已有的光刻膠做掩膜離子注入形成隔離電流高阻區(qū)結構相比，光刻膠掩模也可以做得尺寸大一些，以降低光刻膠掩模制備的工藝難度，提高成品率，同時這樣的結構使有源區(qū)尺寸較小，有利于降低閾值和實現(xiàn)單基橫模激射；還可以把上電極出光窗口做得尺寸小一些，即可以做得比漏斗狀的非離子注入的電流導通區(qū)上面的尺寸小一些，這樣有利于降低器件串連電阻。從我們目前的實驗結果來看，這種器件結構對改善器件特性確實有較大效果。我們用以前的專利技術“鎢絲做掩膜二次質(zhì)子轟擊垂直腔面發(fā)射激光器”制作器件時一般采用直徑8～12μm的鎢絲，制得的器件一般閾值為6～10mA，串連電阻一般為300～200Ω。而現(xiàn)在制作的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器采用直徑20μm的鎢絲，而器件閾值一般為2～3mA，最低可達1.4mA，串連電阻一般為100～200Ω。
圖1傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器示意圖；圖2離子注入傾斜角度示意圖。
圖1中，部件1為下電極，2為n-GaAs襯底，3為多層1/4波長的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜下反射鏡，4為n-AlzGa1-zAs下限制層，5為GaAs有源層，6為p-AlzGa1-zAs上限制層，7為多層1/4波長p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜上反射鏡，8為上電極，9為出光窗口，10為離子注入的高阻區(qū)，11為非離子注入的電流導通區(qū)，其位于有源層5內(nèi)的區(qū)域稱為可以注入電流的有源區(qū)。
圖2中，部件12為外延片，13為鎢絲，14為外延片法線，15為進行注入的離子束流。
制備實施例本發(fā)明的制備實施例分別描述如下實施例1鎢絲做掩膜四次傾斜離子注入垂直腔面發(fā)射激光器。
這種激光器的結構如圖1所示。實施工藝簡述如下選用n-GaAs做為襯底2，在GaAs襯底2上用薄層外延技術<如分子束外延(MBE)，有機金屬化合物氣相沉積(MOCVD)技術等>首先生長上多層1/4波長的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜下反射鏡3(x為0.05-0.2，y為0.5-1)，為了減少器件串連電阻，在AlxGa1-xAs層和AlyGa1-yAs層之間生長一層Al組分漸變的過渡層，然后生長n-AlzGa1-zAs下限制層4(z為0.3-0.5)，GaAs有源層5，p-AlzGa1-zAs上限制層6，再生長多層1/4波長p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜上反射鏡7，同下反射鏡一樣為了減少器件串連電阻，在AlxGa1-xAs層和AlyGa1-yAs層之間生長一層Al組分漸變的過渡層。外延片制備好后用鎢絲13做掩膜進行兩次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和對外延片12進行四次有一定傾斜角度的離子注入，第一次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和第一、第二次離子注入時鎢絲為一個方向，第二次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和第三、第四次離子注入時鎢絲和前次方向垂直并交叉。第一離子注入時以順著鎢絲的方向為軸偏斜外延片使其法線方向14與離子注入的束流15方向有一定的傾斜角度α，角度α值可以在6～45度之間選擇，第二次注入時傾斜的角度變成-α，如圖2所示。然后，取下鎢絲掩膜后再用鎢絲做掩膜進行第二次蒸發(fā)金屬薄膜上電極8和第三、第四次有一定傾斜角度的離子注入。這次的鎢絲方向和第一次的方向垂直并交叉，其交叉點兩次都沒有蒸上金屬薄膜上電極8，形成出光窗口9，最后減薄、蒸下電極1并合金退火。在離子注入的離子停留區(qū)域形成了傾斜形狀的離子注入高阻區(qū)10，在有源層內(nèi)離子沒有注入的區(qū)域形成可以進行電流注入的有源區(qū)。適當控制離子注入的能量和劑量，使離子停留的前沿濃度最高并位于有源層，越接近外延片表面離子停留濃度越低，合金退火后外延片表面附近可以導電，這樣電流就可以通過上電極8漏斗狀地注入到非離子注入的電流導通區(qū)11中。
實施例2光刻膠做掩膜四次傾斜離子注入垂直腔面發(fā)射激光器。
這種激光器結構的外延片結構和鎢絲做掩膜四次傾斜離子注入垂直腔面發(fā)射激光器一樣，不同之處是進行離子注入時采用光刻膠做掩膜。上電極8可以在離子注入光刻膠掩模制備前蒸發(fā)完成，出光窗口9的尺寸可以小于離子注入光刻膠掩模尺寸，而有利于降低器件串連電阻。光刻膠掩模制備好后，如同鎢絲做掩模一樣從四個方向四次傾斜地對外延片進行離子注入。
實施例3有源區(qū)為GaAs量子阱結構。這種結構只是有源層5生長成GaAs量子阱結構，其余的工藝同實施1或2。
實施例4有源區(qū)為InGaAs量子阱結構。這種結構也是改變有源層材料和結構，把有源層5生長成InGaAs量子阱結構，其余的工藝同實施例1或2。
實施例5有源區(qū)為InGaNAs量子阱結構。這種結構也只是改變有源層材料和結構，把有源層5生長成InGaNAs量子阱結構，其余的工藝同實施例1或2。
權利要求
1.一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，由下電極(1)，n-GaAs襯底(2)，多層1/4波長的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x為0.05-0.2，y為0.5-1)異質(zhì)薄膜下反射鏡(3)，n-AlzGa1-zAs(z為0.3-0.5)下限制層(4)，GaAs有源層(5)，p-AlzGa1-zAs上限制層(6)，多層1/4波長p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs上反射鏡(7)和上電極(8)，出光窗口(9)，可以隔離電流的離子注入高阻區(qū)(10)和非離子注入的電流導通區(qū)(11)構成，其特征在于離子注入高阻區(qū)(10)下面的面積大、上面的面積小，呈傾斜狀，即非離子注入的電流導通區(qū)(11)呈上面大、下面小的漏斗狀。
2.如權利要求1所述的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于有源層(5)生長成GaAs量子阱結構。
3.如權利要求1所述的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于有源層(5)生長成InGaAs量子阱結構。
4.如權利要求1所述的傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于有源層(5)生長成InGaNAs量子阱結構。
5.一種制備權利要求1所述傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器的方法，選用n-GaAs做為襯底(2)，在襯底(2)上用薄層外延技術依次生長多層1/4波長的n-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜下反射鏡(3)、n-AlzGa1-zAs下限制層(4)、GaAs有源層(5)、p-AlzGa1-zAs上限制層(6)、多層1/4波長p-AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs異質(zhì)薄膜上反射鏡(7)，形成外延片(12)，用離子注入的方法形成可以隔離電流的高阻區(qū)(10)、非離子注入的電流導通區(qū)(11)，其特征在于①所說的形成離子注入高阻區(qū)(10)是用鎢絲(13)做掩膜進行兩次蒸發(fā)金屬薄膜上電極(8)和對外延片(12)進行四次有一定傾斜角度的離子注入，第一次蒸發(fā)金屬薄膜上電極(8)和第一、第二次離子注入時鎢絲為一個方向，第二次蒸發(fā)金屬薄膜上電極(8)和第三、第四次離子注入時鎢絲和前次方向垂直并交叉；②第一離子注入時以順著鎢絲的方向為軸偏轉外延片使其法線方向(14)與離子注入的束流(15)方向有一定的傾斜角度α，角度α值可以在6～45度之間選擇，第二次注入時傾斜的角度變成-α；③取下鎢絲掩膜后再用鎢絲做掩膜進行第二次蒸發(fā)金屬薄膜上電極(8)和第三、第四次有一定傾斜角度的離子注入，這次的鎢絲方向和第一次的方向垂直并交叉，其交叉點兩次都沒有蒸上金屬薄膜上電極(8)，從而形成出光窗口(9)，最后減薄、蒸下電極1并合金退火。
6.如權利要求5所述的制備傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器的方法，其特征在于在制備出外延片(12)后采用光刻膠做掩膜進行傾斜離子注入，上電極(8)可以在離子注入光刻膠掩模制備前蒸發(fā)完成，出光窗口(9)的尺寸可以小于離子注入光刻膠掩模尺寸，光刻膠掩模制備好后，同鎢絲做掩模一樣從四個方向四次傾斜地對外延片進行離子注入。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傾斜離子注入型垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法，由下電極1，n－GaAs襯底2，多層1/4波長的n－Al
文檔編號H01S5/183GK1412902SQ0214472
公開日2003年4月23日 申請日期2002年12月6日 優(yōu)先權日2002年12月6日
發(fā)明者杜國同 申請人:吉林大學