[发明专利]一种对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，属于半导体技术领域。

背景技术

AlGaInP四元材料系红光半导体激光器体积小、重量轻、能耗少，此类器件广泛应用于光盘刻录、信息存储、条码扫描、激光测距、气体检测及医疗器械等领域。为了应对市场对激光器输出功率的要求，通过优化激光器的材料、器件结构和制作工艺来提高激光器输出功率成为本领域研究的技术热点。

AlGaInP材料热导率及导带差，价带差较低的带隙差别，对AlGaInP/GaInP材料半导体激光器的输出功率和微分量子效率以及最大输出功率有较大的影响。而且，半导体激光器的最大输出功率还受到激光器端面的光学灾变损伤的限制。当半导体激光器腔面光密度达到阈值时，就会吸收光子，产生热，使得腔面部分的带隙收缩变窄，而这样更容易吸收光子，产生更多的热量，如此反复，就会烧坏腔面，产生光学灾变损伤。

而利用AlGaInP/GaInP材料的量子阱混杂技术可以方便地在红光半导体激光器的腔面处制作非吸收窗口来提高输出功率和器件寿命，降低光学灾变损伤。从理论上讲，完成量子阱混杂的手段大致有五类：离子注入、高温退火、杂质扩散、无杂质空位扩散、激光诱导混杂。在这五种量子阱混杂技术中利用杂质扩散诱导量子阱混杂这一方法优势更为明显：其应用到器件制作中的实验温度(400℃～650℃)远低于快速高温退火诱导无序的温度(800℃～1000℃)，并且相对于以上其他四种量子阱混杂工艺相对简单、易于操作，成本较低。在众多扩散杂质中，利用Zn原子在GaAs系材料中扩散速度较快的优点，广泛作为杂质扩散诱导源来使用(如图1)。具体原理为一定温度下Zn扩散产生的缺陷移动导致量子阱中阱材料和垒材料组分互扩散，量子阱带隙平滑并产生蓝移，使半导体激光器腔面部分带隙变大，形成对出射光不吸收的透明区域，这将大大增加激光器的光学灾变损伤阈值从而提高激光器输出功率。

目前国内对AlGaInP/GaInP半导体激光器进行Zn杂质扩散通常是采用闭管扩散的方式来进行，选择的扩散源是ZnAs。将ZnAs和激光器放入特制的石英管内，抽成真空后进行密封。扩散时，样品与扩散源分别置于石英管的两端并固定两者位置，再将石英管放入扩散炉内(如图2)。但是闭管扩散方式进行Zn扩散由于其受硬件条件限制，无法对扩散过程进行精确控制，导致其无法满足大规模生产及商业化的需要。

中国专利文件CN102263162A中提到了一种倒装焊结构雪崩光电二极管及其阵列的制备方法，该专利的主要技术方案是在外延层上进行Zn扩散用于制备外延层中的P-N结来实现雪崩二极管的制作。虽然MOCVD技术迅猛发展，但是由于其运行成本及操作难度，目前还多采用传统的闭管扩散的方式(图2)来制作半导体激光器非吸收窗口。

发明内容

针对红光半导体激光器采用闭管方式进行Zn扩散的现有技术中存在的工艺参数无法精确控制并且无法实现大规模量产的问题，本发明提供一种基于MOCVD的对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，利用Zn扩散至量子阱后实现激光器腔面带隙的变化以此制作非吸收窗口，来提高激光器输出功率。

术语解释：

1、DMZn：中文名二甲基锌，分子式Zn(CH₃)₂，多用于外延生长、化学气相沉淀中作为掺杂剂。

2、MOCVD：金属有机化学气相沉积，MOCVD法是半导体化合物生长的常规技术。MOCVD设备主要包括六大系统：气体输运系统、源供给系统、反应室和加热系统、尾气处理系统、安全控制系统、计算机控制系统。MOCVD设备为半导体技术领域常用设备。

3、激光器腔面：半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光。谐振腔结构示意图(如图4)。

4、光致发光(PL)谱测试：其原理为以光作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发光的过程，通过出光来测试光谱波长及强度。

本发明的技术方案如下：

一种基于金属有机化学气相沉积法对红光半导体激光器进行Zn扩散的方法，所述的红光半导体激光器结构包括GaAs衬底，GaAs缓冲层，n-型限制层，N区本征波导层，多量子阱有源区，P区本征波导层，p-型限制层，GaInP，p-型GaAs欧姆接触层，氧化硅绝缘层，P面电极，在平行于激光器腔面方向光刻并腐蚀部分氧化硅绝缘层，露出的激光器腔面即为Zn扩散区域；步骤如下：