一種外延結構及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體激光技術領域，特別是一種能夠調節內部光場分布的外延結構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]目前，半導體激光已經廣泛用于國計民生的各個方面，包括日用電子產品、工業加工、光纖通訊、醫療、科學研究與國防應用等。半導體激光材料通常采用分子束外延(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(M0CVD)等方法按照預先設計的結構在相應的襯底材料上生長而成。典型的半導體外延結構包括η型包層、非摻雜的有源區以及p型包層，其中有源區包含發光的量子阱以及波導層。
[0003]可靠性是半導體激光器的一個最重要的技術指標。激光器的可靠性與器件的功率密度密切相關，密度越大，器件失效的可能性越大，壽命越短。可靠性是通過在一定測試條件下，器件失效的可能性來表征的。目前半導體激光器存在兩種失效模式:1)腔內光損傷災變(C0D)，2)腔面光損傷災變(C0MD)。目前大部分器件的失效都是由2)腔面光損傷災變(C0MD)引起的，其原因是:1)激光器晶格的破壞導致表面出現大量的非輻射復合中心，復合中心在激光器運行過程中發生非輻射復合而產生大量的熱，大量熱的聚集導致器件失效；2)對于材料中含有鋁元素的半導體激光器件來說，由于腔面在大氣中解理后，暴露在大氣環境中的鋁極易被氧化，從而引入更多的腔面缺陷；3)激光器的腔面需要鍍上其它材料來改變光在腔面的發射率，由于所鍍材料的熱膨脹系數等材料性質與半導體材料存在很大不同，有可能在激光運行過程中導致失效。
[0004]上述器件可靠性的問題，可以通過降低光功率密度來解決。對于高功率激光，采用降低功率密度的外延結構設計來實現；然而，現在，面臨的最大問題是:面對更高功率輸出的市場要求，進一步通過設計來降低器件內及腔面處的光功率密度愈來愈困難，甚至很難實現。這是因為光功率密度的降低會影響閾值電流、外量子效率、以及器件的整體電光轉換效率等重要參數。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種外延結構及其制造方法，實現器件可靠性的提高和對光斑尺寸的可調控。
[0006]本發明提供了一種外延結構，所述外延結構包括襯底以及沿第一方向疊層設置于所述襯底上的第一波導層、量子阱層和第二波導層，其中在垂直于所述第一方向的第二方向上，所述第一波導層和第二波導層劃分為量子阱混雜增強區以及量子阱混雜抑制區，其中所述量子阱混雜增強區用于擴大所述量子阱混雜抑制區的沿所述第二方向的出射光的光場分布Ο
[0007]其中，所述第一波導層和第二波導層分別為由至少兩種不同折射率的材料交替形成的超晶格疊層結構，所述超晶格疊層結構經量子阱混雜工藝處理形成所述量子阱混雜抑制區和所述量子阱混雜增強區，其中所述量子阱混雜抑制區內的所述至少兩種不同折射率的材料的混雜程度小于所述量子阱混雜增強區內的所述至少兩種不同折射率的材料的混雜程度。
[0008]其中，所述第一波導層和第二波導層分別為由AlxGa: xAs和AlyGa: yAs兩種材料交替形成的超晶格疊層結構；其中0彡X彡1,0彡y彡l，y<x。
[0009]其中，所述外延結構進一步包括依次設置于所述第一波導層、量子阱層和第二波導層的疊層結構一側的第一限制層、第一 N型包層、第三波導層和第二 N型包層以及依次設置于所述第一波導層、量子阱層和第二波導層的疊層結構另一側的第二限制層和P型包層，其中所述第一限制層和第二限制層分別與所述第一波導層和所述第二波導層相鄰設置。
[0010]其中，所述第一限制層的折射率與所述第二限制層的折射率相同，且所述第一限制層和第二限制層的折射率介于所述至少兩種不同折射率的材料的最高折射率和最低折射率之間，所述第三波導層的折射率介于所述至少兩種不同折射率的材料的最高折射率和最低折射率之間，所述第三波導層的折射率大于所述第一 N型包層和第二 N型包層的折射率，所述第一限制層、第二限制層、第一 N型包層、第二 N型包層和第三波導層的折射率為對應層的平均折射率。
[0011]其中，所述第三波導層、所述第一限制層和所述第二限制層分別為由單一折射率材料形成的分別限制異質結結構。
[0012]其中，所述量子阱混雜增強區靠近所述外延結構的腔面設置，所述量子阱混雜抑制區遠離所述外延結構的腔面設置。
[0013]本發明提供了一種外延結構的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步驟:
[0014]提供襯底；
[0015]在所述襯底上形成沿第一方向疊層設置的第一波導層、量子阱層和第二波導層，其中所述第一波導層和第二波導層分別為由至少兩種不同折射率的材料交替形成的超晶格疊層結構；
[0016]對所述超晶格疊層結構進行量子阱混雜工藝處理，以在垂直于所述第一方向的第二方向上將所述第一波導層和第二波導層劃分為量子阱混雜增強區以及量子阱混雜抑制區，其中所述量子阱混雜抑制區內的所述至少兩種不同折射率的材料的混雜程度小于所述量子阱混雜增強區內的所述至少兩種不同折射率的材料的混雜程度。
[0017]其中，所述在所述襯底上形成沿第一方向疊層設置的第一波導層、量子阱層和第二波導層的步驟之前進一步包括:
[0018]在所述襯底上依次形成第一 N型包層、第三波導層、第二 N型包層和第一限制層；
[0019]所述在所述襯底上形成沿第一方向疊層設置的第一波導層、量子阱層和第二波導層的步驟之后且所述對所述超晶格疊層結構進行量子阱混雜工藝處理之前進一步包括:
[0020]在所述第一波導層、量子阱層和第二波導層的疊層結構上依次形成的第二限制層和P型包層，其中所述第一限制層和第二限制層分別與所述第一波導層和所述第二波導層相鄰設置。
[0021]其中，所述對所述超晶格疊層結構進行量子阱混雜工藝處理的步驟包括:
[0022]在所述外延結構的對應于量子阱混雜抑制區的位置上覆蓋第一介質膜，并在所述外延結構的對應于所述量子阱混雜增強區的位置上覆蓋第二介質膜，其中所述第一介質膜能夠抑制其下方覆蓋區域內的量子阱混雜，所述第二介質膜能夠增強其下方覆蓋區域內的莖子講混雜；
[0023]將形成有所述第一介質膜和第二介質膜的所述外延結構在氮氣保護下在退火爐中進行循環退火。
[0024]本發明的有益效果是:通過將第一波導層和第二波導層劃分成量子阱混雜增強區以及量子阱混雜抑制區，利用量子阱混雜增強區以及量子阱混雜抑制區的材料性質差異來改變光場分布，進而實現對光功率密度的控制，有助于提高器件的可靠性和可控性。進一步，上述結構也可用于其他需要進行光場分布的情況。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明外延結構第一實施例的結構示意圖；
[0026]圖2是本發明超晶格置層結構及對應的折射率不意圖；
[0027]圖3是本發明第二實施例的外延結構及對應的折射率示意圖；
[0028]圖4是激光器腔面附近形成大光場的示意圖；
[0029]圖5是實際計算機仿真的激光近場分布示意圖；
[0030]圖6是本發明制造方法中表面沉積兩種不同性質的介質膜的結構示意圖；
[0031]圖7是本發明制造方法中退火后得到的外延結構的結構圖。
【具體實施方式】
[0032]如圖1所示，本發明外延結構的第一實施例的結構示意圖，其中外延結構包括襯底1以及沿第一方向Y疊層