一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体激光芯片技术领域，特别涉及一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片及其制备方法。


背景技术：

2.由于大功率半导体激光芯片的众多优点，fp大功率半导体激光芯片现已被广泛应用于生产加工、激光通信、医疗美容、自动控制以及军事武器等众多领域。鉴于fp大功率半导体激光芯片广泛的应用前景，各国纷纷加速实施大功率半导体激光芯片技术研发计划，布局大功率半导体激光芯片产业，使得fp半导体激光芯片及其相关产业得以迅速发展。
3.腔面光学灾变性损伤(catastrophic optical damage，cod)是边发射半导体激光芯片发展中面临的一大挑战。针对如何抑制大功率半导体激光芯片腔面处发生cod，主流方法有：腔面钝化处理技术、腔面镀膜工艺、非吸收窗口技术、引入电流非注入层和电流阻挡层技术。其中添加电流非注入层技术如图1所示，由于其具有工艺简单、易于实现、工艺兼容性好的特点，已成为目前高功率半导体激光芯片的主要结构方式。
4.目前主流的fp半导体激光芯片有以ingan/gan为有源区的蓝紫光激光芯片和alingaas系列的红光及红外激光芯片。无论何种材料和结构的激光芯片，都是旨在减小横向电流，提高可靠性和电流注入均匀性，降低有源区的温度，提高器件功率。
5.但是，本发明的发明人在长期研发中发现，现有的激光芯片设计的非注入结构，其对于光场分布的控制效果仍然不能进一步远离p型层，造成光在p区的光吸收，从而导致激光芯片的效率下降，可靠性降低。


技术实现要素：

6.本发明的目的为针对当前fp激光芯片器件性能受p区光吸收影响程度大的问题，提供一种减少p区光吸收的具有耗尽型电流非注入层的激光芯片。
7.本发明第一方面提供一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述激光芯片沿着外延生长方向依次包括阴极电极、衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导层、阳极电极和第三电极，所述衬底层下方设置有阴极电极，所述脊波导上方设置有阳极电极，所述脊波导层的前端面凹进形成台阶状结构，所述台阶状结构上设有电流非注入层，并在电流非注入层的上方生长第三电极，所述电流非注入层两侧方向的上波导层与所述上限制层的侧面与所述前端面呈预设角度，以在电流非注入层两侧均形成渐变脊高结构。
8.本发明第二方面提供一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括，通过mocvd外延生长gaas fp激光芯片外延片；刻蚀脊波导层；梯度刻蚀上限制层和上波导层，以使所述电流非注入层两侧方向的上波导层与所述上限制层的侧面与所述前端面呈预设角度，在电流非注入层两侧均形成渐变脊高结构；在脊波导前端面侧刻蚀台阶；在台阶上沉积电流非注入层；在电流非注入层上镀上第三电极；镀上阳极电
极和阴极电极；沉积钝化层；在后端面镀上反射膜，前端面镀上增透膜；最后制备得到一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片。
9.本发明的有益效果是：本发明通过梯度刻蚀前端面电流非注入区的上限制层，上波导层，制作渐变脊高结构，可以把整个光场在没有电注入的地方下压，使光场远离p型层，从而减小损耗散射，减少吸收，提升器件性能，并且，本发明通过在激光芯片脊波导处设置电流非注入层，在电流非注入层的上面设置第三电极，通正电压，使得绝缘层下方p型半导体的耗尽层向有源区推移，抑制腔面部分的载流子浓度，从而降低腔面的温度，减少非辐射复合，光吸收相对减少，降低腔面处产生的热量，提高cod阈值，提升器件特性 。
附图说明
10.图1为背景技术中介绍的一种传统激光芯片主视截面结构示意图；图2为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的侧视截面结构示意图；图3为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的俯视结构示意图；图4本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的梯度刻蚀上限制层和上波导层3d结构示意图；图5为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的在器件脊波导前端面刻蚀台阶侧视截面结构示意图；图6为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的生长电流非注入层侧视截面结构示意图。
11.其中，101.衬底层，102.下限制层，103.下波导层，104.量子阱有源层，105.上波导层，106.上限制层，107.脊波导层，108.阴极电极，109.阳极电极，110.钝化层，111.电流非注入层，112.第三电极，113.反射膜，114.增透膜，115.光刻胶，序号重新设置 116.前端面，117.后端面，118.台阶。
具体实施方式
12.下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本技术权利要求保护范围的限定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。
13.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
14.请参阅图2至图3，图2为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的侧视截面结构示意图，图3为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的俯视结构示意图。
15.如图2和图3所示，激光芯片沿着外延生长方向依次包括阴极电极108、衬底层101、下限制层102、下波导层103、量子阱有源层104、上波导层105、上限制层106、脊波导层107、阳极电极109和第三电极112，衬底层101下方设置有阴极电极108，脊波导层107上方设置有阳极电极109，脊波导层107的前端面116凹进形成台阶状结构，台阶状结构上设有电流非注入层111，第三电极112置于电流非注入层111的上方，电流非注入层111两侧方向的上波导层105及上限制层106的侧面与前端面116呈预设角度，以在电流非注入层111两侧均形成渐变脊高结构。
16.可以理解的是，单独设置第三电极能减小电流非注入层111的厚度，避免光场与电流非注入层111接触后出现不必要的光散射损耗，降低器件性能。
17.在一些实施例中，上波导层105与上限制层106的侧面与前端面116呈预设角度，以形成渐变脊高结构，进一步包括：上限制层106与上波导层105的部分侧面与前端面116呈预设角度。
18.在一些实施例中，上波导层105的下表面长度与上限制层106的上表面长度差值不超过电流非注入层的长度。
19.在一些实施例中，电流非注入层111两侧的渐变脊高结构对称设置。
20.在一些实施例中，激光芯片还包括钝化层110、反射膜113和增透膜114，钝化层110包覆除了阴极电极108、阳极电极109、第三电极112、前端面116以及后端面117以外的激光芯片上、下、左、右表面，以及，激光芯片后端面镀有反射膜113，激光芯片前端面镀有增透膜114。
21.在一些实施例中，电流非注入层111材料为al2o3、sin、sio2等，厚度为10-50 nm，第三电极112材质为cr/au、ti/au或ni/au。
22.在一些实施例中，衬底层101具体为gaas，厚度为200nm；下限制层102的材质为algaas，厚度为0.3μm；下波导层103的材质为algaas，厚度为0.5-3μm；量子阱有源层104的材质为交替生长的algaas阱层-algaas垒层，厚度为0.1μm；上波导层105的材质为algaas，厚度为0.1-3μm；上限制层106的材质为algaas，厚度为0.3-1μm；脊波导层107的材质为algaas，厚度为280nm；钝化层110的材质为sio2，厚度为50nm-500nm；阴极电极108和阳极电极109的材质均为cr/au、ti/au或ni/au；反射膜113的反射率为50％-100％，增透膜114的反射率小于等于10％。
23.本发明还提供一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的制备方法，其特征在于，方法包括，通过mocvd外延生长gaas fp激光芯片外延片；刻蚀脊波导层107；梯度刻蚀上限制层106和上波导层105，以使电流非注入层两侧方向的上波导层105与上限制层106的侧面与前端面116呈预设角度，在电流非注入层两侧均形成渐变脊高结构；在脊波导前端面侧刻蚀台阶；在台阶上沉积电流非注入层111；在电流非注入层111上镀上第三电极112；镀上阳极电极109和阴极电极108；沉积钝化层110；在后端面117镀上反射膜113，前端面116镀上增透膜114；最后制备得到一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片。
24.此时，请参阅图4-6，图4本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的梯度刻蚀上限制层和上波导层3d结构示意图；图5为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的在器件脊波导前端面刻蚀台阶侧视截面结构示意图；图6为本发明的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片生长电流非注入层侧视截面结构示意图。
25.具体而言，例如：将gaas衬底101放在mocvd设备生长室内，依次生长下限制层102，下波导层103，量子阱有源区104，上波导层105，上限制层106，脊波导层107，得到gaas fp激光芯片的外延结构，通过光刻和干法刻蚀工艺制备脊波导107，脊波导的高度为280nm，通过光刻和干法刻蚀工艺，梯度刻蚀上限制层106和上波导层105，梯度刻蚀应完全刻蚀前端面116非脊波导部分的上限制层106，部分刻蚀前端面116非脊波导部分的上波导层105。通过光刻，以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀在的脊波导的前端面上制备10nm-50nm的台阶，然后不去掉光刻胶，通过pecvd或者磁控溅射沉积与台阶深度相同厚度的sin作为电流非注入层111，去胶剥离sin，保持sin只在前端面的台阶上；利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极108，阳极电极109和第三电极112，使用pecvd沉积厚度为300nm的sio2钝化层110，并通过光刻技术和使用boe腐蚀液去除脊波导表面的sio2钝化层，形成电注入窗口；通过化学镀、电镀等方法在器件的有源区后端面镀上反射系数为50％-100％的反射膜113，在器件的前端面镀上反射系数小于等于10％的增透膜114。
26.上述实施例中，通过梯度刻蚀前端面非脊波导部分的上限制层，部分刻蚀前端面非脊波导部分的上波导层，制作渐变脊高结构，可以把整个光场在没有电注入的地方下压，使光场远离p型层，从而减小损耗散射，减少吸收，提升器件性能。通过在激光芯片设置电流非注入层和第三电极，使得电流非注入层下方p型半导体的耗尽层向有源区推移，抑制腔面部分的载流子浓度，从而降低腔面的温度，从而增强了器件的可靠性和光电效率。
27.此外，激光芯片的作用效果会受到激光芯片中波导层、限制层、有源层的材料、工艺和尺寸变化的影响，因此需要依据不同的器件结构、工艺方法做适当的优化，从而使激光芯片起到最佳效果。
28.上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，这些对本发明权利要求进行等同替换后的技术方案，均落于本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述激光芯片沿着外延生长方向依次包括阴极电极（108）、衬底层（101）、下限制层（102）、下波导层（103）、量子阱有源层（104）、上波导层（105）、上限制层（106）、脊波导层（107）、阳极电极（109）和第三电极（112），所述衬底层（101）下方设置有阴极电极（108），所述脊波导层（107）上方设置有阳极电极（109），所述脊波导层（107）的前端面（116）凹进形成台阶状结构，所述台阶状结构上设有电流非注入层（111），所述第三电极（112）置于电流非注入层（111）的上方，所述电流非注入层（111）两侧方向的上波导层（105）及所述上限制层（106）的侧面与所述前端面（116）呈预设角度，以在电流非注入层（111）两侧均形成渐变脊高结构。2.如权利要求1所述的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述上波导层（105）及所述上限制层（106）的侧面与所述前端面（116）呈预设角度，以形成渐变脊高结构，进一步包括：所述上限制层（106）与上波导层（105）的部分侧面与所述前端面（116）呈预设角度。3.如权利要求1所述的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述上波导层（105）的下表面长度与所述上限制层（106）的上表面长度差值不超过所述电流非注入层（111）的长度。4.如权利要求1所述的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述电流非注入层（111）两侧的渐变脊高结构对称设置。5.如权利要求2所述的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述激光芯片还包括钝化层（110）、反射膜（113）和增透膜（114），所述钝化层（110）包覆除了所述阴极电极（108）、阳极电极（109）、第三电极（112）、所述前端面（116）以及所述脊波导层（107）的后端面（117）以外的激光芯片上、下、左、右表面，以及，所述激光芯片后端面镀有反射膜（113），所述激光芯片前端面镀有增透膜（114）。6.如权利要求1所述的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述电流非注入层（111）材料为al2o3、sin、sio2，厚度为10-50 nm，所述第三电极（112）材质为cr/au、ti/au或ni/au。7.如权利要求5所述的一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述的衬底层（101）的材质为gaas，厚度为200nm；所述的下限制层（102）的材质为algaas，厚度为0.3μm；所述的下波导层（103）的材质为algaas，厚度为0.5-3μm；所述的量子阱有源层（104）的材质为交替生长的algaas阱层-algaas垒层，厚度为0.1μm；所述的上波导层（105）的材质为algaas，厚度为0.1-3μm；所述的上限制层（106）的材质为algaas，厚度为0.3-1μm；所述的脊波导层（107）的材质为algaas，厚度为280nm；所述钝化层（110）的材质为sio2，厚度为50nm-500nm；所述阴极电极（108）和阳极电极（109）的材质均为cr/au、ti/au或ni/au；所述反射膜（113）的反射率为50％-100％，所述增透膜（114）的反射率小于等于10％。8. 一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括，通过mocvd外延生长gaas fp激光芯片外延片；刻蚀脊波导层（107）；梯度刻蚀上限制层
（106）和上波导层（105），以使所述电流非注入层（111）两侧方向的上波导层（105）与所述上限制层（106）的侧面与所述脊波导层（107）的前端面（116）呈预设角度，在电流非注入层（111）两侧均形成渐变脊高结构；在脊波导层（107）的前端面（116）侧刻蚀台阶；在台阶上沉积电流非注入层（111）；在电流非注入层（111）上镀上第三电极（112）；镀上阳极电极（109）和阴极电极（108）；沉积钝化层（110）；在后端面（117）镀上反射膜（113），前端面（116）镀上增透膜（114）。

技术总结
本发明提供一种具有耗尽型电流非注入层的激光芯片，激光芯片沿着外延生长方向依次包括阴极电极、衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导层、阳极电极和第三电极，衬底层下方设置有阴极电极，脊波导上方设置有阳极电极，脊波导层的前端面凹进形成台阶状结构，台阶状结构上设有电流非注入层，并在电流非注入层的上方生长第三电极，电流非注入层两侧方向的上波导层与上限制层的侧面与前端面呈预设角度，以在电流非注入层两侧均形成渐变脊高结构，上述方案，通过电流非注入区两侧的上限制层，上波导层形成渐变脊高结构，使整个光场下压，远离P型层，从而减小损耗散射，减少吸收，提升器件性能。提升器件性能。提升器件性能。


技术研发人员：周少丰 丁亮 刘鹏 陈华为 曹雄
受保护的技术使用者：深圳市星汉激光科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/7/12