半导体激光芯片及制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半导体激光芯片及制备方法。


背景技术：

2.半导体激光器广泛应用于材料加工、医疗、美容、3d打印以及通信等领域，其中，半导体激光芯片是半导体激光器的核心部件。现有半导体激光芯片的帽层为重掺杂半导体材质，在芯片制备方法上，常采用在帽层表面沉积绝缘膜并开窗，然后使用湿法或干法蚀刻半导体帽层和包层来定义电流注入区，导致流片制程复杂，制程稳定性不高。因此，如何简化半导体激光芯片的流片制程，提高制程的稳定性成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本技术提供一种半导体激光芯片，可解决半导体激光芯片流片制程复杂，制程稳定性不高的问题。
4.为解决上述技术问题，本技术提供一种半导体激光芯片，包括n型衬底以及设置于n型衬底上的外延层；外延层包括依次层叠设置在n型衬底上的过渡层、n型下包层、下波导层、有源层、上波导层、p型上包层以及帽层，帽层以及n型衬底上分别设有p型欧姆接触电极以及n型欧姆接触电极；帽层为不掺杂或低掺杂的半导体材质，帽层以及p型上包层上设有图形化p型杂质扩散区，用于注入电流。
5.本技术还提供一种半导体激光芯片的制备方法，该方法包括：
6.提供一n型衬底；
7.在n型衬底上形成外延层，外延层包括依次层叠设置在n型衬底上的过渡层、n型下包层、下波导层、有源层、上波导层、p型上包层以及帽层；
8.通过帽层向p型上包层扩散杂质原子生成p型杂质扩散区，用于注入电流；其中，扩散方法包括气态源杂质扩散、固态源杂质扩散、或杂质离子注入与高温退火相结合；
9.在帽层以及n型衬底上分别沉积p型欧姆接触电极以及n型欧姆接触电极。
10.本技术所提供的半导体激光芯片，帽层为不掺杂或低掺杂半导体材质，在帽层上设有图形化p型杂质扩散区作为电流注入区，由于p型杂质扩散区外的掺杂浓度低，电流注入范围被限制在p型杂质扩散区内，不需要在帽层上沉积开窗的绝缘膜并蚀刻帽层就可实现对注入电流范围的限制，简化了流片制程，提高了制程的稳定性。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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。
12.图1是本技术提供的半导体激光芯片一实施例的俯视结构示意图；
13.图2是图1中的半导体激光芯片一视角的剖面结构示意图；
14.图3是本技术提供的半导体激光芯片一实施例的p型上包层杂质扩散前后的折射率对比示意图；
15.图4是本技术提供的半导体激光芯片的制备方法一实施例的流程图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本技术实施例中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
18.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
19.本技术提供一种半导体激光芯片。请参阅图1、图2，图1是本技术提供的半导体激光芯片一实施例的俯视结构示意图，图2是图1中的半导体激光芯片一视角的剖面结构示意图。半导体激光芯片100可包括n型衬底10以及设置于n型衬底10上的外延层20。其中，外延层20包括依次层叠设置在n型衬底10上的过渡层21、n型下包层22、下波导层23、有源层24、上波导层25、p型上包层26以及帽层27，帽层27以及n型衬底10上分别设有p型欧姆接触电极30以及n型欧姆接触电极40。有源层24为发光区，下波导层23以及上波导层25用于限制光束，n型下包层22以及p型上包层26用于光场的导引，p型欧姆接触电极30以及n型欧姆接触电极40用于电流的输入和输出。
20.帽层27为不掺杂或低掺杂的半导体材质，帽层27以及p型上包层26上设有图形化p型杂质扩散区271，用于注入电流。
21.p型杂质扩散区271的形状和深度可以根据具体需要进行制程设计和采用不同方法制作，比如p型杂质扩散区271的形状可以是图2所示的倒梯形。
22.本技术所提供的半导体激光芯片100，帽层27为不掺杂或低掺杂半导体材质，在帽层27上设有图形化p型杂质扩散区271作为电流注入区，由于p型杂质扩散区271外的掺杂浓度低，电流注入范围被限制在p型杂质扩散区271内，相对于现有技术，不需要在帽层27上沉
积开窗的绝缘膜并蚀刻帽层27就可实现对注入电流范围的限制，简化了流片制程，提高了制程的稳定性。
23.具体地，在一些实施例中，帽层27可以是掺杂n型或p型杂质原子的低掺杂半导体材质。当帽层27为n型掺杂半导体材质时，其掺杂浓度小于4
×
10
18
/cm3；当帽层27为p型掺杂半导体材质时，其掺杂浓度小于5
×
10
17
/cm3。在一些实施例中，帽层27掺杂的n型杂质原子浓度可以是4
×
10
18
/cm3、3
×
10
18
/cm3、2
×
10
18
/cm3、1
×
10
18
/cm3、9
×
10
17
/cm3、7
×
10
17
/cm3、5
×
10
17
/cm3等；帽层27掺杂的p型杂质原子浓度可以是5
×
10
17
/cm3、4
×
10
17
/cm3、3
×
10
17
/cm3、2
×
10
17
/cm3、1
×
10
17
/cm3、9
×
10
16
/cm3、7
×
10
16
/cm3、5
×
10
16
/cm3等，在此不做具体限定。当帽层27的掺杂浓度在上述范围内时，可阻止电流扩散到p型杂质扩散区271范围外。
24.在一实施例中，帽层27的p型杂质扩散区271的杂质原子浓度大于等于1
×
10
19
/cm3，通过高掺杂可增强p型杂质扩散区271的导电性，p型杂质扩散区271的宽度为设计的电流注入区宽度。在一些实施例中，帽层27的p型杂质扩散区271的杂质原子浓度可以是1
×
10
19
/cm3、2
×
10
19
/cm3、3
×
10
19
/cm3、4
×
10
19
/cm3、5
×
10
19
/cm3等。具体地，帽层27的p型杂质扩散区271扩散的杂质原子可以是铜原子、锌原子、锰原子中的一种或多种。选择上述杂质原子有利于p型杂质扩散区271的成型，在采用扩散工艺扩散进帽层27以及p型上包层26时，既可实现高掺杂导电，又能降低杂质原子扩散时对p型上包层26反射结构的破坏。
25.可选地，n型下包层22可为掺杂n型杂质原子，掺杂浓度为1
×
10
17-4
×
10
18
/cm3的半导体材质，掺杂浓度可以是1
×
10
17
/cm3、3
×
10
17
/cm3、5
×
10
17
/cm3、7
×
10
17
/cm3、9
×
10
17
/cm3、1
×
10
18
/cm3、2
×
10
18
/cm3、4
×
10
18
/cm3等。p型上包层26可为掺杂n型杂质原子、p型杂质原子、n型杂质原子与p型杂质原子交错掺杂或者不掺杂的半导体材质，其掺杂浓度小于等于5
×
10
17
/cm3，掺杂浓度可以是5
×
10
17
/cm3、4
×
10
17
/cm3、3
×
10
17
/cm3、2
×
10
17
/cm3、1
×
10
17
/cm3等。
26.为增强对光场的引导，n型下包层22可为单层结构或多层周期结构，p型上包层26为多层周期结构。
27.优选地，多层周期结构为多层周期性超晶格结构或布拉格反射器周期结构。布拉格反射器周期结构可视为布拉格反射波导，光在这种周期性介质材料中传播时，周期性介质材料对光产生光子带隙导引，从而对光场进行限制，可改善激光器的发散角。
28.在一实施例中，n型衬底10为掺杂硅浓度2
×
10
18
/cm3的n型半导体材料gaas，n型下包层22以及p型上包层26均采用9对al
0.15
ga
0.85
as/al
0.35
ga
0.65
as布拉格反射器结构，n型下包层22掺杂硅，沿外延方向掺杂浓度2
×
10
18-5
×
10
17
/cm3渐变，p型上包层26掺杂碳，沿外延方向掺杂浓度5
×
10
16-5
×
10
17
/cm3渐变，下波导层23以及上波导层25为al
0.25
ga
0.75
as，有源层24为in
0.2
ga
0.8
as/gaas量子阱，帽层27为掺杂碳浓度为5
×
10
17
/cm3的p型gaas。
29.在采用扩散工艺将杂质原子扩散进帽层27以及p型上包层26时，p型杂质扩散区271在p型上包层26中的扩散深度需小于p型上包层26的厚度。也就是说，对于为多层周期结构的p型上包层26而言，杂质原子的扩散深度不超过位于上波导层25上的那一层的底部，以在p型上包层26的多层结构中的至少部分层形成不同的折射率。请参阅图3，图3是本技术提供的半导体激光芯片一实施例的p型上包层杂质扩散前后的折射率对比示意图。从图中可以看出，p型上包层26在进行杂质扩散前，各层的折射率均相等；在进行杂质扩散后，多层结构中靠近帽层27的部分层折射率降低，从而形成不同的折射率。
30.在一实施例中，n型下包层22以及p型上包层26均为两种折射率不同的材料交替形成的多层周期结构。为增强对光场的引导，n型下包层22中至少一种材料的折射率大于下波导层23的折射率，p型上包层26中至少一种材料的折射率大于上波导层25的折射率。
31.本技术提供一种半导体激光芯片的制备方法，用于制备如上所述的半导体激光芯片100。请参阅图4，图4是本技术提供的半导体激光芯片的制备方法一实施例的流程图。半导体激光芯片的制备方法200包括步骤s210至步骤s240：
32.s210，提供一n型衬底10；
33.s220，在n型衬底10上形成外延层20，外延层20包括依次层叠设置在n型衬底10上的过渡层21、n型下包层22、下波导层23、有源层24、上波导层25、p型上包层26以及帽层27；
34.s230，通过帽层27向p型上包层26扩散杂质原子生成p型杂质扩散区271，用于注入电流；其中，扩散方法包括气态源杂质扩散、固态源杂质扩散、或杂质离子注入与高温退火相结合；
35.s240，在帽层27以及n型衬底10上分别沉积p型欧姆接触电极30以及n型欧姆接触电极40，电极的沉积方式可以是蒸发镀膜或磁控溅射镀膜等方法。
36.本技术提供的半导体激光芯片的制备方法200，采用气态源杂质扩散、固态源杂质扩散、或杂质离子注入与高温退火相结合方式通过帽层27向p型上包层26扩散杂质原子生成p型杂质扩散区271，相对于现有技术，p型杂质扩散区271加工过程中不需要在帽层27上沉积开窗的绝缘膜并蚀刻帽层27，简化了流片制程，提高了制程的稳定性。
37.本技术提供的半导体激光芯片及制备方法，至少具有以下有益效果：
38.1、本技术所提供的半导体激光芯片100，帽层27为不掺杂或低掺杂半导体材质，在帽层27上设有图形化p型杂质扩散区271作为电流注入区，不需要在帽层27上沉积开窗的绝缘膜并蚀刻帽层27就可实现对注入电流范围的限制，简化了流片制程，提高了制程的稳定性。
39.2、p型上包层26为多层周期性超晶格结构或布拉格反射器周期结构，对光场进行引导，可改善激光器的发散角。
40.3、本技术提供的半导体激光芯片的制备方法200，采用气态源杂质扩散、固态源杂质扩散、或杂质离子注入与高温退火相结合方式通过帽层27向p型上包层26扩散杂质原子生成p型杂质扩散区271，p型杂质扩散区271加工过程中不需要在帽层27上沉积开窗的绝缘膜并蚀刻帽层27，简化了流片制程，提高了制程的稳定性。
41.以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种半导体激光芯片，其特征在于，包括：n型衬底以及设置于所述n型衬底上的外延层；所述外延层包括依次层叠设置在所述n型衬底上的过渡层、n型下包层、下波导层、有源层、上波导层、p型上包层以及帽层，所述帽层以及所述n型衬底上分别设有p型欧姆接触电极以及n型欧姆接触电极；所述帽层为不掺杂或低掺杂的半导体材质，所述帽层以及所述p型上包层上设有图形化p型杂质扩散区，用于注入电流。2.根据权利要求1所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述帽层为n型掺杂半导体材质，其掺杂浓度小于4
×
10
18
/cm3；或者所述帽层为p型掺杂半导体材质，掺杂浓度小于5
×
10
17
/cm3。3.根据权利要求1所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述帽层的所述p型杂质扩散区的杂质原子浓度大于等于1
×
10
19
/cm3。4.根据权利要求1所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述帽层的所述p型杂质扩散区扩散的杂质原子为铜原子、锌原子、锰原子中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述n型下包层为掺杂n型杂质原子，掺杂浓度为1
×
10
17-4
×
10
18
/cm3的半导体材质；所述p型上包层为掺杂n型杂质原子、p型杂质原子、n型杂质原子与p型杂质原子交错掺杂或者不掺杂的半导体材质，掺杂浓度小于等于5
×
10
17
/cm3。6.根据权利要求1所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述n型下包层为单层结构或多层周期结构，所述p型上包层为多层周期结构。7.根据权利要求6所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述多层周期结构为多层周期性超晶格结构或布拉格反射器周期结构。8.根据权利要求6所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述p型杂质扩散区的宽度为设计的电流注入区宽度，所述p型杂质扩散区在所述p型上包层中的扩散深度小于所述p型上包层的厚度。9.根据权利要求6所述的半导体激光芯片，其特征在于，所述n型下包层以及所述p型上包层均为两种折射率不同的材料交替形成的多层周期结构，所述n型下包层中至少一种材料的折射率大于所述下波导层的折射率，所述p型上包层中至少一种材料的折射率大于所述上波导层的折射率。10.一种半导体激光芯片的制备方法，其特征在于，包括：提供一n型衬底；在所述n型衬底上形成外延层，所述外延层包括依次层叠设置在所述n型衬底上的过渡层、n型下包层、下波导层、有源层、上波导层、p型上包层以及帽层；通过所述帽层向所述p型上包层扩散杂质原子生成p型杂质扩散区，用于注入电流；其中，扩散方法包括气态源杂质扩散、固态源杂质扩散、或杂质离子注入与高温退火相结合；在所述帽层以及所述n型衬底上分别沉积p型欧姆接触电极以及n型欧姆接触电极。

技术总结
本申请公开了一种半导体激光芯片及制备方法，属于半导体技术领域。半导体激光芯片包括N型衬底以及设置于N型衬底上的外延层；外延层包括依次层叠设置在N型衬底上的过渡层、N型下包层、下波导层、有源层、上波导层、P型上包层以及帽层，帽层以及N型衬底上分别设有P型欧姆接触电极以及N型欧姆接触电极；帽层为不掺杂或低掺杂的半导体材质，帽层以及P型上包层上设有图形化P型杂质扩散区。本申请所提供的半导体激光芯片，P型杂质扩散区外的掺杂浓度低，电流注入范围被限制在P型杂质扩散区内，不需要在帽层上沉积绝缘膜并蚀刻帽层就可实现对注入电流范围的限制，可简化流片制程，提高制程的稳定性。程的稳定性。程的稳定性。


技术研发人员：汪卫敏 何晋国 胡海
受保护的技术使用者：深圳瑞波光电子有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/22