CN103022891A - 一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构，属于半导体激光技术领域。本发明在现有大功率半导体激光器外延材料体系基础上增加生长二极管，该二极管可以防止浪涌和静电等不利因素对半导体激光芯片的损伤，起到保护器件，延长使用寿命的作用。

Description

一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片

技术领域

本发明涉及一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构，属于半导体激光技术领域。

背景技术

半导体激光器具有光电转换效率高、结构紧凑、体积小、重量轻、寿命长及波长覆盖范围广可调谐等优点而广泛应用于泵浦、通讯、材料加工、医疗以及激光测距、激光雷达、激光制导等军事领域。

根据半导体激光芯片老化测试结果表明，大功率半导体激光器的使用寿命可以达到上万小时，但是应用统计表明，半导体激光器常常会突然失效，其主要原因是半导体激光二极管作为一种半导体器件，以半导体材料作为工作物质，采用电注入式，在p-n结上加正向电压，使其在结平面内产生受激发射。因此，过大的电流注入会导致p-n结击穿。容易受静电和浪涌的冲击损伤，一般半导体激光芯片在静电和浪涌冲击后，不会立即表现出很明显的损伤，而是一种累加性的损坏，导致性能下降，寿命减短等。

静电对芯片的冲击主要在于：干燥的环境中易造成静电的产生与积累，当人体触及半导体激光芯片时，人体的静电可使半导体激光芯片PN结瞬间击穿。而浪涌的产生在于：驱动电源频繁和间或的开启关闭，以及开关接触不良情况下等造成的电脉冲，引起半导体激光器过电流，也会使其PN结发生击穿。因此半导体激光芯片的防静电和浪涌的措施是非常必要的。

目前商业应用的大功率半导体堆栈普遍采用在正负极间并联一个瞬态电压抑制二极管，防止静电和浪涌产生的瞬间电脉冲，以免半导体激光器瞬时承受过高电压而使PN结击穿，并且在激光器不工作时，需将其两个电极短接。

虽然这种外接保护电阻的方法能够起到保护激光器芯片的作用，但是，在激光芯片形成激光器使用前，需要测试、封装等操作，在此过程中，芯片缺乏保护容易损害。因此，从事半导体激光器的工作人员需要穿戴防静电服，手腕上戴防静电手腕带，甚至需要带防静电指套，操作小心谨慎。

发明内容

本发明的目的在于克服大功率半导体激光芯片易受静电和浪涌损伤的缺点和不足，提出一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构。与现有的大功率半导体激光芯片相比，本发明是在半导体激光器芯片上选择非发光区域进行刻蚀，生长与发光区域掺杂类型相反的保护二极管，通过并联反向二极管将半导体激光芯片两端的电压限制在一个安全低压的范围，并在极短的时间内吸收静电和浪涌产生的能量，从而很好的防护半导体激光芯片，延长器件使用寿命，降低成本。

本发明提出一种结构更加完善的集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构，为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片，其特征在于：在半导体激光器芯片上选择非发光区域进行刻蚀，生长与发光区域掺杂类型相反的二极管。

一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在衬底材料上，采用金属有机化学气相沉积进行外延层生长，依次完成N型掺杂的限制层，N型掺杂的波导层，量子阱，P型掺杂的波导层；P型掺杂的限制层的生长；

2）采用标准半导体光刻及腐蚀工艺，根据设计的半导体激光芯片结构，选择半导体激光芯片中非发光区域进行刻蚀，直至露出衬底材料；

3）在芯片刻蚀完成后，继续生长一层二氧化硅，将非刻蚀区域进行保护；

4）采用湿法刻蚀将刻蚀区域的二氧化硅去掉，在衬底上外延生长P型掺杂层，然后外延生长本征层和N型掺杂层，形成保护二极管结构；

5）通过干刻将步骤4）中生长的保护二极管结构与步骤1）中生长的外延层发光区域隔开，形成一个掺杂与激光器芯片发光区域掺杂类型相反的保护二极管结构；

6）在步骤4）中所生成的保护二极管的N型掺杂层上采用光刻胶保护，然后采用半导体光刻及腐蚀工艺刻蚀掉步骤4）中非刻蚀区域上生长的保护二极管结构层和步骤3）中生长的二氧化硅层；

7）将步骤6）中保护二极管的N型掺杂层上的光刻胶去掉去胶，露出二极管N型掺杂层。

所述的一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片的制作方法，还包括可以生长2个以上的与激光器芯片反向的保护二极管。

本发明可以取得如下有益效果：

本发明所述的大功率半导体激光芯片，能够解决背景技术中所述激光芯片易受静电和浪涌冲击失效的缺点，同时也避免了外接保护电阻的方法的局限性，在集成反向保护二极管后，可以有效避免静电和浪涌等对半导体激光芯片冲击，导致器件性能的退化。通过反向二极管的有限保护，降低了对半导体激光驱动电源的要求，可以增加二极管的使用寿命，从而进一步降低了半导体激光使用成本，能够更好的促进半导体激光应用领域的扩展。

附图说明

图1为本发明所述的集成保护二极管的半导体激光芯片结构示意图；

图2为本发明所述的集成多个保护二极管的半导体激光芯片结构示意图；

图中：1、衬底，2、N型掺杂的限制层，3、N型掺杂的波导层，4、量子阱，5、P型掺杂的波导层，6、P型掺杂的限制层，7、保护二极管P型掺杂层，8、保护二极管本征层，9、保护二极管N型掺杂层

具体实施方式：

现结合附图，以GaAs基半导体激光器，但不限于GaAs基半导体激光器对本发明的具体实施方式进一步说明:

实施例1：

为了进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实施例及附图对本发明进一步的说明。如图1所示，一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构。

1)在材料为GaAs的衬底1材料上，采用金属有机化学气相沉积法进行外延层生长，依次完成N型掺杂的限制层2生长，N型掺杂的限制层2的材料为N-AlGaAs，完成N型掺杂的波导层3的生长，N型掺杂的波导层3的材料是N-GaAs，完成量子阱4的生长，量子阱4的材料是InGaAs，完成P型掺杂波导层5的生长，P型掺杂波导层5的材料是P-GaAs；完成P型掺杂的限制层6的生长，P型掺杂的限制层6的材料是P-AlGaAs；

2）采用标准半导体光刻及腐蚀工艺，根据设计的半导体激光芯片结构，选择半导体激光芯片中非发光区域进行刻蚀，直至露出GaAs衬底1；

3）在芯片刻蚀完成后，继续生长一层二氧化硅，将非刻蚀区域进行保护；

4）采用湿法刻蚀将刻蚀区域的二氧化硅去掉，在GaAs衬底1外延生长保护二极管P型掺杂层7，材料为P-GaAs，生长保护二极管本征层8，材料为GaAs和生长保护二极管N型掺杂层9，材料为N-GaAs，形成保护二极管结构；

5）通过干刻将步骤4）中生长的保护二极管结构与步骤1）中生长的外延层发光区域隔开，形成一个掺杂与激光器芯片发光区域掺杂类型相反的保护二极管结构；

6）在步骤4）中所生成的保护二极管的N型掺杂层9上采用光刻胶保护，然后采用半导体光刻及腐蚀工艺刻蚀掉步骤4）中非刻蚀区域上生长的保护二极管N型掺杂层9、本征层8、P型掺杂层7和步骤3）中生长的二氧化硅层；

7）将步骤6）中保护二极管N型掺杂层9上的光刻胶去掉去胶，露出二极管N型掺杂层9。

为了进一步说明本发明的结构和特征，如图2所示，一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构，还可以半导体激光芯片发光区域与多个反向二极管的并联。

Claims (3)

1.一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片，其特征在于：在半导体激光器芯片上选择非发光区域进行刻蚀，生长与发光区域掺杂类型相反的二极管。

2.根据权利要求1所述的一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片结构，其特征在于：包括如下步骤：

1)在衬底（1）材料上，采用金属有机化学气相沉积进行外延层生长，依次完成N型掺杂的限制层（2），N型掺杂的波导层（3），量子阱（4），P型掺杂的波导层（5），P型掺杂的限制层（6）的生长；

2）采用标准半导体光刻及腐蚀工艺，根据设计的半导体激光芯片结构，选择半导体激光芯片中非发光区域进行刻蚀，直至露出衬底（1）材料；

3）在芯片刻蚀完成后，继续生长一层二氧化硅，将非刻蚀区域进行保护；

4）采用湿法刻蚀将刻蚀区域的二氧化硅去掉，在衬底(1）上外延生长保护二极管P型掺杂层(7），然后外延生长保护二极管本征层(8）和保护二极管N型掺杂层(9），形成保护二极管结构；

5）通过干刻将步骤4）中生长的保护二极管结构与步骤1）中生长的外延层发光区域隔开，形成一个掺杂与激光器芯片发光区域掺杂类型相反的保护二极管结构；

6）在步骤4）中所生成的保护二极管的N型掺杂层(9）上采用光刻胶保护，然后采用半导体光刻及腐蚀工艺刻蚀掉步骤4）中非刻蚀区域上生长的保护二极管结构和步骤3）中生长的二氧化硅层；

7）将步骤6）中保护二极管N型掺杂层(9）上的光刻胶去掉去胶，露出二极管N型掺杂层(9）。

3.根据权利要求2所述的一种集成保护二极管的大功率半导体激光芯片的制作方法，其特征在于：其还可以在非发光区生长2个以上的与激光器芯片反向的保护二极管。

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