CN107895746A - 含铝多量子阱激光芯片及其制造方法、激光装置 - Google Patents

含铝多量子阱激光芯片及其制造方法、激光装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含铝多量子阱激光芯片及其制造方法、激光装置，涉及半导体技术领域。该含铝多量子阱激光芯片的制造方法包括：在基板上生成含铝的多量子阱层；借助于刻蚀阻挡层对多量子阱层进行刻蚀以生成台面结构；在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡，以实现对所述含铝的多量子阱层界面的钝化处理；在包含经钝化处理后的所述含铝的多量子阱层界面的所述台面结构上生成反向阻挡层；以及去除刻蚀阻挡层并在反向阻挡层和台面结构上依次形成包层和电接触层。本公开可以防止含铝多量子阱被氧化，进而提高激光芯片的可靠性。

Description

含铝多量子阱激光芯片及其制造方法、激光装置
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种含铝多量子阱激光芯片、含铝多量子阱激光芯片的制造方法和激光装置。
背景技术
半导体激光装置是以半导体材料为基础而产生激光的器件，具有体积小、重量轻、驱动功率和电流低、效率高、工作寿命长且易于与各种光电子器件实现光电子集成等优点，因而获得了广泛的应用。其中，半导体激光芯片(半导体激光器)是半导体激光装置的重要部件，半导体激光装置一般包括半导体激光芯片驱动电路、温控、光控电路和热沉等，半导体激光芯片位于热沉上。
随着半导体技术的发展，量子阱激光器，尤其多量子阱激光器的出现，大大提高了激光器的阈值电流、温度特性、调制特性和偏振特性。
然而，针对隐埋结构的含铝多量子阱激光器，在制造过程中，生成的多量子阱由于含有铝，因而容易被氧化，进而可能造成激光器性能裂化、可靠性较低的问题。
鉴于此，需要一种含铝多量子阱激光芯片、含铝多量子阱激光芯片的制造方法和激光装置。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种含铝多量子阱激光芯片、含铝多量子阱激光芯片的制造方法和激光装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
根据本公开的一个方面，提供一种含铝多量子阱激光芯片的制造方法，包括：
在基板上生成含铝的多量子阱层；
借助于刻蚀阻挡层对所述多量子阱层进行刻蚀以生成台面结构；
在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡，以实现对所述含铝的多量子阱层界面的钝化处理；
在包含经钝化处理后的所述含铝的多量子阱层界面的所述台面结构上生成反向阻挡层；以及
去除所述刻蚀阻挡层并在所述反向阻挡层和所述台面结构上依次形成包层和电接触层。
在本公开的一种示例性实施例中，所述钝化剂为预定质量浓度的硫化铵水溶液。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预定质量浓度的范围为20％至39％。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预定水浴温度为55℃至65℃。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预定水浴温度为16℃至20℃。
在本公开的一种示例性实施例中，所述在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡包括：
在预定水浴温度下将所述台面结构在所述硫化铵水溶液中静置15min至20min。
在本公开的一种示例性实施例中，在所述在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡后，所述制造方法还包括：
采用去离子水对所述台面结构进行冲洗以使电阻率满足预定要求；
使用脱水剂对所述台面结构进行脱水处理。
在本公开的一种示例性实施例中，在所述在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡前，所述制造方法还包括：
将所述硫化铵水溶液在水浴中静置5min至10min。
根据本公开的一个方面，提供一种含铝多量子阱激光芯片，所述含铝多量子阱激光芯片根据上述任意一项所述的制造方法而制造得到。
根据本公开的一个方面，提供一种激光装置，包括上述任意一项所述的含铝多量子阱激光芯片。
在本公开的一些实施例所提供的技术方案中，一方面，通过采用钝化剂对台面结构进行钝化处理，实现了改善多量子阱层界面状态的目的，进而避免了含铝多量子阱被氧化的情况，在可以避免激光芯片性能裂化的同时，提高了激光芯片的可靠性；另一方面，本公开的技术方案工艺操作简单、成本低廉，适用于规模化生产。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。在附图中：
图1示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的含铝多量子阱激光芯片的制造方法的流程图；
图2示意性示出了本公开的含铝多量子阱激光芯片与一些技术的含铝多量子阱激光芯片的反向饱和电流的对比图；
图3示意性示出了本公开的含铝多量子阱激光芯片与一些技术的含铝多量子阱激光芯片的可靠性测试结果的对比图；
图4示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的高温水浴钝化量子阱后的形貌图；以及
图5示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的低温水浴钝化量子阱后的形貌图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。
用语“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
目前，应用较广泛的多量子阱材料可以包括InGaAsP或AlGaInAs，AlGaInAs材料相对于InGaAsP材料的优势在于，AlGaInAs材料的导带偏移ΔEc＝0.72ΔEg，而InGaAsP材料的导带偏移ΔEc＝0.4ΔEg，可见，AlGaInAs材料的导带偏移比InGaAsP材料的导带偏移大近一倍。因此，AlGaInAs材料可以有效地减少注入到量子阱中的电子由于热震动等微扰作用而产生的泄露，而InGaAsP材料由于导带偏移较小，电子容易受到微扰作用而发生逃逸，不容易被限制在势阱中，从而减小了受激辐射的概率。综上所述，相比于InGaAsP材料，AlGaInAs材料可以有效地阻止电子从量子阱中逃逸，有助于提高激光器的斜率效率，另外，可以减少高温注入的载流子的泄露，改善了高温特性。
在半导体激光芯片的制造过程中，隐埋结构是标准制造工艺之一，该工艺需要生长反向阻挡层，以便使激光器具有低阈值电流的良好特性。在生成反向阻挡层前，必须采用湿法刻蚀工艺对量子阱进行刻蚀以形成发光台面(Mesa)，这就造成在湿法腐蚀完成后，量子阱会暴露于大气中，将直接与大气中的氧气及水汽直接接触。对于传统的采用隐埋结构的InGaAsP量子阱材料，其化学性质相对稳定，即使暴露在一定的温湿度范围内的大气中，量子阱也不易被氧化。因此，InGaAsP量子阱材料采用隐埋结构不会影响反向阻挡层的生长，也不会使激光器芯片性能明显劣化。
然而，针对采用AlGaInAs材料制备隐埋结构的半导体激光器，由于量子阱材料中含有Al元素，而Al元素的化学活性较高，Al-O键能较高，导致Al易于氧结合。因此，在AlGaInAs量子阱材料完成湿法刻蚀并形成发光台面后，量子阱侧壁容易发生氧化，而氧在材料中会形成深能级，该深能级可以作为非辐射复合中心而降低材料中的少子寿命，降低荧光强度并会导致出现高阻材料。同时，Al元素的氧化也会严重影响反向阻挡层的生长质量，可能会在生长过程中出现孔洞等生长缺陷。
鉴于此，本公开提供了一种含铝多量子阱激光芯片的制造方法。应当理解的是，虽然本公开以AlGaInAs为例对含铝材料进行说明，然而，本公开所述的含铝多量子阱还可以包括除AlGaInAs外的其他含铝多量子阱，例如，AlGaAs多量子阱。另外，本公开的防止铝被氧化的方案还可以应用于除激光芯片制造之外的其他工艺场景，例如，高速电子器件的制造过程或红外探测器的制造过程，本示例性实施方式中对此不做特殊限定。
图1示意性示出了根据本公开的示例性实施方式的含铝多量子阱激光芯片的制造方法的流程图。参考图1，所述含铝多量子阱激光芯片的制造方法可以包括以下步骤：
S10.在基板上生成含铝的多量子阱层；
S12.借助于刻蚀阻挡层对所述多量子阱层进行刻蚀以生成台面结构；
S14.在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡，以实现对所述含铝的多量子阱层界面的钝化处理；
S16.在包含经钝化处理后的所述含铝的多量子阱层界面的所述台面结构上生成反向阻挡层；以及
S18.去除所述刻蚀阻挡层并在所述反向阻挡层和所述台面结构上依次形成包层和电接触层。
在本公开的含铝多量子阱激光芯片的制造方法中，一方面，通过采用钝化剂对台面结构进行钝化处理，实现了改善多量子阱层界面状态的目的，进而避免了含铝多量子阱被氧化的情况，在可以避免激光芯片性能裂化的同时，提高了激光芯片的可靠性；另一方面，本公开的技术方案工艺操作简单、成本低廉，适用于规模化生产。
在步骤S10中，在基板上生成含铝的多量子阱层。
在本公开的示例性实施方式中，可以利用MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)或MBE(Molecular beam epitaxy，分子束外延)在基板上生成含铝的多量子阱层。但不限于此，本公开还可以采用LPE(Liquid PhaseEpitaxy，液相外延)、VPE(Vapor Phase Epitaxy，气相外延)等方法在基板上生成含铝的多量子阱层。
另外，该基板的材料可以为N型InP。然而，本公开对基板的材料不做特殊限定，例如，该基板的材料还可以为P型InP或GaAs、GaN系的材料等。另外，本公开所述的含铝的多量子阱层可以为GaAs/AlGaInAs多量子阱层。然而，不限于此，本公开含铝的多量子阱层还可以是其他多量子阱层，例如，InGaAs/AlGaInAs多量子阱层、GaAs/AlGaAs多量子阱层，等。
根据本公开的一些实施例，在基板上生成多量子阱层之前，可以在基板上先生成一覆层，并且在该覆层上生成多量子阱层，另外，本公开对覆层的材料不做特殊限制。
在步骤S12中，借助于刻蚀阻挡层对所述多量子阱层进行刻蚀以生成台面结构。
在生成多量子阱层后，首先，可以在多量子阱层上生成一刻蚀阻挡层，该刻蚀阻挡层的尺寸小于多量子阱层的尺寸以便形成台面结构。例如，可以通过在多量子阱层上生成刻蚀阻挡材料并借助于构图工艺生成该刻蚀阻挡层。另外，该刻蚀阻挡层的材料可以为SiO2，但不限于此，还可以例如为Si3N4等材料。
接下来，可以采用湿法刻蚀的方法对多量子阱进行刻蚀以生成台面结构。其中，湿法刻蚀的试剂可以例如包含溴-甲醇溶剂或包含双氧水与盐酸的混合物的溶剂。
根据本公开的一些实施例，在多量子阱层上与刻蚀阻挡层之间可以生成用于制造激光芯片的其他层，本示例性实施方式中对这些层的类型和材料不做特殊限定。
在步骤S14中，在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡，以实现对所述含铝的多量子阱层界面的钝化处理。
在本公开的示例性实施方式中，钝化剂可以为硫化铵水溶液，然而，本公开的构思还包括使用其他钝化剂来实现表面钝化的功能。具体的，还可以采用无机硫盐水溶液作为钝化剂，例如，Na2S水溶液。另外，可以通过酸液(采用弱酸类，例如草酸、醋酸等)滴定的方式控制钝化剂的PH，以确保钝化剂的PH呈中性。
此外，在采用硫化铵水溶液作为钝化剂的方案中，可以将硫化铵水溶液的质量浓度配置为预定质量浓度，其中，该预定质量浓度的范围为20％至39％，例如，预定质量浓度可以为30％。
根据本公开的一些实施例，首先，可以配置质量浓度为39％的硫化铵水溶液；随后，可以将该硫化铵水溶液放置于水浴中静置5min至10min，例如，可以静置8min。另外，可以将水浴温度调节为55℃至65℃，例如，60℃；接下来，可以将台面结构浸泡在该硫化铵水溶液中并静置15min至20min，例如，18min。另外，将台面结构从硫化铵水溶液中取出后，可以用去离子水对台面结构进行冲洗，以使电阻率满足预定要求，例如，该预定要求可以为12MΩ至14MΩ，例如13MΩ，并用脱水剂对所述台面结构进行脱水处理，其中，所使用的脱水剂可以例如为异丙醇。
根据另外一些实施例，首先，可以配置质量浓度为39％的硫化铵水溶液；随后，可以将该硫化铵水溶液放置于水浴中静置5min至10min，例如，可以静置8min。另外，可以将水浴温度调节为16℃至20℃，例如，18℃；接下来，可以将台面结构浸泡在该硫化铵水溶液中并静置15min至20min，例如，18min。另外，将台面结构从硫化铵水溶液中取出后，可以用去离子水对台面结构进行冲洗，以使电阻率满足预定要求，例如，该预定要求可以例如为12MΩ至14MΩ，例如13MΩ，并用脱水剂对所述台面结构进行脱水处理，其中，所使用的脱水剂可以例如为异丙醇。
此外，在本公开的示例性实施方式中，可以将55℃至65℃温度的水浴钝化过程定义为高温钝化或高温硫化，并将16℃至20℃温度的水浴钝化过程定义为低温钝化或低温硫化。
通过上述湿法硫化的过程，可以去除含铝多量子阱层界面上的氧化层，中和悬挂键，可以有效地减少表面态密度。此外，通过湿法硫化的过程，可以在含铝多量子阱层界面上生成一层薄的硫化层，该硫化层可以保护界面，避免含铝多量子阱暴露于大气中而被氧化。
在步骤S16中，在包含经钝化处理后的所述含铝的多量子阱层界面的所述台面结构上生成反向阻挡层。
在本公开的示例性实施方式中，与生长多量子阱的工艺类似，可以通过MOCVD或MBE在包含经钝化处理后的含铝的多量子阱层界面的所述台面结构上生成反向阻挡层。
在步骤S18中，去除所述刻蚀阻挡层并在所述反向阻挡层和所述台面结构上依次形成包层和电接触层。
首先，可以去除刻蚀阻挡层；随后，可以在反向阻挡层和台面结构上生成包层；接下来，还可以在包层上形成电接触层。生成包层与电接触层的过程可以与现有技术的包层和电接触层的生成过程相同，在此不再赘述。
为了说明本公开采用的钝化处理过程对含铝量子阱半导体激光芯片性能的影响，本公开还对未进行钝化处理的激光芯片与经钝化处理的激光芯片进行了测试，下面将参考测试结果加以说明。
根据本公开的一些实施例，表1给出了一些技术的无钝化过程的激光芯片与本公开的低温钝化后的激光芯片和高温钝化后的激光芯片的LIV(light-current-voltage，光-电流-电压)特性的对比结果。
表1
样品 阈值电流(mA) 斜率效率(W/A)
低温钝化 5.18 0.27
高温钝化 4.78 0.29
无钝化 6.02 0.21
在本实施例中，低温钝化、高温钝化、无钝化的激光芯片各取200颗，进行统计后取平均值。从表1可以看出，与无钝化的激光芯片相比，低温钝化的阈值电流下降约13.6％，斜率效率提高约28.6％；高温钝化的阈值电流下降约20.6％，斜率效率提高约38.1％。因此，经台面结构钝化后的激光芯片的性能明显得到了提升。
根据另外一些实施例，可以对低温钝化、高温钝化、无钝化的激光芯片进行反向饱和电流测试。参考图2，未钝化芯片的反向饱和电流约为1.0383×10-19A，高温钝化芯片的反向饱和电流约为7.6580×10-20A，低温钝化芯片反向饱和电流约为6.2289×10-20A。因此，可以看出，钝化后，反向饱和电流明显减小，高温钝化后减小约23.4％，低温钝化后减小约37.7％。
根据另外一些实施例，本公开还对低温钝化、无钝化的激光芯片进行可靠性测试，测试条件为温度85℃、电流70mA。在图3中，示出了根据168h及500h可靠性结果外推所得的芯片失效时间。具体的，低温钝化可以将芯片失效时间延长至3000h以上，在失效时间上，是未钝化芯片的约2.2倍。
此外，本公开还示出了高温钝化后和低温钝化后量子阱的形貌。图4示出了高温钝化后的量子阱形貌，参考图4，高温钝化后可以形成具有刻痕40的量子阱形貌；图5示出了低温钝化后的量子阱形貌，参考图5，低温钝化后可以形成具有凸球面50的量子阱形貌。
针对图4和图5示出的量子阱形貌，可以得出，不同温度的硫化铵水溶液对含铝量子阱材料的实际影响有所差别。具体的，高温钝化以含铝量子阱材料腐蚀反应为主，表面硫化反应为辅，高温钝化后可以实现具有规则外形的刻痕形貌；低温钝化以表面硫化反应为主，含铝量子阱材料的腐蚀反应为辅，低温钝化后可以形成凸球面的量子阱侧壁形貌。
基于上述的测试结果，可以得出，通过钝化处理，可以提高含铝多量子阱隐埋结构半导体激光芯片的LIV特性，降低了反向饱和电流，同时延长了激光芯片的失效时间，提高了激光芯片的可靠性。
进一步的，本公开还提供了一种含铝多量子阱激光芯片，具体的，该含铝多量子阱激光芯片可以由上述含铝多量子阱激光芯片的制造方法而制造得到。
在本公开的含铝多量子阱激光芯片中，相比于一些技术，激光芯片的LIV特性得到了提高，反向饱和电流较低，激光芯片的失效时间得到了延长，并且激光芯片的可靠性得到了提高。
进一步的，本公开还提供了一种激光装置。具体的，激光装置可以包括上述含铝多量子阱激光芯片。
相比于现有的包括含铝多量子阱激光芯片的激光装置，本公开的激光装置的性能和可靠性均得到了提高。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方式。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种含铝多量子阱激光芯片的制造方法，其特征在于，包括：
在基板上生成含铝的多量子阱层；
借助于刻蚀阻挡层对所述多量子阱层进行刻蚀以生成台面结构；
在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡，以实现对所述含铝的多量子阱层界面的钝化处理；
在包含经钝化处理后的所述含铝的多量子阱层界面的所述台面结构上生成反向阻挡层；以及
去除所述刻蚀阻挡层并在所述反向阻挡层和所述台面结构上依次形成包层和电接触层。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述钝化剂为预定质量浓度的硫化铵水溶液。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述预定质量浓度的范围为20％至39％。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述预定水浴温度为55℃至65℃。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述预定水浴温度为16℃至20℃。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡包括：
在预定水浴温度下将所述台面结构在所述硫化铵水溶液中静置15min至20min。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在所述在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡后，所述制造方法还包括：
采用去离子水对所述台面结构进行冲洗以使电阻率满足预定要求；
使用脱水剂对所述台面结构进行脱水处理。
8.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，在所述在预定水浴温度下采用钝化剂对所述台面结构进行浸泡前，所述制造方法还包括：
将所述硫化铵水溶液在水浴中静置5min至10min。
9.一种含铝多量子阱激光芯片，其特征在于，所述含铝多量子阱激光芯片根据权利要求1至8中任一项所述的制造方法而制造得到。
10.一种激光装置，其特征在于，包括权利要求9所述的含铝多量子阱激光芯片。
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