CN108512035A - 一种半导体激光器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器芯片及其制作方法，其中半导体激光器芯片包括：双面抛光衬底、激光器外延结构以及太阳能电池外延结构；其中，激光器外延结构设置于双面抛光衬底的正面；太阳能电池外延结构设置于双面抛光衬底的背面；金属热沉，设置于激光器外延结构远离双面抛光衬底的一侧，与激光器外延结构的电极连接；太阳能电池外延结构的P面电极通过金线与金属热沉连接。在双面抛光衬底的正反面分别生长半导体激光器外延结构与太阳能电池外延结构，用金线和热沉实现电气连接，使半导体激光器芯片能够依靠自身结构中的太阳能电池供电，提高器件的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种半导体激光器芯片及其制作方法。
背景技术
随着半导体激光器的应用日益广泛，对相应的驱动电源的要求也越来越多样化。
目前激光器芯片工作需要额外的外部电源供电，这样不利于分离器件的集成化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体激光器芯片及其制作方法，以解决现有技术中激光器芯片工作需要额外的外部电源供电，导致器件集成化程度较低的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器芯片，包括：双面抛光衬底、激光器外延结构以及太阳能电池外延结构；其中，激光器外延结构设置于双面抛光衬底的正面；太阳能电池外延结构设置于双面抛光衬底的背面；金属热沉，设置于激光器外延结构远离双面抛光衬底的一侧，与激光器外延结构的电极连接；太阳能电池外延结构的P面电极通过金线与金属热沉连接。
可选地，双面抛光衬底为N型掺杂的GaAs或InP，厚度为300μm至400μm。
可选地，双面抛光衬底的掺杂浓度大于1E19cm3。
可选地，太阳能电池外延结构和激光器外延结构的外延层的晶格常数与双面抛光衬底的晶格常数一致。
可选地，在双面抛光衬底为GaAs衬底时，激光器外延结构为AlGaAs结构的半导体激光器。
可选地，太阳能电池外延结构为GaAs子电池和GaInP子电池组成的多结太阳能电池。
可选地，在激光器外延结构表面形成脊形波导区。
可选地，在太阳能电池外延结构上层形成减反射膜。
可选地，半导体激光器芯片与太阳能电池外延结构的尺寸一致。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器芯片的制作方法，包括：
选取双面抛光衬底；
生成激光器外延结构以及太阳能电池外延结构；其中，激光器外延结构，设置于双面抛光衬底的正面；太阳能电池外延结构，设置于双面抛光衬底的背面；
设置金属热沉；热沉设置于激光器外延结构远离双面抛光衬底的一侧，与激光器外延结构的电极连接；
设置金线；太阳能电池外延结构的P面电极通过金线与金属热沉连接。
本发明实施例提供的半导体激光器芯片及其制作方法，具有如下优点：
1、本发明实施提供的半导体激光器芯片，包括：双面抛光衬底、激光器外延结构以及太阳能电池外延结构；其中，激光器外延结构设置于双面抛光衬底的正面；太阳能电池外延结构设置于双面抛光衬底的背面；金属热沉，设置于激光器外延结构远离双面抛光衬底的一侧，与激光器外延结构的电极连接；太阳能电池外延结构的P面电极通过金线与金属热沉连接。在双面抛光衬底的正反面分别生长半导体激光器外延结构与太阳能电池外延结构，用金线和热沉实现器件电连接，使半导体激光器芯片能够依靠自身结构中的太阳能电池供电，提高器件的集成度。
2、本发明实施提供的半导体激光器芯片及其制作方法，双面抛光衬底为N型掺杂的GaAs或InP，厚度为300μm至400μm。采用厚度为350μm的N型掺杂GaAs或InP双面抛光衬底，控制衬底厚度，一方面减小电阻，另一方面减小集成有太阳能电池的半导体激光器芯片的体积。
3、本发明实施提供的半导体激光器芯片及其制作方法，双面抛光衬底的掺杂浓度大于1E19cm3，对半导体衬底进行N型掺杂能提高衬底的导电率，因此高浓度的N型掺杂双面抛光衬底具有良好的导电性能。
4、本发明实施提供的半导体激光器芯片及其制作方法，太阳能电池外延结构30和激光器外延结构20的外延层的晶格常数与双面抛光衬底10的晶格常数一致，采用与高浓度N型掺杂的GaAs或InP双面抛光衬底晶格常数一致的外延层来形成太阳能电池外延结构和激光器外延结构，减小晶格失配带来的影响，提高本实施例中的半导体激光器芯片的可靠性。。
5、本发明实施提供的半导体激光器芯片及其制作方法，太阳能电池外延结构为GaAs子电池和GaInP子电池组成的多结太阳能电池。在GaAs衬底上生长GaAs子电池和GaInP子电池组成的多结太阳能电池，相比单结太阳能电池，拥有更高的光电转换效率。
6、本发明实施提供的半导体激光器芯片及其制作方法，在太阳能电池外延结构上层形成减反射膜。通过在太阳能电池表面设置减反射膜来增加透光量，减少光线的反射损失。
7、本发明实施提供的半导体激光器芯片及其制作方法，半导体激光器芯片与太阳能电池外延结构的尺寸一致。激光器芯片的尺寸与太阳能电池芯片尺寸保持一致，保证最后激光器划片和裂片操作不会损坏太阳能电池芯片。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明实施例中一种半导体激光器芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种半导体激光器芯片的制作方法流程图；
图3为本发明实施例中一种半导体激光器芯片的制作方法过程中的一个结构示意图；
图4为本发明实施例中一种半导体激光器芯片的制作方法过程中的另一个结构示意图；
图5为本发明实施例中一种半导体激光器芯片的制作方法过程中的再一个结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种半导体激光器芯片，包括：双面抛光衬底10、激光器外延结构20以及太阳能电池外延结构30；其中，激光器外延结构20设置于双面抛光衬底10的正面；太阳能电池外延结构30设置于双面抛光衬底10的背面；金属热沉40，设置于激光器外延结构20远离双面抛光衬底10的一侧，与激光器外延结构20的电极21连接；太阳能电池外延结构30的P面电极31通过金线50与金属热沉40连接。
在本实施例中，采用双面抛光的衬底，分别在双面抛光衬底的正面和反面生长半导体激光器外延结构和太阳能电池外延结构；金属热沉设置在半导体激光器的电极一侧，并与半导体激光器的电极形成电连接；金线连接太阳能电池的P面电极与金属热沉，使太阳能电池与半导体激光器形成回路。在具体实施例中，太阳能电池的P面电极为阳极，半导体激光器的电极也是阳极，二者通过金线与金属热沉连接；而太阳能电池和半导体激光器靠近双面抛光衬底一侧都为阴极，二者通过双面抛光衬底实现电连接。根据本实施例提供的半导体激光器芯片，在双面抛光衬底的正反面分别生长半导体激光器外延结构与太阳能电池外延结构，用金线和热沉实现器件电连接，使半导体激光器芯片能够依靠自身结构中的太阳能电池供电，提高器件的集成度。
作为可选的实施方式，双面抛光衬底10为N型掺杂的GaAs或InP，厚度为300μm至400μm。
在本实施例中，采用厚度为350μm的N型掺杂GaAs或InP双面抛光衬底，控制衬底厚度，一方面减小电阻，另一方面减小集成有太阳能电池的半导体激光器芯片的体积。
作为可选的实施方式，双面抛光衬底10的掺杂浓度大于1E19cm3。
在本实施例中，对半导体衬底进行N型掺杂能提高衬底的导电率，因此高浓度的N型掺杂双面抛光衬底具有良好的导电性能。
作为可选的实施方式，太阳能电池外延结构30和激光器外延结构20的外延层的晶格常数与双面抛光衬底10的晶格常数一致。
在本实施例中，采用与高浓度N型掺杂的GaAs或InP双面抛光衬底晶格常数一致的外延层来形成太阳能电池外延结构和激光器外延结构，减小晶格失配带来的影响，提高本实施例中的半导体激光器芯片的可靠性。
作为可选的实施方式，在双面抛光衬底10为GaAs衬底时，激光器外延结构20为AlGaAs结构的半导体激光器。
在本实施例中，在GaAs衬底上外延生长有源层为AlGaAs的激光器结构。
作为可选的实施方式，太阳能电池外延结构30为GaAs子电池和GaInP子电池组成的多结太阳能电池。
在本实施例中，在GaAs衬底上生长GaAs子电池和GaInP子电池组成的多结太阳能电池，相比单结太阳能电池，拥有更高的光电转换效率。
作为可选的实施方式，在激光器外延结构20表面形成脊形波导区22。
在本实施例中，在激光器外延结构20上形成脊形波导区22，通过波导的形状来控制波导的有效折射率，从而将光场限制在有源区的中央位置。
作为可选的实施方式，在太阳能电池外延结构30上层形成减反射膜32。
在本实施例中，在太阳能电池表面设置减反射膜来增加透光量，减少光线的反射损失。
作为可选的实施方式，半导体激光器芯片与太阳能电池外延结构30的尺寸一致。
在本实施例中，激光器芯片的尺寸与太阳能电池芯片尺寸保持一致，保证最后激光器划片和裂片操作不会损坏太阳能电池芯片。
如图2所示，本发明实施例还提供了一种半导体激光器的制作方法，包括：
步骤S1，选取双面抛光衬底。
在本实施例中，选取N型高浓度掺杂的GaAs或InP双面抛光衬底，厚度为350μm。
步骤S2，生成激光器外延结构以及太阳能电池外延结构。其中，激光器外延结构，设置于双面抛光衬底的正面；太阳能电池外延结构，设置于双面抛光衬底的背面。
在本实施例中，如图3所示，先在双面抛光衬底10的正面生长激光器外延结构20，而后在衬底的背面生长太阳能电池结构30。生长完成后，还包括步骤S21，如图4所示，在激光器外延结构20表面旋涂一层粘合剂40，取与外延生长衬底尺寸完全一样的支撑衬底50，支撑衬底50表面与激光器结构20外延表面粘合。其中，粘合剂40可以选用蜡，支撑衬底50可选为硅片，该粘合剂与后续半导体平面工艺兼容，不会被工艺中使用的溶液所溶解。
步骤S22，对背面的太阳能电池外延结构采用常规的太阳能电池工艺形成电极31。具体如下：采用光刻方法，旋涂光刻胶，曝光和显影，得到栅极电极图形；利用电子束蒸发设备一次蒸镀金属层，厚度2μm左右；将蒸镀完金属的功能层浸泡在丙酮溶液中，去除光刻胶及光刻胶表面的金属，而没有光刻胶覆盖的区域，金属被保留下来。
步骤S23，采用太阳能电池工艺形成减反射膜32。具体地，采用光刻方法，旋涂光刻胶，曝光和显影，将电极金属部分用光刻胶保护起来，用腐蚀溶液将电池功能层表面的接触层(GaAs)腐蚀掉，然后用电子束蒸发设备，依次蒸镀TiO2和SiO2作为减反射膜，再将蒸镀完反射膜的功能层浸泡在丙酮中，去除光刻胶及光刻胶表面的减反射膜，得到如图4所示的太阳能电池结构。
步骤S24，使用可以去除粘合剂40的溶液，将粘合剂溶解，使支撑衬底5与激光器外延层表面分离。溶液可以选用甲苯。
步骤S25，在完成太阳能电池工艺的表面旋涂粘合剂40，将支撑衬底50与太阳能电池表面粘合，在工艺过程中起保护作用，如图5所示。
步骤S26，采用激光器芯片制作工艺，在衬底正面的激光器外延结构20上形成脊形波导区22。具体地，采用光刻方法，旋涂光刻胶，曝光和显影，将脊形区域即电极区域用光刻胶保护起来，用腐蚀溶液腐蚀脊形区域两侧的接触层和部分限制层；采用PECVD沉积SiO2层23，厚度大概100nm-200nm，主要起绝缘作用；之后采用光刻的方法开窗，蒸镀P面金属电极21，得到如图5所示的激光器结构。
重复步骤S24，去除粘合剂4和支撑衬底5。
步骤S3，设置金属热沉。热沉设置于激光器外延结构远离双面抛光衬底的一侧，与激光器外延结构的电极连接。
在本实施例中，如图1所示，将热沉设置在激光器表面，与激光器的P面电极连接。
步骤S4，设置金线。太阳能电池外延结构的P面电极通过金线与金属热沉连接。
本实施提供的半导体激光器芯片制作方法，通过在双面抛光衬底的正反面分别生长半导体激光器外延结构与太阳能电池外延结构，用金线和热沉实现器件电连接，使半导体激光器芯片能够依靠自身结构中的太阳能电池供电，提高器件的集成度。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体激光器芯片，其特征在于，包括：双面抛光衬底(10)、激光器外延结构(20)以及太阳能电池外延结构(30)；
其中，
所述激光器外延结构(20)，设置于所述双面抛光衬底(10)的正面；所述太阳能电池外延结构(30)，设置于所述双面抛光衬底的背面；
金属热沉(40)，设置于所述激光器外延结构(20)远离所述双面抛光衬底(10)的一侧，与所述激光器外延结构(20)的电极(21)连接；
所述太阳能电池外延结构(30)的P面电极(31)通过金线(50)与所述金属热沉(40)连接。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述双面抛光衬底(10)为N型掺杂的GaAs或InP，厚度为300μm至400μm。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述双面抛光衬底(10)的掺杂浓度大于1E19cm3。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述太阳能电池外延结构(30)和所述激光器外延结构(20)的外延层的晶格常数与所述双面抛光衬底(10)的晶格常数一致。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，在所述双面抛光衬底(10)为GaAs衬底时，所述激光器外延结构(20)为AlGaAs结构的半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述太阳能电池外延结构(30)为GaAs子电池和GaInP子电池组成的多结太阳能电池。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，在所述激光器外延结构(20)表面形成脊形波导区(22)。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器芯片，其特征在于，在所述太阳能电池外延结构(30)上层形成减反射膜(32)。
9.根据权利要求1至8中任一所述的半导体激光器芯片，其特征在于，所述半导体激光器芯片与所述太阳能电池外延结构(30)的尺寸一致。
10.一种半导体激光器芯片的制作方法，其特征在于，包括：
选取双面抛光衬底；
生成激光器外延结构以及太阳能电池外延结构；其中，所述激光器外延结构，设置于所述双面抛光衬底的正面；所述太阳能电池外延结构，设置于所述双面抛光衬底的背面；
设置金属热沉；所述热沉设置于所述激光器外延结构远离所述双面抛光衬底的一侧，与所述激光器外延结构的电极连接；
设置金线；所述太阳能电池外延结构的P面电极通过所述金线与所述金属热沉连接。
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