CN109149354B - 量子级联激光器、发光设备、制作量子级联激光器的方法 - Google Patents

量子级联激光器、发光设备、制作量子级联激光器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及量子级联激光器、发光设备、制作量子级联激光器的方法。量子级联激光器包括：激光器结构，所述激光器结构包括第一区、第二区和第三区，第一区具有端面；高比电阻区，所述高比电阻区被设置在第一区和第二区上；金属层，所述金属层被设置在第三区上；介电膜，所述介电膜被设置在端面和高比电阻区上；以及反射金属膜，所述反射金属膜被设置在介电膜、端面和高比电阻区上。第一至第三区被依次布置在第一轴的方向上。激光器结构具有在第二区与第三区之间的边界上的台阶，并且激光器结构包括半导体台面和导电基部。半导体台面具有芯层，并且导电基部用于安装半导体台面。高比电阻区具有比导电基部的比电阻大的比电阻。

Description

量子级联激光器、发光设备、制作量子级联激光器的方法
技术领域
本发明涉及量子级联激光器、发光设备以及用于制作半导体激光器的方法。本申请要求于2017年6月19日提交的日本专利申请No.2017-119598的优先权的权益，其通过引用整体地并入在本文中。
背景技术
Manijeh Razeghi,"High-Performance InP-Based Mid-IR Quantum CascadeLasers",IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.5,NO.3,MAY/JUNE 2009(在下文中被称为“非专利文献1”)公开一种量子级联激光器。
发明内容
根据本发明的一个方面的量子级联激光器包括：激光器结构，所述激光器结构具有第一区、第二区和第三区，第一区具有端面；高比电阻区，所述高比电阻区被设置在第一区和第二区上；金属层，所述金属层被设置在第三区上；介电膜，所述介电膜被设置在端面和高比电阻区上；以及反射金属膜，所述反射金属膜被设置在介电膜、端面和高比电阻区上，第一区、第二区和第三区被依次布置在第一轴的方向上，激光器结构具有被设置在第二区与第三区之间的边界上的具有水平差的台阶，并且激光器结构包括半导体台面和导电基部，半导体台面具有芯层，并且导电基部用于安装半导体台面，并且高比电阻区具有比导电基部的比电阻大的比电阻。
根据本发明的另一方面的发光设备包括：量子级联激光器，所述量子级联激光器具有：激光器结构，所述激光器结构具有带端面的第一区、第二区和第三区；高比电阻区，所述高比电阻区被设置在第一区和第二区上；金属层，所述金属层被设置在第三区上；介电膜，所述介电膜被设置在端面和高比电阻区上；以及反射金属膜，所述反射金属膜被设置在介电膜、端面和高比电阻区上；支撑基部，所述支撑基部安装量子级联激光器；以及焊料材料，所述焊料材料与量子级联激光器的金属层接触以将量子级联激光器固定到支撑基部。第一区、第二区和第三区被依次布置在第一轴的方向上。激光器结构具有在第二区与第三区之间的边界上的台阶。激光器结构包括半导体台面和导电基部。半导体台面具有芯层，并且导电基部安装半导体台面，并且高比电阻区具有比导电基部的比电阻大的比电阻。
根据本发明的再一个方面的用于制作量子级联激光器的方法包括：制备具有器件部分的排列的激光条；向激光条的第一端面供应用于介电绝缘体的原材料的焊剂以在其上沉积介电绝缘体；以及在供应用于介电绝缘体的焊剂之后，向激光条的第一端面供应用于金属反射膜的原材料焊剂以在其上沉积金属反射膜。激光条包括激光器结构和高比电阻区。激光器结构具有第一区、第二区、第三区和台阶，并且第一区具有第一端面，并且高比电阻区被设置在第一区上。第一区、第二区和第三区被依次布置在第一轴的方向上并且在和第一轴的方向交叉的第二轴的方向上延伸。高比电阻区在第二轴的方向上延伸，并且所述台阶具有在第二轴的方向上在第二区与第三区之间的边界上延伸的具有水平差的台阶。
附图说明
根据参考附图进行的本发明的优选实施例的以下详细描述，本发明的上述目的及其它目的、特征和优点变得更显而易见。
图1是示出根据本实施例的量子级联激光器的部分剖面示意图。
图2A是示出根据实施例的用于制作量子级联激光器的方法中的主要步骤的平面图。
图2B是沿着图2A中的IIb-IIb线截取的横截面图。
图2C是沿着图2B中的IIc-IIc线截取的横截面图。
图3A是示出根据实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图3B是沿着图3A中的IIIb-IIIb线截取的横截面图。
图3C是沿着图3B中的IIIc-IIIc线截取的横截面图。
图4A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图4B是沿着图4A中的IVb-IVb线截取的横截面图。
图4C是沿着图4B中的IVc-IVc线截取的横截面图。
图5A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图5B是沿着图5A中的Vb-Vb线截取的横截面图。
图5C是沿着图5B中的Vc-Vc线截取的横截面图。
图6A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图6B是沿着图6A中的VIb-VIb线截取的横截面图。
图6C是沿着图6B中的VIc-VIc线截取的横截面图。
图7A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图7B是沿着图7A中的VIIb-VIIb线截取的横截面图。
图7C是沿着图7B中的VIIc-VIIc线截取的横截面图。
图7D是沿着图7B中的VIId-VIId线截取的横截面图。
图8A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图8B是沿着图8A中的VIIIb-VIIIb线截取的横截面图。
图8C是沿着图8B中的VIIIc-VIIIc线截取的横截面图。
图8D是沿着图8B中的VIIId-VIIId线截取的横截面图。
图9A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的平面图。
图9B是沿着图9A中的IXb-IXb线截取的横截面图。
图9C是示出根据该实施例的方法中的主要步骤中的激光条的平面图。
图10A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的顶视图。
图10B是示出图10A中所示的主要步骤的示意侧视图。
图10C是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的顶视图。
图10D是示出图10C中所示的主要步骤的示意侧视图。
图11A是示出根据该实施例的方法中的用于管芯接合量子级联激光器的步骤的示意图。
图11B是示出根据该实施例的方法中的用于管芯接合与所述量子级联激光器不同的量子级联激光器的步骤的示意图。
具体实施方式
量子级联激光器可以在端面上具有反射膜。用于半导体激光器的多个导电半导体层终止于端面，并且端面被反射膜覆盖。反射膜可包括使得能实现高反射比的金属膜。直接在端面上的金属膜使导电半导体层在端面处短路。使介电膜生长在端面上并且然后使金属膜生长在其上可避免这种短路，并且这些生长工艺在端面上形成复合膜。在复合膜中，介电膜位于金属膜之下，并且在下面的介电膜可防止金属膜在端面处使导电半导体层短路。这种复合膜是通过使它生长在激光条的端面上来提供的。本发明人的发现揭示了各自在端面上具有复合膜的一些量子级联激光器从一开始就展现泄漏电流，而其它量子级联激光器在操作期间开始示出渐增的泄漏电流。本发明人的观察结果示出，短路可以增加量子级联激光器中的泄漏电流。
本发明的一个方面的目的是为了提供具有可避免短路的结构的量子级联激光器。本发明另一方面的目的是为了提供包括该量子级联激光器的发光设备。本发明的再一个方面的目的是为了提供用于制作具有可以避免短路的结构的量子级联激光器的方法。
将在下面描述根据上述方面的实施例。
根据一个实施例的量子级联激光器包括：(a)具有第一区、第二区和第三区的激光器结构，第一区具有端面；(b)设置在第一区和第二区上的高比电阻区；(c)设置在第三区上的金属层；(d)设置在端面和高比电阻区上的介电膜；以及(e)设置在介电膜、端面和高比电阻区上的反射金属膜。第一区、第二区和第三区被依次布置在第一轴的方向上。激光器结构具有被设置在第二区与第三区之间的边界上的具有水平差的台阶。激光器结构包括半导体台面和导电基部。半导体台面具有芯层，并且导电基部安装半导体台面。高比电阻区具有比导电基部的比电阻大的比电阻。
量子级联激光器给激光器结构的端面提供介电膜和金属膜。用于沉积介电膜和金属反射膜的工艺的次序允许介电膜位于反射金属膜之下。本发明人的发现揭示了用于介电膜的材料被沉积在包括激光器结构的阵列的激光条的端面上，并且还在膜形成中沿着激光条的侧面行进以沉积在第一区上的高比电阻区上，并且类似地，用于金属反射膜的材料被沉积在激光条的端面上并且在膜形成中沿着激光条的侧面行进以沉积在高比电阻区上。本发明人的观察结果揭示了然而用于介电膜的材料的沉积在第一区上的高比电阻区上比在激光器结构的端面上变得更薄。激光器结构上的高比电阻区使得有可能使介电膜上的金属反射膜与激光器结构的半导体分离。激光器结构具有的水平差可使高比电阻区上的金属反射膜与金属层分离。
在根据实施例的量子级联激光器中，高比电阻区具有在激光器结构的第一区上的无机绝缘膜。高比电阻区具有在第二区与第三区之间的边界处的边缘，并且反射金属膜终止于所述高比电阻区的边缘。
量子级联激光器允许无机绝缘层作为高比电阻区工作。使反射金属膜终止于所述高比电阻区的边缘可使金属反射膜与激光器结构的半导体隔开。
在根据实施例的量子级联激光器中，无机绝缘膜包括硅基无机绝缘体。
在量子级联激光器中，硅基无机绝缘体可给高比电阻区提供期望的绝缘性质。
在根据实施例的量子级联激光器中，激光器结构包括嵌入半导体台面的嵌入区。
量子级联激光器可给其埋入结构的端面提供介电和金属反射膜。
根据实施例的发光设备包括：(a)量子级联激光器，所述量子级联激光器包括：激光器结构，所述激光器结构具有第一区、第二区和第三区，第一区具有端面；高比电阻区，所述高比电阻区被设置在第一区和第二区上；金属层，所述金属层被设置在第三区上；介电膜，所述介电膜被设置在端面和高比电阻区上；以及反射金属膜，所述反射金属膜被设置在介电膜、端面和高比电阻区上；(b)支撑基部，所述支撑基部安装量子级联激光器；(c)焊料材料，所述焊料材料与量子级联激光器的金属层接触以将量子级联激光器固定到支撑基部。第一区、第二区和第三区被依次布置在第一轴的方向上。激光器结构具有位于第二区与第三区之间的边界上的具有水平差的台阶。激光器结构包括半导体台面和导电基部。半导体台面具有芯层，并且导电基部安装半导体台面，并且高比电阻区具有比导电基部的比电阻大的比电阻。
发光设备允许量子级联激光器在激光器结构的端面上具有介电膜和金属膜。用于形成介电膜和金属反射膜的工艺的次序允许介电膜在反射金属膜之下。本发明人的发现揭示了用于介电膜的材料被沉积在包括激光器结构的阵列的激光条的端面上，并且还在膜形成中沿着激光条的侧面行进以沉积在第一区上的高比电阻区上，并且用于金属反射膜的材料被类似地沉积在激光条的端面上并且还在膜形成中沿着激光条的侧面行进以沉积在高比电阻区上。本发明人的观察结果示出，然而，用于介电膜的材料的沉积在第一区上的高比电阻区上比在激光器结构的端面上的介电膜更薄。激光器结构上的高比电阻区使得有可能使介电膜上的金属反射膜与激光器结构的半导体分离。激光器结构具有的水平差可以使高比电阻区上的金属反射膜与金属层分离。
根据实施例的用于制作量子级联激光器的方法包括：(a)制备具有器件部分的排列的激光条；(b)向激光条的第一端面供应用于介电绝缘体的材料的焊剂以在其上沉积介电绝缘体；以及(c)在供应介电绝缘体的焊剂之后，向激光条的第一端面供应用于金属反射膜的材料的焊剂以在其上沉积金属反射膜。激光条包括激光器结构和高比电阻区。激光器结构具有第一区、第二区、第三区和台阶。第一区具有第一端面，并且高比电阻区被设置在第一区上。第一区、第二区和第三区被依次布置在第一轴的方向上并且在和第一轴的方向交叉的第二轴的方向上延伸。高比电阻区在第二轴的方向上延伸，并且具有水平差的台阶在第二轴的方向上沿着第二区与第三区之间的边界延伸。
用于制作半导体激光器的方法在激光条的端面上形成介电膜和金属膜。用于介电膜的一些原材料的在膜形成中被沉积在激光条的端面上，而其它原材料错过端面以沿着激光条的侧面行进，然后沉积在第一区上的高比电阻区上。类似地，用于金属反射膜的一些原材料也被沉积在激光条的端面上，而其它原材料错过端面以沿着激光条的侧面行进，然后沉积在第一区上的高比电阻区上。用于形成介电和反射金属膜的工艺的次序可将反射金属膜放置在介电膜上。本发明人的观察结果示出，用于第一区上的高比电阻区之上的介电膜的沉积材料具有比激光条的端面上的介电膜的厚度小的厚度。然而，高比电阻区给激光条提供水平差以确保介电膜上的金属反射膜与激光器结构的半导体分开。激光条被提供有水平差以使高比电阻区上的反射金属膜与金属层分离。
通过参考作为示例示出的附图考虑以下详细描述，可容易地理解本发明的教导。参考附图，将在下面图示根据量子级联激光器、发光设备以及用于制作量子级联激光器的方法的实施例。在可能时，相同的部分将通过相同的附图标记来表示。
图1是示出根据本实施例的量子级联激光器的部分剖面示意图。量子级联激光器11包括激光器结构13、高比电阻区15、金属层17、介电膜19和反射金属膜21。激光器结构13具有被顺序地布置在第一轴Ax1的方向上的第一区13a、第二区13b和第三区13c。第一区13a包括第一端面E1F，并且第三区13c包括第二端面E2F。高比电阻区15被设置在第一区13a上。金属层17被设置在激光器结构13的第三区13c上，并且在本实施例中，与第三区13c的背面接触。介电膜19被设置在第一端面E1F和高比电阻区15上，并且反射金属膜21被设置在第一端面E1F、高比电阻区15和介电膜19上。激光器结构13包括导电衬底和半导体台面25，并且高比电阻区15具有比导电衬底的比电阻高的比电阻。导电衬底可以是例如半导体衬底23。半导体台面25被安装在半导体衬底23的主表面23a上。半导体台面25包括芯层25a，并且具体地，还包括上半导体层25b、下半导体区25c和接触层25d。半导体台面25在第一轴Ax1的方向上延伸。在本实施例中，激光器结构13还包括嵌入区27，并且嵌入区27嵌入半导体台面25。更具体地，芯层25a、上半导体层25b、下半导体区25c以及接触层25d和嵌入区27被布置在主表面23a上。半导体台面25包括被分别包括在第一区13a、第二区13b和第三区13c中的第一部分、第二部分和第三部分。同样地，嵌入区27也包括被分别包括在第一区13a、第二区13b和第三区13c中的第一部分、第二部分和第三部分。
激光器结构13具有台阶，所述台阶包括在第二区13b与第三区13c之间的边界处具有水平差13d的阶梯部分。激光器结构13的阶梯部分被设置在半导体衬底23的背面23b(与主表面23a相反的表面)上，并且在和第一轴Ax1的方向交叉的第二轴Ax2的方向上延伸。半导体衬底23包括被分别包括在第一区13a、第二区13b和第三区13c中的第一部分、第二部分和第三部分。水平差13d位于半导体衬底23的第二部分和第三部分之间的边界处，并且金属层17被设置在半导体衬底23的第三部分上。
在量子级联激光器11中，介电膜19和反射金属膜21被设置在激光器结构13的第一端面E1F上。用于形成介电膜19并且形成反射金属膜21的次序可将介电膜19放置在反射金属膜21之下。由本发明人进行的研究揭示了用于介电膜19的焊剂的一部分在第一端面E1F上形成沉积材料，并且此焊剂的另一部分错过第一端面以沿着激光条的侧面(激光器结构13的顶部和底部)行进，从而沉积在第一区13a上的高比电阻区15上。同样地，用于金属反射膜21的焊剂的一部分在第一端面E1F以及在第一区13a上的高比电阻区15上的激光条的侧面(激光器结构13的顶面和底面)上形成沉积材料。
本发明人的观察结果示出如下：用于介电膜19的焊剂也被沉积在第一区13a的半导体台面25上；如此沉积的材料具有比第一端面E1F上的介电膜19的厚度小的厚度；用于金属反射膜21的焊剂被沉积在第一区13a的半导体台面25上；并且如此沉积的材料具有比第一端面E1F上的金属反射膜21的厚度小的厚度。
另外的发明人的观察结果示出，用于介电膜19的焊剂被沉积在第一区13a上的高比电阻区15上；如此沉积的材料具有比第一端面E1F上的介电膜19的厚度小的厚度；用于反射金属膜21的焊剂被沉积在第一区13a上的高比电阻区15上；并且如此沉积的材料具有比第一端面E1F上的反射金属膜21的厚度小的厚度。沉积在第一区13a上的高比电阻区15上的材料的厚度是第一端面E1F上的膜的厚度的大约0.2倍。具体地，第一区13a上的高比电阻区15的第一面15a上的介电膜19的厚度T19H2比第一端面E1F上的介电膜19的厚度T19H1小，并且第一区13a上的高比电阻区15的第一面15a上的反射金属膜21的厚度T21H2比第一端面E1F上的反射金属膜21的厚度T21H1小。第一区13a上的高比电阻区15能够可靠地使介电膜19上的金属反射膜21与激光器结构体13的半导体分离。激光器结构体13被提供有可使高比电阻区15上的反射金属膜21与金属层分离的水平差13d。高比电阻区15在第一面15a的背面具有第二面，并且该第二面与第一区13a形成结。
量子级联激光器11还包括设置在半导体台面25和嵌入区27上的钝化膜31以及通过钝化膜31的开口与半导体台面25的顶部接触的欧姆电极33。欧姆电极33被设置在第一区13a、第二区13b和第三区13c上，并且在本实施例中，从第一端面E1F的上边缘延伸到第二端面E2F的上边缘。在第三区13c上，欧姆电极33与厚电极35(电镀电极)接触。必要时，厚电极35可像在本实施例中一样与第一端面E1F的上边缘间隔开。
在本实施例中，激光器结构13包括具有从激光器结构13的侧面13e和13f中的一个延伸到另一个的水平差13d的台阶。此外，水平差13d参考金属层17在上面延伸的第三区13c的背面形成凹部13g，并且凹部13g形成在第一区13a和第二区13b中。在凹部13g中，高比电阻区15在第一轴Ax1的方向上从第一端面E1F的下边缘延伸，并且在第一区13a与第二区13b之间的边界处终止。高比电阻区15覆盖第一区13a的背面，而不覆盖第二区13b的背面。高比电阻区15在其终止端处参考凹部13g的底面具有阶梯部分15d。凹部13g具有延伸到第一端面E1F的上边缘的底面。高比电阻区15使介电膜19和反射金属膜21在小阶梯部分15d的上边缘处终止，并且防止介电膜19和反射金属膜21在第二区13b上延伸。小阶梯15d屏蔽沿着激光器结构流动的用于介电膜19和反射金属膜21的焊剂，以防止介电膜19和反射金属21的沉积材料延伸超过小阶梯15d。可以在阶梯13d的侧面13h上提供介电膜19和反射金属膜21的分段。此外，激光器结构13的水平差13d屏蔽沿着该激光器结构流动的用于介电膜19和反射金属膜21的焊剂，以防止介电膜19和反射金属膜21的沉积材料DP2延伸超过水平差13d。介电膜19和反射金属膜21的小部分可以形成在水平差13d的一侧。阶梯13d比小阶梯15d大。阶梯13d使与半导体衬底23的背面接触的金属层17与第一区13a上的介电膜19和反射金属膜21分离。高比电阻区15具有与阶梯13d分开的端部(水平差15d)。第二区13b相对于高比电阻区15的第一面15a被压低，并且在第三区13c与高比电阻区15之间形成凹槽29。
高比电阻区15具有比半导体台面25中的半导体的电导率小的电导率，并且展现高比电阻。高比电阻区15具有比半导体衬底23的半导体的电导率小的电导率以使得能实现高比电阻。高比电阻区15可以包括无机绝缘膜，诸如硅基无机绝缘体，并且在本实施例中，包括SiON膜。
示例性量子级联激光器11。
激光器结构13由半导体制成。
第一区13a的长度(在第一轴Ax1的方向上截取的长度)L1：5至100微米。
第二区13b的长度(在第一轴Ax1方向上的长度)L2：5至50微米。
水平差13d的深度D2：20至30微米。
第二区13b中的半导体的厚度(从半导体衬底的背面到半导体台面的上表面的距离)：80微米或更多。
高比电阻区15：具有200至400纳米的厚度的SiO2、SiN或SiON。
小阶梯15d的深度D1：200至400纳米。
介电膜19：具有100至300纳米的厚度的氧化铝或氮化铝。
金属反射膜21：具有50至300纳米的厚度的金。
在本实施例中，介电膜19和反射金属膜21形成端面反射膜20。然而，端面反射膜20不限于这两种材料的组合。
芯层25a：被布置成产生量子级联的超晶格，诸如AlInAs/GaInAs。
上半导体层25b：n型InP(包覆层25e)和n型InGaAs(衍射光栅层25f)。
下半导体区25c：n型InP(包覆层)。
接触层25d：n型InGaAs。
半导体衬底23：n型InP。
嵌入区27：未掺杂的和/或半绝缘的III-V化合物半导体，诸如Fe掺杂的InP。
腔长度：1至3mm。
金属层17：用作背电极的AuGeNi/Ti/Pt/Au。
钝化膜31：SiO2、SiN或SiON。
欧姆电极33：Ti/Pt/Au。
厚电极35：镀金。
参考图1，示出了发光设备41。发光设备41包括量子级联激光器11、支撑件43和焊料45。量子级联激光器11被用焊料45固定到支撑件43在其绝缘基部43a上具有的电极层43b。焊料45被接合到第三区13c的金属层17，并且鉴于水平差13d将其与第三区13c分离的第一区13a和第二区13b，与第二区13b的半导体和形成在第一区13a上的高比电阻区15上的分段DP1两者分离。这种分离可在反射金属膜21上造成与绝缘基部43a上的电极层43b的电势独立的电势。在本实施例中，焊料45可以包括AuSn。
在发光设备41中，量子级联激光器11给第一端面E1F提供介电膜19和反射金属膜21。用于形成介电膜19和反射金属膜21的工艺步骤的次序允许介电膜19在反射金属膜21之下。发明人的发现揭示了用于介电膜19的沉积材料形成在第一端面E1F上并且在第一区13a上的高比电阻区15上从焊剂的一部分产生，所述焊剂偏离第一端面以从激光器结构13的布置的激光条的上侧面和下侧面行进，并且类似地，用于金属反射膜21的沉积材料形成在激光器结构的端面上并且在高比电阻区上从焊剂的一部分产生，所述焊剂偏离第一端面以沿着激光条的上下面行进。本发明人的观察结果揭示了用于介电膜19的沉积材料形成在高比电阻区上并且在其上比在激光条的端面(激光器结构13的第一端面E1F)上的介电膜19更薄。激光器结构13上的高比电阻区15可使激光器结构13的半导体与介电膜19上的金属反射膜21分离。水平差13d使得有可能使金属层17与高比电阻区15上的反射金属膜21隔开。
参考图2A至图10D，将给出根据该实施例的用于制作量子级联激光器的方法中的主要步骤的描述。为了容易理解，在可能的情况下，将在以下描述中使用参考图1的上述描述中的附图标记。
将参考图2A、图2B和图2C描述步骤S101。图2A是示出方法中的主要步骤的平面图。图2B是沿着图2A中所示的线IIb-IIb截取的横截面图。图2C是沿着图2B中所示的线IIc-IIc截取的横截面图。步骤S101制备半导体产品SP1。半导体产品SP1包括半导体衬底23、设置在半导体衬底23上的半导体台面25以及嵌入半导体台面25的嵌入区27。用无机绝缘膜(例如，SiN)的第一掩膜M1蚀刻包括半导体衬底23以及用于芯层25a、衍射光栅层25f、包覆层25e和接触层25d的半导体区的外延衬底以形成半导体台面25。在形成半导体台面25之后，通过用第一掩膜M1选择性地生长高电阻半导体来形成嵌入区27。在选择性生长之后，第一掩膜M1被去除。
具体地，在n型InP衬底上外延生长n型下包覆层(n-InP)、芯层(QCL有源层)和衍射光栅层(InGaAs)。通过光刻和蚀刻处理衍射光栅层以形成衍射光栅，并且在衍射光栅层上外延生长n型上包覆层(n-InP)和n型接触层(n-InGaAs)以形成上述半导体区。通过CVD和光刻在接触层上形成条形SiN掩膜。上述半导体区被处理，具体地，用SiN掩膜干蚀刻从而将台面从接触层限定到InP衬底的深度。在InP衬底上，用SiN掩膜外延生长(Fe-InP的)半导体嵌入层。如此生长的Fe-InP具有与台面上的SiN掩膜的上面一样高的厚度。在该生长之后跟随SiN掩膜的去除。
将参考图3A至图3C描述步骤S102。图3A是示出根据本实施例的方法中的主要步骤的平面图。图3B是沿着图3A中所示的线IIIb-IIIb截取的横截面图。图3C是沿着图3B中所示的线IIIc-IIIc截取的横截面图。在步骤S102中，形成钝化膜31。为了钝化膜31，生长保护膜。第二掩膜M2通过光刻和蚀刻形成在保护膜上。第二掩膜M2具有条形开口M2OP，并且该开口M2OP在半导体台面25上延伸。保护膜被用第二掩膜M2蚀刻以形成具有开口31a的钝化膜31。半导体台面25的上面(接触层25d)出现在钝化膜31的开口31a处。
具体地，通过CVD在形成在晶片上的半导体台面25和嵌入区27上生长SiON膜(具有300nm的厚度)。通过光刻和干蚀刻来处理SiON膜以在其中形成条形开口。接触层的InGaAs的上面出现在此开口处。
将参考图4A至图4C描述步骤S103。图4A是示出根据本实施例的方法中的主要步骤的平面图。图4B是沿着图4A中所示的线IVb-IVb截取的横截面图。图4C是沿着图4B中所示的线IVc-IVc截取的横截面图。在步骤S103中，形成欧姆电极33。具体地，用于剥离的第三掩膜M3形成在钝化膜31上。第三掩膜M3在半导体台面25上具有开口M3OP。在第三掩膜M3形成之后，用于欧姆电极33的金属膜被沉积在其上。在此沉积工艺中，在第三掩膜M3的开口M3OP中并且在第三掩膜M3上生长用于金属膜的沉积材料DP。在沉积工艺之后，第三掩膜M3的去除形成用于欧姆电极33的图案化金属层。
具体地，通过光刻形成抗蚀剂掩膜以用于在晶片上剥离。剥离掩膜可形成限定通过后续工艺形成的电镀电极的形状的图案。在形成剥离掩膜之后，通过气相沉积形成Ti/Pt/Au膜，并且去除剥离掩膜可连同剥离掩膜一起消除沉积材料DP以留下用于欧姆电极的图案化Ti/Pt/Au薄膜。Ti/Pt/Au的欧姆电极形成在接触层和SiON膜上，并且与接触层接触。
将参考图5A至图5C描述步骤S104。图5A是示出根据本实施例的方法中的主要步骤的平面图。图5B是沿着图5A中所示的线Vb-Vb截取的横截面图。图5C是沿着图5B中所示的线Vc-Vc截取的横截面图。在步骤S104中，具体地，通过电镀形成厚膜电极35。用于剥离的第四掩膜M4形成在钝化膜31和欧姆电极33上。第四掩膜M4在欧姆电极33上具有开口M4OP。用于厚膜电极35的金属在其上镀有第四掩膜M4。在电镀工艺中，进行电镀以在欧姆电极33上的第四掩膜M4的开口M4OP中形成电镀金属。在电镀工艺之后，第四掩膜M4被去除以获得用于厚电极35的图案化厚金属膜。
具体地，抗蚀剂的电镀掩膜通过光刻形成在晶片上。此电镀掩膜例如在欧姆电极33上具有开口。金(Au)电镀是用电镀掩膜进行的。电镀工艺后面是电镀掩膜的去除，从而获得衬底产品SP2。
将参考图6A至图6C描述步骤S105。图6A是示出根据该实施例的方法中的主要步骤的底视图。图6B是沿着图6A中所示的线VIb-VIb截取的横截面图。图6C是沿着图6B中所示的线VIc-VIc截取的横截面图。在步骤S105中，形成限定激光器结构13中的水平差13d的凹槽51。第五掩膜M5形成在衬底产品SP2的背面上。必要时，衬底产品SP2的背面被抛光以减小衬底产品SP2的厚度。第五掩膜M5可以形成在经抛光的背面上，并且具有限定凹槽51的开口M5OP，所述凹槽51形成激光器结构13中的水平差13d。衬底产品SP2的半导体衬底23被用无机绝缘膜(例如，SiN)的第五掩膜M5蚀刻以形成凹槽51。凹槽51跨越用于量子级联激光器的器件部分SECT之间的边界并且在和欧姆电极33在每个器件部分上延伸的方向交叉的方向上延伸。在蚀刻之后，第五掩膜M5被去除。
特别地，具有经抛光的背部的晶片具有350至110微米的减小厚度。由SiN膜制成的绝缘掩膜通过CVD和光刻形成在经抛光的背面上。绝缘掩膜具有条形开口和条形图案，并且这些条形开口中的每一个沿着将形成光学腔的端面并且位于邻接器件部分之间的边界上的线延伸。条形图案覆盖器件部分的邻接条形开口之间的内区。晶片用绝缘掩膜干蚀刻以在其背面上形成凹部，并且凹部具有20至30微米的深度。如此形成的产品被提供有80微米或更多的残余厚度，这允许产品在器件部分之间的边界附近具有机械强度。在蚀刻之后，绝缘掩膜被去除。这些工艺使InP衬底的背面带有凹部(诸如凹槽)的布置。这些凹槽各自具有例如为100微米的宽度。
将参考图7A至图7D描述步骤S106。图7A是示出根据该示例的方法中的主要步骤的底视图。图7B是沿着图7A中所示的线VIIb-VIIb截取的横截面图。图7C是沿着图7B中所示的线VIIc-VIIc截取的横截面图。图7D是沿着图7B中所示的线VIId-VIId截取的横截面图。在步骤S106中，为高比电阻区15形成绝缘膜53。通过光刻和蚀刻形成第六掩膜M6。第六掩膜M6具有在凹槽51中延伸的条形图案和限定这些条形图案的条形开口M6OP。条形图案各自沿着器件部分之间的边界延伸，并且光学腔的端面将在稍后的工艺中形成在边界处。每个开口M6OP位于凹槽51的边缘(水平差13d)上。绝缘膜53被用第六掩膜M6蚀刻以形成高比电阻区15。此蚀刻去除覆盖凹槽51的边缘(阶梯13d)的绝缘膜53以使边缘暴露。高比电阻区15沿着器件部分之间的边界在凹槽51的底面上延伸。
具体地，SiON膜通过CVD被沉积在晶片的整个背面上，并且具有300nm的厚度。抗蚀剂掩膜形成在SiON膜上。抗蚀剂掩膜覆盖器件部分之间的边界线上的条形区。SiON膜被用抗蚀剂掩膜干蚀刻以在上述区域上形成条形SiON图案。条形SiON膜具有50微米的宽度。
将参考图8A至图8D描述步骤S107。图8A是示出根据该示例的方法中的主要步骤的底视图。图7B是沿着图8A中所示的线VIIIb-VIIIb截取的横截面图。图8C是沿着图8B中所示的线VIIIc-VIIIc截取的横截面图。图8D是沿着图8B中所示的线VIIId-VIIId截取的横截面图。在步骤S107中，为背部电极形成金属层17。形成第七掩膜M7以用于在半导体衬底23的背面上剥离。第七掩膜M7在金属层17上具有开口M7OP。在形成第七掩膜M7之后，通过气相沉积形成AuGeNi/Ti/Pt/Au的膜并且第七掩膜M7被去除以便连同第七掩膜M7上的沉积材料一起剥离以形成金属层17。AuGeNi/Ti/Pt/TiAu的金属层17电连接到半导体衬底23。Ti/Pt/TiAu的金属层17与凹槽51分开。背部金属的形成产生产品SP3。
具体地，抗蚀剂的背部掩膜通过光刻形成在晶片的背面上。背部掩膜在半导体衬底23的背面上具有远离凹槽51和高比电阻区15的开口。AuGeNi/Au/TiAu通过金属的气相沉积来形成并且与背部掩膜一起剥离以形成背面电极。
将参考图9A至图9C描述步骤S108。图9A是示出根据该示例的方法中的主要步骤的平面图。图9B是沿着图9A中所示的线IXb-IXb截取的横截面图。图9C是示出激光条的平面图。在步骤S108中，制备激光条LDB。产品SP3沿着劈开线被分离成激光条LDB。这种分离允许每个激光条LDB具有用于量子级联激光器11的第一端面E1F和第二端面E2F。在本实施例中，第一端面E1F和第二端面E2F各自具有劈开刻面。激光条LDB包括用于量子级联激光器11的器件部分SECT的阵列。这些器件部分SECT被布置在第二轴Ax2的方向上。如图1中所示，每个器件部分SECT包括激光器结构13、高比电阻区15和金属层17。激光器结构13和高比电阻区15跨越器件部分SECT连续地延伸。激光器结构13包括被顺序地布置在第一轴Ax1的方向上的第一区13a、第二区13b和第三区13c。第一区13a包括第一端面E1F，并且第三区13c包括第二端面E2F。激光器结构13在第二区13b与第三区13c之间的边界处具有水平差13d。激光器结构13在半导体衬底23的背面23b(与主表面23a相反的面)上被提供有台阶13d，并且台阶13d在第二轴Ax2的方向上通过器件部分SECT连续地延伸。高比电阻区15被设置在激光器结构13的第一区13a上。金属层17被设置在第三区13c上，并且与第三区13c的背面接触。激光器结构13包括半导体衬底23和半导体台面25，并且半导体台面25被安装在半导体衬底23的主表面23a上。半导体台面25包括芯层25a，并且具体地，还包括上半导体层25b、下半导体区25c和接触层25d。半导体台面25在第一轴Ax1的方向上延伸。在本实施例中，激光器结构13还包括嵌入区27。
将参考图10A至图10D描述步骤S109。在步骤S109中，介电膜19和反射金属膜21被依次形成在如此制备的激光条LDB的第一端面E1F上。图10A和图10B是各自示出根据该示例的方法中的主要步骤的示意图。如图10A和图10B中所示，介电膜19形成在激光条LDB的第一端面E1F上。在本实施例中，介电膜19被用沉积设备DEP1沉积。沉积设备DEP1向激光条LDB的第一端面E1F供应原材料焊剂F1。焊剂F1错过第一端面以沿着激光条LDB的上下侧行进，使得用于介电膜19的材料形成在上欧姆电极33上并且沉积在高比电阻区15和阶梯13d在激光条下侧的侧面上。用于介电膜19的沉积材料在高比电阻区15的边缘处终止。图10C和图10D是各自示出根据本实施例的方法中的主要步骤的示意图。此后，如图10C和10D中所示，反射金属膜21形成在激光条LDB的第一端面E1F上的介电膜19上。在本实施例中，反射金属膜21被沉积在沉积设备DEP2中。沉积设备DEP2向激光条LDB的第一端面E1F供应原材料焊剂F2。焊剂F2也错过第一端面以沿着激光条LDB的上下侧行进，使得在上欧姆电极33上并且在高比电阻区15和台阶13d在激光条下侧的侧面上形成用于反射金属膜21的沉积材料。用于反射金属膜21的沉积材料在高比电阻区15的边缘处终止。
在依次在激光条LDB的第一端面E1F上形成介电膜19和反射金属膜21之后，激光条LDB通过劈开被分离成量子级联激光器11的半导体芯片。这些步骤使量子级联激光11完成。
将参考图11A和图11B描述管芯接合工艺。图11A是示出根据该实施例的方法中的管芯接合步骤的示意图。如上面参考图1所描述的，在芯片接合步骤中，根据本实施例的量子级联激光器11可使第一端面E1F上的介电膜19和反射金属膜21不受焊料材料45影响。在管芯接合步骤之前，上述步骤使量子级联激光器11完成。用导电粘合剂(诸如焊料)将量子级联激光器11管芯接合到支撑基部。另外，支撑件上的量子级联激光器11连接到用于引线接合的互连。
图11B是示出用于在其端面上管芯接合与根据该实施例的量子级联激光器不同的具有带反射膜的结构的量子级联激光器的步骤的示意图。图11B中所示的量子级联激光器C11在激光器结构C13的端面上具有介电膜C19和反射金属膜C21。半导体衬底C23在整个激光器上具有相同的厚度，使得介电膜C19和金属反射膜C21在半导体衬底C23的背面上延伸以到达背面上的金属层C17。量子级联激光器C11被管芯接合，并且介电膜C19和金属反射膜C21从半导体衬底C23的端面延伸到下面以与焊料材料接触。用于介电膜C19和反射金属膜C21的焊剂也错过半导体衬底C23的端面以沿着激光器结构C13的上面行进并且沉积在欧姆电极C33上。小厚度的介电膜C19上的反射金属膜C21在激光器结构C13的上下面中的每一个上引起短路。
制作量子级联激光器11的方法在激光条LDB的第一端面E1F上提供介电膜19和反射金属膜21。用于介电膜19的原材料焊剂被沉积在激光条LDB的第一端面E1F上以形成膜，并且偏离第一端面以沿着激光条LDB的上下面行进以沉积在在第一区13a上的高电阻区15上。类似地，用于反射金属膜21的原材料焊剂被沉积在激光条LDB的第一端面E1F上，并且偏离第一端面以沿着第一区13a行进以沉积在第一区13a上的高比电阻区15上。用于形成介电膜19和反射金属膜21的步骤的次序给反射金属膜21提供作为基础层的介电膜19。本发明人的观察结果示出，用于第一区13a上的高比电阻区15上的介电膜19的沉积材料具有比激光条LDB的第一端面E1F上的介电膜19的厚度小的厚度。然而，激光条LDB的高比电阻区15确保介电膜19上的反射金属膜21与激光条LDB的半导体间隔开。激光条LDB的台阶13d可使高比电阻区15上的反射金属膜21与金属层17分离。
如上所述，本实施例可提供具有能够避免短路的结构的量子级联激光器；包括该量子级联激光器的发光设备；以及制作该半导体激光器的方法。
在本发明的优选实施例中描述并图示本发明的原理后，本领域的技术人员应了解的是，在不脱离此类原理的情况下，可在布置和细节上修改本发明。我们因此要求保护落入以下权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。

Claims (6)

1.一种量子级联激光器，包括：
激光器结构，所述激光器结构包括第一区、第二区和第三区，所述第一区具有端面；
高比电阻区，所述高比电阻区被设置在所述第一区和所述第二区上；
金属层，所述金属层被设置在所述第三区上；
介电膜，所述介电膜被设置在所述端面和所述高比电阻区上；以及
反射金属膜，所述反射金属膜被设置在所述介电膜、所述端面和所述高比电阻区上，
所述第一区、所述第二区和所述第三区被依次布置在第一轴的方向上，
所述激光器结构具有被设置在所述第二区与所述第三区之间的边界上的具有水平差的台阶，并且
所述激光器结构包括半导体台面和导电基部，所述半导体台面具有芯层，并且所述导电基部用于安装所述半导体台面，并且所述高比电阻区具有比所述导电基部的比电阻大的比电阻。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器，其中
所述高比电阻区在所述激光器结构的所述第一区上具有无机绝缘膜，
所述高比电阻区在所述第二区与所述第三区之间的边界处具有边缘，并且
所述反射金属膜终止于所述高比电阻区的边缘。
3.根据权利要求2所述的量子级联激光器，其中，所述无机绝缘膜包括硅基无机绝缘体。
4.根据权利要求3所述的量子级联激光器，其中，所述激光器结构包括嵌入所述半导体台面的嵌入区。
5.一种发光设备，包括：
量子级联激光器，所述量子级联激光器包括
激光器结构，所述激光器结构具有第一区、第二区和第三区，所述第一区具有端面；
高比电阻区，所述高比电阻区被设置在所述第一区和所述第二区上；
金属层，所述金属层被设置在所述第三区上；
介电膜，所述介电膜被设置在所述端面和所述高比电阻区上；以及
反射金属膜，所述反射金属膜被设置在所述介电膜、所述端面和所述高比电阻区上；
支撑基部，所述支撑基部用于安装所述量子级联激光器；以及
焊料材料，所述焊料材料与所述量子级联激光器的所述金属层接触以将所述量子级联激光器固定到所述支撑基部，
所述第一区、所述第二区和所述第三区被依次布置在第一轴的方向上，
所述激光器结构具有被设置在所述第二区与所述第三区之间的边界上的具有水平差的台阶，并且
所述激光器结构包括半导体台面和导电基部，所述半导体台面具有芯层，并且所述导电基部用于安装所述半导体台面，并且所述高比电阻区具有比所述导电基部的比电阻大的比电阻。
6.一种用于制作量子级联激光器的方法，包括：
制备具有器件部分的排列的激光条；
向所述激光条的第一端面供应用于介电绝缘体的原材料的焊剂以在所述第一端面上沉积所述介电绝缘体；以及
在供应所述介电绝缘体的焊剂之后，向所述激光条的所述第一端面供应用于金属反射膜的原材料焊剂以在所述第一端面上沉积所述金属反射膜，
所述激光条包括激光器结构和高比电阻区，所述激光器结构具有第一区、第二区、第三区和台阶，所述第一区具有所述第一端面，并且所述高比电阻区被设置在所述第一区上，
所述第一区、所述第二区和所述第三区被依次布置在第一轴的方向上并且在与所述第一轴的方向交叉的第二轴的方向上延伸，并且
所述高比电阻区在所述第二轴的方向上延伸，以及
具有水平差的所述台阶在所述第二轴的方向上在所述第二区与所述第三区之间的边界上延伸。
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