CN109921283B

CN109921283B - 一种半导体器件及制备方法

Info

Publication number: CN109921283B
Application number: CN201910105817.8A
Authority: CN
Inventors: 王俊; 周立; 谭少阳; 赵智德; 肖啸; 吴涛
Original assignee: Suzhou Everbright Photonics Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Everbright Photonics Co Ltd
Priority date: 2019-02-01
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2039-02-01
Also published as: CN109921283A

Abstract

本发明提供了一种半导体器件及制备方法，包括：衬底；若干发光单元，设置于衬底上，若干发光单元间隔设置，发光单元内发光点的宽度与发光单元的周期比值在80％～95％范围内。通过实施本发明，可以有效降低芯片串联电阻，进而使得该半导体器件在大工作电流条件下，可以提高半导体器件的电光转换效率，并且实现在相同功率输出时有利于减小该半导体器件的光谱半高宽及半导体器件材料的损伤。

Description

一种半导体器件及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种半导体器件及制备方法。

背景技术

半导体激光器作为一种重要的光电子器件，已被广泛应用于光通信、光传感、信息存储、医疗、激光打印、光计算及泵浦固体激光器等领域。在固态激光系统中，一般半导体巴条激光器的工作方式有两种，连续工作模式或者准连续脉冲工作模式。目前的连续半导体巴条激光器工作电流已经超过150A，准连续半导体巴条激光器的工作电流更是超过300A，达到500A以上。随着工作电流的增加，半导体激光器的总电压降随工作电流线性增加，这限制了高工作电流时整个激光器芯片的电光转换效率。工作电流越大，串联电阻产生的电压越大，对芯片的电光转换效率直接影响越大，已成为了影响半导体激光器芯片电光转换效率的主要因素，如何能够有效的降低串联电阻对大工作电流的半导体激光器芯片具有重要意义。

发明内容

为此，本发明实施例提供了一种半导体器件及制备方法，以克服现有技术中的半导体器件在大工作电流下，串联电阻增大，影响电光转换效率的问题。

本发明实施例提供了一种半导体器件，包括：衬底；若干发光单元，设置于所述衬底上，所述若干发光单元间隔设置，所述发光单元内发光点的宽度与所述发光单元的周期的比值在80％～95％范围内。

可选地，所述的半导体器件还包括：绝缘层，设置在所述发光单元的侧壁上以及相邻的两个所述发光单元之间的衬底上。

可选地，所述绝缘层还延伸覆盖所述发光单元上的部分区域。

可选地，所述的半导体器件还包括：导电层，设置在所述发光单元上方，且覆盖所述绝缘层的覆盖所述发光单元上的部分区域。

可选地，所述发光单元发光点内的宽度与所述发光单元的周期的比值在85％～90％范围内。

可选地，所述发光单元包括：从下至上依次层叠设置的下势垒层、下波导层、量子阱层、上波导层、上势垒层及欧姆接触层。

本发明实施例还提供了一种半导体器件的制备方法，包括：在衬底上形成发光层；对所述发光层进行刻蚀，以形成若干间隔设置的发光单元，所述发光单元发光点内的宽度与所述发光单元周期的比值在80％～95％范围内。

可选地，对所述发光层进行刻蚀，包括：在20-40℃的条件下，采用溴化氢：过氧化氢腐蚀液对所述发光层进行刻蚀。

可选地，所述腐蚀液中溴化氢与过氧化氢的配比为1:1～5:1。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的半导体器件，包括：衬底；若干发光单元，设置于衬底上，若干发光单元间隔设置，通过将发光单元发光点内的宽度与发光单元的周期的比值在80％～95％范围内，可以有效降低芯片串联电阻，进而使得该半导体器件在大工作电流条件下，可以提高半导体器件的电光转换效率，并且实现在相同功率输出时有利于减小该半导体器件的光谱半高宽及半导体器件材料的损伤。

2.本发明实施例提供的半导体器件的制备方法，包括：在衬底上形成发光层；对所述发光层进行刻蚀，以形成若干间隔设置的发光单元，发光单元内发光点的宽度与发光单元的周期比值在80％～95％范围内，进而使得利用该制备方法制备的半导体器件在大工作电流条件下，可以提高半导体器件的电光转换效率，并且实现在相同功率输出时有利于减小该半导体器件的光谱半高宽及半导体器件材料的损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例中半导体器件的结构示意图；

图2为本发明实施例中半导体器件的另一结构示意图；

图3为本发明实施例中半导体器件制备方法的流程图；

图4为本发明实施例中半导体器件经过刻蚀所形成脊台的结构示意图；

图5为本发明实施例中半导体器件制备方法的另一流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供了一种半导体器件，如图1所示，该半导体器件包括：衬底1；若干发光单元2，设置于衬底1上，若干发光单元2间隔设置，发光单元2发光点的宽度m1与发光单元2的周期m2比值在80％～95％范围内。在实际应用中，上述半导体器件为半导体激光器，上述的衬底1可以采用GaAs材料，在衬底1上的各个发光单元2之间采用刻蚀沟道隔离构成发光点阵列。

在实际应用中，随着半导体激光器越来越多的应用在大工作电流工作条件下，通常会达到500A以上，由于半导体激光器巴条芯片由多个发光单元组成，每个发光单元的体电阻与正极、负极欧姆接触电阻串联，多个发光单元的串联电阻将并联成巴条芯片的串联电阻。在半导体激光器的工作在大电流时，串联电阻将导致更高的器件电压，进而会导致半导体激光器整个电光转换效率的降低。半导体激光器电光转换效率物理模型如下公式1表示：

其中，η_c表示半导体激光器的电光转换效率，第一项η_i表示半导体激光器的内量子效率对电光效率的影响，第二项

表示半导体激光器谐振腔损耗对电光效率的影响，第三项

表示半导体激光器的亏损电压对电光效率的影响，第四项中的I_op表示半导体激光器的工作电流，I_th表示半导体激光器的阈值电流。

由上述公式1可知，当半导体激光器工作在大电流下时，上述公式的第一项、第二项由外延结构、外延晶体生长质量、腔长和腔面反射率相关，这两项对电光转换效率有这比较大的影响，并且现有技术中一般也是通过调整这两项的参数来提高电光转换效率；第四项，在半导体激光器大电流工作时，工作电流已经大于阈值电流数十倍，因此第四项电光转换效率受阈值电流影响很小；第三项亏损电压与激光器的层间势垒开启电压及串联电阻相关，实现激光激射理论上最小的电压为量子阱材料最低能级间的能量分离，也就是对应于激光的发射波长，而在这个理论值之上额外的电压称为亏损电压。工作电压大于光子能量相应的电势，这是由于异质结构额外的势垒和芯片的串联电阻所引起。芯片串联电阻包含外延材料的体电阻，和芯片正负极的欧姆接触电阻。随着工作电流的增加，总电压降随工作电流线性增加，这限制了高工作电流时的效率，工作电流越大，串联电阻对芯片电光转换效率影响越大，将成为影响电光转换效率的主要因素之一。

目前现有技术中在大工作电流下的半导体激光器中每个巴条发光点的宽度与发光点周期即上述发光单元的2内发光点的宽度与发光单元2的周期比值多在70％左右，本发明实施例通过将上述发光单元的2内发光点的宽度与发光单元2的周期比值提高在80％～95％范围内，从而可以增大芯片体电阻的横截面积，即降低体电阻与正极欧姆接触电阻，进而可以有效降低芯片串联电阻，例如：将上述比值提高至90％，可以使芯片体电阻的横截面积增加20％，即体电阻和正极欧姆接触电阻降低20％。体电阻和正极欧姆接触电阻是芯片串联电阻主要组成部分，约占比一半以上，两项降低20％，可使芯片整体串联电阻降低10％。使得该半导体器件在大工作电流条件下，串联电阻导致的电压降低，以提高半导体器件的电光转换效率，例如：在上述条件下，以900nm波段半导体激光器为例，在开启电压为1.4V，串联电阻5到10mΩ。在500A的准连续工作电流下，串联电阻降低10％，可以使芯片电压降低2％，电光转换效率提高2％左右。并且实现在相同功率输出时有利于减小该半导体器件的光谱半高宽及半导体器件材料的损伤，这是由于在大电流工作下，提高上述的比值，在实现相同功率输出时，所需要的电流密度降低，一方面有利于减小激光器的光谱半高宽，同时流经芯片体材料的电流密度降低，有利于减小芯片体材料的损伤，从芯片腔面发射激光的线密度降低，有利于减小芯片腔面的损伤等，此外，本发明实施例提供的通过提高发光单元2内发光点的宽度与发光单元2的周期的比值来降低芯片电阻，进而提高电光转换效率的技术方案不会对上述电光效率物理模型中的第一项和第二项中的各个参数产生影响，在实际应用中，本发明实施例还可以同上述这两项对电光转换效率的改善方案同时使用，以进一步提高电光转换效率。

在实际应用中，并不是上述的发光单元2内发光点的宽度与发光单元2的周期比值越大越好，这是由于若上述比值越大，会带来更强的光场串扰，同时，隔离光场串扰的隔离槽制作也将会更困难，因为发光点个数不变，隔离槽的宽度随填充因子增加而减小，刻蚀的深度和均匀性将不利于控制。

在一实施例中，半导体激光器在发光单元2内发光点的宽度与相邻两个发光单元2的周期不同的比值条件下，其他参数保持恒定，重复进行的电光转换效率测量的实验，所得到的不同比值条件下电光转换效率的均值如表1所示。

根据表1中的数据可知，当上述比值超过90％后，因为光场串扰和刻蚀槽的深度的不均匀，将激光器的性能将衰减，体现在激光器阈值的增加和斜率的降低，导致无法保证正常的功率输出，即电光转换效率随之下降。经过大量反复实验，上述的发光单元2内发光点的宽度与发光单元2的周期比值的最优选择在85％～90％范围内所得到的电光转换效率最佳。

在一较佳实施例中，发光点的宽度m1为180μm，发光单元2的周期为2000μm，即上述比值为90％，此时半导体激光器的制备工艺也较为容易实现，此时半导体激光器保持了较高的电光转换效率，此时平均光谱半高宽达到3.93nm，较上述比值为70％时的平均光谱半高宽为4.29nm有了显著的优化。

在一实施例中，如图2所示，上述的半导体器件还包括：绝缘层31，设置在发光单元2的侧壁上以及相邻的两个发光单元2之间的衬底上，并且该绝缘层还延伸覆盖发光单元2上的部分区域。在实际应用中，该绝缘层31实现了发光单元的电学绝缘和物理保护作用，发光单元之间的隔离槽，实现了相邻两个上述发光单元2间的光场隔离，防止不同发光单元2之间发生串扰。

在一实施例中，如图2所示，上述的发光单元2包括：从下至上依次层叠设置的下势垒层21、下波导层22、量子阱层23、上波导层24、上势垒层25及欧姆接触层26，上述的绝缘层还延伸覆盖欧姆接触层26的部分区域。在实际应用中，上述的下势垒层21为N型载流子势垒层，上述的下波导层22为N型波导层，上述的上波导层24为P型波导层，上述的上势垒层25为P型势垒层。

在一实施例中，如图2所示，上述的半导体器件还包括：导电层27，设置在发光单元2上方，且覆盖绝缘层31的覆盖欧姆接触层26上的部分区域。在实际应用中，上述的导电层27为P型金属层。

在一实施例中，如图2所示，上述的半导体器件还包括：另一导电层28，设置在上述衬底远离上述下势垒层21的一面，在实际应用中，该另一导电层28为N型金属层。

本发明实施例提供的半导体器件，通过将发光单元内发光点的宽度与发光单元的周期的比值在80％～95％范围内，可以有效降低芯片串联电阻，进而使得该半导体器件在大工作电流条件下，可以提高半导体器件的电光转换效率，并且实现在相同功率输出时有利于减小该半导体器件的光谱半高宽及半导体器件材料的损伤。

实施例2

本发明实施例提供了一种半导体器件制备方法，如图3所示，该半导体器件制备方法包括：

步骤S1：在衬底上形成发光层；

步骤S2：对发光层进行刻蚀，以形成若干间隔设置的发光单元，发光单元内发光点的宽度与发光单元的周期的比值在80％～95％范围内。

本发明实施例提供的半导体器件制备方法，在衬底上形成发光层；对发光层进行刻蚀，以形成若干间隔设置的发光单元，发光单元内发光点的宽度与发光单元的周期比值在80％～95％范围内，进而使得利用该制备方法制备的半导体器件在大工作电流条件下，可以提高半导体器件的电光转换效率，并且实现在相同功率输出时有利于减小该半导体器件的光谱半高宽及半导体器件材料的损伤。

在一实施例中，上述的步骤S1，在衬底上形成发光层，具体地，首先利用利用金属有机物气相外延MOCVD在GaAs材料的衬底上依次生长下势垒层、下波导层、量子阱层、上波导层、上势垒层及欧姆接触层，在实际应用中，上述的下势垒层为N型载流子势垒层，上述的下波导层为N型波导层，上述的上波导层为P型波导层，上述的上势垒层为P型势垒层，以形成上述的发光层。

在实际应用中，上述的步骤S2，对发光层进行刻蚀，以形成若干间隔设置的发光单元，发光单元发光点的宽度与相邻两个发光单元之间的间距比值在80％～95％范围内。在实际应用中，上述的半导体器件为半导体激光器，半导体激光器经过刻蚀所形成的脊台类型如图4所示。由于上述比值范围的要求，对半导体激光器的发光层进行刻蚀形成的隔离槽的宽度限制较高，即需要刻蚀出宽度较窄、深度较深的隔离槽，因此，图4中垂直形脊台为最理想的上述隔离槽的形状，这是因为正梯形的脊型台面使得条宽化，首先不利于条宽的精准控制，并会影响激光器的光学性能；倒梯形结构的脊型台面，不利于绝缘层的覆盖，容易发生漏电、短路现象。

因此，为了避免正梯形或者倒梯形的刻蚀台面，并考虑腐蚀深度需要，在本发明实施例中，通过研究湿法刻蚀中腐蚀溶液的种类、配比、腐蚀温度等参数对腐蚀形貌的影响，刻蚀上述半导体激光器时，采用溴化氢：过氧化氢腐蚀液，该腐蚀液的温度控制在20℃至40℃的范围内，其中，在腐蚀液中溴化氢：过氧化氢：水的配比在5：1：N-1：1：N的范围内，N一般为10-30。例如本发明实施例中采用的温度为30摄氏度，溴化氢：过氧化氢：水的配比在2：1：20，在此条件下，可以腐蚀出基本垂直的侧壁，底部呈现弧形。所刻蚀得到的下势垒层、下波导层、量子阱层、上波导层、上势垒层及欧姆接触层基本处于垂直的侧壁段，有利于控制上述发光单元的发光点的宽度；下势垒层下半段呈现弧形，有利于绝缘层的覆盖，从而可以有效避免漏电短路的发生，此外，在上述条件下还可以增加溶液的扩散速率和溶液与半导体材料的反应速率，进而提高刻蚀均匀性和刻蚀速率。

在实际应用中，如图5所示，上述的半导体器件的制备方法，还包括：

步骤S3：在上述发光单元的侧壁上以及相邻的两个发光单元之间的衬底上形成绝缘层，并绝缘层还延伸覆盖发光单元上的部分区域。该绝缘层的作用为实现发光单元的电学绝缘和物理保护作用。

步骤S4：在上述发光单元上方且覆盖绝缘层的覆盖发光单元上的部分区域上形成导电层。在实际应用中，上述的导电层为P型金属层。具体地，在上述发光单元上覆盖绝缘层，并通过刻蚀露出P面电极窗口；在P面电极窗口上覆盖在上述发光单元上覆盖绝缘层，并通过刻蚀露出P面电极窗口；在P面电极窗口上覆盖导电层形成电极。

步骤S5：在上述衬底远离上述下势垒层的一面形成另一导电层，在实际应用中，该另一导电层为N型金属层，具体地，具体为：在GaAs衬底远离N型下势垒层的一面上形成AuGeNi合金层，并在350～450℃环境下，对形成的AuGeNi合金层加热40～50s，以使Ge离子融合到GaAs衬底内；在上述AuGeNi合金层远离GaAs衬底的一面形成Au层。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种半导体器件，其特征在于，包括：衬底（1）；若干发光单元（2），设置于所述衬底（1）上，所述若干发光单元（2）间隔设置，所述发光单元（2）内发光点的宽度与所述发光单元（2）的周期比值在85%～90%范围内，多个所述发光单元（2）组成半导体激光器的巴条芯片。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，还包括：绝缘层（31），设置在所述发光单元（2）的侧壁上以及相邻的两个所述发光单元（2）之间的衬底上。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述绝缘层还延伸覆盖所述发光单元（2）上的部分区域。

4.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，还包括：导电层（27），设置在所述发光单元（2）上方，且覆盖所述绝缘层（31）的覆盖所述发光单元（2）上的部分区域。

5.根据权利要求1-4任一项所述的半导体器件，其特征在于，所述发光单元（2）包括：从下至上依次层叠设置的下势垒层（21）、下波导层（22）、量子阱层（23）、上波导层（24）、上势垒层（25）及欧姆接触层（26）。

6.一种半导体器件的制备方法，其特征在于，包括：在衬底（1）上形成发光层；对所述发光层进行刻蚀，以形成若干间隔设置的发光单元（2），所述发光单元（2）发光点的宽度与相邻两个所述发光单元（2）之间的周期比值在85%～90%范围内，多个所述发光单元（2）组成半导体激光器的巴条芯片。

7.根据权利要求6所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，对所述发光层进行刻蚀，包括：在20-40℃的条件下，采用溴化氢：过氧化氢腐蚀液对所述发光层进行刻蚀。

8.根据权利要求7所述的半导体器件的制备方法，其特征在于，所述腐蚀液中溴化氢与过氧化氢的配比为1:1~5:1。