CN111092363A - 半导体激光器件 - Google Patents
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Abstract
半导体激光器件可以包括：第一包层，在衬底上；光波导，在所述第一包层上；激光光源芯片，在所述光波导上以产生激光束；第一粘合层，在所述光波导和所述激光光源芯片之间；以及第二粘合层，覆盖所述激光光源芯片的侧壁。
Description
相关申请的交叉引用
于2018年10月24日在韩国知识产权局(KIPO)提交的题为“Semiconductor LaserDevice”的韩国专利申请No.10-2018-0127246通过引用整体并入本文中。
技术领域
示例实施例涉及一种半导体激光器件。
背景技术
半导体激光器件可以通过将第一衬底和第二衬底彼此接合来制造，其中光波导和外延图案可以形成在第一衬底上，且激光光源芯片可以形成在第二衬底上。光波导和外延图案可能由于其间的空隙而无法被良好地接合到激光光源芯片。此外，当将第二衬底与第一衬底分离时，可能损坏激光光源芯片。
发明内容
根据示例实施例，提供了一种半导体激光器件。半导体激光器件可以包括：第一包层，在衬底上；光波导，在所述第一包层上；激光光源芯片，形成在所述光波导上以产生激光束；第一粘合层，在所述光波导和所述激光光源芯片之间；以及第二粘合层，覆盖所述激光光源芯片的侧壁。
根据示例实施例，提供了一种半导体激光器件。所述半导体激光器件可以包括：激光光源芯片；光波导，形成在所述激光光源芯片下方以引导由所述激光光源芯片产生的激光束；衬底，所述光波导形成在所述衬底上；外延图案，在所述衬底上；以及粘合层结构，形成在所述激光光源芯片和所述外延图案之间以覆盖所述激光光源芯片的侧壁。
根据示例实施例，提供了一种半导体激光器件。所述半导体激光器件可以包括：第一包层，在衬底上；光波导，在所述第一包层上；外延图案，包括与所述光波导相同的材料且在所述衬底上；第二包层，形成在所述光波导和外延图案之间且在所述第一包层上；第一粘合层，覆盖所述外延图案、所述光波导和所述第二包层的上表面；第二粘合层，包括水平部分和竖直部分，所述水平部分在所述第一粘合层上沿基本平行于所述衬底的上表面的水平方向延伸，且所述竖直部分从所述水平部分沿基本垂直于所述衬底的上表面的竖直方向延伸；以及激光光源芯片，所述激光光源芯片的下表面和侧壁由所述第二粘合层覆盖。
附图说明
通过参考附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员将变得显而易见，在附图中：
图1示出了根据示例实施例的半导体激光器件的横截面图。
图2至图6示出了根据示例实施例的制造半导体激光器件的方法中的各阶段的横截面图。
图7示出了根据示例实施例的半导体激光器件的横截面图。
具体实施方式
图1是示出了根据示例实施例的半导体激光器件的横截面图。下文中，基本垂直于衬底的上表面的竖直方向被限定为第一方向，且基本平行于衬底的上表面的水平方向中彼此相交的两个方向分别被限定为第二方向和第三方向。在示例实施例中，第二方向和第三方向可以彼此正交。
参考图1，半导体激光器件可以包括沿第一方向DR1顺序堆叠在第一衬底100上第一包层110、光波导125和激光光源芯片350；以及位于激光光源芯片350和光波导125之间的第一粘合层140和第三粘合层370。
半导体激光器件还可以包括第二包层130，其覆盖第一衬底100上的光波导125和外延图案120二者的侧壁。外延图案120的上表面、光波导125的上表面和第二包层130的上表面可以是例如沿着第二方向DR2共面的。第一衬底100和外延图案120的侧边可以是例如沿着第三方向DR3共面的。第二包层130和的侧边和第一包层110的侧边可以是例如沿着第三方向DR3共面的。
第一衬底100可以是半导体衬底，包括例如硅(Si)、锗(Ge)等。在一个实施例中，第一衬底100可以是单晶硅衬底。第一衬底100可以例如掺杂有p型或n型杂质。
第一包层110可以形成在第一衬底100的上部中。第一包层110可以包括折射率小于硅(Si)的材料，例如，氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等。衬底100的上表面和第一包层110的上表面可以是共面的。
外延图案120可以在第一衬底100上且光波导125可以在第一包层110上。外延图案120和光波导125中的每一个可以在第三方向DR3上延伸。
如下文所述，外延图案120和光波导125可以通过将第一衬底100的上表面用作籽晶的固相外延(SPE)工艺来形成，且因此可以包括与第一衬底100基本相同的材料。因此，光波导125可以包括诸如硅(Si)、锗(Ge)等的半导体材料，例如，单晶硅。
第二包层130可以从第一包层110沿第一方向DR1延伸，并且可以在第三方向DR3上延伸以便位于光波导125和外延图案120之间。因此，第二包层130可以覆盖光波导125的两个侧壁。
第二包层130可以包括折射率小于硅(Si)的材料，例如，氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等。备选地，第二包层130可以包括空气。
第一粘合层140可以共形地形成在外延图案120、光波导125和第二包层130上。第一粘合层140的厚度可以远小于例如光波导125、第一包层110、第二包层130等的其它层结构的厚度。在一个实施例中，第一粘合层140可以具有约
或更小的较小厚度。第一粘合层140可以包括氧化物，例如，氧化硅等。
在一个实施例中，激光光源芯片350可以具有所谓的单独限制异质结构(SCH)激光结构。因此，激光光源芯片350可以包括沿第一方向DR1顺序堆叠的第一SCH图案310、有源图案320、第二SCH图案330和第三包层340。
第一SCH图案310、有源图案320、第二SCH图案330和第三包层340中的每一个可以包括III-V族化合物。在示例实施例中，第一SCH图案310和第二SCH图案330可以包括折射率小于有源图案320且大于第三包层340的材料。此外，第一SCH图案310可以包括掺杂有n型杂质的材料，且第二SCH图案330和第三包层中的每一个可以包括掺杂有p型杂质的材料。
因此，第一SCH图案310可以包括例如掺杂有n型杂质的砷化铟镓铝(InGaAlAs)，有源图案320可以包括例如未掺杂的砷化铟镓铝(InGaAlAs)，第二SCH图案330可以包括例如掺杂有p型杂质的砷化铟镓铝(InGaAlAs)，且第三包层340可以包括例如掺杂有p型杂质的磷化铟(InP)。
在其他实施例中，激光光源芯片350可以具有双异质结激光器、量子阱激光器、量子级联激光器、带间级联激光器、分布式布拉格反射镜(DBR)激光器等。
第三粘合层370可以共形地形成为覆盖激光光源芯片350的下表面和侧面。因此，第三粘合层370可以形成在第一粘合层140上并可以包括在第二方向DR2上延伸的水平部分和自水平部分沿基本垂直于第一衬底100的上表面的竖直方向(即，第一方向DR1)延伸的竖直部分。也就是说，激光光源芯片350的下表面和侧壁可以分别由第三粘合层370的水平部分和竖直部分覆盖。
第三粘合层370可以保护激光光源芯片350的侧壁，以防止在分离第二衬底的工艺期间损坏，这将在下文描述。此外，第三粘合层370可以接触第一衬底100上的第一粘合层140，以增加第一衬底100和第二衬底200之间的粘合力。
第三粘合层370可以包括氧化物，例如，氧化硅等，且因此可以与第一粘合层140合并以形成粘合结构。在这种情况下，粘合结构可以形成在第一衬底100上，以覆盖外延图案120，外延图案120包括彼此共面且与光波导125和第二包层130的上表面共面的上表面，并且粘合结构可以覆盖激光光源芯片350的下表面和侧壁。
第三粘合层370的厚度可以远小于例如光波导125、第一包层110、第二包层130等的其它层结构的厚度。在一个实施例中，第三粘合层370可以具有约
或更小的较小厚度。
半导体激光器件还可以包括分别与激光光源芯片350的第一SCH图案310和第三包层340电连接的第一电极和第二电极。因此，可以通过向第一电极和第二电极施加电压来在激光光源芯片350中产生电流，且通过该电流，电子和空穴可以组合以在有源图案320中产生激光束，有源图案320位于掺杂有n型杂质的第一SCH图案310与掺杂有p型杂质的第二SCH图案330和第三包层340之间。
在激光光源芯片350中产生的激光束可以入射在其下方的光波导125上。光波导125可以包括折射率高于覆盖光波导125的两个侧壁的第二包层130或覆盖光波导125的下表面的第一包层110的材料，使得所产生的激光束可以通过光波导125引导，以沿着光波导125延伸的第一方向DR1移动。
尽管第一粘合层140和第三粘合层370位于光波导125和激光光源芯片350之间，但是由于第一粘合层140和第三粘合层370的厚度之和可能远小于例如光波导125、第一包层110等的其他层结构的厚度，所以第一粘合层140和第三粘合层370可以对由激光光源芯片350产生的激光束向光波导125的移动没有显著影响。
如上所述，在制造半导体激光器件的工艺中，由于第三粘合层370覆盖激光光源芯片350的侧壁，所以可以防止激光光源芯片350的侧壁受损。此外，在将第一衬底100和第二衬底接合的工艺中，由于在第一衬底100上的外延图案120和光波导125上的第一粘合层140以及在第二衬底上的激光光源芯片350上的第三粘合层370，第一衬底100和第二衬底可以在其间没有空隙的情况下被良好地接合。因此，半导体激光器件可以具有改善的特性。
图2至图6是示出了根据示例实施例的制造半导体激光器件的方法中各阶段的横截面图。
参考图2，第一包层110可以形成在第一衬底100的上部，且外延图案120、光波导125和第二包层130可以形成在第一衬底100和第一包层110上。
第一衬底100可以是半导体衬底，包括例如硅(Si)、锗(Ge)等。在一个实施例中，第一衬底100可以是单晶硅衬底。第一衬底100可以例如掺杂有p型或n型杂质。
第一包层110可以通过以下操作来形成：部分地去除第一衬底100的上部以形成沟槽、在第一衬底100上形成第一包层以填充该沟槽，并对该第一包层进行平坦化直到可以暴露第一衬底100的上表面为止。第一包层110可以包括折射率小于硅(Si)的材料，例如，氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等。平坦化工艺可以包括例如化学机械抛光(CMP)工艺、回蚀工艺等。
在示例实施例中，外延图案120和光波导125可以通过将第一衬底100的上表面用作籽晶的固相外延(SPE)工艺和刻蚀工艺来形成。具体地，例如包括硅等的非晶层可以形成在第一衬底100和第一包层110上，且可以对非晶层执行热处理以形成具有与第一衬底100相同结晶度的外延层，例如，具有单晶性并包括硅。可以在外延层上设置刻蚀掩模，并且可以通过使用刻蚀掩模的刻蚀工艺对外延层进行图案化，以形成外延图案120和光波导125。
在示例实施例中，外延图案120和光波导125中的每一个可以在第二方向DR2上延伸。也就是说，光波导125可以具有在第二方向DR2上延伸的条形。外延图案120可以形成在第一衬底100上且光波导125可以形成在第一包层110上。
可以对外延层进行图案化以在外延图案120和光波导125之间形成暴露第一包层110的上表面的开口，且第二包层130可以形成为填充该开口。
第二包层130可以通过以下操作来形成：在第一包层110、外延图案120和光波导125上形成第二包层，并对第二包层进行平坦化直到暴露外延图案120的上表面和光波导125的上表面为止。因此，第二包层130可以覆盖光波导125在第一方向上的两个侧壁。
第二包层130可以包括折射率小于硅(Si)的材料，例如，氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)等。备选地，第二包层130可以包括空气，且在这种情况下，可以省略形成第二包层以填充开口的工艺。
参考图3，第一粘合层140可以形成在外延图案120、光波导125和第二包层130上。在示例实施例中，第一粘合层140可以通过原子层沉积(ALD)工艺来形成，且可以包括例如氧化硅。第一粘合层140的厚度可以远小于其它层结构的厚度，例如，约
或更小的厚度。
参考图4，第二粘合层210可以形成在第二衬底200上，且顺序堆叠的激光光源芯片350和保护层360可以形成在第二粘合层210上。
第二衬底200可以是处理衬底，并且可以包括诸如硅等的半导体材料或诸如玻璃等的绝缘材料。
可以形成第二粘合层210，以增加第二衬底200和激光光源芯片350之间的粘合力。第二粘合层210可以包括例如光刻胶层。
在一个实施例中，激光光源芯片350可以包括沿着第一方向DR1顺序堆叠的第三包层340、第二SCH图案330、有源图案320和第一SCH图案310。第三包层340、第二SCH图案330、有源图案320和第一SCH图案310中的每一个可以包括III-V族化合物。
在示例实施例中，第一SCH图案310和第二SCH图案330可以具有折射率小于有源图案320的折射率且大于第三包层340的折射率的材料。此外，第一SCH图案310包括掺杂有n型杂质的材料，且第三包层340和第二SCH图案330中的每一个可以包括掺杂有p型杂质的材料。因此，第三包层340可以包括例如掺杂有p型杂质的磷化铟(InP)，第二SCH图案330可以包括例如掺杂有p型杂质的砷化铟镓铝(InGaAlAs)，有源图案320可以包括例如未掺杂的砷化铟镓铝(InGaAlAs)，并且第一SCH图案310可以包括例如掺杂有n型杂质的砷化铟镓铝(InGaAlAs)。
保护层360可以包括例如光刻胶层。激光光源芯片350和保护层360可以接合到具有第二粘合层210的第二衬底200，使得激光光源芯片350和第二衬底200可以被良好地接合。
参考图5，可以去除保护层360和未被激光光源芯片350覆盖的第二粘合层210的一部分。因此，可以暴露激光光源芯片350和第二衬底200的上表面的一部分。在示例实施例中，可以通过执行曝光工艺和显影工艺来去除保护层360和第二粘合层210的一部分。
第三粘合层370可以形成在暴露的激光光源芯片350上表面和侧壁上和第二衬底200的上表面的暴露部分上。在示例实施例中，第三粘合层可以通过ALD工艺来形成，且可以包括例如氧化硅。类似于第一粘合层140，第三粘合层370的厚度也可以远小于其它层结构的厚度，例如，
或更小的厚度。
参考图6，在将第二衬底200翻转180度之后，第二衬底200和第一衬底100可以彼此接合，使得激光光源芯片350的上表面可以面向其上可以形成有外延图案120、光波导125和第二包层130的第一衬底100的上表面。
当第一衬底100和第二衬底200接合时，第一粘合层140和第三粘合层370可以彼此接触。第一粘合层140和第三粘合层370可以包括例如氧化硅的相同材料，以便彼此良好地接合。
在示例实施例中，在第一衬底100和第二衬底200被接合之前，可以对第一衬底100和第二衬底200中的每一个执行使用例如氧气、氮气、氩气等的等离子体处理，以改善第一粘合层140和第三粘合层370的粘合。因此，在激光光源芯片350和外延图案120之间或在激光光源芯片350和光波导125之间可以不形成空隙。
再次参考图1，第二衬底200可以与激光光源芯片350分离，且可以去除暴露的第二粘合层210，以完成半导体激光器件的制造。
因此，激光光源芯片350可以堆叠在第一衬底100上的光波导125上，激光光源芯片350的侧壁可以由第三粘合层370覆盖，且第一粘合层140和第三粘合层370可以夹在激光光源芯片350与外延图案120、光波导125和第二包层130之间。
第二衬底200的分离和第二粘合层210的去除可以通过使用例如盐酸(HCl)的湿法刻蚀工艺来执行，且激光光源芯片350的侧壁可以由第三粘合层370覆盖和保护，以防止在湿法刻蚀工艺期间受损。
如上所述，当具有外延图案120和光波导125的第一衬底100和具有激光光源芯片350的第二衬底200彼此接合时，第一衬底100和第二衬底200可以被良好地接合，而其间通过第一粘合层140和第三粘合层370来没有空隙。此外，激光光源芯片350的侧壁可以被第三粘合层370覆盖。因此，激光光源芯片350可以不受分离工艺(例如，湿法刻蚀)的损坏，其中可以执行分离工艺以将第二衬底200与第一衬底100分离。
图7是示出了根据示例实施例的半导体激光器件的横截面图。这种半导体激光器件与图1所述的半导体器件基本相同或相似，除了第一粘合层之外。因此，相同的附图标记指代相同的元件，并且在此省略其详细描述。
参照图7，第一粘合层140’可以不在外延图案120的沿着第一方向DR1不接触(例如，叠盖)激光光源芯片350的部分上。由于第一粘合层140’要用于当将第一衬底100和第二衬底200彼此接合时增加第一衬底100上的外延图案120和光波导125以及第二衬底200上的激光光源芯片350之间的粘合力，所以第一粘合层140’无需在不与激光光源芯片350重叠的部分上。
如上所述，示例实施例提供一种具有改进特性的半导体激光器件。具体地，根据示例实施例的半导体激光器件可以使用粘合层保护激光光源芯片的侧壁，以防止损坏激光光源芯片。此外，当通过将其上形成有光波导和外延图案的第一衬底和其上形成有激光光源芯片的第二衬底接合来制造半导体激光器件时，光波导、外延图案和激光光源芯片可以通过粘合层良好地接合而没有空隙。因此，半导体激光器件可以具有改善的特性。
本文已经公开了示例实施例，并且尽管采用了特定术语，但是它们仅用于且将被解释为一般的描述性意义，而不是为了限制的目的。在一些情况下，如提交本申请的本领域普通技术人员应认识到，除非另有明确说明，否则结合特定实施例描述的特征、特性和/或元件可以单独使用或与其他实施例描述的特征、特性和/或元件相结合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节上的各种改变。
Claims (20)
1.一种半导体激光器件，包括：
第一包层，在衬底上；
光波导，在所述第一包层上；
激光光源芯片，在所述光波导上，所述激光光源芯片产生激光束；
第一粘合层，在所述光波导和所述激光光源芯片之间；以及
第二粘合层，覆盖所述激光光源芯片的侧壁。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中所述第二粘合层还覆盖激光光源芯片的下表面以接触所述第一粘合层。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器件，其中位于所述激光光源芯片和所述光波导之间的所述第一粘合层和所述第二粘合层的厚度之和小于所述激光光源芯片和所述第一包层中的任何一个的厚度。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器件，还包括：
外延图案，在所述衬底上并与所述光波导间隔开；
第二包层，在所述第一包层上，所述第二包层位于所述光波导和所述外延图案之间并覆盖所述光波导的侧壁。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器件，其中所述外延图案、所述光波导和所述第二包层的上表面基本共面。
6.根据权利要求4所述的半导体激光器件，其中所述第一粘合层覆盖所述光波导、所述第二包层和所述外延图案的上表面。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器件，其中：
所述激光光源芯片在基本垂直于所述衬底的上表面的竖直方向上与所述外延图案部分地重叠；以及
所述第一粘合层不在所述外延图案的上表面的由所述激光光源芯片暴露的部分上。
8.根据权利要求4所述的半导体激光器件，其中所述第二包层包括氧化硅、氮化硅或空气。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中所述第一粘合层和所述第二粘合层中的每一个包括氧化物。
10.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中所述第一包层包括氧化硅或氮化硅。
11.根据权利要求1所述的半导体激光器件，其中所述激光光源芯片包括顺序堆叠的第一单独限制异质结构图案、有源图案、第二单独限制异质结构图案和第三包层。
12.根据权利要求11所述的半导体激光器件，其中：
所述第一单独限制异质结构图案、所述有源图案和所述第二单独限制异质结构图案包括砷化铟镓铝，并且
所述第一单独限制异质结构图案和所述第二单独限制异质结构图案分别掺杂有n型杂质和p型杂质。
13.根据权利要求11所述的半导体激光器件，其中所述第三包层包括掺杂有p型杂质的磷化铟InP。
14.一种半导体激光器件，包括：
激光光源芯片；
光波导，在所述激光光源芯片下方，所述光波导引导由所述激光光源芯片产生的激光束；
衬底，所述光波导形成在所述衬底上；
外延图案，在所述衬底上；以及
粘合层结构，在所述激光光源芯片和所述外延图案之间，所述粘合层结构覆盖所述激光光源芯片的侧壁。
15.根据权利要求14所述的半导体激光器件，还包括：
第一包层，在所述衬底上，所述第一包层覆盖所述光波导的下部；以及
第二包层，在所述第一包层上，所述第二包层覆盖所述光波导的侧壁；
其中所述粘合层结构覆盖所述外延图案、所述光波导和所述第二包层的上表面。
16.根据权利要求15所述的半导体激光器件，其中所述外延图案和所述光波导包括相同的材料。
17.根据权利要求14所述的半导体激光器件，其中：
所述粘合层结构包括第一粘合层和第二粘合层，所述第一粘合层位于所述激光光源芯片和所述外延图案之间，且所述第二粘合层覆盖所述激光光源芯片的侧壁；以及
其中所述第一粘合层和所述第二粘合层中的每一个包括氧化物。
18.一种半导体激光器件，包括：
第一包层，在衬底上；
光波导，在所述第一包层上；
外延图案，在所述衬底上，所述外延图案包括与所述光波导相同的材料并与所述光波导间隔开；
第二包层，在所述第一包层上，所述第二包层位于所述光波导和所述外延图案之间；
第一粘合层，所述第一粘合层覆盖所述外延图案、所述光波导和所述第二包层的上表面；
第二粘合层，包括：
水平部分，在所述第一粘合层上，所述水平部分在基本平行于所述衬底的上表面的水平方向上延伸；以及
竖直部分，所述竖直部分自所述水平部分在基本垂直于所述衬底的上表面的竖直方向上延伸；以及
激光光源芯片，具有下表面和由所述第二粘合层覆盖的侧壁。
19.根据权利要求18所述的半导体激光器件，其中所述外延图案、所述光波导和所述第二包层的上表面共面。
20.根据权利要求18所述的半导体激光器件，其中：
所述激光光源芯片在基本垂直于所述衬底的上表面的竖直方向上与所述外延图案部分地重叠；以及
所述第一粘合层不在由所述激光光源芯片暴露的所述外延图案的上表面上。
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