CN113410759A - 一种半导体激光器集成芯片及其制备方法 - Google Patents

一种半导体激光器集成芯片及其制备方法 Download PDF

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张宇晖
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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器集成芯片及其制备方法，集成芯片包括激光出射单元和激光探测单元；集成芯片还包括：公共外延结构；位于公共外延结构一侧的第一介质结构和分立外延结构；分立外延结构包括第一分立外延结构和第二分立外延结构；激光出射单元包括公共外延结构、第一分立外延结构、第一分立电极和公共电极；激光探测单元包括公共外延结构、第二分立外延结构、第二分立电极和公共电极；激光出射单元具备第一腔长，激光探测单元具备第二腔长，第一介质结构具备第三腔长，半导体激光器集成芯片的腔长为第一腔长、第三腔长与第二腔长之和。解决激光器腔长短难解理、良率低以及输出功率不稳定，影响激光器的使用场景和使用范围的技术问题。

Description

一种半导体激光器集成芯片及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体光电技术领域，尤其涉及一种半导体激光器集成 芯片及其制备方法。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料，如砷化镓(GaAs)、磷化 铟(InP)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)等作为工作物 质的激光器，具有体积小、效率高和寿命长等优点，在激光通信、激光存储、 激光打印、激光陀螺、激光显示、激光测距和激光雷达等方面得到了广泛的应 用。其中，分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)具有调制速 率快、单模特性好等优点，受到产业界和学术界的广泛关注。
DFB激光器的调制速率与激光器电容有关，而激光器电容与电流注入区面 积有关。为了提高DFB激光器的调制速率，通常采用短腔长结构，激光器的腔 长约为100μm左右，如此短的腔长导致激光器很难解理，严重影响了解理激光 器时的良率，最终影响了器件的生产良率；不仅如此，短腔长还使得激光器的 热阻很大，器件工作时结温很高，严重影响了器件性能和可靠性。
受器件的工作环境温度和器件散热等因素影响，半导体激光器的阈值电流 容易发生波动，导致器件的输出功率出现不稳定现象，忽高忽低，严重影响了 半导体激光器的使用场景和使用范围。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种半导体激光器集成芯片及其制备方法， 以解决现有技术中的半导体激光器芯片采用短腔长结构，导致激光器芯片难解 理、器件的生产良率低、热阻大、影响器件的性能和可靠性以及器件的阈值电 流易发生波动，导致器件的输出功率不稳定，严重影响半导体激光器的使用场 景和使用范围的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器集成芯片，包括激光出 射单元和激光探测单元；
所述半导体激光器集成芯片还包括：
所述公共外延结构；位于公共外延结构一侧的第一介质结构和分立外延结 构；所述分立外延结构包括相互独立的第一分立外延结构和第二分立外延结构； 沿第一方向，所述第一分立外延结构和所述第二分立外延结构分别位于所述第 一介质结构的两侧；沿第二方向，所述第一分立外延结构和所述第二分立外延 结构位于所述公共外延结构的一侧；所述第一方向与所述第二方向相交；
位于所述分立外延结构中的脊形结构；
位于所述公共外延结构远离所述分立外延结构一侧的公共电极；位于所述 脊形结构远离所述公共外延结构一侧的分立电极，所述分立电极包括相互独立 的第一分立电极和第二分立电极，所述第一分立电极位于所述第一分立外延结 构远离所述公共外延结构的一侧，所述第二分立电极位于所述第二分立外延结 构远离所述公共外延结构的一侧；
所述激光出射单元包括所述公共外延结构、所述第一分立外延结构、所述 第一分立电极和所述公共电极，所述激光探测单元包括所述公共外延结构、所 述第二分立外延结构、所述第二分立电极和所述公共电极；
沿所述第一方向，所述激光出射单元具备第一腔长，所述激光探测单元具 备第二腔长，所述半导体激光器集成芯片的腔长为所述第一腔长与所述第二腔 长之和。
可选的，沿所述第一方向，所述第一介质结构包括至少两个叠层设置的子 介质结构；
存在相邻两个所述子介质结构的折射率不同。
可选的，所述第一腔长范围为50-500μm；所述第二腔长可调。
可选的，沿所述第二方向，所述公共外延结构包括叠层设置的衬底、缓冲 层、下光场限制层和光栅层；
沿所述第二方向，所述分立外延结构包括叠层设置的下波导层、有源区、 上波导层、上光场限制层和上接触层。
可选的，所述上接触层和部分所述上光场限制层形成所述脊形结构；
所述半导体激光器集成芯片还包括第二介质层，所述第二介质层覆盖所述 脊形结构的侧面以及脊形两侧的平台区域。
第二方面，本发明实施例提供了一种半导体激光器集成芯片的制备方法， 用于制备第一方面实施例提供的半导体激光器集成芯片，包括：
制备公共外延层；
在公共外延层一侧制备第一介质层，图案化所述第一介质层形成沿第一方 向排列的多个第一介质结构；
在公共外延层一侧且在所述第一介质结构限定的区域制备分立外延层；
在所述外延层中形成脊形结构；
在所述公共外延层远离所述分立外延层的一侧制备公共电极层；在所述脊 形结构远离所述公共外延结构的一侧制备分立电极层；
沿预设解理位置对所述分立外延层、所述公共外延层、所述公共电极层和 所述分立电极层进行解理，形成多个分立外延结构、多个公共外延结构、多个 公共电极和多个分立电极；所述预设解理位置位于相邻两个所述第一介质结构 之间；
所述半导体激光器集成芯片包括所述公共外延结构、所述第一介质结构、 所述分立外延结构、所述公共电极和所述分立电极；所述分立外延结构包括相 互独立的第一分立外延结构和第二分立外延结构；所述分立电极包括相互独立 的第一分立电极和第二分立电极；沿所述第一方向，所述第一分立外延结构和 所述第二分立外延结构分别位于所述第一介质结构的两侧；沿第二方向，所述 第一分立外延结构位于所述公共外延结构的一侧，所述第一分立电极位于所述 第一分立外延结构远离所述公共外延结构的一侧，所述第二分立外延结构位于 所述公共外延结构的一侧，所述第二分立电极位于所述第二分立外延结构远离 所述公共外延结构的一侧；所述第一方向与所述第二方向相交；
所述激光出射单元包括所述公共外延结构、所述第一分立外延结构、所述 第一分立电极和所述公共电极，所述激光探测单元包括所述公共外延结构、所 述第二分立外延结构、所述第二分立电极和所述公共电极；
沿所述第一方向，所述激光出射单元具备第一腔长，所述激光探测单元具 备第二腔长，所述第一介质结构具有第三腔长，所述半导体激光器集成芯片的 腔长为所述第一腔长、所述第三腔长与所述第二腔长之和。
可选的，在公共外延层一侧制备第一介质层，包括：
沿所述第一方向，在所述公共外延层一侧制备至少两个叠层设置的子介质 层，存在相邻两个所述子介质层的折射率不同。
可选的，制备公共外延层，包括：
制备衬底；
在所述衬底一侧制备缓冲层；
在所述缓冲层远离所述衬底的一侧制备下光场限制层；
在所述下光场限制层远离所述衬底的一侧制备光栅层；
在公共外延层一侧且在所述第一介质结构限定的区域制备分立外延层，包 括：
在所述光栅层远离所述衬底的一侧制备下波导层；
在所述下波导层远离所述衬底的一侧制备有源区；
在所述有源区远离所述衬底的一侧制备上波导层；
在所述上波导层远离所述衬底的一侧制备上光场限制层；
在所述上光场限制层远离所述衬底的一侧制备上接触层。
可选的，在所述外延层中形成脊形结构，包括：
刻蚀所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构。
可选的，在所述公共外延结构远离所述分立外延结构的一侧制备公共电极 层，包括：
对所述衬底进行减薄；
在所述衬底远离所述分立外延结构的一侧制备公共电极层；
在所述脊形结构远离所述公共外延结构的一侧制备分立电极层，包括：
在所述脊形结构远离所述衬底的一侧制备第二介质层，所述第二介质层覆 盖所述脊形结构的上表面和侧面以及脊形两侧的平台区域；
去除所述脊形结构上表面的所述第二介质层，暴露所述上接触层的上表面；
在所述上接触层的上表面制备所述分立电极层。
本发明实施例提供的一种半导体激光器集成芯片，集成芯片包括激光出射 单元和激光探测单元，设置激光出射单元包括公共外延结构、第一分立外延结 构、第一分立电极和公共电极，激光出射单元用于出射激光；激光探测单元包 括述公共外延结构、第二分立外延结构、第二分立电极和公共电极，激光探测 单元用于探测激光出射单元的输出功率。通过设置第一介质结构位于激光出射 单元的第一分立外延结构和激光探测单元的第二分立外延结构的两侧，用于电 学隔离激光出射单元和激光探测单元，满足激光出射单元和激光探测单元独立 工作的要求。进一步，激光探测单元可以实时探测激光出射单元的激光输出功 率，从而可以根据探测到的输出功率对半导体激光器的注入电流进行调节，达到稳定半导体激光器输出功率的作用。同时，由于增加激光探测单元，使半导 体激光器集成芯片的腔长为激光出射单元的第一腔长与激光探测单元的第二腔 长之和，增加了半导体激光器集成芯片的总腔长，在生产制备中易解理，降低 了集成芯片的热阻，提高了集成芯片的生产良率，可显著降低器件生产成本。 通过此结构设计，使半导体激光器集成芯片具有腔长长、易解理和输出功率稳 定等优点，从而提高了器件的性能和可靠性，扩展了半导体激光器的使用场景 和使用范围，具有很好的市场竞争力。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明 的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1本发明实施例提供的半导体激光器集成芯片结构的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种半导体激光器集成芯片的制备方法的流程 图；
图3本发明实施例提供的一次外延生长后的半导体激光器集成芯片结构的 俯视示意图；
图4发明实施例提供的二次外延生长后的半导体激光器集成芯片结构的俯 视示意图；
图5为图4中半导体激光器集成芯片结构沿着AA'方向的截面示意图；
图6为图4中半导体激光器集成芯片结构沿着BB'方向的截面示意图；
图7为图4中半导体激光器集成芯片结构沿着CC'方向的截面示意图；
图8为本发明实施例提供的刻蚀制备脊形结构后半导体激光器集成芯片结 构的俯视示意图；
图9为图8中半导体激光器集成芯片结构沿着DD'方向的截面示意图；
图10为图9中半导体激光器集成芯片剥离第二介质膜后的截面示意图；
图11为制备完分立电极后半导体激光器集成芯片结构的俯视示意图；
图12为图11中半导体激光器集成芯片结构沿着FF'方向的截面示意图；
图13为图12中半导体激光器集成芯片制备完公共电极后的截面示意图；
图14为制备完公共电极后半导体激光器集成芯片沿图10中GG'方向的截面 示意图。
以下为附图标记说明：
图中101为衬底，102为缓冲层，103为下光场限制层，104为光栅层，105 为第一介质结构，106为下波导层，107为有源区，108为上波导层，109为上 光场限制层，110为上接触层，111为脊形结构，112为刻蚀掩膜，113为第二介 质层，114为第一分立电极，115为第二分立电极，116为公共电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例 中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述 的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施 例，均落入本发明的保护范围之内。
实施例
本发明实施例提供一种半导体激光器集成芯片，可用于生产制备DFB激光 器。图1本发明实施例提供的半导体激光器集成芯片结构的截面示意图。如图1 所示，半导体激光器集成芯片包括激光出射单元1和激光探测单元2；半导体激 光器集成芯片还包括：公共外延结构3；位于公共外延结构3一侧的第一介质结 构105和分立外延结构4；分立外延结构4包括相互独立的第一分立外延结构 41和第二分立外延结构42；沿第一方向x，第一分立外延结构41和第二分立外 延结构42分别位于第一介质结构105的两侧；沿第二方向y，第一分立外延结 构41和第二分立外延结构42位于公共外延结构3的一侧；第一方向x与第二 方向y相交；位于分立外延结构4中的脊形结构(图中未示出)；位于公共外延 结构3远离分立外延结构4一侧的公共电极116；位于脊形结构远离公共外延结 构3一侧的分立电极5，分立电极5包括相互独立的第一分立电极114和第二分 立电极115，第一分立电极114位于第一分立外延结构41远离公共外延结构3 的一侧，第二分立电极115位于第二分立外延结构42远离公共外延结构3的一 侧；激光出射单元1包括公共外延结构3、第一分立外延结构41、第一分立电 极114和公共电极116，激光探测单元2包括公共外延结构3、第二分立外延结 构42、第二分立电极115和公共电极116；沿第一方向x，激光出射单元1具备 第一腔长L1，激光探测单元2具备第二腔长L2，第一介质结构105具备第三腔 长L3，半导体激光器集成芯片的腔长L为第一腔长L1、第三腔长L3与第二腔 长L2之和。
示例性的，如图1所示，半导体激光器集成芯片包括激光出射单元1和激 光探测单元2，激光出射单元1作为半导体激光器集成芯片的激光器部分，包括 公共外延结构3、第一分立外延结构41、第一分立电极114和公共电极116，具 有满足激光产生的必要条件，用于出射激光；激光探测单元2作为半导体激光 器集成芯片的激光功率探测器部分，包括公共外延结构3、第二分立外延结构 42、第二分立电极115和公共电极116，用于探测激光出射单元1输出的激光输 出功率。
具体的，半导体激光器集成芯片还包括：公共外延结构3，作为激光出射单 元1和激光探测单元2的共同结构。进一步，第一介质结构105和分立外延结 构4位于公共外延结构3一侧，具体的，第一介质结构105的材料包括HfO2、 Si、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和 多晶硅等材料中的任意一种或两种以上的组合。第一介质结构105将半导体激 光器集成芯片中激光出射单元1和激光探测单元2进行电学隔离，从而使激光 出射单元1和激光探测单元2可以独立工作。
进一步，如图1所示，分立外延结构4包括相互独立的第一分立外延结构 41和第二分立外延结构42。具体的，设置第一方向x与第二方向y相交，沿第 一方向x，第一分立外延结构41和第二分立外延结构42分别位于第一介质结构 105的两侧，由于第一介质结构105的存在，实现第一分立外延结构41和第二 分立外延结构42的电学隔离；沿第二方向y，第一分立外延结构41和第二分立 外延结构42分别位于公共外延结构3的一侧。需要说明的是，第一分立外延结 构41和第二分立外延结构42的组成材料、结构和制备工艺等完全相同，第一 分立外延结构41作为激光出射单元1结构的一部分，第二分立外延结构42作 为激光探测单元2结构的一部分，实现激光出射单元1和激光探测单元2独立 工作。
进一步，在公共外延结构3远离分立外延结构4一侧的设置公共电极116， 设置分立外延结构4和第一介质结构105共同组成脊形结构(图中未示出)，由 于集成芯片尺寸小，设置脊形结构，可以进一步在远离公共外延结构3的一侧 脊形结构的上表面制备分立电极5。其中，如图1所示，分立电极5包括相互独 立的第一分立电极114和第二分立电极115，第一分立电极114与公共电极116 相对设置，作为激光出射单元1的导电电极对，其中，第一分立电极114与第 一分立外延结构41连接，位于第一分立外延结构41远离公共外延结构3的一 侧；第二分立电极115与公共电极116相对设置，作为激光探测单元2的导电 电极对，其中，第二分立电极115与第二分立外延结构42连接，位于第二分立 外延结构42远离公共外延结构3的一侧。分立电极5和公共电极116的具有较 好的欧姆接触，材料包括Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、Cr、TiN、ITO、AuGe、 AuGeNi和IGZO中的任意一种或两种以上的组合，具有导电性能。
进一步，通过合理设置第一介质结构105的结构，可以使激光出射单元1 出射的激光部分透过第一介质结构105进入激光探测单元2。当激光出射单元1 的激光输出功率发生波动时，相应的，激光探测单元2探测到的透过第一介质 结构105的部分激光也随之发生相应的变化，根据预设的激光功率比例关系， 设置激光探测单元2将激光输出功率反馈给半导体激光器，从而可以根据激光 探测单元2反馈的激光输出功率的变化对激光出射单元的注入电流进行调节， 从而达到稳定半导体激光器的输出功率的目的。
现有技术中，半导体激光器芯片的腔长较短，而本发明实施例中设置激光 探测单元2和第一介质结构105，参考图1，沿第一方向x，激光出射单元1的 第一腔长L1、第一介质结构105的第三腔长L3与激光探测单元2第二腔长L2 之和为半导体激光器集成芯片的腔长L，使半导体激光器集成芯片的腔长增加。 因此，集成芯片具有腔长长的特点，易解理，进而减少了器件的热阻，降低了 器件工作时的结温，可以大幅提升器件性能和生产良率，起到显著降低器件成 本的作用。
综上所述，本发明实施例提供的半导体激光器集成芯片，通过设置激光出 射单元和激光探测单元，设置第一介质结构将激光出射单元和激光探测单元电 学隔离，同时，满足激光探测单元实时探测激光出射单元的激光输出功率的探 测要求，从而可以根据探测到的输出功率对半导体激光器的注入电流进行调节， 达到稳定半导体激光器输出功率的作用。同时，由于增加激光探测单元，使半 导体激光器集成芯片的腔长为激光出射单元的第一腔长与激光探测单元的第二 腔长之和，增加了半导体激光器集成芯片的总腔长，在生产制备中易解理，降 低了集成芯片的热阻，提高了集成芯片的生产良率，可显著降低器件生产成本。 因此，通过此结构设计，使半导体激光器集成芯片具有腔长长、易解理和输出功率稳定等优点，从而提高了器件的性能和可靠性，扩展了半导体激光器的使 用场景和使用范围，具有很好的市场竞争力。
可选的，沿第一方向x，第一介质结构105包括至少两个叠层设置的子介质 结构(图中未示出)；存在相邻两个子介质结构的折射率n不同。
示例性的，沿第一方向x，设置第一介质结构105包括至少两个叠层设置的 子介质结构，子介质结构的材料包括HfO2、Si、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、 SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和多晶硅等材料中的任意一种或两种以上的 组合。通过合理选择子介质结构的材料，并对其有效组合，设置存在相邻两个 子介质结构的折射率不同，使第一介质结构105对激光出射单元1输出的激光 沿第一方向x具有特定的透过率，实现激光出射单元1输出的激光部分透过第 一介质结构105进入激光探测单元2，满足激光探测单元2的激光探测功率要求。
可选的，继续参照图1，第一腔长L1范围为50-500μm；第二腔长L2可调。
示例性，半导体激光器集成芯片的腔长L为激光出射单元1的第一腔长L1、 第一介质结构105的第三腔长L3与激光探测单元2的第二腔长L2之和。具体 的，本发明实施例提供的半导体激光器的激光出射单元1的第一腔长L1范围可 以在50-500μm，第一介质结构105的第三腔长L3较短，可忽略不计，设置激 光探测单元2的第二腔长L2可调，通过调节第二腔长L2的长度可以得到半导 体激光器集成芯片的腔长L的范围满足50μm-5mm。如此设置，大大增加了半 导体激光器集成芯片的腔长范围，使其在生产制备中易解理，可大幅提升器件性能和生产良率，显著降低器件成本，具有很好的市场竞争力。
作为一种可行的实施方式，继续参照图1，沿第二方向y，公共外延结构3 包括叠层设置的衬底101、缓冲层102、下光场限制层103和光栅层104；沿第 二方向y，分立外延结构4包括叠层设置的下波导层106(206)、有源区107(207)、 上波导层108(208)、上光场限制层109(209)和上接触层110(210)。
具体的，继续参照图1，沿第二方向y，公共外延结构3为激光出射单元1 和激光探测单元2的共同结构，包括叠层设置的衬底101、缓冲层102、下光场 限制层103和光栅层104。其中，衬底材料包括GaAs、InP、GaN、AlGaN、InGaN、 AlN、蓝宝石、SiC、Si和SOI中的任意一种或两种以上的组合。
进一步，还可以设置第一介质结构105与光栅层104结合，通过合理设置 第一介质结构105的结构，使第一介质结构105作为半导体激光器集成芯片中 激光出射单元1的激光振荡谐振腔后腔面的高反射膜，在满足激光探测单元2 探测激光输出功率的同时，有效增强的激光振荡谐振腔后腔面的反射率，进而 提高激光有效输出功率。
分立外延结构4包括的第一分立外延结构41作为激光出射单元1重要的发 光区域，以及分立外延结构4包括的第二分立外延结构42作为激光探测单元2 中重要的探测区域。具体的，参照图1，第一分立外延结构41包括叠层设置的 下波导层106、有源区107、上波导层108、上光场限制层109和上接触层110； 第二分立外延结构42包括叠层设置的下波导层206、有源区207、上波导层208、 上光场限制层209和上接触层210。需要说明的是，第一分立外延结构41和第 二分立外延结构42的结构、材料和制备方法完全相同，只是在本发明中根据功 能不同进行了划分。具体的，接触层，限制层、波导层和有源区的材料包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asx2Py2N1-x2-y2，满足如下的关系：0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤x2≤1、 0≤y2≤1、0≤(x1+y1)≤1、0≤(x2+y2)≤1。
可选的，上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构；半导体激光器集成 芯片还包括第二介质层，第二介质层覆盖脊形结构的侧面以及脊形两侧的平台 区域。
示例性的，设置分立外延结构中的上接触层和部分上光场限制层形成脊形 结构，脊形结构的上表面与半导体激光器集成芯片的分立电极相连，为了避免 脊形结构侧壁以及脊形两侧的平台区域漏电流存在，半导体激光器集成芯片还 包括第二介质层，设置第二介质层覆盖脊形结构的侧面以及脊形两侧的平台区 域，其中，第二介质层的材料包括HfO2、Si、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、 SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和多晶硅等材料中的任意一种或两种以上的 组合。
本发明实施例还提供了一种半导体激光器集成芯片的制备方法，用于制备 上述实施例所述的半导体激光器集成芯片。图2为本发明实施例提供的一种半 导体激光器集成芯片的制备方法的流程图；图3本发明实施例提供的一次外延 生长后的半导体激光器集成芯片结构的俯视示意图；图4发明实施例提供的二 次外延生长后的半导体激光器集成芯片结构的俯视示意图；图5为图4中半导 体激光器集成芯片结构沿着AA'方向的截面示意图；图6为图4中半导体激光器 集成芯片结构沿着BB'方向的截面示意图；图7为图4中半导体激光器集成芯片 结构沿着CC'方向的截面示意图；图8为本发明实施例提供的刻蚀制备脊形结构 后半导体激光器集成芯片结构的俯视示意图；图8为图8中半导体激光器集成 芯片结构沿着DD'方向的截面示意图；图10为图9中半导体激光器集成芯片剥 离第二介质膜后的截面示意图；图11为制备完分立电极后半导体激光器集成芯 片结构的俯视示意图；图12为图11中半导体激光器集成芯片结构沿着FF'方向 的截面示意图；图13为图12中半导体激光器集成芯片制备完公共电极后的截 面示意图；图14为制备完公共电极后半导体激光器集成芯片沿图10中GG'方向 的截面示意图。如图2-14所述，半导体激光器集成芯片的制备方法包括：
S01、制备公共外延层。
具体的，采用一次外延生长的方式制备得到半导体激光器集成芯片的公共 外延层3’，如图3所示。
S02、在公共外延层一侧制备第一介质层，图案化第一介质层形成沿第一方 向排列的多个第一介质结构。
具体的，参照图4-7所示，在公共外延层的一侧表面沉积第一介质膜制备得 到第一介质层，其中，第一介质膜的材料包括HfO2、Si、SiO2、SiNx、SiON、 Al2O3、AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和多晶硅等材料中的任意一 种或两种以上的组合，并结合光刻和刻蚀技术，使第一介质层沿图4中第一方 向x形成具有特定间距排列的多个第一介质结构105。其中，第一介质结构105 主要作为外延生长的掩膜，阻止后续二次外延生长过程中外延层在此处生长。 其中，相邻两个第一介质结构105的间距根据实际生产中半导体激光器集成芯 片的腔长确定，此处不做具体的限定。
进一步，通过合理选择第一介质层的材料以及对其折射率等参数的进行设 计，可以使第一介质结构不仅可作为二次外延生长的掩膜，阻止后续二次外延 过程中外延层在此处生长；还可以与光栅层的光栅图形结合，作为半导体激光 器集成芯片中激光器的腔面高反射膜，可以有效增强腔面反射率；同时还将半 导体激光器集成芯片中激光出射单元和探测探测单元进行电学隔离。
S03、在公共外延层一侧且在第一介质结构限定的区域制备分立外延层。
具体的，继续参照图4-7所示，采用二次外延生长的方式在公共外延层远离 沉底101的一侧表面且在第一介质结构105限定的特定间距区域制备分立外延 层。其中，如图6和图7所示，分立外延层包括沿光栅层104叠层设置的下波 导层106、有源区107、上波导层108、上光场限制层109和上接触层110。具 体的，上接触层，上光场限制层、上波导层和有源区的材料包括 Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asx2Py2N1-x2-y2，其中，满足如下的关系：0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤x2≤1、 0≤y2≤1、0≤(x1+y1)≤1、0≤(x2+y2)≤1。。
S04、在外延层中形成脊形结构。
具体的，对制备得到外延片清洗，进一步，在外延片表面旋涂光刻胶，光 刻出脊形图形。其中，112为刻蚀掩膜，进行干法刻蚀或湿法腐蚀以形成脊形结 构111，如图8和图9所示。具体的，如图9所示，脊形结构111包括部分上光 场限制层109和上接触层110。
S05、在公共外延层远离分立外延层的一侧制备公共电极层；在脊形结构远 离公共外延结构的一侧制备分立电极层。
具体的，在脊形结构111远离公共外延层的一侧旋涂光刻胶进行光刻，随 后结合镀膜和剥离技术，制备分立电极层，其中，分立电极层包括激光器的第 一电极114和探测器的第一电极115，并进行热退火，以形成较好的欧姆接触金 属，如图9和图10所示。随后用同样的制备方法，在外延片的公共外延层远离 分立外延层的一侧表面，即衬底的另一侧制备公共电极层116，如图13所示。 需要说明的是，公共电极层和分立电极层的制备顺序这里不做限定，欧姆接触 金属包括Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、Cr、TiN、ITO、AuGe、AuGeNi和IGZO 中的任意一种或两种以上的组合。
S06、沿预设解理位置对分立外延层、公共外延层、公共电极层和分立电极 层进行解理，形成多个分立外延结构、多个公共外延结构、多个公共电极和多 个分立电极；预设解理位置位于相邻两个第一介质结构之间。
具体的，预设解理位置在相邻两个第一介质结构105之间，根据半导体激 光器集成芯片激光器腔长和探测器腔长的设计需要确定。如图11中箭头C处所 示，沿预设解理位置对分立外延层、公共外延层、公共电极层和分立电极层进 行解理，使外延片形成多个分立外延结构、多个公共外延结构、多个公共电极 和多个分立电极，通过对外延片解理得到多个半导体激光器集成芯片。
半导体激光器集成芯片包括公共外延结构、第一介质结构、分立外延结构、 公共电极和分立电极；分立外延结构包括相互独立的第一分立外延结构和第二 分立外延结构；分立电极包括相互独立的第一分立电极和第二分立电极；沿第 一方向，第一分立外延结构和第二分立外延结构分别位于第一介质结构的两侧； 沿第二方向，第一分立外延结构位于公共外延结构的一侧，第一分立电极位于 第一分立外延结构远离公共外延结构的一侧，第二分立外延结构位于公共外延 结构的一侧，第二分立电极位于第二分立外延结构远离公共外延结构的一侧； 第一方向与第二方向相交；激光出射单元包括公共外延结构、第一分立外延结 构、第一分立电极和公共电极，激光探测单元包括公共外延结构、第二分立外 延结构、第二分立电极和公共电极；沿第一方向，激光出射单元具备第一腔长， 激光探测单元具备第二腔长，半导体激光器集成芯片的腔长为第一腔长与第二 腔长之和。
示例性的，参照图14或图1，通过划片、解理、镀膜和裂片等制备工艺， 得到单个半导体激光器集成芯片，半导体激光器集成芯片包括公共外延结构3、 第一介质结构105、分立外延结构4、公共电极5和分立电极116。具体的，半 导体激光器集成芯片包括激光出射单元1和激光探测单元2，激光出射单元1作 为半导体激光器集成芯片的激光器部分，包括公共外延结构3、第一分立外延结 构41、第一分立电极114和公共电极116，具有满足激光产生的必要条件，用 于出射激光；激光探测单元2作为半导体激光器集成芯片的激光功率探测器部 分，包括公共外延结构3、第二分立外延结构42、第二分立电极115和公共电 极116，用于探测激光出射单元1输出的激光输出功率。其中，沿X方向，第 一介质结构105将光出射单元1和激光探测单元2电学隔离，满足激光探测单 元实时探测激光出射单元的激光输出功率的探测要求，从而可以根据探测到的 输出功率对半导体激光器的注入电流进行调节，达到稳定半导体激光器输出功 率的作用。
同时，沿x方向，激光出射单元1的第一腔长L1与激光探测单元2第二腔 长L2之和为半导体激光器集成芯片的腔长L。实现腔长长的特点，易解理，进 而减少了器件的热阻，降低了器件工作时的结温，可以大幅提升器件性能和生 产良率，起到显著降低器件成本的作用。
综上所述，本发明实施例提供的一种半导体激光器集成芯片的制备方法， 通过采用在公共外延结构的一侧生长制备第一介质结构，设置第一介质结构将 激光出射单元和激光探测单元电学隔离，以及解理得到激光出射单元的第一腔 长L1与激光探测单元的第二腔长L2之和的半导体激光器集成芯片的腔长L， 该制备方法得到的半导体激光器集成芯片具有腔长长、易解理和输出功率稳定 等优点，从而提高了器件的性能和可靠性，扩展了半导体激光器的使用场景和 使用范围，具有很好的市场竞争力。
可选的，在公共外延层一侧制备第一介质层，包括：
沿第一方向，在公共外延层一侧制备至少两个叠层设置的子介质层，存在 相邻两个所述子介质层的折射率不同。
具体的，继续参照图7，沿x方向，设置公共外延层包括至少两个叠层设置 的子介质结构，子介质结构的材料包括HfO2、Si、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、 AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和多晶硅等材料中的任意一种或两种 以上的组合，根据折射率不同，设置存在相邻两个子介质结构的折射率不同， 通过合理选择子介质结构的材料，并对其有效组合，使第一介质层行成的第一 介质结构105沿第一方向x具有特定的透过率，实现半导体激光器输出的激光 部分透过第一介质结构105进入半导体激光器的探测器，满足探测器探测激光功率的要求。
可选的，参照图6和图7，制备公共外延层，包括：
制备衬底。
在衬底一侧制备缓冲层。
在缓冲层远离衬底的一侧制备下光场限制层。
在下光场限制层远离衬底的一侧制备光栅层。
具体的，提供衬底材料，包括GaN、AlN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、蓝 宝石、SiC、Si和SOI中的任意一种或两种以上的组合，制备衬底101，采用一 次外延生长方式，在远离衬底101一侧的方向制备缓冲层102，在缓冲层102远 离衬底201的一侧制备下光场限制层103，在下光场限制层103远离衬底101的 一侧制备光栅层104，如图6和图7所示。
进一步，在共外延层表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光或全息曝光等技术 在光栅层104表面制备光栅图形，随后通过干法刻蚀或湿法腐蚀将光栅图形转 移到光栅层104中。
在公共外延层一侧且在第一介质结构限定的区域制备分立外延层，包括：
在光栅层远离衬底的一侧制备下波导层。
在下波导层远离衬底的一侧制备有源区。
在有源区远离衬底的一侧制备上波导层。
在上波导层远离衬底的一侧制备上光场限制层。
在上光场限制层远离衬底的一侧制备上接触层。
具体的，如图4-7所示，在公共外延层一侧且在第一介质结构105限定的区 域制备分立外延层，具体的，包括：在光栅层104远离衬底101的一侧制备下 波导层106，在下波导层106远离衬底101的一侧制备有源区107，在有源区107 远离衬底101的一侧制备上波导层108，在上波导层108远离衬底101的一侧制 备上光场限制层109，在上光场限制层109远离衬底101的一侧制备上接触层 110。其中，接触层，限制层、波导层和有源区的材料包括
Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asx2Py2N1-x2-y2，满足如下的关系：0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤x2≤1、0≤y2≤1、0≤(x1+y1)≤1、0≤(x2+y2)≤1。
可选的，参照图8和图9，在外延层中形成脊形结构，包括：刻蚀上接触层 和部分上光场限制层形成脊形结构。
具体的，采用干法刻蚀或湿法腐蚀的方式刻蚀上接触层110和部分上光场 限制层109以形成脊形结构111，如图8和图9所示。
可选的，参照图12和图13，在公共外延结构远离分立外延结构的一侧制备 公共电极层，包括：
对衬底进行减薄。
在衬底远离分立外延结构的一侧制备公共电极层。
具体的，对公共外延结构的衬底101远离分立外延结构的一侧进行减薄， 可以采用沉积欧姆金属的方式，在减薄的衬底101的一侧沉积欧姆金属制备得 到公共电极层，作为半导体激光器集成芯片激光器和探测器的公共电极116，如 图12和图13所示。其中，公共电极层的材料包括Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、 Cr、TiN、ITO、AuGe、AuGeNi和IGZO中的任意一种或两种以上的组合。
在脊形结构远离公共外延结构的一侧制备分立电极层，包括：
在脊形结构远离衬底的一侧制备第二介质层，第二介质层覆盖脊形结构的 上表面和侧面以及脊形两侧的平台区域。
去除脊形结构上表面的第二介质层，暴露上接触层的上表面。
在上接触层的上表面制备分立电极层。
具体的，在脊形结构远离衬底101的一侧表面沉积第二介质膜以形成第二 介质层113，第二介质膜覆盖脊形结构的上表面和侧面以及脊形两侧的平台区 域。第二介质膜材料包括HfO2、Si、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、SiAlON、 TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和多晶硅等材料中的任意一种或两种以上的组合，具 有绝缘特性。进一步，对脊形结构中上接触层110上表面的光刻胶进行剥离， 如图10所示。进一步，在上接触层110的上表面沉积欧姆金属制备得到分立电 极层，作为半导体激光器集成芯片的分立电极。此处的第二介质层113主要用于钝化激光器的脊形结构侧壁，同时将分立电极与脊形结构的侧壁以及脊形结 构的两侧进行电学绝缘。
作为一个可行的实施方式，列举一个具体的实施例，基于上述实施例提供 的导体激光器集芯片制备方法制备磷化铟(InP)基DFB激光器。继续参考图3-14， 具体的制备方法包括：
采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在n型InP衬底上生长1μm的 n-InP缓冲层，1μm的n-InP光场限制层，100nm的InAlGaAs光栅层，如图3 所示。
在外延片表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光或全息曝光等技术在光栅层表 面制备一阶光栅图形，随后通过电感耦合等离子(ICP)刻蚀，或硫酸双氧水和水 的混合溶液进行湿法腐蚀，将光栅图形转移到光栅层中。
在外延片表面沉积200nm厚的SiO2行成第一介质膜，并结合光刻和刻蚀技 术将其图形化，随后将外延片清洗干净。
在外延片表面进行二次外延生长，具体包含100nm的AlGaAs下波导层， 10对周期厚度为12nm的AlGaInAs应变多量子阱，200nm的InAlGaAs上波导 层，1.5μm的p-InP光场限制层，100nm的p-InGaAs接触层，形成激光器结构， 如图4、图5、图6和图7所示。
清洗外延片，在外延片表面旋涂光刻胶，光刻出脊形图形，随后进行电感 耦合等离子(ICP)刻蚀，或硫酸双氧水和水的混合溶液进行湿法腐蚀，以形成脊 形波导，如图8和图9所示。
在外延片表面沉积第二介质膜250nm的SiN，随后采用脊形上方的光刻胶 进行剥离，如图10所示。
在外延片表面旋涂光刻胶进行光刻，随后结合镀膜和剥离技术，制备激光 器的第一电极Ti/Au，并进行热退火，以形成较好的欧姆接触，如图11和图12 所示。
对外延片进行减薄、研磨和抛光等，随后在外延片衬底面制备公共电极 Ni/AuGe/Ni/Au，如图13和14所示，随后进行热退火，以形成较好的欧姆接触。
进行划片、解理、镀膜和裂片，形成磷化铟(InP)基DFB激光器的集成芯片 管芯。
综上所示，采用本发明实施例提供的半导体激光器集成芯片的制备方法， 制备得到磷化铟(InP)基DFB激光器。其中，磷化铟(InP)基DFB激光器的集成 芯片包含激光器和探测器两个部分，集成芯片的长度由激光器腔长和探测器长 度组成，集成芯片总长度较长，因此，本发明实施例提供的半导体激光器集成 芯片腔长长，易解理。另外，探测器还可以探测激光器的输出光功率，从而根 据探测器探测到的输出功率对激光器的注入电流进行调节，从而稳定激光器的 输出功率，因此本发明实施例提供的半导体激光器集成芯片具有非常好的输出 功率稳定性。上述优点可以大幅提升器件性能和生产良率，显著降低器件成本， 使本发明是实施例提供的半导体激光器集成芯片具有很好的市场竞争力。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征 可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技 术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相 互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本 发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本 发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附 的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种半导体激光器集成芯片，其特征在于，包括激光出射单元和激光探测单元；
所述半导体激光器集成芯片还包括：
公共外延结构；
位于所述公共外延结构一侧的第一介质结构和分立外延结构；所述分立外延结构包括相互独立的第一分立外延结构和第二分立外延结构；沿第一方向，所述第一分立外延结构和所述第二分立外延结构分别位于所述第一介质结构的两侧；沿第二方向，所述第一分立外延结构和所述第二分立外延结构位于所述公共外延结构的同一侧；所述第一方向与所述第二方向相交；
位于所述分立外延结构中的脊形结构；
位于所述公共外延结构远离所述分立外延结构一侧的公共电极；位于所述脊形结构远离所述公共外延结构一侧的分立电极，所述分立电极包括相互独立的第一分立电极和第二分立电极，所述第一分立电极位于所述第一分立外延结构远离所述公共外延结构的一侧，所述第二分立电极位于所述第二分立外延结构远离所述公共外延结构的一侧；
所述激光出射单元包括所述公共外延结构、所述第一分立外延结构、所述第一分立电极和所述公共电极，所述激光探测单元包括所述公共外延结构、所述第二分立外延结构、所述第二分立电极和所述公共电极；
沿所述第一方向，所述激光出射单元具备第一腔长，所述激光探测单元具备第二腔长，所述第一介质结构具备第三腔长，所述半导体激光器集成芯片的腔长为所述第一腔长、所述第三腔长与所述第二腔长之和。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器集成芯片，其特征在于，沿所述第一方向，所述第一介质结构包括至少两个叠层设置的子介质结构；
存在相邻两个所述子介质结构的折射率不同。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器集成芯片，其特征在于，所述第一腔长范围为50-500μm；所述第二腔长可调。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器集成芯片，其特征在于，沿所述第二方向，所述公共外延结构包括叠层设置的衬底、缓冲层、下光场限制层和光栅层；
沿所述第二方向，所述分立外延结构包括叠层设置的下波导层、有源区、上波导层、上光场限制层和上接触层。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器集成芯片，其特征在于，所述上接触层和部分所述上光场限制层形成所述脊形结构；
所述半导体激光器集成芯片还包括第二介质层，所述第二介质层覆盖所述脊形结构的侧面以及脊形两侧的平台区域。
6.一种半导体激光器集成芯片的制备方法，用于制备权利要求1-5任一项所述的半导体激光器集成芯片，其特征在于，包括：
制备公共外延层；
在公共外延层一侧制备第一介质层，图案化所述第一介质层形成沿第一方向排列的多个第一介质结构；
在公共外延层一侧且在所述第一介质结构限定的区域制备分立外延层；
在所述分立外延层中形成脊形结构；
在所述公共外延层远离所述分立外延层的一侧制备公共电极层；在所述脊形结构远离所述公共外延结构的一侧制备分立电极层；
沿预设解理位置对所述分立外延层、所述公共外延层、所述公共电极层和所述分立电极层进行解理，形成多个分立外延结构、多个公共外延结构、多个公共电极和多个分立电极；所述预设解理位置位于相邻两个所述第一介质结构之间；
所述半导体激光器集成芯片包括所述公共外延结构、所述第一介质结构、所述分立外延结构、所述公共电极和所述分立电极；所述分立外延结构包括相互独立的第一分立外延结构和第二分立外延结构；所述分立电极包括相互独立的第一分立电极和第二分立电极；沿第一方向，所述第一分立外延结构和所述第二分立外延结构分别位于所述第一介质结构的两侧；沿第二方向，所述第一分立外延结构和所述第二分立外延结构位于所述公共外延结构的同一侧，所述第一分立电极位于所述第一分立外延结构远离所述公共外延结构的一侧，所述第二分立电极位于所述第二分立外延结构远离所述公共外延结构的一侧；所述第一方向与所述第二方向相交；
所述激光出射单元包括所述公共外延结构、所述第一分立外延结构、所述第一分立电极和所述公共电极，所述激光探测单元包括所述公共外延结构、所述第二分立外延结构、所述第二分立电极和所述公共电极；
沿所述第一方向，所述激光出射单元具备第一腔长，所述激光探测单元具备第二腔长，所述第一介质结构具备第三腔长，所述半导体激光器集成芯片的腔长为所述第一腔长、所述第三腔长与所述第二腔长之和。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在公共外延层一侧制备第一介质层，包括：
沿所述第一方向，在所述公共外延层一侧制备至少两个叠层设置的子介质层，存在相邻两个所述子介质层的折射率不同。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，制备公共外延层，包括：
制备衬底；
在所述衬底一侧制备缓冲层；
在所述缓冲层远离所述衬底的一侧制备下光场限制层；
在所述下光场限制层远离所述衬底的一侧制备光栅层；
在公共外延层一侧且在所述第一介质结构限定的区域制备分立外延层，包括：
在所述光栅层远离所述衬底的一侧制备下波导层；
在所述下波导层远离所述衬底的一侧制备有源区；
在所述有源区远离所述衬底的一侧制备上波导层；
在所述上波导层远离所述衬底的一侧制备上光场限制层；
在所述上光场限制层远离所述衬底的一侧制备上接触层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述外延层中形成脊形结构，包括：
刻蚀所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述公共外延结构远离所述分立外延结构的一侧制备公共电极层，包括：
对所述衬底进行减薄；
在所述衬底远离所述分立外延结构的一侧制备公共电极层；
在所述脊形结构远离所述公共外延结构的一侧制备分立电极层，包括：
在所述脊形结构远离所述衬底的一侧制备第二介质层，所述第二介质层覆盖所述脊形结构的上表面和侧面以及脊形两侧的平台区域；
去除所述脊形结构上表面的所述第二介质层，暴露所述上接触层的上表面；
在所述上接触层的上表面制备所述分立电极层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113851925A (zh) * 2021-09-28 2021-12-28 太原理工大学 一种光子集成的宽带混沌激光器

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