CN116316054A - 一种具有电流非注入层的激光芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有电流非注入层的激光芯片，所述激光芯片在所述脊波导层与所述前端面接触的部分凹进形成台阶，所述台阶上设有电流非注入层，所述第三电极生长在所述电流非注入层的上方。本发明利用电流非注入层技术，在激光芯片的发射腔面侧制备电流非注入层，并在电流非注入层的上方生长第三电极。当第三电极加正向电压时，会使得电流非注入层下方p型半导体的耗尽层向有源区推移，抑制腔面部分的载流子浓度，从而减少腔面有源区载流子的注入，减少腔面的光吸收，从而降低腔面的温度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种具有电流非注入层的激光芯片及其制备方法。
背景技术
由于大功率半导体激光器的众多优点，FP大功率半导体激光器现已被广泛应用于生产加工、激光通信、医疗美容、自动控制以及军事武器等众多领域。鉴于FP大功率半导体激光器广泛的应用前景，各国纷纷加速实施大功率半导体激光器技术研发计划，布局大功率半导体激光器产业，使得FP半导体激光器及其相关产业得以迅速发展。
腔面光学灾变性损伤(Catastrophic OpticalDamage，COD)是边发射半导体激光器发展中面临的一大挑战。针对如何抑制大功率半导体激光器腔面处发生COD，主流方法有：腔面钝化处理技术、腔面镀膜工艺、非吸收窗口技术、引入电流非注入层和电流阻挡层技术。其中添加电流非注入层技术由于具有工艺简单、易于实现、工艺兼容性好的特点，已成为目前高功率半导体激光器的主要结构方式。
目前主流的FP半导体激光器有以InGaN/GaN为有源区的蓝紫光激光器和以AlGaN/GaN为有源区的紫外/深紫外激光器。无论何种材料和结构的激光器，都是旨在减小横向电流，提高可靠性和电流注入均匀性，降低有源区的温度，提高器件功率。为此研究人员开展了一系列研究。例如，专利号CN109103746A的中国专利公开了一种半导体激光器，包括衬底和有源区与p型包覆层之间的p型电子溢出防止层的半导体激光器，还包括p型应变层(p型AlzIn1-zAs层，其中z>x)，p型应变层具有大的带隙，在p型电子溢出防止层( p型AlxIn1-xAs层 )和p型覆盖层之间。专利号CN113659433A的中国专利公开了一种带有N面非注入区窗口的半导体激光器，基于现有的腔面非注入区技术，通过在较厚的N面衬底制作非注入区窗口来减少前后腔面处的载流子浓度，减小光吸收，提高器件性能。
但是，本发明的发明人在长期研发中发现，现有的激光器的非注入结构是无法调控有源区的温度，而且在边缘处由于电流的横向扩展仍然有很强的电场和电流注入，使得器件在工作中结温得不到有效控制，从而导致激光器的效率下降，可靠性降低。
发明内容
本发明的目的为针对当前FP激光器性能受芯片的腔面温度影响程度大，提供一种具有电流非注入层的激光芯片及其制备方法。本发明利用电流非注入层技术，在激光芯片的发射腔面侧制备电流非注入层，并在电流非注入层的上方生长第三电极。当第三电极加正向电压时，会使得电流非注入层下方p型半导体的耗尽层向有源区推移，抑制腔面部分的载流子浓度，从而减少腔面有源区载流子的注入，减少腔面的光吸收，从而降低腔面的温度。
相比于在N侧设置非电流注入层，与衬底共用阴极电极，在P侧可以通过设置第三电极，电压设置更加方便，能更好地控制耗尽层的厚度，能更有效的阻止载流子注入到腔面处的有源区内。
另外，如果电流非注入层使用厚的SiO2层，将会导致光场与SiO2接触后出现不必要的光散射损耗，降低器件性能。所以单独设置第三电极能将非电流注入层做得很薄，不影响器件性能。
本发明提供一种具有电流非注入层的激光芯片，所述激光芯片包括沿着芯片外延生长方向依次为阴极电极、衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导层、阳极电极和第三电极，以及前端面和后端面，所述前端面和所述后端面设置在所述激光芯片对立的两个侧面；所述衬底层下方设置有所述阴极电极，所述脊波导层上方设置有所述阳极电极，所述脊波导层与所述前端面接触的部分凹进形成台阶，所述台阶上设有电流非注入层，所述第三电极生长在所述电流非注入层的上方。
所述电流非注入层材料选自Al2O3，SiN或SiO2的其中一种组成，厚度为10-50nm。
所述第三电极采用为Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的其中一种或多种组成。
所述激光芯片还包括钝化层、反射膜和增透膜，所述钝化层包覆除了所述阴极电极、阳极电极、第三电极、所述前端面以及所述后端面以外的所述激光芯片的表面，以及，所述后端面镀有所述反射膜，所述前端面镀有所述增透膜。
所述衬底层采用GaAs组成，厚度为200nm；
所述下限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
所述下波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；
所述量子阱有源层采用交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层组成，厚度为0.1μm；
所述上波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；
所述上限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3-1μm；
所述脊波导层采用AlGaAs组成，厚度为280nm；
所述钝化层采用SiO2组成，厚度为50nm-500nm；
所述阴极电极和所述阳极电极采用Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的其中一种或多种组成；
所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。
本发明实施例还提供一种具有电流非注入层的激光芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将一衬底层放在MOCVD设备生长室内，依次生长下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导层，得到激光芯片的外延结构，所述脊波导层通过光刻和干法刻蚀工艺制备，所述脊波导层的高度为280nm；
步骤二：以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀所述脊波导层与前端面临近的部分制备10nm-50nm的台阶，然后不去掉所述光刻胶；
步骤三：通过PECVD或者磁控溅射技术在所述台阶上沉积与所述台阶深度相同厚度相同的电流非注入层，去除所述光刻胶，所述电流非注入层只在与所述前端面临近的所述台阶上，所述电流非注入层为一种绝缘介质，具体采用自Al2O3，SiN或SiO2的其中一种组成，厚度为10-50nm；
步骤四：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极，阳极电极和第三电极，所述第三电极生长在所述电流非注入层的上方。
步骤五：使用PECVD沉积厚度为300nm的钝化层，并通过光刻技术和使用BOE腐蚀液去除所述阴极电极、所述阳极电极、所述第三电极、所述前端面及所述后端面表面的钝化层，暴露电注入窗口；
步骤六：通过化学镀、电镀等方法在激光芯片的所述后端面镀上反射系数为50％-100％的反射膜，在激光芯片的所述前端面镀上反射系数小于等于10％的增透膜，得到一种具有电流非注入层的激光芯片。
本发明的有益效果是：
本发明通过在激光芯片的脊波导层处设置电流非注入层结构，并在非注入层的上面设置独立电极，通正电压，使得绝缘层下方p型半导体的耗尽层向有源区推移，抑制芯片腔面部分的载流子浓度，从而降低腔面的温度，减少非辐射复合，光吸收相对减少，降低腔面处产生的热量，提高COD阈值，提升激光芯片特性。
附图说明
图1一种具有电流非注入层的激光芯片及其制备方法制备步骤图；
图2为背景技术中介绍的一种传统激光器侧视截面结构示意图；
图3为背景技术中介绍的一种传统激光器主视截面结构示意图；
图4为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片的侧视结构示意图；
图5为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片的俯视结构示意图；
图6为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片的外延结构截面结构示意图；
图7为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片的脊波导层截面结构示意图；
图8为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片在脊波导层前端面刻蚀成台阶侧面结构示意图；
图9为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片生长电流非注入层侧面结构示意图；
图10为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片制备各个电极侧面结构示意图；
图11为本发明的一种具有电流非注入层的激光芯片沉积钝化层俯视结构示意图；
其中，101.衬底层，102.下限制层，103.下波导层，104.量子阱有源层，105.上波导层，106.上限制层，107.脊波导层，108.阴极电极，109.阳极电极，110.钝化层，111.电流非注入层，112.第三电极，113.反射膜，114.增透膜，115.光刻胶，116.前端面，117.后端面，118.台阶。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参阅图4、5，本发明提供一种具有电流非注入层的激光芯片，所述激光芯片包括沿着芯片外延生长方向依次为阴极电极108、衬底层101、下限制层102、下波导层103、量子阱有源层104、上波导层105、上限制层106、脊波导层107、阳极电极109和第三电极112，以及前端面116和后端面117，所述前端面116和所述后端面117设置在所述激光芯片对立的两个侧面；所述衬底层101下方设置有所述阴极电极108，所述脊波导层107上方设置有所述阳极电极109，所述脊波导层107与所述前端面116接触的部分凹进形成台阶118，所述台阶118上设有电流非注入层111，所述第三电极112生长在所述电流非注入层111的上方。
所述电流非注入层111材料选自Al2O3，SiN或SiO2的其中一种组成，厚度为10-50nm。
所述第三电极112采用为Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的其中一种或多种组成。
一般情况下，激光芯片的发射端面出的载流子浓度会增加芯片腔面处的发热量，腔面的温度过高，会严重的影响整个激光芯片的激光发射效率及光质量，若是在激光发射腔面的部分设置一绝缘层来降低腔面的载流子浓度，必须得考虑绝缘层的厚度对发射的激光的质量的影响。为此，在本发明实施例中，是通过施加电压的方式进行腔面载流子浓度的控制，所述第三电极112同样是设置在脊波导层107的上方，与所述阳极电极109不存在任何的电接触关系，通过在第三电极上施加一正电压，在电压的驱使下，腔面附近的载流子向有源区位置进行推移，从而抑制激光发射腔面处的载流子浓度，而且在本实施例中，第三电极112下方的电流非注入层111可以采用更薄的绝缘层组成，保持激光输出的高质量和高效率。
所述激光芯片还包括钝化层110、反射膜113和增透膜114，所述钝化层110包覆除了所述阴极电极108、阳极电极109、第三电极112、所述前端面116以及所述后端面117以外的所述激光芯片的表面，以及，所述后端面117镀有所述反射膜113，所述前端面116镀有所述增透膜114。
所述反射膜113和增透膜114设置在激光芯片对立的两个侧面，组成一谐振腔结构，激光芯片中的有源区在电流的驱动下产生的光在谐振腔中不断的进行振荡，从而达到激光的放大，产生的激光最终通过所述前端面116发射出去。
所述衬底层101采用GaAs组成，厚度为200nm；
所述下限制层102采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
所述下波导层103采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；
所述量子阱有源层104采用交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层组成，厚度为0.1μm；
所述上波导层105采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；
所述上限制层106采用AlGaAs组成，厚度为0.3-1μm；
所述脊波导层107采用AlGaAs组成，厚度为280nm；
所述钝化层110采用SiO2组成，厚度为50nm-500nm；
所述阴极电极108和所述阳极电极109采用Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的其中一种或多种组成；
所述反射膜113的反射率为50％-100％，所述增透膜114的反射率小于等于10％。
本发明实施例还提供一种具有电流非注入层的激光芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将一衬底层101放在MOCVD设备生长室内，依次生长下限制层102、下波导层103、量子阱有源层104、上波导层105、上限制层106、脊波导层107，得到激光芯片的外延结构，所述脊波导层107通过光刻和干法刻蚀工艺制备，所述脊波导层107的高度为280nm，如图6、7所示；
步骤二：以光刻胶115为掩膜，通过干法刻蚀所述脊波导层107与前端面117临近的部分制备10nm-50nm的台阶118，然后不去掉所述光刻胶115，如图8所示；
步骤三：通过PECVD或者磁控溅射技术在所述台阶118上沉积与所述台阶118深度相同厚度相同的电流非注入层111，去除所述光刻胶115，所述电流非注入层111只在与所述前端面116临近的所述台阶上118，所述电流非注入层111为一种绝缘介质，具体采用自Al2O3，SiN或SiO2的其中一种组成，厚度为10-50nm，如图9所示；
步骤四：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极108，阳极电极109和第三电极112，如图10所示；
步骤五：使用PECVD沉积厚度为300nm的钝化层110，并通过光刻技术和使用BOE腐蚀液去除所述阴极电极108、所述阳极电极109、所述第三电极112、所述前端面116及所述后端面117表面的钝化层，暴露电注入窗口，如图11所示；
步骤六：通过化学镀、电镀等方法在激光芯片的所述后端面117镀上反射系数为50％-100％的反射膜113，在激光芯片的所述前端面116镀上反射系数小于等于10％的增透膜114，得到一种具有电流非注入层的激光芯片，如图4所示。
上述实施例中，通过在激光芯片中设置电流非注入层和第三电极，使得电流非注入层下方p型半导体的耗尽层向有源区推移，抑制腔面部分的载流子浓度，从而降低腔面的温度，从而增强了激光芯片的可靠性和光电效率。
上述例中一种具有电流非注入层的激光芯片及其制备方法均可实现，并且对降低有源层结温，提高芯片效率产生一定的影响，提高了激光芯片的工作性能。
此外，激光芯片的作用效果会受到激光芯片中波导层、限制层、有源层的材料、工艺和尺寸变化的影响，因此需要依据不同的芯片结构、工艺方法做适当的优化，从而使激光芯片起到最佳效果。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，这些对本发明权利要求进行等同替换后的技术方案，均落于本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种具有电流非注入层的激光芯片，其特征在于，包括沿着芯片外延生长方向依次为阴极电极、衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导层、阳极电极和第三电极，以及前端面和后端面，所述前端面和所述后端面设置在所述激光芯片对立的两个侧面；所述衬底层下方设置有所述阴极电极，所述脊波导层上方设置有所述阳极电极，所述脊波导层与所述前端面接触的部分凹进形成台阶，所述台阶上设有电流非注入层，所述第三电极生长在所述电流非注入层的上方。
2.如权利要求1所述的一种具有电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述电流非注入层选自Al2O3、SiN或SiO2的其中一种或多种组成，厚度为10-50nm。
3.如权利要求1所述的一种具有电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述阴极电极、所述阳极电极及所述第三电极采用为Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的其中一种或多种组成。
4.如权利要求1~3任一项所述的一种具有电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述激光芯片还包括钝化层、反射膜和增透膜，所述钝化层包覆除了所述阴极电极、阳极电极、第三电极、所述前端面以及所述后端面以外的所述激光芯片的表面，以及，所述后端面镀有所述反射膜，所述前端面镀有所述增透膜。
5.如权利要求4所述的一种具有电流非注入层的激光芯片，其特征在于，
所述衬底层采用GaAs组成，厚度为200nm；
所述下限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
所述下波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；
所述量子阱有源层采用交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层组成，厚度为0.1μm；
所述上波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；
所述上限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3-1μm；
所述脊波导层采用AlGaAs组成，厚度为280nm；
所述钝化层采用SiO2组成，厚度为50nm-500nm。
6.如权利要求4所述的一种具有电流非注入层的激光芯片，其特征在于，所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。
7.一种具有电流非注入层的激光芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将一衬底层放在MOCVD设备生长室内，依次生长下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导层，得到激光芯片的外延结构，所述脊波导层通过光刻和干法刻蚀工艺制备，所述脊波导层的高度为280nm；
步骤二：以光刻胶为掩膜，通过干法刻蚀所述脊波导层与前端面临近的部分制备10nm-50nm的台阶，然后不去掉所述光刻胶；
步骤三：通过PECVD或者磁控溅射技术在所述台阶上沉积与所述台阶深度相同厚度相同的电流非注入层，去除所述光刻胶，所述电流非注入层只在与所述前端面临近的所述台阶上，所述电流非注入层为一种绝缘介质，具体采用自Al2O3，SiN或SiO2的其中一种组成，厚度为10-50nm；
步骤四：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极，阳极电极和第三电极，所述第三电极生长在所述电流非注入层的上方；
步骤五：使用PECVD沉积厚度为300nm的钝化层，并通过光刻技术和使用BOE腐蚀液去除所述阴极电极、所述阳极电极、所述第三电极、所述前端面及后端面表面的钝化层，暴露电注入窗口；
步骤六：通过化学镀或电镀方法在激光芯片的所述后端面镀上反射系数为50％-100％的反射膜，在激光芯片的所述前端面镀上反射系数小于等于10％的增透膜，得到一种具有电流非注入层的激光芯片。
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