CN116417898A - 一种集成帕耳贴制冷的fp激光芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片及其制备方法，激光芯片由下至上沿着外延生长方向依次设置有衬底层、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，脊波导层两侧为台阶状结构，在一侧的台阶状结构上方的钝化层的表面设置有N型半导体，在另一侧的台阶状结构上方的钝化层的表面设置有P型半导体，以及，在阳极电极上的钝化层表面、N型半导体上表面以及P型半导体上表面均设置金属电极。本发明通过N型半导体、P型半导体、金属电极，利用帕尔贴原理实现对量子阱有源层快速散热，从而提高激光芯片的效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光芯片技术领域，特别涉及一种集成帕耳贴制冷的FP（法布里-珀罗）激光芯片及其制备方法。
背景技术
由于大功率半导体激光芯片的众多优点，FP大功率半导体激光芯片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大功率半导体激光芯片广泛的应用前景，各国纷纷加速实施大功率半导体激光芯片技术研发计划，布局大功率半导体激光芯片产业，使得FP半导体激光芯片及其相关产业得以迅速发展。
如图1所示，目前主流的FP半导体激光芯片有以InGaN/GaN为有源区的蓝紫光激光芯片和以AlGaN/GaN为有源区的紫外/深紫外激光芯片。无论何种材料和结构的激光芯片，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芯片，包括衬底和有源区层与p型包覆层之间的p型电子溢出防止层的半导体激光芯片，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CN107112409B的中国专利公开了一种帕尔贴冷却元件及其制造方法，在半导体激光芯片制作过程中在可调谐激光芯片的底座上有热电制冷器TEC(含有温度敏感材料，一般采用帕尔贴效应，又称为热-电效应)。
但是，本发明的发明人在长期研发中发现，现有的激光芯片结构的问题是无法调控有源区的温度，使得器件在工作中结温得不到有效控制，从而会导致激光芯片的效率下降，可靠性降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片及其制备方法。
本发明第一方面提供一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，所述激光芯片由下至上沿着外延生长方向依次设置有衬底层、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，所述衬底层下方设置有阴极电极，所述脊波导层上方设置有阳极电极，所述脊波导层置于上限制层上方，所述脊波导层两侧为台阶状结构，所述激光芯片外围设置有包覆所述激光芯片外围的钝化层，在一侧的所述台阶状结构上方的所述钝化层的表面设置有N型半导体，在另一侧的所述台阶状结构上方的所述钝化层的表面设置有P型半导体，以及，在所述阳极电极上的钝化层表面、所述N型半导体上表面以及所述P型半导体上表面均设置金属电极以实现帕尔贴效应。
在一些实施例中，所述金属电极包括冷端金属电极、P侧热端金属电极以及N侧热端金属电极，其中，所述冷端金属电极设置于所述阳极电极上的钝化层表面，所述N侧热端金属电极设置于所述N型半导体的上表面，所述P侧热端金属电极设置于所述P型半导体的上表面，所述冷端金属电极、P侧热端金属电极以及N侧热端金属电极彼此分立。
在一些实施例中，所述冷端金属电极自阳极电极上的钝化层表面向两侧的所述台阶状结构延伸，以包覆所述阳极电极、所述脊波导层、所述N型半导体靠近所述脊波导层的一侧以及所述P型半导体靠近所述脊波导层的一侧。
在一些实施例中，所述N侧热端金属电极设置于所述N型半导体的上表面远离所述脊波导层的一侧，所述P侧热端金属电极设置于所述P型半导体的上表面远离所述脊波导层的一侧。
在一些实施例中，所述集成帕耳贴制冷的FP激光芯片还包括反射膜和增透膜，所述集成帕耳贴制冷的FP激光芯片后端面镀有所述反射膜，所述GaAs FP激光芯片前端面镀有所述增透膜。
本发明第二方面提供一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的制备方法，包括以下步骤：通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术在脊波导层一侧的所述钝化层上表面制备N型半导体；通过光刻技术和气相沉积技术在脊波导层另一侧的所述钝化层上表面制备出P型半导体；以及通过光刻技术，在所述N型半导体、所述P型半导体上表面制备出金属电极。
本发明的有益效果是：
本发明通过本发明通过设置N型半导体、P型半导体以及金属电极，利用帕尔贴效应实现对量子阱有源层快速散热，从而提高激光芯片的效率，增强了器件的可靠性和光电效率。
附图说明
图1为本发明的背景技术中介绍的一种传统激光芯片一实施例的结构示意图；
图2为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片一实施例的截面结构示意图；
图3为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片一实施例的俯视结构示意图；
图4A为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片生长N型半导体后的一实施例的截面结构示意图；
图4B为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片生长P型半导体后的一实施例的截面结构示意图；
图5为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片制备互联金属后的一实施例的俯视结构示意图；
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.互联金属，112.P型半导体，113. N型半导体，114.反射膜，115.增透膜，117.前端面，118.后端面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明一种半导体激光芯片及其壳体结构进行进一步详细说明。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2与图3，本发明实施例提供一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，激光芯片由下至上沿着外延生长方向依次设置有衬底层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，衬底层101下方设置有阴极电极108，脊波导层107上方设置有阳极电极109，脊波导层107置于上限制层106上方，脊波导层107两侧为台阶状结构，激光芯片外围设置有包覆激光芯片外围的钝化层110，在一侧的台阶状结构上方的钝化层110的表面设置有N型半导体113，在另一侧的台阶状结构上方的钝化层110的表面设置有P型半导体112，以及，在阳极电极109上的钝化层110表面、N型半导体113上表面以及P型半导体112上表面均设置金属电极以实现帕尔贴效应。
进一步的，如图2中所示，台阶状结构为脊波导层107的侧壁与上限制层106的上表面共同形成的结构，在此不做赘述。
进一步的，金属电极是指设置于激光芯片中用于实现帕尔贴效应的金属和/或金属组，在一些实施例中，金属电极包括冷端金属电极111、P侧热端金属电极119以及N侧热端金属电极120，其中，冷端金属电极111设置于阳极电极109上的钝化层110表面，N侧热端金属电极120设置于N型半导体113的上表面，P侧热端金属电极119设置于P型半导体112的上表面，冷端金属电极111、P侧热端金属电极119以及N侧热端金属电极120彼此分立。
继续以图2为例进行说明，激光芯片工作时，在N侧热端金属电极120上加正电，P侧热端金属电极119加负电，从而产生电子的定向运动，以通过帕尔贴效应使冷端金属电极111的温度降低，P侧热端电极119和N侧热端电极120温度升高。
进一步的，冷端金属电极111的温度降低，即冷端金属电极111为帕尔贴效应中的冷端，从而使脊波导层107的热量传输到冷端金属电极111，即脊波导层107的温度下降，进一步使量子阱有源层104的温度下降；P侧热端电极119和N侧热端电极120温度升高，即P侧热端电极119和N侧热端电极120为帕尔贴效应中的热端，从而使得P侧热端电极119和N侧热端电极120下方的P型半导体112与N型半导体113温度升高，实现激光芯片的温度平衡，促使载流子的平均速度增加，载流子浓度升高，从而减少器件的电阻，增强器件的可靠性和光电效率。
其中，帕尔贴效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象，进一步的，在外加电场作用下，电子发生定向运动，将一部分内能带到电场另一端的现象。
例如：N型半导体113与N侧热端金属电极120为不同导体，P型半导体112与P侧热端金属电极119为不同的导体，在N侧热端金属电极120加正电，P侧热端金属电极119加负电，从而N侧热端电极120、N型半导体113、冷端金属电极111、P侧热端金属电极119与P型半导体112组成回路，产生帕尔贴效应。
另外，需要说明的是，在冷端金属电极111上还可以设置诸如陶瓷片等材料，以增强散热效果，在此不做赘述。
在一些实施例中，冷端金属电极111自阳极电极109上的钝化层110表面向两侧的台阶状结构延伸，以包覆阳极电极109、脊波导层107、N型半导体113靠近脊波导层107的一侧以及P型半导体112靠近脊波导层107的一侧。
在一些实施例中，N侧热端金属电极120设置于N型半导体113的上表面远离脊波导层107的一侧，P侧热端金属电极119设置于P型半导体112的上表面远离脊波导层107的一侧。
在一些实施例中，N型半导体113的材料为氧化铟锡（ITO），P型半导体112的材料为氧化镍（NiO），金属电极的材料为Al、Au或Ag。
也就是说，冷端金属电极111、P侧热端金属电极119以及N侧热端金属电极120的材料为Al、Au或Ag。
在一些实施例中，衬底层101采用的材料可以为GaAs，厚度为200nm；下限制层102采用的材料可以为AlGaAs，厚度为0.3μm；下波导层103采用的材料可以为AlGaAs，厚度为0.5-3μm；量子阱有源层104为交替生长的阱层与垒层，其中，阱层与垒层的材料可以为AlGaAs，厚度为0.1μm；上波导层105采用的材料可以为AlGaAs，厚度为0.1-3μm；上限制层106采用的材料可以为AlGaAs，厚度为0.3μm；脊波导层107采用的材料可以为GaAs，厚度为0.3μm；钝化层110采用的材料可以为SiO2，厚度为50nm。阴极电极108和阳极电极109的材质均为Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au。反射膜的反射率为50％-100％，增透膜的反射率小于等于10％，可以理解的是，各层所采用的材料及厚度可以根据实际情况进行选取，在此不做赘述。
本发明实施例还提供一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的制备方法，包括以下步骤：
步骤一:通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术在脊波导层107一侧的钝化层110上表面制备N型半导体113，通过光刻技术和气相沉积技术在脊波导层107另一侧的钝化层110上表面制备出P型半导体。
此时，请参阅图4A与图4B，图4A为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片生长N型半导体后的一实施例的截面结构示意图，图4B为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片生长P型半导体后的一实施例的截面结构示意图。
如图4A与图4B所示，在一侧的台阶状结构上方的钝化层110的表面，通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术制备N型半导体113，在另一侧的台阶状结构上方的钝化层110的表面，通过光刻技术和气相沉积技术制备P型半导体112，在此不做赘述。
步骤二:通过光刻技术，在N型半导体113、P型半导体112上表面制备出金属电极。
此时，请参阅图5，图5为本发明的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片制备金属电极后的一实施例的俯视结构示意图，如图5所示，在107外侧的钝化层110上表面制备两侧和中间的金属电极，即制备出冷端金属电极111、P侧热端金属电极119以及N侧热端金属电极120。其中，制备金属电极可以通过诸如电子束蒸发镀膜技术和去胶剥离技术进行，金属电极的材料可以为Ag、Au或Ag。
需要说明的是，在得到冷端金属电极111、P侧热端金属电极119以及N侧热端金属电极120后，可以通过诸如化学镀、电镀等方法在后端面118镀上反射系数为99％的反射层，在前端面117，即激光的出射面镀上反射系数为5％的增透膜，从而得到一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，如图1和图2所示；
进一步地，在通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术在脊波导层107一侧的钝化层110上表面制备N型半导体113前，包括：由下至上依次在衬底层101上生长下限制层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；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，阴极电极108分布在衬底层101的下表面，阳极电极109分布在脊波导层107的上表面；利用光刻技术在阳极电极109上表面沉积钝化层110。
上述实施例中，通过在FP激光芯片设置N型半导体113、P型半导体112及金属电极，重点降低量子阱有源区104的温度，但是并没有降低整体的芯片温度，从而增强了器件的可靠性和光电效率。
进一步的，在一些实施例中，通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术在脊波导层107一侧的钝化层110上表面制备N型半导体前，还包括：由下至上依次在衬底层101上生长下限制层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；利用光刻技术在衬底层101的下表面制作出阴极电极108，利用e-beam蒸镀工艺在脊波导层107的上表面制作出阳极电极109；在阳极电极109上表面沉积钝化层110。
其中，衬底层101可以为GaAs化合物层，可以理解的是，在进行后续处理前，需要对衬底层101进行处理，具体的，将衬底层101放在MOCVD设备生长室内，在H2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除衬底层101表面的水氧，完成表面热处理，其中，MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术，在此不作赘述。
由下至上依次在衬底层101上生长下限制层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，例如：将MOCVD设备生长室内的温度保持在680~720℃之间，通入TMGa(三甲基镓)、TMAl(三甲基铝)、和AsH3，以在衬底层101上生长下限制层102，下限制层102为AlGaAs化合物层，具体的化学反应过程在此不作赘述。
进一步地，将MOCVD设备生长室内温度降至630~670℃之间，以在下限制层102的上表面生长下波导层103，下波导层可以为AlGaAs化合物层。
进一步地，保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在下波导层103的上表面生长量子阱有源层104，更具体的，量子阱有源层104为交替生长的AlGaAs阱层和AlGaAs垒层。
进一步地，保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在量子阱有源层104的上表面生长上波导层105，上波导层105可以为AlGaAs化合物层。
进一步地，将MOCVD设备生长室内温度提升到680~720℃，在上波导层105的上表面生长上限制层106，上限制层106可以为AlGaAs化合物层。
进一步地，将MOCVD设备生长室内温度降低到530~570℃，在上限制层106的上表面生长脊波导层107，脊波导层107可以为GaAs化合物层。
更具体地，通过干法刻蚀，刻蚀深度为270nm，制备得脊波导层107，脊波导层107的高度可以为270nm。
进一步地，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，阴极电极108分布在衬底层101的下表面，阳极电极109分布在脊波导层107的上表面。
进一步地，使用PECVD沉积厚度为50nm的钝化层110，钝化层110可以使用SiO2材料。
进一步地，利用光刻技术，并使用BOE腐蚀液去除部分阳极电极109上的钝化层110，得到剩余钝化层110和电注入窗口。
上述例中一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片均可实现，并且对降低有源层温度，提高器件效率产生一定的影响，提高了激光芯片的工作性能。
此外，集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的作用效果会受到制备工艺和结构尺寸变化的影响，因此需要依据不同的器件结构、工艺方法做适当的优化，从而使集成帕耳贴制冷的FP激光芯片起到最佳效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，所述激光芯片由下至上沿着外延生长方向依次设置有衬底层（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），所述衬底层（101）下方设置有阴极电极（108），所述脊波导层（107）上方设置有阳极电极（109），所述脊波导层（107）置于上限制层（106）上方，所述脊波导层（107）两侧为台阶状结构，所述激光芯片外围设置有包覆所述激光芯片外围的钝化层（110），其特征在于，在一侧的所述台阶状结构上方的所述钝化层（110）的表面设置有N型半导体（113），在另一侧的所述台阶状结构上方的所述钝化层（110）的表面设置有P型半导体（112），以及，在所述阳极电极（109）上的钝化层（110）表面、所述N型半导体（113）上表面以及所述P型半导体（112）上表面均设置金属电极，其中，所述金属电极用于实现帕尔贴效应。
2.如权利要求1所述的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，其特征在于，所述金属电极包括冷端金属电极（111）、P侧热端金属电极（119）以及N侧热端金属电极（120），其中，所述冷端金属电极（111）设置于所述阳极电极（109）上的钝化层（110）表面，所述N侧热端金属电极（120）设置于所述N型半导体（113）的上表面，所述P侧热端金属电极（119）设置于所述P型半导体（112）的上表面，所述冷端金属电极（111）、所述P侧热端金属电极（119）以及所述N侧热端金属电极（120）彼此分立。
3.如权利要求2所述的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，其特征在于，所述冷端金属电极（111）自所述阳极电极（109）上的钝化层（110）表面向两侧的所述台阶状结构延伸，以包覆所述阳极电极（109）、所述脊波导层（107）、所述N型半导体（113）靠近所述脊波导层（107）的一侧以及所述P型半导体（112）靠近所述脊波导层（107）的一侧。
4.如权利要求2所述的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，其特征在于，所述N侧热端金属电极（120）设置于所述N型半导体（113）的上表面远离所述脊波导层（107）的一侧，所述P侧热端金属电极（119）设置于所述P型半导体（112）的上表面远离所述脊波导层（107）的一侧。
5.如权利要求1所述的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，其特征在于，所述集成帕耳贴制冷的FP激光芯片还包括反射膜（114）和增透膜（115），所述集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的后端面（118）镀有所述反射膜（114），所述集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的前端面（117）镀有所述增透膜（115）。
6.如权利要求1所述的一种集成帕耳贴制冷的FP激光芯片，其特征在于，所述N型半导体（113）的材料为ITO，所述P型半导体（112）的材料为NiO，所述金属电极的材料为Al、Au或Ag。
7. 一种权利要求1所述集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的制备方法，其中，所述激光芯片包括阴极电极（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）以及钝化层（110），其特征在于，所述方法包括：
通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术在脊波导层（107）一侧的所述钝化层（110）上表面制备N型半导体（113）；通过光刻技术和气相沉积技术在脊波导层（107）另一侧的所述钝化层（110）上表面制备出P型半导体（112）；以及
通过光刻技术，在所述N型半导体（113）、所述P型半导体（112）上表面制备出金属电极。
8.如权利要求7所述的集成帕耳贴制冷的FP激光芯片的制备方法，其特征在于，所述通过光刻技术和电子束蒸发镀膜技术在脊波导层（107）一侧的所述钝化层（110）上表面制备N型半导体（113）前，还包括：
由下至上依次在衬底层上生长下限制层（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）；
利用光刻技术在衬底层（101）的下表面制作出阴极电极（108），利用e-beam蒸镀工艺在脊波导层（107）的上表面制作出阳极电极（109）；
在所述阳极电极上表面沉积钝化层（110）。
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