JP7223866B2 - ハイパワー半導体チップ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本出願は、半導体オプトエレクトロニクスの分野に関し、具体的には、ハイパワー半導体チップ及びその製造方法に関する。

ハイパワー半導体レーザーチップの開発の方向は、より高い光パワー、より高い輝度である。レーザーチップの発光領域の幅を大きくして、ワイド導波路半導体レーザーチップを製造することは、光パワーを高める有効な手段である。例えば、約１００～２００μｍの導波路幅を有する半導体レーザーチップのパワーは１０Ｗ以上にすることができる。しかし、発光領域幅の増大により、チップが作動するときに、横方向で数十個ないしそれ以上の高次光モードが同時にレーザ発振し、発散角が大きくなるような問題を引き起こす。現在使用されている高次光横モードのレーザ発振の抑制方法は、ワイド導波路の内部にマルチグレーティング構造又は複数の電極又は導波路フリンジを導入することである。このように導入される光散乱構造の高次モードの光閉じ込め係数は十分に大きいが、このような方法は、光ゲインと広視界の横方向での激しい周期的な分布を引き起こし、遠視野マルチピークの問題の原因となる。

これを鑑み、本出願の発明が解決しようとする課題は、高次光横モードのレーザ発振の抑制時に生じる遠視野マルチピークの問題を解決することができる、ハイパワー半導体チップ及びその製造方法を提供することである。

第１の態様によれば、本出願の実施例は、下方から上方へ順次設けられた、基板、下部制限層、下部導波路層、活性層、上部導波路層、横方向グレーティング層、上部制限層、接触層、電流バリア誘電体層及び金属層を含み、横方向グレーティング層は複数組の横方向グレーティングを含み、複数組の横方向グレーティングは第１の方向に沿って順次設けられ、各組の周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングは、第２の方向に沿って配置された複数本のグレーティングを含み、第１の方向と第２の方向が交差しているハイパワー半導体チップを提供する。

選択可能に、第１の方向は光放射方向である。

選択可能に、第１の方向と第２の方向は垂直である。

選択可能に、各組の横方向グレーティングの周期は、第１の方向において漸進的に配置されるか、又はランダムに配置される。

選択可能に、電流バリア誘電体層及び金属層は電流注入領域を画定し、横方向グレーティング層は電流注入領域内に設けられる。

選択可能に、半導体チップの出光端面に反射防止コーティング層が設けられ、高反射端面に高反射コーティング層が設けられる。

選択可能に、複数組の横方向グレーティングの周期は、
ｄ_ｉ＝２ｗ／（ｍ＋ｉ）であり、
ここで、ｄ_ｉは周期であり、ｗは上部導波路層の幅であり、ｍは光モード次数であり、ｉは１以上の整数である。

第２の態様によれば、本出願の実施例は、下部制限層、下部導波路層、活性層、上部導波路層を基板上に順次形成するステップと、上部導波路層上に、第１の方向に沿って複数組の横方向グレーティングを順次形成するステップであって、複数組の横方向グレーティングの周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングの複数本のグレーティングを、第１の方向と交差する第２の方向に配置するステップと、複数組の横方向グレーティング上に、上部制限層、接触層、電流バリア誘電体層及び金属層を順次形成するステップと、を含むハイパワー半導体チップの製造方法を提供する。

選択可能に、上部導波路層上に、第１の方向に沿って複数組の横方向グレーティングを順次形成するステップは、上部導波路層上に、エピタキシャル成長によって横方向グレーティング層を形成するステップと、横方向グレーティング層上に、グレーティングフリンジをエッチングにより形成するステップと、を含む。

本出願の実施例により提供されるハイパワー半導体チップは、導波路内に横方向グレーティング層を設けることにより、高次光モードの抑制作用がチップの導波路幅による制限を受けないようにする。高次光横モードはグレーティング構造と十分に重なることができ、高次光横モードが非水平面での光の回折効果を受け、高次光横モードの導波路内での伝搬損失を導入することで、高次光横モードのレーザ発振を抑制し、半導体チップのパワーを高めることができる。また、周期の異なる複数組のグレーティングを設けることによって、ゲイン変調と屈折率変調により強度が周期的に発振する光が、グレーティングの周期とは第１の方向においてマッチングできず、このように、そのレーザ発振を抑制するという効果を達成し、それにより、横方向光の強度の周期的な発振を抑制する役割を果たし、遠視野二重ピークを解消する。

本出願の具体的な実施形態又は従来技術の技術案をより明確に説明するために、以下、具体的な実施形態又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に説明するが、明らかなように、以下の説明における図面は本出願のいくつかの実施形態であり、当業者にとって、創造的な労働をせずに、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができる。
本出願の実施例の半導体チップの構造の第２の方向における断面模式図を示す。 本出願の実施例の半導体チップの三次元構造模式図を示す。

本出願の実施例の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下、本出願の実施例の図面を参照しながら、本出願の実施例の技術案を明確かつ完全に説明するが、勿論、説明される実施例は本出願の一部の実施例であり、すべての実施例ではない。当業者が本出願の実施例に基づいて創造的な労働をせずに得られたすべての他の実施例は、本出願の特許範囲に属する。

本出願は、多くの異なる形態で実施することが可能であり、ここで説明する実施例に制限されると理解すべきではない。逆に、これらの実施例は、本開示を徹底的かつ完全にし、本出願の構想を当業者に十分に伝えるために提供され、本出願は、特許請求の範囲だけにより限定される。図面には、明瞭にするために、層及び領域のサイズや相対サイズを誇張することがある。

本出願の実施例は、図１、図２に示すように、下方から上方へ順次設けられた、基板１、下部制限層２、下部導波路層３、活性層４、上部導波路層５、横方向グレーティング層１０、上部制限層６、接触層７、電流バリア誘電体８層及び金属層９を含むハイパワー半導体チップを提供し、横方向グレーティング層１０は複数組の横方向グレーティングを含み、複数組の横方向グレーティングは第１の方向に沿って順次設けられ、各組の周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングは第２の方向に沿って配置された複数本のグレーティングを含み、第１の方向と第２の方向が交差している。本出願の実施例では、活性層４の構造は、ダブルヘテロ構造、単一二重量子井戸構造、マルチ量子井戸構造のうちの１種であってもよい。基板１の材料はＧａＡｓであってもよく、基板１の下層は、電極層をさらに含んでもよく、電極層の材料は金属又は合金であってもよい。

本出願の実施例により提供されるハイパワー半導体チップでは、導波路内に横方向グレーティング層を設けることにより、高次光モードの抑制作用がチップの導波路幅による制限を受けないようにし、高次光横モードはグレーティング構造と十分に重なることができ、高次光横モードが非水平面での光の回折効果を受け、高次光横モードの導波路内での伝搬損失を導入することで、高次光横モードのレーザ発振を抑制し、半導体チップのパワーを高めることができる。また、周期の異なる複数組のグレーティングを設けることによって、ゲイン変調と屈折率変調による強度が周期的に発振する他の次モード光が、グレーティングの周期とは第１の方向においてマッチングできなくなり、このように、そのレーザ発振を抑制するという効果を達成し、それにより、横方向光の強度の周期的な発振を抑制する役割を果たし、遠視野二重ピークを解消する。

選択可能な実施例では、第１の方向は光放射方向である。本出願の実施例では、第１の方向は半導体チップの縦方向であり、光放射方向も半導体チップの縦方向であり、第一方向は光放射の方向である。

選択可能な実施例では、第１の方向と第２の方向は垂直である。本出願の実施例では、第２の方向は半導体チップの横方向であり、第一方向は半導体チップの縦方向であり、第一方向と第２の方向は垂直である。

選択可能な実施例では、電流バリア誘電体層８及び金属層９は電流注入領域を画定し、横方向グレーティング層１０は電流注入領域内に設けられる。本出願の実施例では、電流バリア誘電体層８と上部導波路層５との間に電流注入領域が形成されており、電流注入領域は電流バリア誘電体層８及び金属層９によって画定され、電流注入領域はリッジ形状となり、電流注入領域に横方向グレーティング層１０が設けられる。このような設計は、電流の接触面積を増大するとともに、高次光横モードの広いリッジメサによる横方向モードの不安定を改善しながら、高次光横モードのレーザ発振を抑制することができる。

選択可能な実施例では、半導体チップの出光端面に反射防止コーティング層が設けられ、高反射端面に高反射コーティング層が設けられる。本出願の実施例では、半導体チップの２つのキャビティ面のうちの一方の出光割合を高めるために、出光端面に低反射率の反射防止膜が設けられ、別の端面である高反射端面に高反射率の高反射膜が設けられてもよい。

選択可能な実施例では、各組の横方向グレーティングの周期は、第１の方向において漸進的に配置されるか、又はランダムに配置され、数組の横方向グレーティングの周期は、それぞれ、ｄ_ｉ＝２ｗ／（ｍ＋ｉ）である。上式において、ｄ_ｉは周期であり、ｗは上部導波路層の幅であり、ｍは光モード次数であり、ｉは１以上の整数である。本出願の実施例では、複数組の横方向グレーティングの周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングの周期が第１の方向において漸進的に配置される場合、複数組のグレーティングは、第１の方向に沿って、周期がそれぞれ２ｗ／（ｍ＋１）、２ｗ／（ｍ＋２）、２ｗ／（ｍ＋３）……であり、各組の横方向グレーティングの周期が第１の方向にランダムに配置される場合、周期の大きさに応じて順次設けられてもよく、グレーティングの周期の大きさに応じて順次設けられなくてもよく、具体的な設置形態については実際のニーズに応じて決定する。

理解しやすくするために、具体的には、本出願の１つの好ましい実施例では、均一な周期のグレーティング構造を例として本出願を説明する。本出願の実施例では、グレーティングは、横方向の周期がｄ、光導波路幅がｗ、光導波路の有効屈折率がＮである。ｍ次横方向モードの光レーザ発振を抑制するために、上部導波路層上にグレーティング構造が設けられ、グレーティングの周期がｄ＝２ｗ／（ｍ＋１）に設計される。それにより、ｍ次以上の高次光横モードがすべて非水平面での回折効果を受け、ｍ次横方向モードの光の伝搬損失を大きくし、ｍ次横方向モードの光レーザ発振を抑制し、半導体チップのパワーを向上させることができるが、ゲイン変調と屈折率変調により、（ｍ－１）／２次横方向モードの光発振を引き起こし、遠視野二重ピークを発生してしまう。このため、本出願の実施例では、光放射方向（縦方向）に周期の異なる複数組（≧２）のグレーティングを導入することでゲイン変調と屈折率変調による（ｍ－１）／２横方向モードの光発振を抑制する。（ｍ－１）／２次横方向モードの光が他の組のグレーティングの周期とはマッチングせず、ゲインが得られないため、そのレーザ発振を抑制するという効果を達成し、それにより、横方向光の強度の周期的な発振を抑制する役割を果たし、遠視野二重ピークを解消する。各組の選択可能なグレーティングの周期はｄ’＝２ｗ／（ｍ’＋１）であり、ここで、ｍ’＝ｍ’＋１、ｍ＋２……である。

本出願の実施例は、下部制限層、下部導波路層、活性層、上部導波路層を基板上に順次形成するステップと、上部導波路層上に、第１の方向に沿って複数組の横方向グレーティングを順次形成するステップであって、複数組の横方向グレーティングの周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングの複数本のグレーティングを、第１の方向と交差する第２の方向に沿って配置するステップと、複数組の横方向グレーティング上に、上部制限層、接触層、電流バリア誘電体層及び金属層を順次形成するステップと、を含むハイパワー半導体チップの製造方法を提供する。半導体レーザの製造には比較的成熟したプロセス条件及びプロセスフローがあり、本出願の設計は、通常のハイパワーレーザーに基づいて改良されたものであり、プロセス技術が確保されることができ、工程が比較的複雑ではない。このため、このような設計は生産に適している。本出願の実施例では、半導体チップの工程プロセスは、具体的には、基板を提供するステップを含んでもよく、基板の材料がＧａＡｓであってもよく、ＧａＡｓ基板上に、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）方法によって、下部制限層、下部導波路層、活性層、上部導波路層を順次エピタキシャル成長することができる。上部導波路層上に、横方向グレーティング層をエピタキシャル成長により形成することによって、横方向グレーティングの関連パラメータ（例えば周期、割合、材料）を設定しておき、横方向グレーティング層上にフォトリソグラフィ方法により各組のグレーティングフリンジをフォトリソグラフィし、横方向グレーティングの周期が長いため、フォトリソグラフィ技術をそのまま用いることができ、使用できるフォトリソグラフィ装置はコンタクト露光フォトリソグラフィマシンである。次に、エピタキシャル成長によって横方向グレーティング層上に上部制限層、接触層を順次形成する。フォトリソグラフィ及び乾式又は湿式エッチング方式によって上接触層、上部制限層、及び上部導波路層に電流注入リッジメサを形成する。電流バリア誘電体層を堆積し、リッジメサのトップで電流バリア誘電体層を除去して電流注入窓を形成し、最後に上金属層を堆積する。別の実施例では、基板上に下部制限層、下部導波路層、活性層、上部導波路層を順次エピタキシャル成長してもよい。

選択可能な実施例では、上部導波路層上にトレンチをエッチングすることによって、各組のグレーティングフリンジを形成してもよい。

図面を参照しながら、本出願の実施例を説明したが、当業者が本出願の精神及び範囲を逸脱することなく様々な修正や変形を行うことができ、これらの修正や変形はすべて特許請求の範囲により限定される範囲に落ちる。

１ 基板
２ 下部制限層
３ 下部導波路層
４ 活性層
５ 上部導波路層、
６ 上部制限層
７ 接触層
８ 電流バリア誘電体層
９ 金属層
１０ 横方向グレーティング層

Claims (8)

1. ハイパワー半導体チップであって、
   下方から上方へ順次設けられた、基板、下部制限層、下部導波層、活性層、上部導波層、横方向グレーティング層、上部制限層、接触層、電流バリア誘電体層及び金属層を含み、前記横方向グレーティング層は複数組の横方向グレーティングを含み、前記複数組の横方向グレーティングは第１の方向に沿って順次設けられ、各組の周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングは、第２の方向に沿って配布された複数本のグレーティングを含み、前記第１の方向と第２の方向が交差しており、前記第１の方向は光放射方向である、ことを特徴とするハイパワー半導体チップ。
2. 前記第１の方向と前記第２の方向は垂直である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
3. 各組の前記横方向グレーティングの周期は、第１の方向において漸進的に配布されるか、又はランダムに配布される、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
4. 前記電流バリア誘電体層及び金属層は電流注入領域を画定し、前記横方向グレーティング層は前記電流注入領域内に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
5. 前記半導体チップの出光端面に反射防止コーティング層が設けられ、高反射端面に高反射コーティング層が設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
6. 前記複数組の横方向グレーティングの周期はそれぞれ、
   ｄ_ｉ＝２ｗ／（ｍ＋ｉ）であり、
   ここで、ｄ_ｉは周期であり、ｗは上部導波層の幅であり、ｍは光モードの次数であり、ｉは１以上の整数である、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体チップ。
7. ハイパワー半導体チップの製造方法であって、
   下部制限層、下部導波層、活性層、上部導波層を基板上に順次形成するステップと、
   前記上部導波層上に、第１の方向に沿って複数組の横方向グレーティングを順次形成するステップであって、前記複数組の横方向グレーティングの周期がそれぞれ異なり、各組の横方向グレーティングの複数のグレーティングが第２の方向に配布され、前記第１の方向と第２の方向が交差しているステップと、
   前記複数組の横方向グレーティング上に、上部制限層、接触層、電流バリア誘電体層及び金属層を順次形成するステップと、を含む、ことを特徴とするハイパワー半導体チップの製造方法。
8. 前記上部導波層上に、第１の方向に沿って複数組の横方向グレーティングを順次形成するステップは、
   前記上部導波層上に、エピタキシャル成長によって横方向グレーティング層を形成するステップと、
   前記横方向グレーティング層上に、グレーティングフリンジをエッチングにより形成するステップと、を含む、ことを特徴とする請求項７に記載の半導体チップの製造方法。

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