高功率边发射半导体激光器芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及激光器芯片技术领域，具体为一种高功率边发射半导体激光器芯片及其制备方法。


背景技术：

2.eel(edge-emittinglaser)，为半导体边发射激光器的英文缩写，这是一种基于化合物半导体材料进行光电转换的激光二极管。其结构包含量子阱发光区域、p型掺杂区域和n型掺杂区域。按照应用分类主要包括用于光通信的高速激光器和用于工业加工的大功率激光器。大功率eel的具体应用方向包括工业切割和焊接、医疗美容、激光雷达探测等等，一般基于铟镓砷/砷化镓材料体系。
3.为了满足激光的输出条件，需要在eel发射方向的端面镀膜，镀膜在半导体材料和空气界面形成反射镜，形成谐振腔。镀膜材料一般为氮氧化硅介质。同时，在大功率边发射激光器芯片进行端面镀膜步骤之前，由于端面处会裸露出含铝的材料，极易与空气中氧元素反应形成氧化物，且端面为热聚集的位置，且极易形成端面损伤从而导致芯片失效。传统方式是通过调整镀膜材料的体系选择和镀膜材料生长条件的控制，以形成尽量完美的端面来减小器件工作时的端面失效。然而，其功效有限，端面损伤(comd：catastrophic opticalmirrordamage)依然是大功率边发射激光器最主要的失效方式，也是限制大功率eel的功率提升、从实验走向批量生产的重要阻碍因素。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种高功率边发射半导体激光器芯片及其制备方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，包括如下步骤：
6.s1，激光器结构的外延生长；
7.s2，于已外延生长的晶圆的表面形成掩膜，并在所述掩膜上开设用于刻蚀的图案，所述图案具有刻蚀点位；
8.s3，于所述刻蚀点位处向所述晶圆的深度方向刻蚀形成沟槽；
9.s4，将所述沟槽中的氧化层去掉；
10.s5，在所述沟槽的槽壁上生长一层刻蚀阻挡材料至布满所述晶圆上表面；
11.s6，继续进行后续制作得到芯片。
12.进一步，在生长了所述刻蚀阻挡材料后，继续在所述刻蚀阻挡材料上生长保护晶体材料，以填充所述沟槽并溢出至所述晶圆上表面的刻蚀阻挡材料上。
13.进一步，接着采用光刻胶保护所述沟槽正上方的保护晶体材料，并刻蚀所述晶圆上表面上方的所述保护晶体材料至所述刻蚀阻挡材料，继续刻蚀所述晶圆上表面的刻蚀阻挡材料至所述晶圆的上表面，然后去除所述光刻胶后再进行后续制作得到芯片。
14.进一步，所述刻蚀阻挡材料的刻蚀以及所述保护晶体材料的刻蚀均采用湿法刻蚀。
15.进一步，在所述s3步骤中，通过干法刻蚀的方式形成所述沟槽。
16.进一步，在所述s2步骤中，所述刻蚀点位的数量有多个，沿相邻的两个所述刻蚀点位形成的沟槽切割形成一个芯片。
17.进一步，所述掩膜的长度与芯片的长度一致。
18.进一步，采用光刻、溅射、去胶剥离、背面减薄以及高温退火的工艺制作电极。
19.进一步，所述刻蚀点位为所述芯片的端面位置，且所述刻蚀点位的宽度控制在60～80μm之间。
20.本发明实施例提供另一种技术方案：一种高功率边发射半导体激光器芯片，由上述的高功率边发射半导体激光器芯片的制备方法制得。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对高功率边发射半导体激光器芯片，在原位刻蚀去除氧化层后，通过在芯片切割端面预先生长保护材料，防止端面的含铝材料裸露出被氧化，从而避免端面损伤；保护材料可以是刻蚀阻挡材料，或者是由刻蚀阻挡材料和保护晶体材料二者配合组成。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种高功率边发射半导体激光器芯片的晶圆剖面图；
23.图2为在图1的基础上在晶圆上形成掩膜的示意图；
24.图3为在图2的基础上在刻蚀点位处形成沟槽的示意图；
25.图4为在图3的基础上去掉掩膜的示意图；
26.图5为在图4的基础上去掉氧化层的示意图；
27.图6为在图5的基础上生长刻蚀阻挡材料的示意图；
28.图7为在图6的基础上生长保护晶体材料的示意图；
29.图8为在图7的基础上采用光刻胶保护刻蚀沟槽位置的示意图；
30.图9为在图8的基础上刻蚀保护晶体材料的示意图；
31.图10为在图9的基础上刻蚀刻蚀阻挡材料的示意图；
32.图11为在图10的基础上去掉光刻胶的示意图；
33.图12为在图11的基础上制作p电极和n电极的示意图；
34.图13为在图12的基础上沿沟槽切割后形成芯片的示意图；
35.附图标记中：1-衬底；2-n型掺杂区域；3-量子阱；4-p型掺杂区域；5-金属接触层；6-掩膜；7-刻蚀点位；8-沟槽；9-氧化层；10-刻蚀阻挡材料；11-保护晶体材料；12-光刻胶；13-n电极；14-p电极。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1至图13，本发明实施例提供一种高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，包括如下步骤：s1，激光器结构的外延生长；s2，于已外延生长的晶圆的表面形成掩膜6，并在所述掩膜6上开设用于刻蚀的图案，所述图案具有刻蚀点位7；s3，于所述刻蚀点位7处向所述晶圆的深度方向刻蚀形成沟槽8；s4，将所述沟槽8中的氧化层9去掉；s5，在所述沟槽8的槽壁上生长一层刻蚀阻挡材料至布满所述晶圆上表面；s6，继续进行后续制作得到芯片。针对高功率边发射半导体激光器芯片，在原位刻蚀去除氧化层9后，通过在芯片切割端面预先生长保护材料，防止端面的含铝材料裸露出被氧化，从而避免端面损伤。具体地，通过在沟槽中再生长保护材料可以防止含铝再被氧化，采用再生长工艺即可。
38.从图1至图13是本制备方法的所有连贯的步骤，下面结合图1至图13来对本实施例进行详细的细化说明。
39.如图1(晶圆剖面图)，在衬底1上分别完成n型掺杂区域2、量子阱3(量子阱有源区)、p型掺杂区域4、金属接触层5的外延材料生长，通常在mocvd外延生长炉中完成晶圆生长。其中，衬底1可以是砷化镓衬底，n型掺杂区域2可以是n-algaas，p型掺杂区域4可以是p-algaas，金属接触层5用来欧姆接触。
40.如图2，将晶圆从生长炉中取出，通过光刻在晶圆表面形成氮化硅的掩膜6，其掩膜的刻蚀点位7约60-80微米，作为eel芯片的端面位置，掩膜6保护的长度由最终需要的芯片长度决定。其中，掩膜的材料是氧化碳或氮化硅，其用于定义刻蚀的图案，同时也是区域选择性生长的非生长区域。
41.如图3，通过干法刻蚀(icp-rie)形成沟槽8。由于外延材料中含有al元素，沟槽8处材料暴露在空气中会留下氧化层9。
42.如图4，去除用于干法刻蚀的刻蚀掩膜6。
43.如图5，将晶圆放回生长炉，进行原位刻蚀(in-situetch)，将氧化层9去掉，从而保证再生长的质量。
44.如图6，外延生长炉中生长一层刻蚀阻挡材料10。
45.如图7，外延生长炉中生长进行端面保护晶体材料11(不含铝材料，如gaas)的再生长，填充刻蚀出的沟槽8。
46.如图8，通过光刻，让光刻胶12保护刻蚀沟槽8位置
47.如图9,湿法刻蚀再生长材料gaas，刻蚀过程会停留在刻蚀阻挡材料10。
48.如图10，图10用湿法刻蚀去除刻蚀阻挡材料10，刻蚀过程会停留在金属接触层5的外延材料。
49.如图11,去除光刻胶12。
50.如图12,进行正面p电极14工艺制作，并进行背面n电极13的工艺制作，包含光刻、溅射、去胶剥离、背面减薄、高温退火。
51.如图13，沿着再生长的沟道处进行芯片切割，完成芯片工艺。上述刻蚀点位7的数量有多个，沿相邻的两个所述刻蚀点位7形成的沟槽8切割形成一个芯片。
52.请参阅图13，本发明实施例还提供一种高功率边发射半导体激光器芯片，由上述的高功率边发射半导体激光器芯片的制备方法制得。该芯片具有刻蚀阻挡材料和保护晶体材料，可以防止端面的含铝材料裸露出被氧化，从而避免端面损伤。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，激光器结构的外延生长；s2，于已外延生长的晶圆的表面形成掩膜，并在所述掩膜上开设用于刻蚀的图案，所述图案具有刻蚀点位；s3，于所述刻蚀点位处向所述晶圆的深度方向刻蚀形成沟槽；s4，将所述沟槽中的氧化层去掉；s5，在所述沟槽的槽壁上生长一层刻蚀阻挡材料至布满所述晶圆上表面；s6，继续进行后续制作得到芯片。2.如权利要求1所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：在生长了所述刻蚀阻挡材料后，继续在所述刻蚀阻挡材料上生长保护晶体材料，以填充所述沟槽并溢出至所述晶圆上表面的刻蚀阻挡材料上。3.如权利要求2所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：接着采用光刻胶保护所述沟槽正上方的保护晶体材料，并刻蚀所述晶圆上表面上方的所述保护晶体材料至所述刻蚀阻挡材料，继续刻蚀所述晶圆上表面的刻蚀阻挡材料至所述晶圆的上表面，然后去除所述光刻胶后再进行后续制作得到芯片。4.如权利要求3所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：所述刻蚀阻挡材料的刻蚀以及所述保护晶体材料的刻蚀均采用湿法刻蚀。5.如权利要求1所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：在所述s3步骤中，通过干法刻蚀的方式形成所述沟槽。6.如权利要求1所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：在所述s2步骤中，所述刻蚀点位的数量有多个，沿相邻的两个所述刻蚀点位形成的沟槽切割形成一个芯片。7.如权利要求1所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：所述掩膜的长度与芯片的长度一致。8.如权利要求1所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：采用光刻、溅射、去胶剥离、背面减薄以及高温退火的工艺制作电极。9.如权利要求1所述的高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，其特征在于：所述刻蚀点位作为所述芯片的端面位置，且所述刻蚀点位的宽度控制在60～80μm之间。10.一种高功率边发射半导体激光器芯片，其特征在于：由如权利要求1-9任一所述的高功率边发射半导体激光器芯片的制备方法制得。

技术总结
本发明涉及一种高功率边发射半导体激光器芯片制备方法，包括如下步骤：S1，激光器结构的外延生长；S2，于所述已外延生长的晶圆的表面形成掩膜，并在所述掩膜上开设用于刻蚀的图案，所述图案具有刻蚀点位；S3，于所述刻蚀点位处向所述晶圆的深度方向刻蚀形成沟槽；S4，将所述沟槽中的氧化层去掉；S5，在所述沟槽的槽壁上生长一层刻蚀阻挡材料至布满所述晶圆上表面；S6，继续进行后续制作得到芯片。还提供一种高功率边发射半导体激光器芯片。本发明针对高功率边发射半导体激光器芯片，在原位刻蚀去除氧化层后，通过在芯片切割端面预先生长保护材料，防止端面的含铝材料裸露出被氧化，从而避免端面损伤；保护材料可以是刻蚀阻挡材料，或者是由刻蚀阻挡材料和保护晶体材料二者配合组成。合组成。合组成。


技术研发人员：蔡建新 杨旭
受保护的技术使用者：徐州仟目科技集团有限公司
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/9