本发明涉及一种全反射光波导半导体激光器芯片及其制备方法，属于半导体激光器的技术领域。
背景技术：
半导体激光器具有体积小、寿命长、成本低、光电转换效率高的优点，被广泛应用于工业加工、照明、通信、医疗等领域。对于半导体激光器，一个重要指标是输出光的光形。影响光形的因素很多，主要有光腔的形状，光波导侧面的介质层折射率等。一支合格的激光器要求主光斑轮廓清晰，无光斑分叉、无杂散光斑。激光器的输出光形，取决于芯片的光形质量，现有同类激光芯片制备工艺有两种，一种是在脊型激光器的脊台表面以外区域淀积一层二氧化硅或氮氧化硅介质层，作为电绝缘层，激光腔的部分光会进入介质层，介质层的厚度、致密性、折射率会影响这部分光的特性，造成输出光形随介质层的特性变化；另一种是在激光腔侧面蒸镀金属层作为反射膜，因为芯片做欧姆接触时要经历高温退火过程，金属膜易与光腔侧面形成合金层造成界面吸收，影响光的限制和器件可靠性。本发明，通过采用具有高反射率的光学膜作为电绝缘层,利用高反射膜的反射特性，可使光限制在激光腔中，明显改善激光器的输出光形，同时起到了电绝缘作用。
中国专利文献cn105449519a公开了一种双肩脊条的gaas-基激光器的制备方法及利用该方法制备的gaas-基激光器。该方法包括步骤如下：利用光刻掩膜版进行曝光、显影、腐蚀等工步制备出需要的图形结构；二次曝光；二次显影；在二次显影后的外延片上生长电流阻挡层；剥离掉脊条结构顶部有光刻胶位置处的电流阻挡层，形成电流注入窗口，再进行p面电极层蒸镀、减薄、n面电极层蒸镀、合金、封装等工步，形成gaas-基激光器。该方法只是去掉了脊条结构顶部的介质层，脊条侧面生长有电流阻挡层。
中国专利文献cn102545051a公开了一种氮化镓基激光器管芯的制备方法，包括如下步骤：1)在衬底上外延生长n型gan电极接触层、n型光限制层、n型波导层、发光有源区、p型波导层、p型光限制层和p型电极接触层，得到氮化镓基激光器外延结构；2)将氮化镓基激光器外延结构刻蚀至p型光限制层，并刻去部分p型波导层，形成激光器的脊型结构；3)在上述激光器的脊型结构的表面蒸镀p型欧姆接触电极层；4)在p型欧姆接触电极的表面形成p型层加厚电极；5)将衬底减薄；6)蒸镀n型欧姆接触电极金属；7)分割形成单个激光器的管芯。本发明的制备方法可以简化激光器的制作工艺，使激光器的脊型的侧壁形成金属接触，增大金属接触面积，减小接触电阻，降低工作电压，增加散热效果。该方法的弱点是，因为芯片做欧姆接触时要经历高温退火过程，金属膜易与光腔侧面形成合金层造成界面吸收，影响光的限制和器件可靠性。
中国专利文献cn205543688u公开的一种光斑稳定的大功率半导体激光器，自下至上依次包括衬底、下包层、有源区、上包层和接触层；上包层与接触层上设置有脊型结构，脊型结构的两侧形成沟槽，沟槽深度小于上包层与接触层的总厚度；接触层上表面除了脊顶面以外的部分以及沟槽的表面上包覆有介质层，介质层及脊型结构上包覆第一金属电极层，衬底的底面设置有第二金属电极层；第一金属电极层通过焊料烧结在热沉上，焊料与沟槽的底部设置有空气隔离层。上述激光器的上包层较厚，制成脊型结构，工作时有源区产生的热量侧向散发路径被空气隔离层阻断，热量主要通过脊型接触层垂直散发，因而脊型中间部分及靠近沟槽部分的有源区的折射率梯度不会随产热增加而继续变大，近场光斑也更加稳定。此方法接触层上表面除了脊顶面以外的部分包覆有介质层，这就增加了芯片的热阻，影响芯片散热。
技术实现要素：
针对现有半导体激光器制备技术存在的不足，本发明提供一种输出光形质量好、可靠性高的全反射光波导半导体激光器芯片。
本发明还提供一种上述半导体激光器芯片的制备方法，该方法能够明显改善激光器的输出光形质量，提高了芯片可靠性。
本发明全反射光波导半导体激光器芯片，采用以下技术方案：
该半导体激光器芯片，包括外延片，外延片包括从下至上依次设置的衬底、下包层、有源区、上包层和欧姆接触层，外延片中心位置设置有脊型光腔，脊型光腔深至上包层内，脊型光腔的两侧设置有隔离槽，隔离槽的外侧设置有肩区，外延片的上表面设置有高反射率光学膜层，高反射率光学膜层上设置有p电极层。
外延片为砷化镓基激光器外延片或氮化镓基激光器外延片。
脊型光腔两侧的隔离槽和肩区相对脊型光腔为水平布局的对称结构。
高反射率光学膜层用电子束镀膜机蒸镀。
高反射率光学膜层为高折射率介质膜和低折射率介质膜交替层叠而成，至少三个周期，每层介质膜的厚度为半导体激光器芯片输出波长的1/4n，n为介质膜的折射率。高折射率介质膜选自ta2o5、si、si3n4和tio2，低折射率介质膜选自sio2、al2o3。高反射率光学膜层的反射率达到90％以上。
外延片上的脊型光腔用光刻方法刻蚀出。
常规的半导体激光器芯片制备工艺是通过介质层淀积，然后通过刻蚀或剥离工艺，在脊形光腔欧姆接触层以外的区域包括光腔的两侧，沉积一层介质层作为电绝缘层。本发明是通过光学膜镀膜设备，根据激光器芯片的波长,生成由不同折射率介质层叠构成的光学反射膜,该光学反射膜具有电绝缘和对横向光波导的反射作用。本发明提升了激光腔的光限制效率，从而使激光器芯片的阈值电流降低，光电转换效率提升，光斑改善，提高了激光器的可靠性。
上述半导体激光器芯片的制备方法，具体步骤包括：
(1)在衬底上依次生长下包层、有源区、上包层和欧姆接触层，形成外延片；
(2)一次光刻：在外延片的欧姆接触层上均匀覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影和腐蚀，沿垂直于外延片解理的方向，形成设计要求的脊型光腔宽度、周期和隔离槽宽度的激光条，脊型光腔高度小于上包层厚度(脊型光腔不包括欧姆接触层，严格意义上说，比上包层薄,上包层里还包含光波导层和光限制层，光限制层在光波导层的外面，所谓光腔就是光波导层所构成的区域)；然后去除光刻胶，将外延片清洗干净；
(3)蒸镀高反射率光学膜：交替蒸镀高折射率介质膜和低折射率介质膜，至少蒸镀三个周期，每层介质膜的厚度为激光器芯片输出波长的1/4n，n为介质膜的折射率；
高折射率介质膜选自ta2o5、si、si3n4和tio2，低折射率介质膜选自sio2和al2o3。
(4)二次光刻：通过曝光、显影和腐蚀，去除脊型光腔表面光学膜层，然后去除光刻胶，将外延片清洗干净；
(5)三次光刻：在二次光刻后的外延片上涂覆光刻胶，通过曝光显影保留两组芯片切割间隔的光刻胶作为剥离金属电极层的掩蔽膜；
(6)制备p电极层：蒸镀p电极层，p电极层由钛、钯、镍、铂、金和银中的至少一种构成，不同金属层依次蒸镀，一种金属层的厚度为0.05-3微米；蒸镀完成后，去除光刻胶及光刻胶上面的金属层，形成激光芯片p面电极图形，再经退火，使脊型光腔表面形成欧姆接触；
(7)衬底减薄；
(8)制备n电极层：在减薄的衬底表面蒸镀n型欧姆接触电极金属，形成良好的欧姆接触；
(9)巴条解离和镀膜：按设计好的激光腔长，在垂直于激光腔方向上解离出激光腔面，形成芯片并排的巴条，再在两端的腔面上分别蒸镀上高反射膜和增透膜；
(10)沿设计好的管芯切割间隔，将巴条上经镀膜的激光器芯片分割，形成单个激光器的芯片。
所述步骤(7)中衬底减薄到50-120微米。
所述步骤(9)中的高反射膜由sio2和tio2介质膜依次交替层叠构成，周期为6-7，每层介质膜的厚度为半导体激光器芯片输出波长的1/4n，n为介质sio2或tio2的折射率；高反射膜的反射率至少为95％。
所述步骤(9)中的增透膜由sio2和tio2介质膜依次交替层叠构成，周期为1-2，每层介质膜的厚度为半导体激光器芯片输出波长的1/2n，n为介质sio2或tio2的折射率，增透膜的透射率为70％。
本发明采用高反射率光学膜作为电绝缘层和光学反射层，因为介质膜对横向光波导形成了高反射，实现了对光腔的光限制，从而使激光器芯片的阈值电流降低，光电转换效率提升，明显改善了输出光形，消除了杂散光，提升了芯片的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1中外延片的结构示意图。
图2为本发明实施例1中一次光刻后的外延片结构示意图。
图3为本发明实施例1中二次光刻后的外延片结构示意图。
图4为本发明全反射光波导半导体激光器芯片的结构示意图。
图5为实施例1制备的650nm波长激光器高反射率光学膜反射率测试结果。
图中：1、n电极层，2、衬底，3、下包层，4、有源区，5、上包层，6、接触层，7、高反射率光学膜层，8、p电极层，9、脊型光腔，10、隔离槽，11、肩区。
具体实施方式
本发明的全反射光波导半导体激光器芯片，如图4所示，本发明的全反射光波导半导体激光器芯片，如图4所示，包括外延片，外延片包括从下至上依次设置的衬底2、下包层3、有源区4、上包层5和欧姆接触层6，衬底2为砷化镓、氮化镓、磷化铟或碳化硅中的任一种。外延片中心位置设置有脊型光腔9，脊型光腔9深至上包层5内，脊型光腔9的两侧设置有隔离槽10，隔离槽10的外侧设置有肩区11。脊型光腔9两侧的隔离槽10和肩区11相对脊型光腔9为水平布局的对称结构。外延片的上表面(包括脊型光腔9、隔离槽10和肩区11)设置有高反射率光学膜层7，高反射率光学膜层7上设置有p电极层8。高反射率光学膜层7采用电子束镀膜机蒸镀，其反射率至少为90％。高反射率光学膜层7为sio2和tio2介质膜依次交替而成，3个周期以上，每层sio2或tio2介质膜的厚度为激光器芯片输出波长的1/4n，n为介质的折射率。
实施例1
本实施例以650nm波长的激光器为例，详细说明本发明半导体激光器芯片的制备过程，具体包括以下步骤。
(1)利用金属有机化学气相沉积法，在衬底2上依次生长下包层3、有源区4、上包层5和欧姆接触层6，形成外延片，如图1所示。
(2)一次光刻：在欧姆接触层6上均匀覆盖一层光刻胶，通过曝光、显影和腐蚀，沿垂直于外延片解理的方向，按设计要求形成一定宽度脊型光腔9、一定周期和一定宽度隔离槽10的激光条，脊型光腔9的高度小于上包层5的厚度(脊型光腔不包括欧姆接触层，严格意义上说，比上包层薄,上包层里还包含光波导层和光限制层，光限制层在光波导层的外面，所谓光腔就是光波导层所构成的区域)，如图2所示。本实施例中脊型光腔9宽度为3-3.5微米，周期为200微米，隔离槽10的宽度为20-30微米。然后去除光刻胶，将外延片清洗干净。
(3)蒸镀高反射率光学膜7
用介质膜淀积设备(介质膜淀积设备可以是真空镀膜机、pecvd或溅射)依次交替蒸镀sio2和tio2介质膜3-4个周期，使反射率达到90％以上，形成高反射率光学膜7，如图3所示。sio2和tio2的折射率n分别为1.54和2.70，每层sio2厚度＝650nm*1/(4*1.54)＝106nm,每层tio2厚度＝650nm*1/(4*2.70)＝60nm。
(4)二次光刻：通过曝光、显影和腐蚀，去掉脊型光腔9表面的光学膜，如图3所示；然后去除光刻胶，将外延片清洗干净。
(5)三次光刻：在二次光刻后的外延片上涂覆光刻胶，通过曝光显影保留两组芯片间30-50微米间隔光刻胶作为剥离金属电极层的掩蔽层，去掉其余区域的光刻胶。
(6)p电极层蒸镀及剥离
蒸镀金属电极层，用镀膜机依次蒸镀钛、铂和金的金属层，厚度分别为：0.1微米、0.05微米和0.3微米。蒸镀完成后，通过剥离工艺去除光刻胶及光刻胶上面的金属层，形成p电极图形。330-350℃退火5-8分钟，使p电极层8与接触层6形成欧姆接触。
(7)衬底减薄：用研磨机将衬底2减薄到50-120微米。
(8)制备n电极层
在减薄的衬底表面蒸镀金锗、镍和金三层金属层，厚度分别为0.1微米、0.05微米和0.3微米，形成良好的欧姆接触。
(9)巴条解离和镀膜
在垂直于激光腔方向按300微米间隔解离，形成数个芯片并排的巴条，然后在巴条两端的腔面上分别蒸镀高反射膜和增透膜。
所述高反射膜由sio2和tio2介质膜依次交替层叠构成，周期为6-7，每层介质膜的厚度为半导体激光器芯片输出波长的1/4n，n为介质sio2或tio2的折射率，反射率至少为95％。所述增透膜由sio2和tio2介质膜依次交替层叠构成，周期为1-2，每层介质膜的厚度为半导体激光器芯片输出波长的1/2n，n为介质sio2或tio2的折射率，透射率为70％。
(10)芯片解离：沿周期为200微米的管芯切割间隔，将巴条上经镀膜的激光器芯片解离分离，形成如图4所示的单个激光器的芯片。图5给出了本实施例制备的650nm波长激光器高反射率光学膜反射率测试结果。
实施例2
本实施例以808nm波长激光器为例。
本实施例与实施例1的区别在于：
步骤(2)中，通过曝光、显影、腐蚀，沿垂直于外延片解理的方向，形成光腔宽度为50微米、周期为200的微米、隔离槽宽为20-30激光条形结构。
步骤(3)中,每层sio2介质膜厚度＝808nm*1/(4*1.54)＝131nm,每层tio2介质膜厚度＝808nm*1/(4*2.70)＝75nm。