激光端面的量子阱钝化结构的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年7月6日提交的先前申请的美国申请号16/028,573的优先权日，通过引用的方式将其全部内容并入本申请。

本发明涉及半导体激光二极管，更具体地说，涉及用于保护激光二极管的镜面的量子阱钝化装置。

背景技术：

高功率的半导体激光二极管已成为光通信技术的重要组件，特别是因为这种激光二极管可用于光纤泵浦（光信号放大）和其它高功率应用。在大多数情况下，通常需要激光二极管具有寿命长（例如超过数万小时）、输出可靠和稳定、输出功率高、光电效率高和光束质量高。

由于现代晶体生长反应器能够生产出高质量的半导体材料，高功率激光二极管激光器的长期可靠性很大程度上取决于解理形成激光腔的反射镜的激光端面的稳定性。

激光器端面的劣化是一个复杂的物理和化学反应过程，它可以由光、电流和热驱动在老化过程中会导致短期的功率退化，在正常操作过程中会导致长期的功率退化，且在严重情况下会导致镜面本身的灾难性光学损伤（cod），从而导致器件的完全失效。在反射膜层与半导体材料之间的界面上可以形成并捕获复杂的氧化物和点缺陷。当电流施加到器件上时，电荷载流子向端面扩散，因为表面起着载流子阱的作用（由于点缺陷和表面氧化产生的带隙内态的存在）。二极管发出的光可以光激发该表面的电荷载流子（电子和空穴），它可以通过电化学的方式驱动表面上的氧化反应。此外，被吸收的光产生的电子和空穴可以以非辐射的方式重新组合，这将导致过热的产生，并有助于形成晶格缺陷（点缺陷和位错）。半导体材料的加热可以在表面诱发热氧化，将进一步增加在半导体氧化物界面形成的吸收氧化层的厚度。与表面如此接近的过热会影响邻近表面的材料的电子结构。半导体晶体的光学带隙的热诱发的收缩增加了光的吸收。光吸收越多，热量越大，由此引起了热失控过程，从而致使表面和邻近端面的材料的快速劣化，最终导致端面的cod和失效。

多年来，由ibm开发的且被称为“e2钝化”的工艺可用于解决上述问题，并将cod的可能性最小化。e2工艺涉及在解理面上沉积非晶硅(a-si)层作为钝化膜层。e2工艺的本质是通过在裸露的端面上直接形成硅(si)以采用化学方法稳定芯片表面。尽管硅显然是阻止/消除端面腐蚀的最佳选择，但它的缺点是会吸收激光二极管发出的光。被吸收的光产生电荷载流子，这些电荷载流子以非辐射性地方式重新组合，将产生过多的热量，从而引起缺陷的形成。这些过程加速了端面的劣化，并可能引发导致cod的热失控情况。因此，钝化层不能太厚，因为它会吸收过多的光，产生过多的热量，进而增加cod的可能性（众所周知，随着si钝化膜厚度的增加，cod水平急剧降低）。厚度的限制取决于波长，当短波吸收越强的情况下，器件的性能况状对短波激光二极管就越重要。然而，虽然在光吸收方面钝化膜应该尽可能薄，但长期寿命试验表明，过薄的膜不能充分保护端面的表面。对于暴露于具有较高能量的离子/原子的表面来说，si膜的厚度也是一个关键参数，例如，在通过离子束溅射沉积的标准镜面膜层过程中，用于获得所需的镜面反射率。

从上述讨论中可以清楚地看出，要克服的一个挑战是减少钝化膜中的光吸收，同时保持钝化膜具有足够的厚度以保护端面，这在硅钝化膜的厚度首选方面显然是一个矛盾的要求。此外，钝化结构的形成方式需要使能够通过扩散到达芯片解理面的电荷载流子（由吸收光产生）的数量最小化。此外，钝化结构不得与端面反应，而应稳定端面的表面，并防止移动原子/杂质迁移和扩散到端面上。此外，钝化结构本身不应成为端面污染的来源。

技术实现要素：

本发明解决了现有技术中遗留的需求，其涉及半导体激光二极管，更具体地说，涉及用于保护激光二极管的镜面的量子阱钝化装置。

根据本发明的一个或多个实施例，现有技术的厚膜非晶硅钝化结构被量子阱结构所替代，所述量子阱结构包含交替的硅和氧化硅(siox)或氮化物（或其它合适的半导体材料，例如锗或锑及其氧化物或氮化物（或其它合适的势垒材料（barriermaterials）））等薄层。半导体材料可以是其纯形式，也可以是已知的降低缺陷密度的氢化形式。将初始半导体层沉积在裸露的端表面上，通过控制反应过程，形成一个与表现出量子性质相关的薄（例如，约3nm）层（而不是表现出基体材料（bulkmaterials）的常规性质的较厚层）。随后对该器件进行处理以形成一个薄的势垒层（barrierlayer）。在一个示例性实施例中，该器件暴露于氧气中以将半导体层的表面部分转化为其氧化物。然后将半导体的第二（薄）层沉积在该氧化物上，然后将该第二层的一部分氧化转化为其氧化物组分，从而形成量子阱结构。如果许多应用中首选多量子阱（mqw）结构，则需重复半导体沉积和氧化的步骤。

本发明的量子阱钝化结构的优点是，与厚硅层相比，这些量子阱将具有更大的光学带隙，因此对从激光二极管发射的光的吸收得更少。

本发明的示例性实施例涉及在边缘发射激光二极管的端面上形成钝化结构的方法，并且至少包括以下步骤：a）在反应室中沉积半导体的薄层以覆盖暴露的激光端面，控制沉积层的厚度以形成量子阱结构；b）氧化半导体层的表面部分以形成氧化物薄层；c）重复步骤a）和b）以形成交替的半导体量子阱和氧化物屏障的量子阱钝化结构。

本发明的另一示例性实施例采用边缘发射激光二极管的形式，该边缘发射激光二极管包括具有在其上形成的用于在工作波长下产生光的波导结构的半导体基板、在波导结构的相对面上形成的一对解理面、包括多个半导体量子阱和多个氧化材料层交替配置的钝化结构，以及直接在钝化结构上形成的反射膜层。

在下面的讨论过程中，通过参考附图，本发明的其它和进一步的实施例和方面将变得明显。

附图说明

现在参考示意图，

图1示出了传统的边缘发射激光二极管；

图2是根据本发明形成的示例性边缘发射激光二极管的平面图，其包括在激光器端面上形成的mqw钝化结构；

图3是如图2所示的与本发明的mqw钝化结构相关联的量子阱图;

图4–10示出了可用于根据本发明原理来制造mqw钝化结构的一系列示例性处理步骤；

图11示意性地示出了形成以包括本发明的mqw钝化结构的示例性完整激光二极管，激光二极管包括沉积在钝化结构顶部的标准反射膜层；

图12是包含本发明的mqw钝化结构形成的示例性激光二极管的高分辨率stem图。

图13是根据本发明形成的示例性激光二极管的另一个高分辨率stem图，在这种情况下，已使用非原位(ex-situ)调节工艺使初始非晶硅层结晶。

图14是本发明另一实施例的高分辨率stem图，在这种情况下，在形成剩余的mqw钝化结构之前，使用原位(in-situ)工艺使初始硅层结晶。

具体实施方式

图1示出了在具有前端面12和相对的后端面14的半导体光电芯片（或“棒”）10中形成的传统边缘发射激光二极管。棒10包括垂直结构，该垂直结构通常由外延沉积在gaas基板上的algaas、gaas、ingaas和相关的iii-v半导体材料层组成。然而，应当理解的是，其它材料组合也可能用于制造光发射器件。

在这些激光二极管的商业生产中，在单个砷化镓晶片上同时形成大量这样的棒，随后沿自然解理面解理晶片，以形成大量具有前端面和后端面12、14以及垂直排列的边16、18的单独棒10。

在晶片上执行的半导体处理在每个棒中还形成在前端面12、后端面14之间延伸的波导结构20。虽然在大多数情况下，波导结构20是脊形波导，但也可能是其他配置（例如，埋置异质结构波导）。在许多高功率应用中，波导结构20具有基本大于激光发射波长的宽度，以形成宽域激光器。

作为常规制造工艺的一部分，解理面12、14应采用标准的e2钝化工艺。也就是说，在端面12、14上涂覆钝化层22、24，所述钝化层优选非晶硅(a-si)。e2过程的本质是通过在裸露的端面上直接形成硅来以化学方式稳定芯片端面12、14。尽管硅显然是阻止/消除端面腐蚀的最佳选择，但它的缺点是硅可以自然地吸收激光二极管发出的光。也就是说，被吸收的光产生电荷载流子，这些电荷载流子以非辐射性地方式重新组合并产生过多的热量。这些过程加速了端面的劣化，并可能引发导致cod的热失控情况。因此，需要控制钝化层的总厚度，以最小化这种可能性。

的确，原则上，硅薄膜似乎足以以化学方式来稳定端面。然而，长期寿命试验表明，薄膜对长时间使用来说所提供的保护不足。即使在完全覆盖表面粗糙度/解理相关步骤的薄膜情况下，薄膜厚度也不足以作为防止外来原子/杂质扩散的有效屏障。

本发明通过包含半导体量子阱（qw）的量子阱结构（qw）替换厚硅膜（显示了基体材料的特性）来解决这些问题，所述量子阱结构与势垒层（例如，氧化物、氮化物等）交错。适合用作量子阱钝化结构的优选半导体材料包括硅、锗和锑，其采用纯形式或氢化形式。其中，氢化形式包含足量的氢，并通过悬挂键的饱和度来降低半导体材料中缺陷的密度。为方便起见，下面的讨论将重点放在硅/氧化硅在这种量子阱/势垒钝化结构中的应用，并了解到可以使用其它合适的材料。应当理解的是，除si、ge和sb的氧化物和氮化物外，其它材料（例如但不限于铝、钛和钽）的氧化物和氮化物也可用于形成qw钝化结构的屏障。

图2示出了一种示例性边缘发射激光二极管，其包括根据本发明的原理形成的量子阱钝化结构30。与上述讨论的常规激光二极管一样，本发明的激光二极管包括形成有端面12和14的半导体芯片10。如图2所示，本发明的激光二极管被构建以包含量子阱钝化结构30，所述量子阱钝化结构被布置为覆盖端面12（应理解，可以使用相同的方法在相对面14上形成量子阱钝化结构），可如图所示。

如下文所述，量子阱结构30包括半导体材料的交替层和设置在端面12的暴露表面上的介质势垒层。根据本发明的原理，每个单独的层相对较薄（大约几纳米），以创建所需的量子阱/势垒结构。构建多层qw/势垒叠层的过程持续进行，直到形成具有与现有技术的a-si钝化膜相近厚度的最终叠层。在一些实施例中，单个量子阱结构可能就足够了。

参考图2所示的具体实施例，量子阱结构30的初始硅层32.1显示为沉积在端面12的暴露的顶部主表面12s上。利用众所周知的技术（例如使用e2工艺）来沉积硅层32.1。根据本发明，为了提供所需的量子阱结构，所形成的硅层32.1的厚度仅为几纳米（例如3纳米）。一旦形成初始硅层32.1，随后将器件暴露于氧气中以氧化硅层32.1的表面部分，从而形成第一氧化硅层34.1。根据本发明监测氧化过程以控制所形成氧化层34.1的厚度。例如，对于第一氧化层34.1，可能需要创建的厚度大约在1.0-2纳米的范围。有了这个厚度，剩余的硅层32.1的最终厚度将大约为1-2纳米，或者略小于1-2纳米。剩余硅层32.1和氧化层34.1的结合形成量子阱钝化结构。如果优选形成“多”量子阱结构（通常是这种情况），则在氧化层34.1上沉积额外的薄（约3nm）硅层32.2，并且将器件再次暴露于氧气中，从而将硅层32.2的顶部转化为第二氧化硅层34.2。随后可以继续沉积和氧化的步骤，进而形成如图2所示的叠层，以形成量子阱结构30。应当理解的是，这些材料的选择仅为示例性材料，其它材料可用于形成量子阱和势垒层。事实上，势垒可能包括硅、锗和锑的氧化物或氮化物，以及例如氧化铝、氧化钛、氮化铝和氧化钽等的特定材料。图例中，硅层用sl表示(silayer)。

一旦形成所需数量的量子阱，在最外面的势垒层（此处显示为氧化硅层34.4）的顶表面上形成标准膜层36（如sixny）。需要理解的是，单个层的数量及其厚度是设计考虑因素，并且可以根据不同情况进行调整或改变（视情况而定），只要这些层保持足够薄以显示其量子性质而不是传统的基体材料性质。这些不同的情况可能包括，例如，激光二极管需在超高功率下工作，激光器需在不同波长下工作，或在加工过程中（例如，通过离子束溅射沉积标准镜面膜层），端面暴露于高能离子的情况。

图3是描述由硅和氧化硅的交替层形成的示例性qw/势垒结构的图。如上所述，使用现有技术的厚硅层作为端面涂层的一个问题是它吸收了通过激光芯片发射的一部分光。被吸收的光产生足够数量的电荷载流子以非辐射地方式重新组合，进而导致过多的热量和端面退化。这种端面的退化，尤其是通过复合增强的形成、反应和缺陷的传播发生，由产生过多的热量辅助。特定地点/位置的非辐射复合载流子的数量越多，该处的材料降解速度越快。由此可以看出，通过在钝化结构中的光吸收所产生的适当的空间重新分布的载流子，可以减缓退化过程。根据本发明的原理，这一结果是通过使用具有更高的带隙势垒材料的量子阱结构来限制对局部量子阱的任何复合来实现的。因此，人们发现使用这种量子阱结构不仅可以减少激光发射的吸收，而且可以最大限度地减少到达芯片表面的电荷载流子的数量，并通过这些方法显著地减缓端面退化过程。

如下文所述，图4–11,举例说明一组示例性的处理步骤，该处理步骤可用于形成根据本发明的用于边缘发射激光二极管的量子阱钝化结构。应当理解的是，当激光器保持条形时，本发明的钝化工艺可应用于端面。事实上，可以同时加工多个激光棒，从而显著缩短制造时间，提高整个工艺的效率。

图4示出了钝化过程开始时的激光二极管结构。应当理解的是，如图4所示的激光芯片10已经被完全加工，以包括形成激光器件所需的各种iii-v材料层，并且已经达到了制造过程中通过解理操作形成端面12和14的点，进而从加工过的gaas晶片中制造出几个激光二极管的“棒”。事实上，虽然没有明确示出整个激光二极管棒，但应当理解的是，根据本发明提供量子阱钝化的方法可以在多个激光二极管的棒形结构上以及在单个激光二极管本身上执行。预计在大多数情况下，最好在一组激光二极管棒上同时进行钝化，从而提供一种高效的批量生产技术。

图4示出了在解理后以露出端面12和14的激光芯片10。如图所示，端面钝化过程的初始步骤是在暴露的端面12的端表面12s上沉积初始硅层32.1。可在用作先前解理操作的相同设备内进行沉积。在形成初始硅层32.1后，将器件暴露于氧气中，氧气用于氧化硅层32.1的最外表面，进而将其转化为氧化硅。图5强调非晶硅层被处理成晶体，从而与芯片形成晶体界面。应当理解的是，如下文结合图11的讨论，可在工艺的不同阶段进行结晶化。

图6示出了从硅层32.1的顶部形成的第一氧化层34.1。暴露在氧气中的长度决定了所形成的氧化硅层34.1的厚度（同样，剩余的氧化硅层32.1的厚度）。如图6所示，剩余的硅层32.1的最终厚度为ts，氧化层34.1的厚度为to，其中ts+to与最初沉积的硅层大致相同。由于向钝化结构中添加氧原子，预计厚度会略有变化。因此，当从厚度为3nm的初始硅层形成厚度为1nm的氧化物层时，层32.1的最终厚度ts将为2nm。为了创造根据本发明的硅量子阱结构，初始硅层32.1（以及随后沉积的所有硅层）需要相对薄，约3nm或更小（取决于激光二极管发射的光波长）。然后继续该过程，如图7所示，通过在第一氧化硅层34.1上沉积第二硅层（表示为硅层32.2）。第二层32.1沉积到允许形成量子阱的厚度。

对于期望形成多个量子阱的实施例，该过程通过再次将器件10暴露于氧气中，随后继续再沉积一层薄硅层，等等。在每个工艺循环中，暴露在氧气中会导致新沉积硅层32的最外表面氧化。图8示出了在过程进行中显示出第二氧化层34.2的结构。图8中的硅层32.2示出了下底部硅层的剩余厚度。可以进行多次沉积硅并形成氧化硅的步骤，以形成硅多量子阱的形式。本发明方法的显著优点是，每一连续的硅层沉积在无污染的室中，该室每次都保持原始表面以供后续处理。另一种方法是，在原子尺度上，本发明的工艺比现有技术的端面钝化技术“更清洁”。

需要注意的是，在标准的e2工艺中，在沉积单硅钝化层后，将器件从无污染反应室中移除，其余的镜面处理在该反应室外进行。因此，当单硅层保持非常薄（如现有技术中提出的将与光吸收相关的热失控降至最低），就会出现这样一种情况：钝化层的暴露表面非常接近芯片端面，并增加扩散/迁移移动原子种类/杂质的端面污染风险。与这种情况相比，本发明的结构保持最终的、暴露的硅层（此处为层32.4）尽可能远离端面，以防止移动原子种类污染。

图8示出了在硅沉积和形成氧化硅的额外步骤之后的激光芯片10，该激光芯片10示出了额外的硅层32.3和氧化层34.3。结构30的最终形式可如图9所示，其中在图8所示的结构上进行了一组额外的硅沉积和氧化物形成的步骤。参照图2，形成量子阱钝化结构30的最终结构以显示所需厚度t，其可能类似于用e2工艺形成的标准硅钝化膜的厚度。图10示出了该方法的最后步骤，其中保护层36（例如，氮化硅sin）形成在外部的氧化层34.4上。

初始硅层21.1形成时是非晶硅层，如果保持此状态，将与端面12相互作用，从而在相对低的电流/功率水平下导致cod。因此，需要对层32.1进行处理以形成单晶硅(crystallizedsilicon，c-si)层32.1c。本领域内众所周知的各种技术可用于提供这种处理，其包括但不限于在限定时间内（有时称为”训练”）且在降低电流下操作。或者，也可以使用非原位工艺，例如我们于2018年6月4日提交的待决美国专利申请号码15/996614中所述，并以引用方式并入本文中，它描述了使用外部能源照射钝化材料并将其转化为晶体形式。应当了解的是，可在镜子处理的不同阶段（例如，直接在第一硅层沉积之后、在量子阱制造完成时，当镜子完成时（包括反射外部膜层的沉积）），或在上述两者之间的任何点上进行处理步骤。图11示出了具有该第一硅层的结晶形式的钝化结构，此处以硅层32.1c示出。

图12是为包括本发明的量子阱钝化结构而形成的示例性激光二极管的另一高分辨率stem图。结构30的量子阱形式是清晰可见的，以形成在激光芯片10的端面12和外部保护层36之间的钝化界面。

图13是为包括本发明的量子阱钝化结构而形成的示例性激光二极管的另一高分辨率stem图。在这种情况下，已使用非原位处理工艺（如我们上述的共同待决申请中所述）使初始非晶硅层32.1结晶以形成单晶硅层32.1c。图14是本发明的又一实施例的高分辨率stem图。在这种情况下，使用原位（in-situ）工艺来处理初始硅层32.1c。

如上所述，由于量子阱中的有效带隙比现有技术使用的基体硅材料大，因此通过本发明的钝化结构的激光输出发射的吸收更少。本发明的激光二极管结构的优点是，在单个量子阱中产生的任何电荷载流子都将“局部地”重新组合，即在该特定层本身内重新组合。

如果在膜层材料或钝化结构/膜层界面上存在任何不需要的种类（原子或分子），在没有外部驱动力的应用下，它们无法启动通过钝化结构扩散到端面（或与端面发生化学反应）。光能的吸收就是这样一种驱动力，但是钝化结构的量子阱结构被认为会阻碍这种能力，从而使在端面和钝化层中产生的电荷载流子的数量最小化，进而导致过热和缺陷的形成。

本发明可以以其它具体形式体现，在不背离其精神或本质特征的情况下。所述实施例在各方面仅被视为说明性的，而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是由上述说明书指明。在权利要求的含义和等效范围内的所有变更都应包含在其范围内。