一种半导体外延结构及其制备方法、半导体有源光电器件与流程

本发明实施例涉及半导体技术领域，特别是涉及一种半导体外延结构及其制备方法、半导体有源光电器件。

背景技术：

半导体有源光电器件具有体积小、重量轻、电泵直接发光等优势，其应用领域非常广泛。但是，由于热积累以及损伤阈值等限制因素，使具有基横模输出特性的传统窄条波导结构边发射器件的饱和输出功率遇到提升瓶颈。

目前，现有技术中半导体外延结构中的下波导层为平面结构，并且光模式体积小，具有光增益较高、饱和输出光功率低的特点，为了提高半导体有源光电器件的饱和输出光功率，通常在制作半导体有源光电器件时采用锥形波导结构，以通过增加半导体材料增益面积来进一步提升饱和输出光功率，这种方法最大的缺点就是慢轴光束质量会有明显下降，影响半导体有源光电器件的性能；另一个解决办法是增加半导体外延结构中的波导厚度，从而增加光模式体积，减小光学限制因子，以大幅度提升饱和输出功率水平，并且这种半导体外延结构可以采用传统窄条波导结构来制备有源光电器件，从而保证近衍射极限的慢轴光束质量，但是这种方法最大的缺点是光增益水平会有大幅度下降，影响半导体有源光电器件的性能。

鉴于此，如何提供一种具备高增益水平与高饱和输出功率水平的半导体外延结构及其制备方法、半导体有源光电器件，并且还能够保证半导体有源光电器件的近衍射极限慢轴光束质量成为本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种半导体外延结构及其制备方法、半导体有源光电器件，在使用过程中能够为半导体有源光电器件同时提供具有高增益水平和高饱和输出功率水平的功能区域，并且还能够保证半导体有源光电器件的近衍射极限慢轴光束质量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种半导体外延结构，应用于半导体有源光电器件，包括由下至上依次分布的衬底、缓冲层、下包层、下波导层、有源区、上波导层、上包层、盖层以及接触层，其中：

所述下包层的上表面为上凸台结构，所述下波导层的下表面为下凸台结构，所述上凸台结构和所述下凸台结构互补，使所述上凸台结构和所述下凸台结构的轮廓重合；所述上凸台结构的上表面至所述上波导层上表面构成第一有源波导结构，所述下凸台结构的下表面至所述上波导层上表面构成第二有源波导结构，所述第一有源波导结构的光学限制因子大于所述第二有源波导结构的光学限制因子，所述第一有源波导结构的光模式体积小于所述第二有源波导结构的光模式体积。

可选的，所述上凸台结构和所述下凸台结构均为矩形结构。

可选的，所述上凸台结构为梯形结构，所述下凸台结构为倒梯形结构。

本发明实施例相应的提供了一种半导体外延结构的制备方法，包括：

在衬底上生长外延结构形成缓冲层；在所述缓冲层上进行外延生长，得到平面结构的初始下包层；

采用刻蚀方法对所述初始下包层进行刻蚀，得到间隔分布的沟槽和上凸台结构，以便得到下包层；

在所述上凸台结构的上表面制备掩膜，并在所述沟槽内进行外延生长，使生长厚度达到所述上凸台结构的高度，以便形成下凸台结构，并去除所述掩膜后继续进行外延生成，以便得到下波导层；

在所述下波导层上继续进行外延生成，并依次得到有源区、上波导层、上包层、盖层以及接触层。

本发明实施例还提供了一种半导体有源光电器件，包括基于如上述所述的半导体外延结构制作而成的窄条结构芯片。

可选的，所述窄条结构芯片为采用双沟道平面波导工艺制备而成的，所述窄条结构芯片包括第一功能分区和第二功能分区，所述第一功能分区和所述第二功能分区之间设有隔离电极，所述第一功能分区两侧和所述第二功能分区两侧设有双沟道；

所述第一功能分区为所述半导体外延结构中的第一有源波导结构构成的，所述第二功能分区为所述半导体外延结构中的第二有源波导结构构成的。

可选的，所述半导体有源光电器件为半导体光放大器，所述第一功能分区作为所述半导体光放大器的前级功放，所述第二功能分区作为所述半导体光放大器的后级功放。

可选的，所述半导体有源光电器件为主振荡功率放大器，所述第一功能分区作为所述主振荡功率放大器的主振荡器，所述第二功能分区作为所述主振荡功率放大器的功率放大器。

可选的，所述主振荡功率放大器为无光栅结构的主振荡功率放大器、具有分布式布拉格反射镜结构的主振荡功率放大器或具有分布式反馈结构的主振荡功率放大器。

本发明实施例提供了一种半导体外延结构及其制备方法、半导体有源光电器件，应用于半导体有源光电器件，该半导体外延结构包括由下至上依次分布的衬底、缓冲层、下包层、下波导层、有源区、上波导层、上包层、盖层以及接触层，其中，下包层的上表面为上凸台结构，下波导层的下表面为下凸台结构，上凸台结构和下凸台结构相匹配，使上凸台结构和下凸台结构的轮廓重合；上凸台结构的上表面与上波导层构成第一有源波导结构，下凸台结构的下表面与上波导层构成第二有源波导结构，第一有源波导结构的光学限制因子大于第二有源波导结构的光学限制因子，第一有源波导结构的光模式体积小于第二有源波导结构的光模式体积。

可见，本发明中的半导体外延结构包括第一有源波导结构和第二有源波导结构，并且第一有源波导结构的光学限制因子大于第二有源波导结构的光学限制因子，第一有源波导结构的光模式体积小于第二有源波导结构的光模式体积，从而可得第一有源波导结构能够实现提供高增益水平的功能区域，第二有源波导结构能够实现提供高饱和输出功率水平的功能区域，两个有源波导结构集成在同一个外延片中，可以为多种具有片上级联结构的半导体有源光电器件同时提供具有高增益水平和高饱和输出功率水平的功能区域，并且采用本申请中的半导体外延结构能够制备窄条芯片结构，从而保证半导体有源光电器件的近衍射极限慢轴光束质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种半导体外延结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种半导体外延结构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种半导体外延结构的制备方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种半导体有源光电器件的结构示意图；

图5为与图4中的第一功能分区对应的光模式分布图；

图6为与图4中的第二功能分区对应的光模式分布图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种半导体外延结构及其制备方法、半导体有源光电器件，在使用过程中能够为半导体有源光电器件同时提供具有高增益水平和高饱和输出功率水平的功能区域，并且还能够保证半导体有源光电器件的近衍射极限慢轴光束质量。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种半导体外延结构的结构示意图。

该半导体外延结构，应用于半导体有源光电器件，其包括由下至上依次分布的衬底11、缓冲层12、下包层13、下波导层14、有源区15、上波导层16、上包层17、盖层18以及接触层19，其中：

下包层13的上表面为上凸台结构，下波导层14的下表面为下凸台结构，上凸台结构和下凸台结构互补，使上凸台结构和下凸台结构的轮廓重合；上凸台结构的上表面至上波导层16上表面构成第一有源波导结构，下凸台结构的下表面至上波导层16上表面构成第二有源波导结构，第一有源波导结构的光学限制因子大于第二有源波导结构的光学限制因子，第一有源波导结构的光模式体积小于第二有源波导结构的光模式体积。

需要说明的是，本实施例中的衬底11用于提供外延生长基底，缓冲层12用于提供比衬底11表面缺陷数量更少的外延生长平面，下包层13如图1所示，其下表面也即缓冲层12的上表面为平面，其上表面具有上凸台结构，位于下包层13上方的下波导层14的下表面与下包层13的上表面重合，并且下波导层14的下表面具有下凸台结构，其上表面为平面结构，也即下波导层14的下表面的下凸台结构和下包层13的上表面的上凸台结构相互互补。具体的，本实施例中下包层13的上凸台结构的上表面与下波导层14的上表面之间形成高台阶区域14-1，上凸台结构的上表面与下波导层14的上表面之间距离较短，下波导层14的下凸台结构的下表面与下波导层14的上表面之间形成低台阶区域14-2，下凸台结构的下表面与下波导层14的上表面之间的距离较大。也即，下波导层14具有两种不同的功能区域，由高台阶区域14-1与上波导层16之间可以构成第一有源波导结构，该第一有源波导结构具有较高的光学限制因子和较小的光模式体积，因此具有较高的增益水平，能够提供具有高增益水平的功能区域；由低台阶区域14-2与上波导层16之间可以构成第二有源波导结构，该第二有源波导结构具有较低的光学限制因子和较大的光模式体积，因此饱和输出功率水平较高，能够提供具有高饱和输出功率水平的功能区域，并且具有两种功能的半导体外延结构在同一个外延片中紧密相连，可以为多种具有片上级联结构的有源光电器件同时提供具有高增益水平和高饱和输出功率水平的功能区域。其中，上凸台结构和下凸台结构的高度可以根据实际需要的增益水平和饱和功率输出水平进行确定，本申请不做具体限定。

另外，本申请中依次设置于下波导层14的上方的有源区15、上波导层16、上包层17、盖层18以及接触层19中，有源区15用于提供光模式增益的，上波导层16与下波导层14之间共同构成有源波导结构，上包层17用于提供光模式的上光场限制，盖层18用于保护位于其下方的外延结构，接触层19用于制备欧姆接触，并且，本实施例中的有源区15可以采用但不仅限于采用量子阱结构。本实施例中的衬底11、缓冲层12、有源区15、上波导层16、上包层17、盖层18以及接触层19的具体结构、材质和制备方式均可以参照现有技术中的结构、材质和制备方式，本申请不做详述。

具体如图1所示，本实施例中的上凸台结构和下凸台结构可以均为矩形结构，以便在制备时降低制备难度。

其中，上凸台结构的宽度和下凸台结构的宽度分别决定了光场在第一有源波导和第二有源波导中传输的长度，具体可以根据实际制备的器件类型和所需要的增益水平和饱和输出功率水平进行确定。

当然，为了使传输光在从第一有源波导结构向第二有源波导结构过渡时光场扩散更加平缓，本实施例中的上凸台结构可以设置为梯形结构，下凸台结构可以设置为倒梯形结构，具体如图2所示。

可见，本发明中的半导体外延结构包括第一有源波导结构和第二有源波导结构，并且第一有源波导结构的光学限制因子大于第二有源波导结构的光学限制因子，第一有源波导结构的光模式体积小于第二有源波导结构的光模式体积，从而可得第一有源波导结构能够实现提供高增益水平的功能区域，第二有源波导结构能够实现提供高饱和输出功率水平的功能区域，两个有源波导结构集成在同一个外延片中，可以为多种具有片上级联结构的半导体有源光电器件同时提供具有高增益水平和高饱和输出功率水平的功能区域，并且采用本申请中的半导体外延结构能够制备窄条芯片结构，从而保证半导体有源光电器件的近衍射极限慢轴光束质量。

在上述实施例的基础上，本发明实施例相应的提供了一种半导体外延结构的制备方法，具体请参照图3。该方法包括：

s110：在衬底上生长外延结构形成缓冲层；

s120：在缓冲层上进行外延生长，得到平面结构的初始下包层；

具体的，本申请中在制备如上述实施例中提供的半导体外延结构时，可以在第一次外延生长时逐层生长衬底和缓冲层，并在缓冲层上继续进行外延生长至下包层的上表面上凸台结构位置处停止，从而得到平面结构的初始下包层。

s130：采用刻蚀方法对初始下包层进行刻蚀，得到间隔分布的沟槽和上凸台结构，以便得到下包层；

具体的，通过刻蚀工艺在初始下包层表面制备出沟槽，沟槽的深度与上凸台结构的高度相等，从而能够得到上凸台结构，也即得到下包层，并且所制备出的沟槽可以用来生长下波导层的下凸台结构。

s140：在上凸台结构的上表面制备掩膜，并在沟槽内进行外延生长，使生长厚度达到上凸台结构的高度，并去除掩膜后继续进行外延生成，以便得到下波导层；

具体的，在制备下波导层时，通过在下包层上凸台结构的上表面制备掩膜后，进行第二次区域选择性生长下波导层，当生长厚度达到上凸台结构的高度时，可以恰好将沟槽填平时停止生长，然后去掉掩膜及其上的多余材料，此时外延片具有光滑平整的上表面，最后进行第三次生长剩余的结构层。

s150：在下波导层上继续进行外延生成，并依次得到有源区、上波导层、上包层、盖层以及接触层。

也即，在得到下波导层后，在下波导层声进行第三次外延结构的生长，以便依次得到有源区、上波导层、上包层、盖层以及接触层，从而得到本实施例中的半导体外延结构。

需要说明的是，本实施例中所提供的半导体外延结构制备方法具有与上述实施例中所提供的半导体外延结构相同的有益效果，并且对于本实施例中所涉及到的半导体外延结构的具体介绍，请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种半导体有源光电器件，该半导体有源光电器件包括基于如上述的半导体外延结构制作而成的窄条结构芯片。具体的，请参照图4，本实施例中的窄条结构芯片可以为采用双沟道平面波导工艺对上述半导体外延结构制备后得到的，窄条结构芯片包括第一功能分区21和第二功能分区22，第一功能分区21和第二功能分区22之间设有隔离电极23，第一功能分区21两侧和第二功能分区22两侧设有双沟道24；

第一功能分区21为半导体外延结构中的第一有源波导结构构成的，第二功能分区22为半导体外延结构中的第二有源波导结构构成的。

需要说明的是，图4中的结构25为半导体外延结构的高台阶区域14-1，结构26为半导体外延结构的低台阶区域14-2，本实施例中的第一功能分区21具体包括半导体外延结构中的第一有源波导结构，第二功能分区22具体包括半导体外延结构中的第二有源波导结构。

还需要说明的是，第一功能分区21中的光模式分布如图5所示的光模式分布31，具有高光学限制因子和小光模式体积；第二功能分区22中的光模式分布如图6所示的光模式分布32，具有低光学限制因子和大光模式体积。另外，第一功能分区21和第二功能分区22中的光模式均为基模或单横模。

进一步的，本实施例中的半导体有源光电器件可以为半导体光放大器，第一功能分区21作为半导体光放大器的前级功放，第二功能分区22作为半导体光放大器的后级功放。

具体的，本实施例中的半导体光放大器可以采用第一功能分区21作为前级功放，功能是将外部输入微弱信号光利用第一功能分区21的高增益特性放大至中等功率水平；可以采用第二功能分区22作为后级功放，功能是将第一功能分区21输出的中等功率信号光利用第二功能分区22的高饱和输出功率特性进一步放大至高功率水平。该半导体光放大器，其第一功能分区21的输入腔面和第二功能分区22的输出腔面通常制备具有超低反射率的减反膜，以尽量消除芯片内部的光模式振荡，提高光增益水平和饱和输出功率水平。另外，本实施例中的半导体光放大器也可制备倾斜波导芯片结构，以进一步降低输入与输出腔面的反射率水平。

更进一步的，本实施例中的半导体有源光电器件为主振荡功率放大器，第一功能分区21作为主振荡功率放大器的主振荡器，第二功能分区22作为主振荡功率放大器的功率放大器。

具体的，主振荡功率放大器可以为无光栅结构的主振荡功率放大器、具有分布式布拉格反射镜结构的主振荡功率放大器或具有分布式反馈结构的主振荡功率放大器。

需要说明的是，当主振荡功率放大器为无光栅结构的主振荡功率放大器时，可以采用第一功能分区21作为主振荡器，其功能是产生多纵模特性的种子光，可以采用第二功能分区22作为功率放大器，其功能是将第一功能分区21输出种子光的光功率进行放大。该无光栅结构的主振荡功率放大器的第一功能分区21的后腔面通常制备高反膜，减少镜面损耗，其第二功能分区22的前腔面通常制备较低反射率的减反膜，以增加输出功率水平，另一方面提供少量反馈光到主振荡器形成谐振腔。

当主振荡功率放大器为具有分布式布拉格反射镜结构的主振荡功率放大器时，可以采用第一功能分区21作为主振荡器，其功能是产生单纵模特性的种子光，可以在第一功能分区21的后腔面位置制备无源的分布式布拉格反射镜结构；可采用第二功能分区22作为功率放大器，功能是将第一功能分区21输出种子光的光功率进行放大。该具有分布式布拉格反射镜结构的主振荡功率放大器，其第一功能分区21的后腔面和第二功能分区22的前腔面通常制备减反膜，以尽量消除前后腔面位置的无用光反馈，提高单纵模稳定性和饱和输出功率水平。

当主振荡功率放大器为具有分布式反馈结构的主振荡功率放大器时，可以采用第一功能分区21作为主振荡器，功能是产生单纵模特性的种子光，可在第一功能分区21区域制备表面光栅或掩埋光栅结构；可以采用第二功能分区22作为功率放大器，功能是将第一功能分区21输出种子光的光功率进行放大。本实施例中的具有分布式反馈结构的主振荡功率放大器，其第一功能分区21的后腔面和第二功能分区22的前腔面通常制备减反膜，以尽量消除前后腔面位置的无用光反馈，提高单纵模稳定性和饱和输出功率水平。

本申请提供的多种有源光电器件具有高功率输出特性，同时具有以下几个方面的优点：

其一，本申请中的有源光电器件在片上完成前级与后级的光耦合，避免外部光耦合带来的光损耗，提高了器件的稳定性与可靠性；其二，与常用的锥形结构相比，本申请提供的有源光电器件可以在制备窄条芯片结构的情况下实现高饱和输出功率，输出光的慢轴光束质量比锥形结构更高，更有利于远距离应用；其三，所述有源光电器件输出腔面的快轴与慢轴波导尺寸接近，输出光束接近圆形对称，非常有利于提高单模光纤耦合效率。可见，本申请对推进半导体有源光电器件在同时要求高功率输出与近衍射极限光束质量的特定场景中的应用具有重要意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。