一种桥式电极半导体激光器及其制备方法与流程

本发明涉及一种桥式电极半导体激光器及其制备方法，属于半导体激光器的技术领域。

背景技术：

半导体激光器是以半导体材料作为工作物质产生激光的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的导带和价带之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，大量的电子与空穴复合，产生受激发射作用。半导体激光器是最实用最重要的一类激光器。由于半导体激光器体积小、阈值电流低、转换效率高、功耗小、直接调制、传输信号速率高、寿命长等一系列的突出优点，其在激光通讯、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面获得了广泛的应用。

在半导体激光器脊形制备过程中，需要采用刻蚀进行脊区成型，后续工艺进行侧壁绝缘膜保护，然后采用金属薄膜制备工艺进行金属膜层覆盖，以进行封装焊接金属部和欧姆接触金属部连接。如果脊条侧壁上金属薄膜覆盖不好，出现膜层裂缝、断裂、断层等情况，轻微导致裂纹裂缝处漏光、封装老化不稳定，严重导致焊接金属部与欧姆接触金属部无电连接，激光不激射。而实际生产制备工艺中，脊区制备一般采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，因材料体系不同，水平/垂直方向腐蚀/刻蚀速率不同，脊区侧壁容易出现盖帽、垂直、内凹。薄膜制备方式中，一般工艺生产中绝缘膜采用pecvd工艺，薄膜沉积各向同性，台阶覆盖良好；金属薄膜一般采用溅射、电子束蒸镀、电镀，对于台阶膜层覆盖溅射最好，可以做到垂直侧壁的金属膜层覆盖，但是内凹、突起不规则侧壁形貌金属膜层会容易出现裂纹情况。深宽比大于一定比例的垂直侧壁金属溅射覆盖，尤其是小尺寸孔径深沟的侧壁薄膜覆盖，目前也不是很理想。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种桥式电极半导体激光器。

本发明还提供一种上述桥式半导体激光器的制备方法。

术语说明：

多量子阱，是指多个量子阱组合在一起的系统。就材料结构和生长过程而言，多量子阱和超晶格没有实质差别，仅在于超晶格势垒层比较薄，势阱之间的耦合较强，形成微带；而多量子阱之间的势垒层厚，基本无隧穿耦合，也不形成微带。多量子阱结构主要应用于其光学特性。

本发明的技术方案为：

一种桥式电极半导体激光器，包括自下而上依次设置的，n型接触金属、衬底、n型区、有源区、p型区、绝缘膜和p型接触金属；在衬底上生长的n型区、有源区和p型区构成半导体序列；所述p型区上，沿着前后方向设置有两个沟槽；在p型区上表面，两个沟槽之间的区域为脊区，沟槽位置为沟区，沟槽的外侧依次为肩区和解离区；所述绝缘膜包括两部分，两部分绝缘膜对称设置在脊区的左右两边；所述脊区部分覆盖绝缘膜并全部覆盖p型接触金属，所述肩区全部覆盖绝缘膜和p型接触金属，所述解离区的部分区域有绝缘膜覆盖但无p型接触金属覆盖；所述沟槽的表面设置有保护膜；每个沟槽内设置有多个腐蚀孔，所述腐蚀孔依次穿过p型接触金属和绝缘膜与所述沟槽连通。所述脊区,也称作脊，是半导体激光器的脊形波导。换言之，半导体激光器为条式激光器，也称作脊形激光器。从p型接触金属到半导体序列中的电流注入限制于脊形波导的部分。

根据本发明优选的，所述沟槽内的腐蚀孔随机设置。

根据本发明优选的，所述n型接触金属部分或全部覆盖于衬底界面。

根据本发明优选的，所述n型接触金属和p型接触金属分别由单种或多种金属材料构成。

进一步优选的，所述金属材料包括，银、金、铂、钯、钨、镍、钛、铑。

根据本发明优选的，所述沟槽垂直于出光方向的竖直截面形状为

根据本发明优选的，所述保护膜和绝缘膜分别由单层或多层电绝缘膜层构成。保护膜和绝缘膜具有一定的光反射作用；保护膜和绝缘膜可以为同种材料，也可以为不同材料，如sio2、sinx或sinxo。

根据本发明优选的，所述p型区上的沟槽，深与上口宽比≥0.2。此处结构设置使得沟区顶部覆盖的膜层结构呈牢固的桥型架构。

根据本发明优选的，所述衬底为gaas衬底、gan衬底或sic衬底。

根据本发明优选的，所述半导体序列的厚度为2～10μm，包括边界值；所述有源区为多量子阱结构；p型区的厚度为1～6μm，包括边界值；所述保护膜的厚度为500～5000埃。

根据本发明优选的，所述脊区宽20μm，沟区宽3μm，解离区的宽度为20微米，两部分绝缘膜的之间的距离为18微米；沟槽的深度为2μm；肩区宽度127μm，解离区宽度20μm。

根据本发明优选的，一个沟区、一对肩区和一对解离区构成一个区域单元；p型区上设置有多个区域单元，每个区域单元之间的间隔为300μm。

根据本发明优选的，所述腐蚀孔的横向截面为1.5微米×4微米长方形结构。

一种上述桥式半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

1)在衬底上进行外延生长，得到半导体序列；至此，半导体激光器芯片外延工艺制备完成；

2)在所述p型区上制备光刻图形；其中，脊区、肩区和解离区的制备位置覆盖光刻胶，而沟区的制备位置无光刻胶覆盖；制备光刻图形的工艺包括，常规光刻胶涂覆、烘烤、曝光、显影等光刻工艺；

3)用光刻胶作为掩膜腐蚀沟区，得到沟槽；半导体激光器的脊形波导成型；

4)将腐蚀后的芯片通过pecvd设备在p型区的上表面制备保护膜；

5)将激光器芯片放入蒸发台，在步骤4)制备的保护膜的上表面蒸镀腐蚀材料，腐蚀材料将沟槽填平；

6)将激光器芯片进行丙酮超声剥离处理，将脊区、肩区、解离区位置的覆盖物剥离掉，露出p型区；所述覆盖物包括，光刻胶、保护膜和腐蚀材料；

7)通过pecvd设备制备绝缘膜；以光刻胶为掩膜腐蚀掉脊区和解离区部分区域的绝缘膜7；

8)在解离区、沟区腐蚀孔的位置覆盖光刻胶，得到待蒸镀芯片；

9)将待蒸镀芯片放于蒸发台中，在p型区上蒸镀p型接触金属；

10)将蒸镀p型接触金属后的芯片进行丙酮超声剥离，将解离区、腐蚀孔位置的光刻胶和p型接触金属剥离掉；

11)将腐蚀孔位置的绝缘膜和沟槽内的腐蚀材料腐蚀掉；半导体激光器芯片p面桥式电极制备工艺完成。

根据本发明优选的，所述步骤1)中，半导体序列的材料体系为algainp和algainas材料体系。

根据本发明优选的，所述步骤5)中，所述腐蚀材料的蒸镀厚度为2μm；腐蚀材料为金属铝。

根据本发明优选的，p面桥式电极制备工艺完成后，采用常规工艺将gaas衬底裸露面通过研磨抛光工艺减薄至厚度150微米，生长制备n型接触金属，然后快速合金炉合金400℃5min形成良好的欧姆接触；

然后将半导体激光器芯片解离巴条，解离得到的两个自然腔面分别制备高反薄膜、增透薄膜；最后切割管芯，封装成应用产品。

本发明的有益效果为：

本发明所述桥式电极半导体激光器，通过设置桥式金属，侧壁不需要电连接脊条侧壁台阶，可以做到电断连的情况下保证半导体激光器芯片的良好的欧姆接触和电连接，有效避免台阶侧壁金属裂缝\断连导致电断连和电流扩展不良导致的半导体激光器不激射、热阻增加、大电压等问题，保证电流扩展的均匀性，降低欧姆接触金属电极电阻，提高半导体激光器的稳定性和寿命。

附图说明

图1为半导体激光器结构示意图；

图2为半导体激光器沟区腐蚀孔截面图；

图3为半导体激光器沟区非腐蚀孔区截面图；

图4为a-图4h为半导体激光器制备工艺示意图；

图5为图4-f俯视图；

图6为半导体激光器芯片的俯视图；

图7为图6沿b线的截面图；

其中，1、半导体序列，1-1、衬底，1-2、n型区，1-3、有源区，1-4、p型区，a、半导体生长方向，2、光刻胶，1-4-1、脊区，1-4-2、沟区，1-4-3、肩区，5、保护膜，6、腐蚀材料，7、绝缘膜，8、沟槽，9、p型接触金属，10、腐蚀孔，11、解离区，12、n型接触金属。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1所示。

一种桥式电极半导体激光器，包括自下而上依次设置的，n型接触金属12、衬底1-1、n型区1-2、有源区1-3、p型区1-4、绝缘膜7和p型接触金属9；在衬底1-1上生长的n型区1-2、有源区1-3和p型区1-4构成半导体序列1；所述p型区1-4上，沿着前后方向设置有两个沟槽8；在p型区1-4上表面，两个沟槽8之间的区域为脊区1-4-1，沟槽8位置为沟区1-4-2，沟槽8的外侧依次为肩区1-4-3和解离区11；所述绝缘膜7包括两部分，两部分绝缘膜7对称设置在脊区1-4-1的左右两边；所述脊区1-4-1部分覆盖绝缘膜7并全部覆盖p型接触金属9，所述肩区1-4-3全部覆盖绝缘膜7和p型接触金属9，所述解离区11的部分区域有绝缘膜覆7盖但无p型接触金属9覆盖；所述沟槽8的表面设置有保护膜5；每个沟槽8内设置有多个腐蚀孔10，所述腐蚀孔10依次穿过p型接触金属9和绝缘膜7与所述沟槽8连通。所述脊区1-4-1,也称作脊，是半导体激光器的脊形波导。换言之，半导体激光器为条式激光器，也称作脊形激光器。从p型接触金属9到半导体序列1中的电流注入限制于脊形波导的部分。

所述沟槽8内的腐蚀孔10随机设置。本实施例中，同一条沟区1-4-2内相邻腐蚀孔10间距50微米。

所述n型接触金属12全部覆盖于衬底1-1界面。

所述n型接触金属12为ag，所述p型接触金属9为au。所述衬底为gaas衬底。所述腐蚀孔10的横向截面为1.5微米×4微米长方形结构。如图2、图3所示。

实施例2

如实施例1所述的桥式电极半导体激光器，所不同的是，所述n型接触金属12为tiptau；所述p型接触金属9为tiptau。

实施例3

如实施例1所述的桥式电极半导体激光器，进一步的，所述沟槽8垂直于出光方向的竖直截面形状为

根据本发明优选的，所述保护膜5和绝缘膜7分别由单层电绝缘膜层构成。保护膜5和绝缘膜7具有一定的光反射作用；保护膜5和绝缘膜7均为sio2；

实施例4

如实施例1所述的桥式电极半导体激光器，进一步的，所述p型区1-4上的沟槽8，深与上口宽比为0.3。此处结构设置使得沟区1-4-2顶部覆盖的膜层结构呈牢固的桥型架构。

实施例5

如实施例1所述的桥式电极半导体激光器，进一步的，所述半导体序列1的厚度为5μm，包括边界值；所述有源区1-3为多量子阱结构；p型区1-4的厚度为2.5μm，包括边界值；所述保护膜5的厚度为1000埃。

实施例6

如实施例1所述的桥式电极半导体激光器，进一步的，所述脊区1-4-1宽20μm，沟区1-4-2宽3μm，解离区11的宽度为20微米，两部分绝缘膜7的之间的距离为18微米；沟槽8的深度为2μm；肩区1-4-3宽度127μm，解离区11宽度20μm。

实施例7

如实施例1所述的桥式电极半导体激光器，进一步的，一个沟区1-4-2、一对肩区1-4-3和一对解离区11构成一个区域单元；p型区1-4上设置有多个区域单元，每个区域单元之间的间隔为300μm。

实施例8

如图4a-图4h、图5所示。

一种如实施例1-7任意一项所述桥式半导体激光器的制备方法，包括步骤如下：

1)在衬底1-1上进行外延生长，得到半导体序列1；至此，半导体激光器芯片外延工艺制备完成；其中，半导体序列1的材料体系为algainp和algainas材料体系。

2)在所述p型区1-4上制备光刻图形；其中，脊区1-4-1、肩区1-4-3和解离区11的制备位置覆盖光刻胶，而沟区1-4-2的制备位置无光刻胶覆盖；制备光刻图形的工艺包括，常规光刻胶涂覆、烘烤、曝光、显影等光刻工艺；

3)用光刻胶作为掩膜腐蚀沟区，得到沟槽8；半导体激光器的脊形波导成型；本实施例采用湿法腐蚀沟区；成型后的激光器芯片如图6、图7所示；

4)将腐蚀后的芯片通过pecvd设备在p型区1-4的上表面制备保护膜5；所述pecvd设备为sentech生产的si500ppd型号pecvd沉积系统；

5)将激光器芯片放入蒸发台，在步骤4)制备的保护膜5的上表面蒸镀腐蚀材料6，腐蚀材料6将沟槽8填平；蒸发台为日本ulvac生产的ei-5z电子束蒸发台；

6)将激光器芯片进行丙酮超声剥离处理，将脊区1-4-1、肩区1-4-3、解离区11位置的覆盖物剥离掉，露出p型区1-4；所述覆盖物包括，光刻胶2、保护膜5和腐蚀材料6；

7)通过pecvd设备制备绝缘膜7；以光刻胶为掩膜腐蚀掉脊区1-4-1和解离区8部分区域的绝缘膜7；本实施例采用湿法腐蚀；

8)在解离区8、沟区腐蚀孔10的位置覆盖光刻胶，得到待蒸镀芯片；

9)将待蒸镀芯片放于蒸发台中，在p型区1-4上蒸镀p型接触金属9；此处的蒸发台也是日本ulvac生产的ei-5z电子束蒸发台；

10)将蒸镀p型接触金属9后的芯片进行丙酮超声剥离，将解离区8、腐蚀孔10位置的光刻胶和p型接触金属9剥离掉；

11)将腐蚀孔10位置的绝缘膜7和沟槽8内的腐蚀材料腐蚀掉；半导体激光器芯片p面桥式电极制备工艺完成。腐蚀的具体方法为，将芯片放入sio2腐蚀液中，将腐蚀孔10位置的绝缘膜7腐蚀掉。然后用1：5配比的盐酸将沟槽8内的铝腐蚀掉。

实施例9

如实施例8所述的桥式半导体激光器的制备方法，进一步的，所述步骤5)中，所述腐蚀材料6的蒸镀厚度为2μm；腐蚀材料6为金属铝。

实施例10

如实施例8所述的桥式半导体激光器的制备方法，进一步的，p面桥式电极制备工艺完成后，采用常规工艺将gaas衬底1-1裸露面通过研磨抛光工艺减薄至厚度150微米，生长制备n型接触金属geauniau，然后快速合金炉合金400℃5min形成良好的欧姆接触；

然后将半导体激光器芯片解离巴条，解离得到的两个自然腔面分别制备高反薄膜、增透薄膜；最后切割管芯，封装成应用产品。