一种高功率半导体芯片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体光电子领域，具体涉及一种高功率半导体芯片及其制备方法。

背景技术：

高功率半导体激光器芯片的发展方向就是更高输出光光功率，更高亮度。增加激光器芯片的发光区宽度，制备宽波导半导体激光芯片是提高光功率的有效手段。如约100～200微米波导宽度的半导体激光芯片的功率可以达到10w以上。但发光区宽度增加带来的一个问题是芯片工作时，侧向有数十个甚至更多的高阶光模式同时激射，造成发散角增大。目前已采用的抑制高阶光侧向模式激射的方法是在宽波导内部引入多光栅结构或多个电极或波导条纹，这种引入的光散射结构的高阶模式光限制因子足够大，但这种办法会导致光增益和广场侧向强烈周期分布，引发远场多峰的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种高功率半导体芯片及其制备方法，以解决在控制抑制高阶光侧向模式激射时引发远场多峰问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种高功率半导体芯片，包括：自下至上依次设置的衬底、下限制层、下波导层、有源层、上波导层、侧向光栅层、上限制层、接触层、电流隔离介质层以及金属层；其中，侧向光栅层包括多组侧向光栅，多组侧向光栅沿第一方向依次设置，多组侧向光栅的周期各不相同，每组侧向光栅包括多条光栅，多条光栅沿第二方向排布，第一方向与第二方向相交。

可选地，第一方向为光辐射方向。

可选地，第一方向与第二方向垂直。

可选地，各组侧向光栅的周期在第一方向递进排布或随机排布。

可选地，电流隔离介质层及金属层限定形成电流注入区，侧向光栅层设置于电流注入区中。

可选地，半导体芯片的出光端面设置有抗反射镀膜层，高反射端面设置有高反射镀膜层。

可选地，多组侧向光栅的周期分别为：di＝2w/(m+i)；其中di为周期，w为上波导层的宽度，m为光模式阶数，i为大于等于1的整数。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种高功率半导体芯片的制备方法，包括：在衬底上依次形成下限制层、下波导层、有源层、上波导层；在上波导层上沿第一方向依次形成多组侧向光栅，多组侧向光栅的周期各不相同，每组侧向光栅的多条光栅沿第二方向排布，第一方向与第二方向相交；在多组侧向光栅上依次形成上限制层、接触层、电流隔离介质层以及金属层。

可选地，在上波导层上沿第一方向依次形成多组侧向光栅，包括：在上波导层上通过外延生长形成侧向光栅层；在侧向光栅层上刻蚀形成光栅条纹。

本发明实施例提供的高功率半导体芯片，通过在波导内设置侧向光栅层，使高阶光模式的抑制作用不会受到芯片波导宽度的限制。高阶光侧向模式可以与光栅结构有足够的交叠，使高阶光侧向模式受到光在非水平面上的衍射效应，引入了高阶光侧向模式在波导内的传播损耗，可以抑制高阶光侧向模式激射，提高半导体芯片的功率；同时通过设置多组周期不同的光栅，使由于增益调制和折射率调制引起的强度周期振荡的光与光栅的周期不能在第一方向保持匹配，达到了抑制其激射的效果，从而达到抑制侧向光强度周期震荡的作用，消除了远场双峰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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示出了本发明实施例的半导体芯片的结构第二方向切面示意图。

图2示出了本发明实施例的半导体芯片的三维结构示意图。

其中1为衬底，2为下限制层，3为下波导层，4为有源层，5为上波导层，6为上限制层，7为接触层，8为电流隔离介质层，9为金属层，10为侧向光栅层。

具体实施方式

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，本领域技术人员在没有作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。

本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。

本发明实施例提供了一种高功率半导体芯片，如图1-2所示，包括：自下至上依次设置的衬底1、下限制层2、下波导层3、有源层4、上波导层5、侧向光栅层10、上限制层6、接触层7、电流隔离介质8层以及金属层9；其中，侧向光栅层10包括多组侧向光栅，多组侧向光栅沿第一方向依次设置，多组侧向光栅的周期各不相同，每组侧向光栅包括多条光栅，多条光栅沿第二方向排布，第一方向与第二方向相交。在本发明实施例中，有源层4的结构可以为双异质结构、单双量子阱结构、多量子阱结构中的一种。衬底1的材料可以为gaas，在衬底1的下层还可以包括电极层，电极层的材料可以为金属或者合金。

本发明实施例提供的高功率半导体芯片，通过在波导内设置侧向光栅层，使高阶光模式的抑制作用不会受到芯片波导宽度的限制，高阶光侧向模式可以与光栅结构有足够的交叠，使高阶光侧向模式受到光在非水平面上的衍射效应，引入了高阶光侧向模式在波导内的传播损耗，可以抑制高阶光侧向模式激射，提高半导体芯片的功率；同时通过设置多组周期不同的光栅，使由于增益调制和折射率调制引起的其它阶模式的强度周期振荡的光与光栅的周期不能在第一方向保持匹配，达到了抑制其激射的效果，从而达到抑制侧向光强度周期震荡的作用，消除了远场双峰。

在可选的实施例中，第一方向为光辐射方向。在本发明实施例中，第一方向为半导体芯片的纵向，光辐射方向也为半导体芯片的纵向，第一方向为光辐射的方向。

在可选的实施例中，第一方向与第二方向垂直。在本发明实施例中，第二方向为半导体芯片的侧向，第一方向为半导体芯片的纵向，第一方向和第二方向垂直。

在可选的实施例中，电流隔离介质层8及金属层9限定形成电流注入区，侧向光栅层10设置于电流注入区中。在本发明实施例中，由电流隔离介质层8与上波导层5之间形成电流注入区，电流注入区由电流隔离介质层8及金属层9进行限定，电流注入区成脊型，在电流注入区设置侧向光栅层10，该种设计既能增加电流的接触面积，又能改善高阶光侧向模式因宽脊型台面带来的侧向模式的不稳定性，又能抑制高阶光侧向模式激射。

在可选的实施例中，半导体芯片的出光端面设置有抗反射镀膜层，高反射端面设置有高反射镀膜层。在本发明实施例中，为提高半导体芯片两个腔面中一个腔面的出光比例，在出光端面可以设置低反射率的抗反膜，在另一个端面，也即高反射端面可以设置高反射率的高反膜。

在可选的实施例中，各组侧向光栅的周期在第一方向递进排布或随机排布；多组侧向光栅的周期分别为：di＝2w/(m+i)；其中di为周期，w为上波导层的宽度，m为光模式阶数，i为大于等于1的整数。在本发明实施例中，多组侧向光栅的周期各不相同，各组侧向光栅的周期在第一方向递进排布时，多组光栅沿第一方向，周期可以分别为2w/(m+1)，2w/(m+2)，2w/(m+3)……，各组侧向光栅的周期在第一方向随机排布时，可以按照周期的大小顺序依次设置，也可以不按照光栅的周期大小顺序依次设置，具体的设置方式按照实际的需要进行。

为了便以理解，具体的，以本发明的一个优选实施例，均匀周期的光栅结构对本发明进行解释。在本发明实施例中，光栅在侧向的周期为d，光波导宽度为w，光波导的有效折射率为n。为了抑制m阶侧向模式的光激射，在上波导层上设置光栅结构，光栅的周期设计为d＝2w/(m+1)，从而m阶以上的高阶光侧向模式都会受到光在非水平面上的衍射效应，从而增加了m阶侧向模式的光的传播损耗，抑制了m阶侧向模式的光激射，可以提高提高半导体芯片的功率，但同时由于增益调制和折射率调制，引起了(m-1)/2阶侧向模式的光振荡，产生了远场双峰，因此，在本发明实施例中，在光辐射方向(纵向)上引入多组(≥2)不同周期的光栅来抑制由于增益调制和折射率调制引起的(m-1)/2侧向模式的光振荡。因为(m-1)/2阶侧向模式的光与其他组光栅的周期不匹配，不能得到增益，从而可以达到抑制其激射的效果，从而达到抑制侧向光强度周期震荡的作用，消除远场双峰。每组可选的光栅的周期d’＝2w/(m’+1)，其中m’＝m+1，m+2，……

本发明实施例提供了一种高功率半导体芯片的制备方法，包括：在衬底上依次形成下限制层、下波导层、有源层、上波导层；在上波导层上沿第一方向依次形成多组侧向光栅，多组侧向光栅的周期各不相同，每组侧向光栅的多条光栅沿第二方向排布，第一方向与第二方向相交；在多组侧向光栅上依次形成上限制层、接触层、电流隔离介质层以及金属层。半导体激光器的制作有着相对成熟的工艺条件和工艺流程，本发明的设计是在普通的大功率激光器的基础上进行改进，工艺技术上能够得到保证，过程相对来说不是那么复杂。所以该设计适用于生产。在本发明实施例中，半导体芯片具体的工艺过程可以包括：提供一衬底，衬底的材料可以为gaas，可以在gaas衬底上，利用金属有机化学相淀积(mocvd)的方法依次外延下限制层、下波导层、有源层、上波导层。在上波导层上通过外延生长形成侧向光栅层，定好侧向光栅的相关参数(如周期，比例，材料)，在侧向光栅层上使用光刻方法光刻出各组光栅条纹，因为在侧向的光栅的周期还是比较长的，可以直接使用光刻技术，可以使用的光刻的设备是接触式曝光光刻机。然后再通过外延生长在侧向光栅层上依次形成上限制层、接触层。通过光刻和干法或湿法腐蚀方式在上接触层、上限制层和上波导层形成电流注入脊型台面。沉积电流隔离介质层，在脊型台面顶部将电流隔离介质层去掉形成电流注入窗口，最后沉积上金属层。在其他的实施例中，也可以通过在衬底上依次外延生长下限制层、下波导层、有源层、上波导层。

在可选的实施例中，可以通过在上波导层上通过刻蚀沟槽的方式形成各组光栅条纹。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。