一种半导体结构及制造方法与流程

本发明涉及半导体，具体涉及一种半导体结构及制造方法。

背景技术：

1、大功率单横模半导体光放大器(soa，semiconductor optical amplifier)/半导体激光器(sl，semiconductor laser)在光纤激光器、光纤通信、空间光通信、材料加工、泵浦源、探测和医疗等领域应用广泛，其基本结构为具有有源区的光波导，波导中的横模是指波导中传输的光在波导截面上的光强分布，单横模(即仅有基模传输)波导能够带来单个器件更高的输出亮度和更好的光束质量，这对于光耦合放大、探测和光通信等应用至关重要。

2、脊波导结构是广泛应用的折射率引导型波导，其能够实现较高的光束质量(接近衍射极限光束)。一般的单横模脊波导通过较窄的波导宽度来抑制或者截止高阶横模，但较窄的波导宽度限制了有源区体积，从而限制了输出功率。同时也导致了更高的热阻以及较小的光模式尺寸和发光孔径。前者会引发热量积累导致的功率饱和，后者会使激光器端面处光场强度过高，导致灾变性光学镜面损伤，使激光器输出大幅下降。因此一般单横模脊波导的输出功率比较有限。

3、为了解决上述问题，需要通过增大波导宽度来增加有源区体积和光模式尺寸，同时减小热阻。而为了在增大波导宽度的同时保证波导的单横模工作，又需要使波导核心(较高折射率区域)和外围(较低折射率区域)间的折射率差较小。然而，较小的折射差会使得波导对由热效应和载流子注入造成的折射率变化非常敏感，导致模式不稳定。尤其是在工作电流远高于阈值电流时(一般大功率激光器的工作条件)，此时空间烧孔效应和热透镜效应会使得高阶横模更易激发。因此，为了提高激光器的单横模输出功率，需要新的方法来提高高阶横模相对于基模的阈值电流。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种半导体结构及制造方法，解决了如何提高半导体器件的单横模输出功率的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、一种半导体结构，包括衬底层、外延层，所述外延层设置在衬底层的一端面，所述外延层远离衬底层的一端面设置有主波导，所述外延层远离衬底层的一端面还设置有第一耦合波导和第二耦合波导，且所述第一耦合波导位于主波导的一侧，所述第二耦合波导位于主波导的另一侧，所述主波导、第一耦合波导以及第二耦合波导均为弯曲波导。

4、可选的，所述第二耦合波导至第一耦合波导的方向为第一方向，所述外延层长度方向为第二方向，且所述第一方向与第二方向垂直设置，所述第一方向与第二方向构成俯视平面，所述主波导、第一耦合波导和第二耦合波导中的任意一条边沿曲线在俯视平面上的曲线方程为：0≤x≤l，其中，y为第一方向上的长度，x为第二方向上的长度，为边沿曲线的末端相位，l为主波导/第一耦合波导/第二耦合波导在第二方向上的长度，minr为边沿曲线的最小曲率半径，θ为边沿曲线的初始相位。

5、可选的，所述主波导、第一耦合波导、第二耦合波导的边沿曲线互为等距线，且基于所述参考曲线以及等距线的间距，设定所述主波导、第一耦合波导以及第二耦合波导中除参考曲线外的边沿曲线的曲线方程。

6、可选的，所述主波导的宽度设置为最多支持二阶横模。

7、可选的，所述第一耦合波导以及第二耦合波导的宽度设置，满足所述第一耦合波导以及第二耦合波导的基模与所述主波导的一阶横模相位匹配的条件。

8、可选的，所述第一耦合波导的宽度设置，满足所述第一耦合波导的基模与所述主波导的一阶横模相位匹配的条件；所述第二耦合波导的宽度设置，满足所述第二耦合波导的一阶横模与所述主波导的二阶横模相位匹配的条件。

9、可选的，所述第一耦合波导、第二耦合波导分别与主波导之间的距离设置，满足所述主波导的基模损耗与高阶横模损耗的差值最大的条件。

10、可选的，所述衬底层上设置有背部电极，所述主波导上设置有第一波导电极，通过所述第一波导电极对所述主波导施加正向偏置电压。

11、可选的，所述第一耦合波导上设置有第二波导电极一，所述第二波导电极一接地/悬空设置，或所述第二波导电极一用于对所述第一耦合波导施加反向偏置电压；所述第二耦合波导上设置有第二波导电极二，所述第二波导电极二接地/悬空设置，或所述第二波导电极二用于对所述第二耦合波导施加反向偏置电压。

12、可选的，所述背部电极与衬底层接触区域与主波导在外延层上的位置相对。

13、一种半导体结构的制造方法，所述半导体结构的制造方法用于制备如上述任意一项所述的半导体结构。

14、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

15、1.在主波导(有电流注入的宽脊波导)两侧分别设置与主波导相邻的较窄的第一耦合波导和第二耦合波导，且第一耦合波导、第二耦合波导的模式均与主波导中的高阶横模相位匹配，能够将主波导中的高阶横模耦合至第一耦合波导和第二耦合波导中，而主波导基模基本不受影响，且由于第一耦合波导、第二耦合波导没有电流注入，其有源区对光有很强的吸收，因此有效增加了主波导的高阶横模的损耗；

16、2.主波导、第一耦合波导以及第二耦合波导均设置为弯曲波导，由于高阶横模模场在波导核心外分布较多，因此高阶横模在弯曲波导中有更大的泄漏损耗，而通过余弦/正弦型的弯曲波导的曲率半径连续变化，则可避免曲率半径跳变造成的基模损耗，此外，弯曲波导也可以增加高阶横模的耦合效率，并通过弯曲波导等距相邻设置，保证了耦合的一致性，提高了器件稳定性。

技术特征：

1.一种半导体结构，其特征在于，包括衬底层、外延层，所述外延层设置在衬底层的一端面，所述外延层远离衬底层的一端面设置有主波导，所述外延层远离衬底层的一端面还设置有第一耦合波导和第二耦合波导，且所述第一耦合波导位于主波导的一侧，所述第二耦合波导位于主波导的另一侧，所述主波导、第一耦合波导以及第二耦合波导均为弯曲波导。

2.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述第二耦合波导至第一耦合波导的方向为第一方向，所述外延层长度方向为第二方向，且所述第一方向与第二方向垂直设置，所述第一方向与第二方向构成俯视平面，所述主波导、第一耦合波导和第二耦合波导中任选一条边沿曲线在俯视平面上的曲线方程为：且所选的一条边沿曲线为参考曲线，其中，y为第一方向上的长度，x为第二方向上的长度，为边沿曲线的末端相位，l为主波导/第一耦合波导/第二耦合波导在第二方向上的长度，minr为边沿曲线的最小曲率半径，θ为边沿曲线的初始相位。

3.根据权利要求2所述的一种半导体结构，其特征在于，所述主波导、第一耦合波导、第二耦合波导的边沿曲线互为等距线，且基于所述参考曲线以及等距线的间距，设定所述主波导、第一耦合波导以及第二耦合波导中除参考曲线外的边沿曲线的曲线方程。

4.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述主波导的宽度设置为最多支持二阶横模。

5.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述第一耦合波导以及第二耦合波导的宽度设置，满足所述第一耦合波导以及第二耦合波导的基模与所述主波导的一阶横模相位匹配的条件。

6.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述第一耦合波导的宽度设置，满足所述第一耦合波导的基模与所述主波导的一阶横模相位匹配的条件；所述第二耦合波导的宽度设置，满足所述第二耦合波导的一阶横模与所述主波导的二阶横模相位匹配的条件。

7.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述第一耦合波导、第二耦合波导分别与主波导之间的距离设置，满足所述主波导的基模损耗与高阶横模损耗的差值最大的条件。

8.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述衬底层上设置有背部电极，所述主波导上设置有第一波导电极，通过所述第一波导电极对所述主波导施加正向偏置电压。

9.根据权利要求1所述的一种半导体结构，其特征在于，所述第一耦合波导上设置有第二波导电极一，所述第二波导电极一接地/悬空设置，或所述第二波导电极一用于对所述第一耦合波导施加反向偏置电压；所述第二耦合波导上设置有第二波导电极二，所述第二波导电极二接地/悬空设置，或所述第二波导电极二用于对所述第二耦合波导施加反向偏置电压。

10.根据权利要求8所述的一种半导体结构，其特征在于，所述背部电极与衬底层接触区域与主波导在外延层上的位置相对。

11.一种半导体结构的制造方法，其特征在于，所述半导体激光器件结构的制造方法用于制备如权利要求1-10任意一项所述的半导体激光器结构。

技术总结
本发明涉及半导体技术领域中的一种半导体结构及制造方法，包括衬底层、外延层，外延层设置在衬底层的一端面，外延层远离衬底层的一端面设置有主波导，外延层远离衬底层的一端面还设置有第一耦合波导和第二耦合波导，且第一耦合波导位于主波导的一侧，第二耦合波导位于主波导的另一侧，主波导、第一耦合波导以及第二耦合波导均为弯曲波导，解决了如何提高半导体器件的单横模输出功率的问题。

技术研发人员：黄健欧,欧阳龙天
受保护的技术使用者：杭州温米芯光科技发展有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13