激光器芯片及制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种激光器芯片及制备方法。

背景技术：

半导体器件是利用半导体材料自身特殊的电学特性来完成特定功能的电子器件，可以用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换等等。随着数据中心和电信网络等网络系统的调制速率的提升，涉及到的半导体器件的调制速率已经到达上限，需要一种调制速率更高，且在高温工作环境下更优异的半导体器件性能来满足市场需求。

现如今，传统的激光器芯片在高温工作环境中，激光器芯片中内的电子能量增大，量子阱有源区不足以完全束缚注入量子阱的电子，导致大量电子溢流出有源区，难以应用于工业级宽温操作领域，不能满足市场需求。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种激光器芯片及制备方法。

为解决上述技术问题，本申请的第一方面提出一种激光器芯片的制备方法，包括：

提供基底；

于所述基底上形成有源层；

于所述有源层的表面形成电子阻挡层，所述电子阻挡层包括in1-xgaxp材料层；

于所述电子阻挡层的表面形成外延结构。

于上述实施例中的激光器芯片的制备方法中，在提供的基底上形成有源层，于有源层的表面形成电子阻挡层，电子阻挡层包括in1-xgaxp材料层；并于电子阻挡层的表面形成外延结构。在不增加额外的制造成本下，通过在激光器芯片中的外延结构和有源层之间添加电子阻挡层的设计，相比较传统的有源外延结构，in1-xgaxp材料层与外延结构中材料层的导带边不连续，从而形成电子势垒，阻挡在严苛的环境下（-40℃~85℃）电子溢流出有源层，大量的电子聚集在有源层中，以使电子与空穴复合，实现增强激光器芯片的高温光功率，解决高温环境中激光器芯片高衰减，易于饱和的问题，满足客户的需求。

在其中一个实施例中，所述in1-xgaxp材料层中x的取值范围为0.104~0.175，所述in1-xgaxp材料层的厚度为10nm~20nm。

在其中一个实施例中，所述有源层包括ingaasp应变多量子阱有源层，所述于所述基底上形成有源层之前还包括于所述基底的表面形成缓冲层的步骤。

在其中一个实施例中，所述于所述电子阻挡层的表面形成外延结构，包括：

于所述电子阻挡层远离所述有源层的表面形成第一包层；

于所述第一包层远离所述电子阻挡层的表面形成衍射光栅结构；

于所述第一包层远离所述电子阻挡层的表面及所述衍射光栅结构的表面形成第二包层，所述第二包层包覆所述衍射光栅结构；

于所述第二包层远离所述第一包层的表面形成金属接触层。

在其中一个实施例中，所述于所述第一包层远离所述电子阻挡层的表面形成衍射光栅结构，包括：

于所述第一包层远离所述电子阻挡层的表面形成衍射光栅层；

于所述衍射光栅层远离所述第一包层的表面形成盖层；

采用相干法光栅光刻工艺形成图案化衍射光栅层和图案化盖层，以于所述第一包层远离所述电子阻挡层的表面形成所述衍射光栅结构。

在其中一个实施例中，所述制备方法还包括：

于所述外延结构远离所述电子阻挡层的表面形成第一金属电极层；

于所述基底远离所述缓冲层的表面形成第二金属电极层。

在其中一个实施例中，所述第二金属电极层、所述基底、所述缓冲层、所述有源层、所述电子阻挡层、所述外延结构及所述第一金属电极层由下至上依次叠置形成叠层结构，所述制备方法还包括：

于所述叠层结构的相对两侧依次形成抗反射镀膜层和高反射镀膜层。

本申请的第二方面提出一种激光器芯片，包括：

基底；

有源层，位于所述基底上；

电子阻挡层，覆盖所述有源层的表面，所述电子阻挡层包括in1-xgaxp材料层；

外延结构，覆盖所述电子阻挡层的表面。

于上述实施例中的激光器芯片中，基底；有源层，位于所述基底上；电子阻挡层，覆盖所述有源层的表面，所述电子阻挡层包括in1-xgaxp材料层；外延结构，覆盖所述电子阻挡层的表面。通过在激光器芯片中的外延结构和有源层之间添加电子阻挡层的设计，相比较传统的有源外延结构，in1-xgaxp材料层与外延结构中材料层的导带边不连续，从而形成电子势垒，阻挡在严苛的环境下（-40℃~85℃）电子溢流出有源层，大量的电子聚集在有源层中，以使电子与空穴复合发光，进一步有效增强激光器芯片在高温环境下的光功率，降低高温激光器芯片的高温衰减，满足客户的需求。

在其中一个实施例中，所述in1-xgaxp材料层中x的取值范围为0.104~0.175，所述in1-xgaxp材料层的厚度为10nm~20nm。

在其中一个实施例中，所述外延结构包括由下至上依次叠置的第一包层、衍射光栅结构、第二包层及金属接触层。

在其中一个实施例中，所述激光器芯片还包括：

缓冲层，覆盖所述基底的表面；

第一金属电极层，覆盖所述外延结构的表面；

第二金属电极层，位于所述基底远离所述缓冲层的表面，其中，所述第二金属电极层、所述基底、所述缓冲层、所述有源层、所述电子阻挡层、所述外延结构及所述第一金属层由下至上依次叠置形成叠层结构；

抗反射镀膜层和高反射镀膜层位于所述叠层结构的相对两侧。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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实施例的附图。

图1为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法的流程示意图；

图2为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中提供基底后所得结构的截面结构示意图；

图3为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成有源层后所得结构的截面结构示意图；

图4为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成电子阻挡层后所得结构的截面结构示意图；

图5为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成外延结构后所得结构的截面结构示意图；

图6为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成缓冲层后所得结构的截面结构示意图；

图7为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成的外延结构的内部截面结构示意图；

图8为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成衍射光栅层和盖层后所得结构的截面结构示意图；

图9为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成衍射光栅结构后所得结构的截面结构示意图；

图10为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成第一金属电极层和第二金属电极层后所得结构的截面结构示意图；

图11为本申请一实施例中提供的激光器芯片的制备方法中形成抗反射镀膜层和高反射镀膜层后所得结构的截面结构示意图；

图12为本申请一实施例中提供的激光器芯片中的电子阻挡层不同组分下得到的光功率分曲线图；

图13为本申请一实施例中提供的激光器芯片中的电子阻挡层不同厚度下得到的光功率曲线图；

图14为本申请一实施例中提供的激光器芯片中的电子阻挡层不同组分下得到的能级分布图。

附图标记说明：10-基底，20-有源层，30-电子阻挡层，40-外延结构，41-第一包层，42-衍射光栅结构，42a-衍射光栅层，42b-盖层，421-图案化衍射光栅层，422-图案化盖层，43-第二包层，44-金属接触层，50-缓冲层，60-第一金属电极层，70-第二金属电极层，80-抗反射镀膜层，90-高反射镀膜层。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分，这些元件、部件、区、层、掺杂类型和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分与另一个元件、部件、区、层、掺杂类型或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层、掺杂类型或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分；举例来说，可以将第一掺杂类型成为第二掺杂类型，且类似地，可以将第二掺杂类型成为第一掺杂类型；第一掺杂类型与第二掺杂类型为不同的掺杂类型，譬如，第一掺杂类型可以为p型且第二掺杂类型可以为n型，或第一掺杂类型可以为n型且第二掺杂类型可以为p型。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向（譬如，旋转90度或其它取向），并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了说明本申请上述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

inp基ingaasp应变多量子阱由于其灵活的波长调控空间及高材料可靠性而被广泛应用于制造光纤通信激光器芯片。但是ingaasp应变多量子阱激光器芯片在高工作温度下会出现光功率衰减快，功率易于饱和的问题致使其难于应用于工业级宽温操作领域。理论研究认为出现这种现象的原因是由于ingaasp/inp异质结导带边不连续∆ec=0.4eg，材料导带对电子的局限能力就弱，在高温下，电子能量增大，量子阱不足以完全束缚注入量子阱的电子，导致大量电子溢流出量子阱区而没有与空穴复合发光从而引起高温功率衰减快，易于饱和的现象。

在本申请的一个实施例中提供的一种激光器芯片的制备方法中，如图1所示，包括如下步骤：

步骤s10：提供基底10；

步骤s20：于基底10上形成有源层20；

步骤s30：于有源层20的表面形成电子阻挡层30，电子阻挡层30包括in1-xgaxp材料层；

步骤s40：于电子阻挡层30的表面形成外延结构40。

于上述实施例中的激光器芯片的制备方法中，在提供的基底上形成有源层，于有源层的表面形成电子阻挡层，电子阻挡层包括in1-xgaxp材料层；并于电子阻挡层的表面形成外延结构。在不增加额外的制造成本下，通过在激光器芯片中的外延结构和有源层之间添加电子阻挡层的设计，相比较传统的有源外延结构，in1-xgaxp材料层与外延结构中材料层的导带边不连续，从而形成电子势垒，阻挡在严苛的环境下（-40℃~85℃）电子溢流出有源层，大量的电子聚集在有源层中，以使电子与空穴复合，实现增强激光器芯片的高温光功率，解决高温环境中激光器芯片高衰减，易于饱和的问题，满足客户的需求。

在一个实施例中，如图2所示，步骤s10中提供的基底10的材料可以包括但不仅限于inp材料，即基底10可以包括但不仅限于inp基底。

在一个实施例中，如图3所示，步骤s20中于基底10上形成的有源层20包括ingaasp应变多量子阱有源层。

在一个实施例中，如图4所示，步骤s30中于有源层20的表面形成电子阻挡层30，电子阻挡层30包括in1-xgaxp材料层，in1-xgaxp材料层中x的取值范围为0.104~0.175，具体地，in1-xgaxp材料层中x的取值为0.104、0.11、0.12、0.13、0.15、0.16、0.17或0.175等等。in1-xgaxp材料层的厚度为10nm~20nm，具体地，in1-xgaxp材料层的厚度为10nm、12nm、14nm、16nm、18nm或20nm等等。

在一个实施例中，如图6所示，步骤s20：于基底10上形成有源层20之前，还包括于基底的表面形成缓冲层50的步骤，缓冲层50的材料可以包括但不仅限于n型inp材料。缓冲层50覆盖基底10，可起到缓冲的作用，提高激光器芯片的稳定性。

在一个实施例中，如图5和7所示，步骤s40中于电子阻挡层30的表面形成外延结构40，还包括：

步骤s41：于电子阻挡层30远离有源层20的表面形成第一包层41；

步骤s42：于第一包层41远离电子阻挡层30的表面形成衍射光栅结构42；

步骤s43：于第一包层41远离电子阻挡层30的表面及衍射光栅结构42的表面形成第二包层43，第二包层43包覆衍射光栅结构42；

步骤s44：于第二包层43远离第一包层41的表面形成金属接触层44。

在一个实施例中，如图8-9所示，步骤s42于第一包层41远离电子阻挡层30的表面形成衍射光栅结构42，还包括：

步骤s421：于第一包层41远离电子阻挡层30的表面形成衍射光栅层42a；

步骤s422：于衍射光栅层42a远离第一包层41的表面形成盖层42b，如图8所示；

步骤s423：采用相干法光栅光刻工艺形成图案化衍射光栅层421和图案化盖层422，以于第一包层41远离电子阻挡层30的表面形成衍射光栅结构42，如图9所示。

作为示例，采用相干法光栅光刻技术，将预先选好的光栅图案转印至盖层42b上，然后再通过干法刻蚀技术，依次刻蚀盖层42b和衍射光栅层42a，形成图案化盖层422和图案化衍射光栅层421，图案化盖层422和图案化衍射光栅层421组合形成衍射光栅结构42。

作为示例，第一包层41的材料可选用p型inp材料，盖层42b的材料可以选用p型inp材料，第二包层43的材料可以选用p型inp材料，盖层42b的材料与第一包层41的材料、第二包层43的材料可以相同。

作为示例，基底、缓冲层、ingaasp应变多量子阱有源层、电子阻挡层、第一包层、衍射光栅层、盖层、第二包层以及金属接触层均可以采用金属有机化学气相沉积方法（metalorganicchemicalvapourdeposition，mocvd）获取。此种沉积方法为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

在一个实施例中，如图10所示，制备方法还包括：

步骤s50：于外延结构40远离电子阻挡层30的表面形成第一金属电极层60；

步骤s60：于基底10远离缓冲层50的表面形成第二金属电极层70。

作为示例，第一金属电极层为p面金属电极层，第二金属电极层为n面金属电极层。

在一个实施例中，在形成第一金属电极层的步骤之前，还包括使用光刻技术在形成有外延结构的激光器芯片的上方形成波导结构（图中未示），并在其表面使用等离子体化学气相沉积技术（plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd）形成一层绝缘层（图中未示）；接着，使用刻蚀方法去除波导结构上表面的绝缘层，绝缘层仅覆盖除波导结构以外的区域表面，以暴露出金属接触层，以将金属接触层与第一金属电极层相电连接。作为示例，绝缘层可选用sio2或sin材料。

在一个实施例中，在基底10远离缓冲层50的表面形成第二金属电极层70之前，还包括将基底10远离缓冲层50的一侧减薄抛光处理，以获得100um左右厚度的基底10。

在一个实施例中，如图11所示，第二金属电极层70、基底10、缓冲层50、有源层20、电子阻挡层30、外延结构40及第一金属电极层60由下至上依次叠置形成叠层结构（图中未标示），在镀上第一金属电极层和第二金属电极层之后，对获取的半成品激光器芯片进行晶圆切割，在叠层结构的相对两侧依次形成抗反射镀膜层80和高反射镀膜层90。此处，相对两侧即为图11中的叠层结构的左侧和右侧。至此，工艺完成，得到包含有in1-xgaxp材料层的激光器芯片。

在一个实施例中，请参考图5，在本申请的一个实施例中提供的一种激光器芯片包括：基底10；有源层20，位于基底10上；电子阻挡层30，覆盖有源层20的表面，电子阻挡层30包括in1-xgaxp材料层。

在一个实施例中，in1-xgaxp材料层中x的取值范围为0.104~0.175，具体地，in1-xgaxp材料层中x的取值为0.104、0.11、0.12、0.13、0.15、0.16、0.17或0.175等等。in1-xgaxp材料层的厚度为10nm~20nm，具体地，in1-xgaxp材料层的厚度为10nm、12nm、14nm、16nm、18nm或20nm等等。

在一个实施例中，外延结构40包括由下至上依次叠置的第一包层41、衍射光栅结构42、第二包层43及金属接触层44，见图7中所示的外延结构。

在一个实施例中，激光器芯片还包括：缓冲层50，覆盖基底10的表面；第一金属电极层60，覆盖外延结构40的表面；第二金属电极层70，位于基底10远离缓冲层50的表面，其中，第二金属电极层70、基底10、缓冲层50、有源层20、电子阻挡层30、外延结构40及第一金属层60由下至上依次叠置形成叠层结构；抗反射镀膜层80和高反射镀膜层90位于叠层结构的相对两侧，如图11所示。

在一个实施例中，图12为将得到的测试数据进行归一化处理后得到的图示。如图12所示，设定电子阻挡层的厚度为15nm，改变组分系数x的取值，探究第一包层/in1-xgaxp材料层的导带边不连续∆ec的变化对激光器芯片的光功率的影响。若组分系数x的取值为0.175，in1-xgaxp材料层的晶格应变量δa/a=-1.25%，第一包层/in1-xgaxp材料层导带边不连续∆ec=47mev，此时激光器芯片在高温环境下的光功率为46.09%；若组分系数x的取值为0.124，in1-xgaxp材料层的晶格应变量δa/a=-0.89%，第一包层/in1-xgaxp材料层导带边不连续∆ec=37mev，此时激光器芯片在高温环境下的光功率为52.48%；若组分系数x的取值为0.104，in1-xgaxp材料层的晶格应变量δa/a=-0.74%，第一包层/in1-xgaxp材料层导带边不连续∆ec=30mev，此时激光器芯片在高温环境下的光功率为18.12%。综上，在in1-xgaxp材料层同一个厚度15nm的情况下，可得到组分系数x取0.124时对应最佳的光功率。第一包层/in1-xgaxp材料层导带边不连续∆ec值越大，二者之间形成的电子势垒越高，有效阻止在高温工作环境下电子溢流出有源区，使得更多的电子在有源层与空穴复合发光，进一步增强激光器芯片的高温光功率。此外，从图12中，也可以观察到，除去电子阻挡层得到的传统激光器的光功率均明显低于上述任一一种情况下的激光器芯片的光功率。

在一个实施例中，基于前面探究组分系数对于光功率的影响结果，组分系数x设定为0.124，如图13所示，进一步依次探究in1-xgaxp材料层的厚度对激光器芯片在高温环境下的光功率，其中，图13同样是将得到的测试数据进行归一化处理后得到的图示。若厚度t取10nm时，测试激光器芯片在高温环境下的光功率为38.21%；若厚度t取15nm时，测试激光器芯片在高温环境下的光功率为52.48%%；若厚度t取20nm时，测试激光器芯片在高温环境下的光功率为48.94%%。综上，在in1-xgaxp材料层固定组分系数x设定为0.124的条件下，可得到厚度t取15nm时对应最佳的光功率，有效进一步增强激光器芯片的高温光功率。

在一个实施例中，如图14所示，进一步探究含有in1-xgaxp电子阻挡层的inp基ingaasp应变多量子阱的导带能级的变化情况，并与传统激光器相比较。图14中的横坐标为缓冲层、有源层、电子阻挡层及第一包层的总厚度，改变in1-xgaxp电子阻挡层中的组分系数x，设定组分系数x为0.104、0.124及0.175，分别探究能级的变化值。电子阻挡层in1-xgaxp中，组分系数x越大，则其导带能级越大，高温下对电子的束缚能力越强，使大量电子束缚在有源层中，并与空穴复合发光，确保激光器芯片在高温下光功率不会出现衰减。相比传统激光器，当电子阻挡层in1-xgaxp中，x=0.175时，导带能级增加47mev；x=0.124时，导带能级增加37mev；x=0.104时，导带能级增加30mev。

请注意，上述实施例仅出于说明性目的而不意味对本发明的限制。

本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。