半导体激光器及其制作方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010438454.2 (22)申请日 2020.05.21 (71)申请人 四川大学 地址 610065 四川省成都市武侯区一环路 南一段24号 申请人 苏州长光华芯光电技术有限公司 (72)发明人 程洋王俊谭少阳苟于单 (74)专利代理机构 北京三聚阳光知识产权代理 有限公司 11250 代理人 林韵英 (51)Int.Cl. H01S 5/22(2006.01) (54)发明名称 一种半导体激光器及其制作方法 (57)摘要 本发明公开了一种半导体激光器及其制作 方法，。

2、 该方法包括： 在衬底的第一表面上形成外 延层， 制得外延片； 在外延片上形成脊形图形掩 膜层； 将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有 保护气的反应室中进行刻蚀； 通入第二气体， 在 外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层； 去除 外延片上的脊形图形掩膜层； 其中， 保护气及第 二气体为非含氧气体。 通过将形成脊形图形掩膜 层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻 蚀， 从而可以使得外延层在刻蚀时， 刻蚀面及刻 蚀壁不会被氧化； 且在刻蚀完成后， 在外延片的 刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层， 可以进一步通 过防氧化层将刻蚀面及刻蚀壁遮盖的方式防止 外延片在拿出反应室后刻蚀面及刻蚀壁被空气 氧化。 。

3、权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 111585170 A 2020.08.25 CN 111585170 A 1.一种半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 包括： 在衬底的第一表面上形成外延层， 制得外延片； 在所述外延片上形成脊形图形掩膜层； 将形成所述脊形图形掩膜层的所述外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀； 通入第二气体， 在所述外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层； 去除所述外延片上的所述脊形图形掩膜层； 其中， 所述保护气及第二气体为非含氧气 体。 2.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 所述将形成所述脊形 图形掩膜层的所述外延片置于具有保护气的。

4、反应室中进行刻蚀， 包括： 将形成所述脊形图形掩膜层的所述外延片置于具有第一预设温度、 第一预设流量的保 护气的MOCVD反应室中进行刻蚀， 刻蚀气体为CBr4或CCl4。 3.根据权利要求2所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 第一预设温度的范围为650850， 保护气为AsH3， 第一预设流量为10sccm 300sccm， 刻蚀气体通过H2载入， 刻蚀气体的流量为100sccm1000sccm。 4.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 在所述通入第二气 体， 在所述外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层之前， 还包括： 关闭刻蚀气体， 将所述反应室的温度调节。

5、至第二预设温度， 将所述保护气的流量调节 至第二预设流量。 5.根据权利要求4所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 所述第二气体为 TMGa， 第二预设温度为500700， 第二预设流量为10sccm-120sccm。 6.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 还包括： 在所述外延片上形成绝缘层， 并制作电极。 7.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 所述掩膜层的材料为 SiN， 所述在所述外延片上形成脊形图形掩膜层， 包括： 利用PECVD在所述外延片的第一表面沉积SiN； 利用光刻、 刻蚀将脊形图形转移到所述SiN上， 形成脊形图形掩膜。

6、层。 8.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 所述外延层包括自下 而上的缓冲层、 下限制层、 下波导层、 有源层、 上波导层、 上限制层、 接触层， 所述在所述衬底 的第一表面上形成外延层， 包括： 将所述衬底放入MOCVD反应室内， 逐层生长缓冲层、 下限制层、 下波导层、 有源层、 上波 导层、 上限制层、 接触层。 9.根据权利要求8所述的半导体激光器的制作方法， 其特征在于， 所述外延片刻蚀的深 度至上限制层。 10.一种半导体激光器， 其特征在于， 包括： 衬底； 外延层， 设置在所述衬底上， 所述外延层包括脊形波导结构； 防氧化层， 设置在所述脊形波导结构的。

7、外表面； 所述脊形波导结构和防氧化层通过如权利要求19任意一项所述的半导体的激光器 的制作方法形成。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111585170 A 2 一种半导体激光器及其制作方法 技术领域 0001 本发明涉及激光器技术领域， 具体涉及一种半导体激光器及其制作方法。 背景技术 0002 半导体激光器是一种重要的光电器件， 在工业、 国防等领域具有广泛的应用。 半导 体激光器的侧向波导结构包括增益波导结构、 脊型波导结构、 掩埋波导结构等， 其中最常见 是脊型波导结构。 传统的脊型波导结构的制作方法如下： 半导体激光器晶圆片生长完成后， 进行光刻得到光刻胶掩膜， 然后使用湿法腐蚀外。

8、延层制作脊型结构， 最后再去掉光刻胶。 0003 传统的脊型波导结构的制作方法存在如下问题： 半导体激光器的波导层和限制层 通常采用含铝材料(如AlGaAs， AlGaInP等)等易氧化的材料， 在使用湿法腐蚀制作脊型会导 致含Al材料暴露在溶液以及空气中， 导致含Al材料发生氧化。 当半导体激光器处于工作状 态时， 在热、 光、 电的刺激下， 这些氧原子可能会向半导体激光器的发光区移动， 引发器件失 效。 发明内容 0004 有鉴于此， 本发明实施例提供了一种半导体激光器及其制作方法， 以解决传统脊 型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过程中容易发生氧化的问题。 0005 根据第一方面，。

9、 本发明实施例提供了一种半导体激光器的制作方法， 包括： 在衬底 的第一表面上形成外延层， 制得外延片； 在外延片上形成脊形图形掩膜层； 将形成脊形图形 掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀； 通入第二气体， 在外延片的刻蚀面 及刻蚀壁上生长防氧化层； 去除外延片上的脊形图形掩膜层； 其中， 保护气及第二气体为非 含氧气体。 0006 可选地， 将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀， 包括： 将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有第一预设温度、 第一预设流量的保护气的 MOCVD反应室中进行刻蚀， 刻蚀气体为CBr4或CCl4。 0007 可选地， 第一预设温度。

10、的范围为650850， 保护气为AsH3， 第一预设流量为 10sccm300sccm， 刻蚀气体通过H2载入， 刻蚀气体的流量为100sccm1000sccm。 0008 可选地， 在通入第二气体， 在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层之前， 半导 体激光器的制作方法还包括： 关闭刻蚀气体， 将反应室的温度调节至第二预设温度， 将保护 气的流量调节至第二预设流量。 0009 可选地， 第二气体为TMGa， 第二预设温度为500700， 第二预设流量为 10sccm-120sccm。 0010 可选地， 半导体激光器的制作方法还包括： 在外延片上形成绝缘层， 并制作电极。 0011 可选地，。

11、 掩膜层的材料为SiN， 在外延片上形成脊形图形掩膜层， 包括： 利用PECVD 在外延片的第一表面沉积SiN； 利用光刻、 刻蚀将脊形图形转移到SiN上， 形成脊形图形掩膜 层。 说明书 1/5 页 3 CN 111585170 A 3 0012 可选地， 外延层包括自下而上的缓冲层、 下限制层、 下波导层、 有源层、 上波导层、 上限制层、 接触层， 在衬底的第一表面上形成外延层， 包括： 将衬底放入MOCVD反应室内， 逐 层生长缓冲层、 下限制层、 下波导层、 有源层、 上波导层、 上限制层、 接触层。 0013 可选地， 外延片刻蚀的深度至上限制层。 0014 根据第二方面， 本发明。

12、实施例提供了一种半导体激光器， 包括： 衬底； 外延层， 设置 在衬底上， 外延层包括脊形波导结构； 防氧化层， 设置在脊形波导结构的外表面， 脊形波导 结构和防氧化层通过如第一方面或第一方面任意实施方式中的半导体的激光器的制作方 法形成。 0015 本发明实施例提供的半导体激光器及其制作方法， 通过在衬底的第一表面上形成 外延层， 制得外延片， 在外延片上形成脊形图形掩膜层， 将形成脊形图形掩膜层的外延片置 于具有保护气的反应室中进行刻蚀， 其中， 保护气为非含氧气体， 从而可以使得外延层在刻 蚀时， 刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化； 且在刻蚀完成后， 通入第二气体， 在外延片的刻蚀面及 刻蚀壁上。

13、生长防氧化层， 其中， 第二气体为非含氧气体， 可以进一步通过防氧化层将刻蚀面 及刻蚀壁遮盖的方式防止外延片在拿出反应室后并进行后续工序过程中刻蚀面及刻蚀壁 被空气氧化， 从而减少半导体激光器工作过程中氧杂质向发光区扩散的可能性， 提升半导 体激光器的寿命与可靠性， 从而解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作 过程中容易发生氧化的问题。 附图说明 0016 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。

14、造性劳动的前 提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。 0017 图1示出了本发明实施例的半导体激光器的制作方法的流程图； 0018 图2示出了本发明实施例的在衬底的第一表面上形成外延层后的半导体激光器的 结构示意图； 0019 图3示出了本发明实施例的制得脊形图形掩膜层后的半导体激光器的结构示意 图； 0020 图4示出了本发明实施例的刻蚀后的半导体激光器的结构示意图； 0021 图5示出可本发明实施例的生长防氧化层后的半导体激光器的结构示意图； 0022 图6示出了本发明实施例的去除外延片上脊形图形掩膜层后的半导体激光器的结 构示意图； 0023 图7示出了本发明实施例的在外延片上形成绝。

15、缘层及电极后的半导体激光器的结 构示意图。 具体实施方式 0024 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 说明书 2/5 页 4 CN 111585170 A 4 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。 0025 本发明实施例提供了一种半导体激光器的制作方法， 如图1所示， 包括： 0026 S101.在衬底11的第一表面上形成外延层， 制得外延片。

16、； 具体地， 可通过外延生长、 溅射、 光刻、 刻蚀等的方式在衬底11的第一表面形成外延层， 制得外延片的结构如图2所示。 外延层可以具体包括自下而上的缓冲层12、 下限制层13、 下波导层14、 有源层15、 上波导层 16、 上限制层17、 接触层18。 有源层15可以包括自下而上的下量子垒层151、 量子阱层152、 上 量子垒层153。 0027 S102.在外延片上形成脊形图形掩膜层19； 具体地， 为了制得脊形波导结构， 可以 在外延片上先形成一层含脊形图形的掩膜层， 然后通过刻蚀的方式制得脊形波导结构。 可 通过外延生长、 沉积、 溅射、 光刻、 刻蚀等的方式在外延片上形成脊形图。

17、形掩膜层19， 制得脊 形图形掩膜层的结构如图3所示。 0028 S103.将形成脊形图形掩膜层19的外延片置于具有保护气的反应室中进行刻蚀； 其中， 保护气为非含氧气体。 具体地， 外延层中的上波导层16和上限制层17中通常含有Al， 为了防止外延层刻蚀至上限制层17时， 上限制层17中的Al被氧化， 可将外延片刻蚀的步骤 放入具有保护气的反应室中进行， 从而使得上限制层17的刻蚀面和刻蚀壁处于无氧环境， 从而上限制层17中的Al不会被氧化， 刻蚀后的外延片中的上限制层17及接触层18中即形成 了脊形波导结构， 刻蚀后的外延片的结构如图4所示。 0029 S104.通入第二气体， 在外延片的。

18、刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化层20； 其中， 第二 气体为非含氧气体。 具体地， 刻蚀完成后， 需要将外延片从反应室中取出， 再进行后续的工 序， 如果刻蚀完成后， 直接取出， 那么外延片在后续的工序中将直接暴露在水和氧的环境 中， 那么外延片的刻蚀壁和刻蚀面将还是会被氧化。 因此， 为了防止外延片的刻蚀面及刻蚀 壁在后续的工序中直接暴露在水和氧的环境中， 从而被氧化， 可以在外延片在取出之前， 通 入第二气体， 使得第二气体与保护气混合后， 在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长一层防氧 化层20， 从而遮盖住外延片的刻蚀面及刻蚀壁， 防止上限制层17中的Al被氧化， 生长防氧化 层20后的外延片的结。

19、构如图5所示。 0030 S105.去除外延片上的脊形图形掩膜层19。 具体地， 将外延片从反应室中取出， 可 以利用BOE溶液选择性去掉脊形图形掩膜层19。 去除外延片上的脊形图形掩模19， 得到了半 导体激光器晶圆片， 如图6所示。 从而可以进行后续常规的步骤， 形成半导体激光器。 0031 本发明实施例提供的半导体激光器的制作方法， 通过在衬底的第一表面上形成外 延层， 制得外延片， 在外延片上形成脊形图形掩膜层， 将形成脊形图形掩膜层的外延片置于 具有保护气的反应室中进行刻蚀， 其中， 保护气为非含氧气体， 从而可以使得外延层在刻蚀 时， 刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化； 且在刻蚀完成后， 。

20、通入第二气体， 在外延片的刻蚀面及刻 蚀壁上生长防氧化层， 其中， 第二气体为非含氧气体， 可以进一步通过防氧化层将刻蚀面及 刻蚀壁遮盖的方式防止外延片在拿出反应室后并进行后续工序过程中刻蚀面及刻蚀壁被 空气氧化， 从而减少半导体激光器工作过程中氧杂质向发光区扩散的可能性， 提升半导体 激光器的寿命与可靠性， 从而解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过 程中容易发生氧化的问题。 0032 在可选的实施例中， 将形成脊形图形掩膜层19的外延片置于具有保护气的反应室 中进行刻蚀， 包括： 将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有第一预设温度、 第一预设流量 说明书 3/5 页 5 CN 。

21、111585170 A 5 的保护气的MOCVD反应室中进行刻蚀， 刻蚀气体为CBr4或CCl4。 具体地， 金属有机化合物化学 气相沉淀设备(MOCVD)具有高度的可控性， 能够提供较高的温度， 密闭的无氧空间环境， 因 此， 可以将外延片的刻蚀步骤放入MOCVD反应室中进行， 在MOCVD反应室中充入保护气以及 刻蚀气体， 通过控制保护气体的流量、 刻蚀气体的流量以及反应室的温度等参数， 精确控制 刻蚀气体对外延片的腐蚀速率， 直到得到特定的脊形深度。 0033 通过在MOCVD反应室， 通过CBr4或CCl4来腐蚀外延片制作脊形波导结构， 能够有效 控制晶圆片上各脊形波导结构刻蚀的速率及。

22、深度， 从而可以使得制作的半导体激光器的阈 值电流、 远场发散角等诸多性能参数比较稳定。 并且刻蚀过程中是在保护气的气氛中进行， 能够保证刻蚀时外延片的刻蚀面及刻蚀壁不会被氧化。 0034 在可选的实施例中， 第一预设温度的范围为650850， 保护气为AsH3， 第一预 设流量为10sccm300sccm， 刻蚀气体通过H2载入， 刻蚀气体的流量为100sccm1000sccm。 具体地， 通过控制反应室的温度为650850， 保护气的流量为10sccm300sccm， 刻蚀 气体的流量为100sccm1000sccm， 可以使得刻蚀气体对外延片的腐蚀速率控制在0.1nm/ s3nm/s， 。

23、从而通过控制腐蚀的时间， 可以有效地控制脊形深度， 得到特定的脊形深度。 刻 蚀气体为CBr4或CCl4， CBr4或CCl4在常温下是固态的， 因此， 可以采用H2为载气， 通过H2将 CBr4或CCl4带入反应室中。 0035 在可选的实施例中， 在通入第二气体， 在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生长防氧化 层之前， 半导体激光器的制作方法还包括： 关闭刻蚀气体， 将反应室的温度调节至第二预设 温度， 将保护气的流量调节至第二预设流量。 具体地， 刻蚀完成后， 需要关闭刻蚀气体。 且生 长防氧化层的条件与刻蚀时的条件不一致， 可以通过调节反应室的温度、 保护气的流量等 使反应室的条件达到生长防氧。

24、化层的条件。 0036 通过关闭刻蚀气体， 调节反应室的温度、 保护气的流量等， 可以使得反应室达到生 长防氧化层的条件， 同时可以在刻蚀完毕后， 继续在反应室内进行生长防氧化层， 防止外延 片的刻蚀面及刻蚀壁被氧化。 0037 在可选的实施例中， 第二气体为TMGa， 第二预设温度为500700， 第二预设流 量为10sccm-120sccm。 具体地， 反应室内的保护气体为AsH3， 通入TMGa气体， 可以使得AsH3与 TMGa反应， 在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上形成GaAs， 从而将暴露的刻蚀面及刻蚀壁盖住， 防 止外延片的刻蚀面及刻蚀壁被氧化。 0038 在可选的实施例中， 半导体激。

25、光器的制作方法还包括： 在外延片上形成绝缘层， 并 制作电极。 具体地， 形成脊形波导结构后， 可以按照常规半导体激光器的制作流程， 沉积 SiO2介质层21， 减薄， 制作p电极22， 并在衬底的第二表面上制作n电极23， 如图7所示。 之后， 再将半导体激光器晶圆片进行解理即可得到半导体激光器芯片。 0039 在可选的实施例中， 掩膜层的材料为SiN， 在外延片上形成脊形图形掩膜层， 包括： 利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)在外延片的第一表面沉积SiN； 利用光刻、 刻 蚀将脊形图形转移到SiN上， 形成脊形图形掩膜层。 具体地， 由于刻蚀时需要防止外延层被 氧化， 因此， 。

26、掩膜层的材料为非含氧材料， 且为了使得掩膜层能够承受刻蚀过程中的高温， 掩膜层的材料可以为SiN。 0040 在可选的实施例中， 外延层包括自下而上的缓冲层12、 下限制层13、 下波导层14、 有源层15、 上波导层16、 上限制层17、 接触层18， 在衬底11的第一表面上形成外延层， 包括： 说明书 4/5 页 6 CN 111585170 A 6 将衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀设备(MOCVD)反应室内， 逐层生长缓冲层12、 下限 制层13、 下波导层14、 有源层15、 上波导层16、 上限制层17、 接触层18。 衬底11的材料可以为 砷化镓(GaAs)。 缓冲层12的材料。

27、可以为GaAs。 下限制层13的材料可以为AlGaAs。 下波导层14 的材料可以为AlGaAs。 有源层15可以包括自下而上的下量子垒层151、 量子阱层152、 上量子 垒层153， 下量子垒层151和上量子垒层153的材料可以为GaAs， 量子阱层152的材料可以为 InGaAs。 上波导层16的材料可以为AlGaAs。 上限制层17的材料可以为AlGaAs。 接触层18的材 料可以为GaAs。 0041 在可选的实施例中， 外延片刻蚀的深度至上限制层17。 具体地， 外延片刻蚀的深度 至上限制层17， 但没有至上波导层16。 0042 本发明实施例还提供了一种半导体激光器， 如图7所示。

28、， 包括： 衬底11； 外延层， 设 置在衬底11上， 外延层包括脊形波导结构； 防氧化层20， 设置在脊形波导结构的外表面， 脊 形波导结构和防氧化层20通过如上述任意实施例中的半导体的激光器的制作方法形成。 具 体地实施方式详见上述实施例中半导体激光器的制作方法的描述， 在此不再赘述。 0043 本发明实施例提供的半导体激光器， 通过在衬底的第一表面上形成外延层， 制得 外延片， 在外延片上形成脊形图形掩膜层， 将形成脊形图形掩膜层的外延片置于具有保护 气的反应室中进行刻蚀， 其中， 保护气为非含氧气体， 从而可以使得外延层在刻蚀时， 刻蚀 面及刻蚀壁不会被氧化； 且在刻蚀完成后， 通入第。

29、二气体， 在外延片的刻蚀面及刻蚀壁上生 长防氧化层， 其中， 第二气体为非含氧气体， 可以进一步通过防氧化层将刻蚀面及刻蚀壁遮 盖的方式防止外延片在拿出反应室后并进行后续工序过程中刻蚀面及刻蚀壁被空气氧化， 从而减少半导体激光器工作过程中氧杂质向发光区扩散的可能性， 提升半导体激光器的寿 命与可靠性， 从而解决传统脊型波导结构制作方法会导致易氧化材料在制作过程中容易发 生氧化的问题。 0044 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。 说明书 5/5 页 7 CN 111585170 A 7 图1 图2 说明书附图 1/3 页 8 CN 111585170 A 8 图3 图4 图5 说明书附图 2/3 页 9 CN 111585170 A 9 图6 图7 说明书附图 3/3 页 10 CN 111585170 A 10 。