芯片结构及芯片制备方法与流程

本技术涉及有源半导体发光器件，具体而言，涉及一种芯片结构及芯片制备方法。

背景技术：

1、超辐射发光二极管（super luminescent diode，sld）是一种单程放大自发辐射（amplified spontaneous emission，ase）的边发射器件，其光电特性介于激光器与发光二极管之间，兼具激光器的高输出功率及发光二极管的宽光谱特性等优点，在光纤陀螺、光学相干层析成像技术以及光纤通信等领域都有着广泛的应用。光谱宽度、输出功率和光谱波纹是sld芯片的重要指标，其中光谱宽度（full width at half maximum，fwhm）由自发辐射增益谱决定，应用（如optical coherence tomography，oct，光学相干层析成）要求尽可能宽以提升分辨率；输出功率是指自发辐射经波导单程放大，功率随增益指数增长，应用要求足够高以提升信噪比；光谱波纹是指腔面残余反射形成寄生fp干涉，导致光谱周期性起伏，应用要求尽可能低以避免相干伪影。这三种核心指标之间相互制衡，体现为：提高功率会压缩带宽并放大波纹；拓宽带宽通常牺牲功率、恶化波纹；抑制波纹又会限制功率与带宽上限。目前的芯片结构无法同时改善三种核心指标，导致芯片性能较差，无法满足实际的使用需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术实施例的目的在于提供一种芯片结构及芯片制备方法，以改善现有技术中存在的芯片结构无法同时改善三种核心指标导致的芯片性能较差的问题。

2、为了解决上述问题，第一方面，本技术实施例提供了一种芯片结构，所述芯片结构包括：外延结构和波导结构；

3、其中，所述外延结构包括：衬底，以及所述衬底上基于外延生成技术生长的多层结构，所述波导结构设置在所述多层结构中与所述衬底相对的顶层上；

4、所述多层结构中包括多量子阱层；

5、所述波导结构中包括多个合束的脊波导。

6、在上述实现过程中，叠加设计了外延结构和波导结构，在外延结构中生长的多层结构中设置了多量子阱层，在波导结构中设置了多个能够进行合束的脊波导，通过多层结构中的多量子阱层，使各量子阱激射波长具有不同的分布情况，从而拓宽芯片的光谱宽度，通过合束的多个脊波导提高芯片的发光区面积，以提高芯片的激射功率，并且，合束的多个脊波导会产生弯曲情况，能够进一步增大光谱宽度，并降低光谱波纹。能够同时优化光谱宽度、输出功率和光谱波纹这三种超辐射发光二极管芯片的核心指标，有效提高了超辐射发光二极管芯片的性能，满足多种应用场景的实际使用需求。

7、可选地，其中，所述多量子阱层设置为非均匀渐变式多量子阱结构。

8、在上述实现过程中，多量子阱层设置为非均匀渐变式多量子阱结构，以通过不均匀且渐变的多个量子阱结构实现波长的不均匀分布，进而使波长能够通过叠加形成更宽的光谱宽度。

9、可选地，其中，所述非均匀渐变式多量子阱结构中的多个量子阱结构激发的波长呈阶梯状分布；

10、所述多量子阱层的光谱图形包括高斯分布图形或平顶图形。

11、在上述实现过程中，由于多个量子阱结构的不均匀性和渐变特性，多个量子阱结构激发的波长可以呈阶梯状分布，以使波长能够通过叠加形成更宽的光谱宽度，并且，在外延生长过程中，可以不断优化各量子阱结构的激射波长，使多量子阱层最终叠加的光谱呈现不同的光谱图形，如高斯分布图形或平顶图形，以提高芯片产生的光谱表面的均匀性，减少光谱表面出现凹凸不平的不利情况。

12、可选地，所述多层结构还包括：在所述衬底上依次设置的缓冲层、下限制层、下波导层、上波导层、上限制层、覆盖层和顶层的电极金属层；

13、所述多量子阱层设置在所述下波导层和上波导层之间。

14、在上述实现过程中，多层结构中还包括依次叠加设置的缓冲层、下限制层、下波导层、上波导层、上限制层、覆盖层和顶层的电极金属层等不同层结构，多量子阱层设置在下波导层和上波导层之间，以使外延结构具有相应的功能。

15、可选地，所述波导结构包括：对称的第一脊波导和第二脊波导；

16、所述第一脊波导包括第一平行段和第一合束段；

17、所述第二脊波导包括第二平行段和第二合束段；

18、所述第一平行段和所述第二平行段平行设置在高反射端面；

19、所述第一合束段向所述第二脊波导弯曲，所述第二合束段向所述第一脊波导弯曲，所述第一合束段和所述第二合束段在增透腔端面交汇形成出光口。

20、在上述实现过程中，波导结构中包括对称设置的第一脊波导和第二脊波导，两个脊波导中分别包括相应的平行段和合束段，两个平行段平行设置在高反射端面处，两个合束端分别向另一个脊波导的方向弯曲，并且，两个合束段在增透腔端面处合束交汇形成出光口。通过设计两个对称的脊波导合束的结构，提高芯片的发光区面积，以提高芯片的激射功率，并且，两个脊波导的合束段设计为弯曲波导，能够进一步增大光谱宽度、降低光谱波纹，还能够减少芯片腔长，减少了长腔长脊波导导致的fp腔面谐振产生的受激辐射，导致的光谱波纹增大的不利情况。

21、可选地，其中，所述第一脊波导和所述第二脊波导设置为窄脊波导。

22、在上述实现过程中，第一脊波导和第二脊波导可以设置为窄脊波导，以限制芯片的横向模式，从而使发射的芯片保持单横摸特性。

23、可选地，其中，所述第一脊波导和所述第二脊波导设置为宽度渐变结构；

24、所述第一脊波导的宽度从所述第一平行段至所述第一合束段由窄变宽；

25、所述第二脊波导的宽度从所述第二平行段至所述第二合束段由窄变宽。

26、在上述实现过程中，为了进一步提高芯片的功率，第一脊波导和第二脊波导可以设置为宽度渐变结构，两个脊波导的宽度从平行段至合束段由窄变宽，即高反射端面一端的脊波导较窄，增透腔端面一端的脊波导较宽。

27、可选地，所述波导结构还包括：环形脊波导；

28、所述环形脊波导设置在所述高反射端面；

29、所述环形脊波导连接所述第一平行段和所述第二平行段。

30、在上述实现过程中，在芯片的高反射端面上还可以设置有弯曲的环形脊波导，由环形脊波导连接第一平行段和第二平行段，能够降低fp效应导致的激光激射，从而导致芯片初设光谱波纹增大的不利情况，还可以通过环形脊波导将产生的光子通过脊波导侧壁反射回脊波导内，从而增加芯片的功率。

31、第二方面，本技术实施例还提供了一种芯片制备方法，所述方法包括：

32、基于光谱宽度需求，在外延结构的衬底上生长的多层结构中设置多量子阱层；

33、在所述多层结构中与所述衬底相对的顶层上设置包括多个合束的脊波导的波导结构。

34、在上述实现过程中，可以基于应用场景实际的光谱宽度需求，在外延结构中生长的多层结构中设置多量子阱层，在多层结构中与衬底相对的顶层上设置包括多个能够进行合束的脊波导的波导结构，通过多层结构中的多量子阱层，使各量子阱激射波长具有不同的分布情况，从而拓宽芯片的光谱宽度，通过合束的多个脊波导提高芯片的发光区面积，以提高芯片的激射功率，并且，合束的多个脊波导会产生弯曲情况，能够进一步增大光谱宽度，并降低光谱波纹。

35、可选地，其中，所述多量子阱层设置为非均匀渐变式多量子阱结构；所述非均匀渐变式多量子阱结构包括：多个量子阱结构的势垒层和势阱层；

36、所述基于光谱宽度需求，在外延结构的衬底上生长的多层结构中设置多量子阱层，包括：

37、基于所述光谱宽度需求，确定所述势阱层的结构参数；其中，所述结构参数包括所述势阱层的厚度和成分数据；

38、基于所述结构参数，确定对应的所述量子阱结构激发的波长分布情况。

39、在上述实现过程中，多量子阱层可以设置为非均匀渐变式多量子阱结构，非均匀渐变式多量子阱结构包括多个量子阱结构的势垒层和势阱层，进行设计时，可以基于应用场景实际的光谱宽度需求，确定每个势阱层的厚度、成分数据等结构参数，从而基于势阱层的结构参数，确定其所在的量子阱结构激发的波长分布情况，从而使多个量子阱结构的多个波长能够叠加形成更宽的光谱宽度。

40、可选地，所述在所述多层结构中与所述衬底相对的顶层上设置包括多个合束的脊波导的波导结构，包括：

41、通过同时刻蚀工艺，在所述多层结构上设置对称的第一脊波导和第二脊波导；

42、其中，所述第一脊波导包括第一平行段和第一合束段；所述第二脊波导包括第二平行段和第二合束段；所述第一平行段和所述第二平行段平行设置在高反射端面；所述第一合束段向所述第二脊波导弯曲，所述第二合束段向所述第一脊波导弯曲，所述第一合束段和所述第二合束段在增透腔端面交汇形成出光口。

43、在上述实现过程中，为了保证波导结构中多个脊波导的相似度，可以通过同时刻蚀工艺，在多层结构的顶层上刻蚀设置对称的第一脊波导和第二脊波导，以保证两个脊波导发射的光束完全相同，从而保证合束后的光束质量。

44、可选地，所述在所述多层结构中与所述衬底相对的顶层上设置包括多个合束的脊波导的波导结构，还包括：

45、基于所述第一合束段和所述第二合束段的不同弯曲角度，确定所述波导结构的干涉检测结果；

46、基于所述干涉检测结果、光束需求和所述多层结构的面积参数，确定所述第一合束段和所述第二合束段的目标弯曲角度；其中，所述目标弯曲角度设置为：3°至9°。

47、在上述实现过程中，可以对第一合束段和第二合束段的不同弯曲角度下的波导结构的进行仿真干涉检测，以得到干涉检测结果，从而基于干涉检测结果、光束需求和多层结构的面积参数，确定两个合束段合适的目标弯曲角度，以通过精确设计使两个合束段中合束后的光纤不会产生干涉异常，且合束后产生的光只有一个基模。

48、综上所述，本技术实施例提供了一种芯片结构及芯片制备方法，叠加设计了外延结构和波导结构，通过外延结构的多层结构中的多量子阱层拓宽芯片的光谱宽度，通过合束的多个脊波导提高芯片的激射功率，能够同时优化光谱宽度、输出功率和光谱波纹这三种超辐射发光二极管芯片的核心指标，有效提高了超辐射发光二极管芯片的性能，满足多种应用场景的实际使用需求。