一种半导体激光器二次外延表面平整与缺陷处理方法与流程

本发明涉及半导体激光器，尤其涉及一种半导体激光器二次外延表面平整与缺陷处理方法。

背景技术：

1、连续波半导体激光器是光通信、量子技术、科学研究及工业检测等领域的核心光源，涵盖可见光至近红外通信波段激光器、中红外至太赫兹波段的量子级联激光器等核心器件。在高功率连续波工作状态下，器件发热严重，散热能力直接决定输出功率与使用寿命。二次外延工艺通过在激光脊两侧沟槽内生长半绝缘掩埋材料，可制备高导热掩埋层并优化芯片内部导热通路，是改善器件热阻、提升功率与可靠性的关键工艺。

2、然而，半导体激光器的二次外延生长阶段极易产生晶格位错、界面空洞、台面边缘多晶和界面杂质等缺陷，导致二次外延生长区域的晶圆表面凹凸不平，未进行二次外延生长的区域也可能在沉积的电介质掩模薄膜上、甚至透过电介质材料空隙从晶圆表面生长出大面积缺陷。这类缺陷大幅提升器件串联电阻、诱发漏电流，加剧非辐射复合发热，抵消二次外延的散热性能；缺陷集中处形成局部热点，导致器件被击穿，寿命缩短。高功率量子级联激光器及大功率激光器的批量良率长期受二次外延缺陷问题的制约。

3、目前，行业常规的二次外延工艺采用沟槽欠生长方式，即通过调控外延生长参数使掩埋材料在沟槽内生长至接近沟槽顶部但留有一定凹陷。该欠生长工艺预留的沟槽凹陷在倒焊键合时被密封形成空气间隙，由于空气热导率极低，成为器件散热的瓶颈，导致连续波工作时器件温度升高、性能下降直至失效。

4、文献（buried-heterostructure mid-infrared quantum cascade lasersfabricated by non-selective regrowth and chemical polishing）提出了二次外延结合化学抛光的表面平坦化思路，但该方案需要额外设置100 nm 铟镓砷化学抛光停止层，并需要去除原刻蚀硬掩模，再完成再生长和后续停止层去除，因此额外引入了外延停止层及对应去除步骤。同时，其采用干法刻蚀与湿法刻蚀结合的方式形成沟槽，导致二次外延生长均匀性差，表面出现尖峰状凸起，掩埋材料与激光脊界面缺陷较多，易形成界面热累积；该方法仅能采用化学抛光，最终表面平整度有限，工艺复杂度较高，可靠性和可重复性较差。

5、综上，现有技术缺少一种工艺简单，能够在二次外延过程中同步实现表面平整化与缺陷清除的方法，无法充分发挥二次外延的散热优势，严重限制了高功率半导体激光器的性能上限和长期工作可靠性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是如何优化半导体的二次外延工艺，实现晶圆表面平整化与缺陷清除。

2、为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种半导体激光器二次外延表面平整与缺陷处理方法，包括以下步骤：

4、步骤一，提供已完成有源区结构外延生长的晶圆；

5、步骤二，在所述晶圆表面形成硬掩模层，并对所述硬掩模层进行图形化处理，得到图形化硬掩模层；

6、步骤三，以所述图形化硬掩模层为刻蚀掩模，在所述晶圆表面刻蚀形成激光脊以及位于所述激光脊两侧的沟槽，刻蚀完成后保留所述图形化硬掩模层；

7、步骤四，在所述沟槽内进行掩埋材料的外延生长，通过过生长方式使所述沟槽被完全填满，并使所述掩埋材料超出所述沟槽的开口上表面，在所述激光脊左右两侧上方形成凸起部分；

8、步骤五，以所述图形化硬掩模层为抛光停止层，对所述晶圆进行抛光处理，去除所述凸起部分，并保留所述图形化硬掩模层的至少一部分；

9、步骤六，采用对所述硬掩模层具有选择性的去除工艺，去除剩余的所述图形化硬掩模层，获得表面平整的芯片。

10、进一步地，所述掩埋材料超出所述沟槽的开口上表面的高度为2~5μm。

11、进一步地，所述硬掩模层的厚度为0.5~2μm。

12、进一步地，步骤五中，抛光至所述图形化硬掩模层剩余厚度为50~100nm时停止抛光。

13、进一步地，所述硬掩模层为单层介质层或由两层以上介质层构成的多层复合结构；所述硬掩模层的材料选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪和氧化锆中的至少一种。

14、进一步地，所述掩埋材料为与所述晶圆材料体系外延兼容的半绝缘半导体材料或高阻半导体材料。

15、进一步地，所述掩埋材料与所述硬掩模层之间的抛光速率选择比为5:1~20:1。

16、进一步地，所述晶圆的材料体系为磷化铟、砷化镓、氮化镓、锑化镓、碳化硅、硅、锗、硅锗、锗锡或硅锗锡中的任一种。

17、第二方面，本发明提供一种半导体激光器的芯片，所述芯片通过第一方面所述的方法制备。

18、第三方面，本发明提供一种半导体激光器，包括第二方面所述的芯片。

19、与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：

20、本发明提供的半导体激光器二次外延表面平整与缺陷处理方法，通过保留图形化硬掩模层作为抛光停止层，并以过生长方式使掩埋材料完全填满所刻蚀沟槽且在激光脊上方形成凸起。抛光过程中，该凸起层被优先去除，表面缺陷随之同步清除；同时，图形化硬掩模层使抛光停止于硬掩模层内部，避免了机械抛光对激光脊顶部的直接磨削，维持了脊波导顶部形貌质量和界面在平坦化过程中的完整性。进一步地，本发明利用过生长填充使沟槽内无残留凹陷空腔，掩埋材料与沟槽侧壁及底部形成连续接触，为倒焊键合后芯片与热沉之间建立无空气间隙的高效导热通路，有利于降低器件整体热阻。最后选择性去除剩余硬掩模层，使两侧掩埋材料表面与激光脊顶之间的台阶高度处于受控范围内，最终获得表面平整的芯片。本发明将二次外延过生长、表面平坦化与缺陷清除整合于同一工艺序列中，工艺步骤简单可控、可靠性和可重复性高，有利于提高高功率半导体激光器芯片的制造良率和长期工作可靠性。

21、本发明提供的半导体激光器芯片通过上述方法制备，其脊波导两侧沟槽由掩埋材料完全填充，沟槽区域无凹陷空腔，倒焊键合后芯片与热沉之间能够形成连续接触界面，减少空气间隙引入的热阻，提高器件散热能力。同时，芯片表面平整且缺陷少，降低了表面起伏和残留杂质引起损耗及界面载流子复合。激光脊顶部形貌在平坦化过程中受到图形化硬掩模层保护，脊波导结构完整，有利于后续电极制作、键合等工艺的可靠性。

22、本发明提供的半导体激光器包含上述芯片，由于掩埋材料与沟槽界面连续、无空气间隙，器件散热路径的热阻得到降低，工作时的结温升受到抑制，有利于提高功率密度和长期工作可靠性。同时，芯片表面平整、缺陷少，波导损耗较低，光学限制和电流限制能力增强，有助于降低阈值电流密度并改善输出光模式质量。该半导体激光器适用于高功率、高集成度光电模块等应用场景。

1.一种半导体激光器二次外延表面平整与缺陷处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩埋材料超出所述沟槽的开口上表面的高度为2~5μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩模层的厚度为0.5~2μm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤五中，抛光至所述图形化硬掩模层剩余厚度为50~100nm时停止抛光。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬掩模层为单层介质层或由两层以上介质层构成的多层复合结构；所述硬掩模层的材料选自二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氧化铪和氧化锆中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩埋材料为与所述晶圆材料体系外延兼容的半绝缘半导体材料或高阻半导体材料。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述掩埋材料与所述硬掩模层之间的抛光速率选择比为5:1~20:1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆的材料体系为磷化铟、砷化镓、氮化镓、锑化镓、碳化硅、硅、锗、硅锗、锗锡或硅锗锡中的任一种。

9.一种半导体激光器的芯片，其特征在于，所述芯片通过权利要求1-8任一项所述的方法制备。

10.一种半导体激光器，其特征在于，包括权利要求9所述的芯片。