脊型波导高功率半导体激光器芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种脊型波导高功率半导体激光器芯片，包括由下向上依次排列的一N型衬底、一N型半导体层、一有源发光层、一P型半导体层、一刻蚀阻挡层、一脊型波导层；所述有源发光层至少包括两组量子阱；所述两组量子阱包括靠近所述刻蚀阻挡层的第一组量子阱和远离所述刻蚀阻挡层的第二组量子阱；所述第一组量子阱的能带带隙小于第二组量子阱的能带带隙。本发明专利技术通过在传统的单一量子阱结构中加入一个具有不同能带带隙的另外一组量子阱，从而降低高功率半导体激光器的阈值电流，提升高功率半导体激光器的发光效率。本发明专利技术还公开了一种脊型波导高功率半导体激光器芯片的制备方法。波导高功率半导体激光器芯片的制备方法。波导高功率半导体激光器芯片的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
脊型波导高功率半导体激光器芯片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种半导体激光器芯片结构，具体涉及一种脊型波导高功率半导体激光器芯片。本专利技术还涉及一种脊型波导高功率半导体激光器芯片的制备方法。

技术介绍

[0002]高功率半导体激光器芯片在通信以及工业加工领域有着广泛的应用。在光通信领域，伴随着对带宽需求的巨大增长，开发更高速率的传输技术已成为必然，其中一个重要的方向是基于硅基材料及工艺的硅光子集成。但由于硅材料本身不是一种良好的发光材料，需要基于三五族半导体的高功率激光器芯片与基于硅基的调制器和其他芯片的集成，因此高功率半导体激光器芯片是400G/800G乃至未来更高速率硅光芯片技术成功的核心元件。另外，高功率半导体激光器是光纤放大器和光纤激光器的泵浦源，是长距离光通信和用于材料加工的高功率光纤激光器的核心芯片。
[0003]目前的高功率半导体激光器芯片一般基于两种芯片结构：一种是脊型波导(ridge waveguide)结构；另一种是掩埋(buried heterojunction)结构。掩埋结构需要复杂的材料生长工艺，技术难度很高，且成本远高于脊型波导结构。而基于脊型波导结构的激光器芯片材料的生长及工艺制程简单，芯片成本具有明显的优势，是目前半导体激光器芯片的主流技术。
[0004]现有的脊型波导结构的激光器芯片结构如图1所示，包含衬底1、n型掺杂半导体2、有源发光层3、p型掺杂半导体4和p型脊型波导层6，图1中未显示用于与电源连接的P面和N面金属层。对于波长在500nm到2000nm的激光器，衬底1一般为InP(磷化铟)或GaAs(砷化镓)材料，n型掺杂半导体2、有源发光层3、p型掺杂半导体4和p型脊型波导层6通过晶体生长的方法生长在衬底1上。各层材料一般为不同组分的InGaAlAs或InGaAsP三五族半导体。脊型波导层6是在材料生长完成后通过腐蚀的方法刻蚀掉一部分材料形成脊型波导以同时提供对电子和光子的限制。用于光通信的高功率芯片一般需要单模工作，因此对脊型的高度有严格的精度要求。另外如果刻蚀控制不好，一旦刻蚀到有源发光层3，将会严重影响芯片的发光效能和芯片可靠性。因此针对脊型波导结构会在芯片晶圆生长过程中加入一刻蚀阻挡层5。在腐蚀过程中，由于阻挡层5的腐蚀速率远远低于脊型波导层6的腐蚀速率，这样可以保证脊型高度的精确和激光器芯片的性能的一致性。一般而言，刻蚀阻挡层5成长于有源发光层3的上方P型区中。该刻蚀阻挡层5的能带间隙高于脊型波导层6，具有较大的折射率，因此会使得发光区之光场分布向上方的P型区方向产生偏移，意即光场分布在发光层位置并非最佳值。半导体激光器的发光效能与光场限制因子(即Γ
g
)直接相关。对于同样厚度的有源区，光场限制因子越大，越能降低激光器芯片的阈值电流以及增加发光效率。另外由于光场分布向上方P型区移动，将使更多的光场分布于P型半导体中。而与N型材料相比，P型材料对光子的吸收是N型材料的数倍，光场在P型材料中的增大将增大波导的吸收，降低激光器的发光效率。因此刻蚀阻挡层5的引入虽然保证了脊型波导高度的准确性，但同时将减小有源发光层3的光场限制因子，增大光场在p型半导体层4中的分布，从而导致激光器芯片阈值
电流的增大及发光效率的降低。半导体激光器的有源发光层3一般是由多个量子阱构成。一般高速半导体激光器需要使用的量子阱个数远高于高功率连续波工作的半导体激光器。而随着量子阱个数的增大，刻蚀阻挡层5的影响将降低。而且高速半导体激光器芯片的腔长很短，因此对于使用多个量子阱数目的高速半导体激光器芯片，刻蚀阻挡层5带来光场分布变化的影响可以忽略。但对于腔长较长、量子阱数目较少的高功率半导体激光器芯片，刻蚀阻挡层5的加入将显著影响激光器的性能。如何减小乃至消除刻蚀阻挡层5带来的光场分布变化的不利影响对提升高功率半导体激光器性能具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种脊型波导高功率半导体激光器芯片，它可以提升脊型波导高功率激光器芯片的性能。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术脊型波导高功率半导体激光器芯片的技术解决方案为：
[0007]包括由下向上依次排列的一N型衬底、一N型半导体层、一有源发光层、一P型半导体层、一刻蚀阻挡层、一脊型波导层；其中：所述有源发光层至少包括两组量子阱；所述两组量子阱位于所述N型半导体层与所述P型半导体层之间；所述两组量子阱包括靠近所述刻蚀阻挡层的第一组量子阱和远离所述刻蚀阻挡层的第二组量子阱；所述第一组量子阱的能带带隙小于第二组量子阱的能带带隙。
[0008]在另一实施例中，所述有源发光层包括由下向上依次排列的一N区侧分别限制层、多个量子阱势垒和一P区侧分别限制层；多个量子阱势垒之间形成有多个量子阱间隙；所述第二组量子阱位于处于最下方的量子阱间隙内；多个所述第一组量子阱设置于其余量子阱间隙内。
[0009]在另一实施例中，所述刻蚀阻挡层的厚度在5～50纳米之间。
[0010]在另一实施例中，所述第二组量子阱的材料折射率大于所述刻蚀阻挡层的材料折射率。
[0011]在另一实施例中，所述脊型波导层的上方设置有一高掺杂的欧姆接触层。
[0012]在另一实施例中，所述第一组量子阱和第二组量子阱具有不同的组分。
[0013]在另一实施例中，所述第一组量子阱的个数不少于第二组量子阱的个数。
[0014]在另一实施例中，所述两组量子阱的阱厚度均小于15nm。
[0015]在另一实施例中，所述N型衬底为InP或GaAs半导体材料；和/或所述刻蚀阻挡层为InGaAsP半导体材料或InGaAlAs半导体材料。
[0016]在另一实施例中，所述第一组量子阱为带有张应变或压应变的量子阱；和/或所述第二组量子阱为带有压应变或张应变的InGaAlAs或InGaAsP半导体材料。
[0017]在另一实施例中，所述第二组量子阱的个数在1～6之间。
[0018]在另一实施例中，所述脊型波导层的宽度在1～10微米之间。
[0019]本专利技术还提供一种脊型波导高功率半导体激光器芯片的制备方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：
[0020]将N型半导体层、有源发光层、P型半导体层、刻蚀阻挡层、脊型波导层及高掺杂金属接触层通过外延生长依次沉积于衬底上；所述有源发光层至少包括两组量子阱；所述两
组量子阱位于所述N型半导体层与所述P型半导体层之间；所述两组量子阱包括靠近所述刻蚀阻挡层的第一组量子阱和远离所述刻蚀阻挡层的第二组量子阱；所述第一组量子阱的能带带隙小于第二组量子阱的能带带隙；在完成晶体生长后，再通过刻蚀法形成脊型波导结构；所述刻蚀法包括：先干法刻蚀掉表面的0.2～0.5微米，然后通过湿法腐蚀的方法形成深度为1.5～2微米的所述脊型波导结构。
[0021]本专利技术可以达到的技术效果是：
[0022]本专利技术通过在传统的单一量子阱结构中加入一个具有不同能带带隙的另外一组量子阱，可以同时改善由于刻蚀阻挡层带来的在原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脊型波导高功率半导体激光器芯片，包括由下向上依次排列的：一N型衬底；一N型半导体层；一有源发光层；一P型半导体层；一刻蚀阻挡层；一脊型波导层；其特征在于：所述有源发光层至少包括两组量子阱；所述两组量子阱位于所述N型半导体层与所述P型半导体层之间；所述两组量子阱包括靠近所述刻蚀阻挡层的第一组量子阱和远离所述刻蚀阻挡层的第二组量子阱；所述第一组量子阱的能带带隙小于第二组量子阱的能带带隙。2.根据权利要求1所述的脊型波导高功率半导体激光器芯片，其特征在于：所述有源发光层包括由下向上依次排列的一N区侧分别限制层、多个量子阱势垒和一P区侧分别限制层；多个量子阱势垒之间形成有多个量子阱间隙；所述第二组量子阱位于处于最下方的量子阱间隙内；多个所述第一组量子阱设置于其余量子阱间隙内。3.根据权利要求1所述的脊型波导高功率半导体激光器芯片，其特征在于：所述刻蚀阻挡层的厚度在5～50纳米之间。4.根据权利要求1或3所述的脊型波导高功率半导体激光器芯片，其特征在于：所述第二组量子阱的材料折射率大于所述刻蚀阻挡层的材料折射率。5.根据权利要求1或2所述的脊型波导高功率半导体激光器芯片，其特征在于：所述脊型波导层的上方设置有一高掺杂的欧姆接触层。6.根据权利要求1所述的脊型波导高功率半导体激光器芯片，其特征在于：所述第一组量子阱和第二组量子阱具有不同的组分；和/或所述第一组量子阱的个数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王中和，方祖捷，
申请(专利权)人：欧润光电科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：