CN216390032U - 脊型波导高功率半导体激光器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型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。本实用新型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。

Description

脊型波导高功率半导体激光器芯片

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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。

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(ridgewaveguide)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。

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。

实用新型内容

本实用新型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。

为解决上述技术问题，本实用新型脊型波导高功率半导体激光器芯片的技术解决方案为：

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。

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。

在另一实施例中，所述刻蚀阻挡层的厚度在5～50纳米之间。

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。

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。

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。

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。

在另一实施例中，所述两组量子阱的阱厚度均小于15nm。

在另一实施例中，所述N型衬底为InP或GaAs半导体材料；

在另一实施例中，所述刻蚀阻挡层为InGaAsP半导体材料或InGaAlAs半导体材料。

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；

在另一实施例中，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。

在另一实施例中，所述第二组量子阱的个数在1～6之间。

在另一实施例中，所述脊型波导层的宽度在1～10微米之间。

本实用新型可以达到的技术效果是：

本实用新型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有量子阱和P型材料中的光场分布，从而增加量子阱的有效增益，同时减小P型材料对光子的吸收，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。

本实用新型通过在刻蚀阻挡层的另一侧加入第二组量子阱，从而改善由于刻蚀阻挡层导致的有源发光区的量子阱的光场分布减小和高吸收P型半导体区光场分布的增大，以实现低阈值电流高效率的高功率半导体激光器。

本实用新型能够与现有激光器芯片的材料生长和工艺技术兼容，无须另外开发新的生长和工艺，可以适用于所有的高功率半导体芯片。因此本实用新型的技术方案将可保证大规模生产，提高高功率芯片的良率。

附图说明

本领域的技术人员应理解，以下说明仅是示意性地说明本实用新型的原理，所述原理可按多种方式应用，以实现许多不同的可替代实施方式。这些说明仅用于示出本实用新型的教导内容的一般原理，不意味着限制在此所公开的实用新型构思。

结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施方式，并且与上文的总体说明和下列附图的详细说明一起用于解释本实用新型的原理。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1是现有技术带有刻蚀阻挡层的高功率激光器芯片的结构示意图；

图2a是本实用新型脊型波导高功率半导体激光器芯片的示意图；

图2b是本实用新型的能带示意图；

图3是只有一组和带有两组量子阱结构的光场分布比较示意图；

图4是只有一组和带有两组量子阱结构的光功率与注入电流的关系示意图。

图中附图标记说明：

1为衬底， 2为N型半导体层，

3为有源发光层， 3a为N区分别限制层，

3b为量子阱势垒， 3w1为第一组量子阱，

3w2为第二组量子阱， 3c为P区分别限制层，

4为P型半导体层， 5为刻蚀阻挡层，

6为脊型波导层，

7为高掺杂金属接触层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本实用新型的核心思想是通过增加一个与原有量子阱结构不同能带带隙的量子阱结构来克服由于刻蚀阻挡层带来的光场分布对脊型波导结构高功率激光器性能的负面影响，以提升高功率半导体激光器芯片的性能。在传统脊型波导激光器芯片中，为保证脊型高度的精确并避免刻蚀可能对有源发光区的损伤，在P型材料之间引入了一个20纳米左右的刻蚀阻挡层。由于该阻挡层的折射率大于原先的P型材料，因此使在晶体生长方向的光场向P型材料移动，从而带来了光场在量子阱区的分布减小，在P型材料区的光场增大，降低了量子阱的有效增益增大了波导层的吸收，从而带来了阈值电流的增大和发光效率的降低。

本实用新型通过在原有量子阱相对刻蚀阻挡层的另外一侧增加一组量子阱结构，该量子阱结构的能带带隙大于用于提供激光器增益的原有的量子阱能带带隙，折射率高于刻蚀阻挡层的折射率。因此原先向P型材料移动的光场将会被拉向N型材料方向，从而增加原有量子阱的光场限制因子减小光场在P型材料中的分布，减小由于P型刻蚀阻挡层带来的光场的分布变化对高功率激光器性能的不利影响。

本实用新型脊型波导高功率激光器芯片在结构上主要包括有衬底、N型半导体，包含有两组不同结构的量子阱、P型半导体、P型刻蚀阻挡层和脊型波导层；其中两组量子阱具有不同的能带带隙，低能带带隙的量子阱位于高能带带隙的量子阱与刻蚀阻挡层之间。

本实用新型的高功率激光器芯片通过选择合适的高能带带隙量子阱结构，可以消除由于刻蚀阻挡层带来的光场分布变化的不利影响，从而提高高功率激光器芯片的性能。

本实用新型通过采用两组量子阱结构，可以改善由于使用刻蚀阻挡层带来的光场在有源发光区的光场分布，降低P型材料层对光子的吸收，从而提高高功率半导体激光器的性能。

为了实现上述基于增加一组不同能带带隙的量子阱提升带有刻蚀阻挡层的脊型高功率激光器芯片功能的目的，本实用新型通过如下实施例来表述出来。

如图2a所示，本实用新型脊型波导高功率半导体激光器芯片，包括一N型衬底1(InP)、一N型掺杂半导体缓冲层2(InP，掺杂浓度1.5e18/cm³左右，厚度300nm)、一N区侧分别限制层3a(InAlGaAs，对应光荧光PL峰0.9微米，厚度80nm)、5个量子阱势垒3b(InAlGaAs，对应光荧光PL1.1微米左右，厚度10nm)、第一组量子阱3w1(InAlGaAs,对应光荧光PL峰1.48微米左右，厚度6nm，3个阱)、第二组量子阱3w2(InAlGaAs，对应光荧光PL峰1.2微米左右，厚度6nm，1个阱)、一P区侧分别限制层3c(InAlGaAs，对应光荧光PL峰0.9微米，厚度80nm)、一P掺杂半导体层4(InP，掺杂浓度1e18/cm³，厚度60nm)、一刻蚀阻挡层5(InGaAsP，对应光荧光PL峰1.15微米，厚度20nm)、一脊型波导层6(InP，P掺杂，掺杂浓度3e18/cm³，厚度1.8微米左右)和高P型掺杂的半导体层7用于形成欧姆接触(InGaAs，掺杂浓度2e19/cm³，厚度约0.2微米)。其中量子阱3w1和量子阱势垒3b的组分在晶体生长过程中可以进行调整，以达到所需要的能带带隙，从而满足最终需要的激光器发射波长。

以上2～7层的所有结构通过外延生长(一般为金属有机气相外延MOCVD)沉积于衬底1上。在完成晶体生长后，再通过刻蚀的方法形成脊型波导结构。脊型波导的宽度一般为2微米左右。刻蚀一般是干法和湿法相结合。先干法刻蚀(一般为反应离子刻蚀RIE)掉表面的0.2～0.5微米，然后通过湿法腐蚀的方法形成所需要的脊型波导(一般深度为1.5～2微米)。对于InP材料，一般使用盐酸和磷酸的混合液，而盐酸和磷酸的混合液几乎不腐蚀InGaAsP材料。因此刻蚀阻挡层5的引入，可以保证湿法腐蚀停留在阻挡层5，这样脊型波导的高度可以实现准确控制。但由于刻蚀阻挡层5是InGaAsP材料，其折射率在3.33左右，远高于InP材料的折射率3.2，所以刻蚀阻挡层5的引入会使光场向上(P型区)移动，从而降低光场在有源发光区量子阱3w的分布(减小光场在量子阱中的光场限制因子Γ_g)，增加在P型掺杂半导体中的光场分布(增大光场在P型材料中的限制因子Γ_p)。

半导体激光器的阈值增益为：

其中，Γ_g是量子阱中的光场限制因子，

g_t是激光器的阈值增益，

Γ_p是P型半导体材料的光场限制因子，

α_p和α_n是P和N型半导体的吸收系数，

α₀是除P和N型材料外其他部分的吸收系数，

Γ_n是N型半导体材料的光场限制因子，

L是激光器的腔长，

R_f和R_b是激光器前后腔面的反射率；

对于生长质量良好的半导体激光器，α₀一般较小(即其他部分的吸收较小)，但α_p远大于α_n，因此P型材料的吸收是激光器内损耗的主要来源。因为α_p远远大于α_n，所以增大Γ_p，减小Γ_g，将使半导体激光器激射需要更高的阈值电流，同时降低其发光效率。对于高功率半导体激光器因为L较大，因此Γ_p的影响更大。所以对于量子阱数目较少而腔长较长的高功率半导体激光器，需要尽可能提高光场在量子阱中的分布，降低在P型半导体中的分布。

本实用新型在刻蚀阻挡层5的另一侧增加了另外一组量子阱3w2，将可以改善由于刻蚀阻挡层5引起的光场变化。在本实施例中，第二组量子阱3w2是6nm厚的PL峰(光致发光光谱，Photoluminescence Spectroscopy)在1.2微米左右的InAlGaAs材料，其能带带隙1.1eV，高于第一组量子阱3w1的能带带隙0.83eV，对应的折射率在3.38左右，图2b是对应的各层的能带示意图(只显示了导带部分)。因此第二组量子阱3w2并不提供激光器所需要的增益，电子和空穴仍然首先占据第一组量子阱3w1；但第二组量子阱3w2的高折射率将使光场向下(N型半导体方向)移动，从而提高光场在第一组量子阱3w1的光场限制因子Γ_g，减小光场在P型半导体中的限制因子Γ_p。

图3是理论计算的没有第二组量子阱3w2和有第二组量子阱3w2光场在本实施例高功率激光器芯片外延生长方向的分布。比较只有第一组量子阱3w1(虚线)和加上第二组量子阱3w2的光场(实线)可以看到，光场分布在加入第二组量子阱3w2后向量子阱方向移动，在P型半导体部分减小。计算发现，通过引入第二组量子阱3w2，在量子阱3w1中的限制因子从2.9％增大到了3.2％，增大了10％；而在P型材料中的限制因子从34％减小到了31％，减小了10％。图4是模拟计算的腔长0.5毫米的激光器光功率与电流的关系。如果没有第二组量子阱3w2，激光器的阈值电流是23mA；当加入第二组量子阱3w2后，激光器的阈值电流减小到了14mA，大大提升了高功率激光器的性能。

作为一优选实施例，第一组量子阱3w1可以是应变量子阱结构，其应变范围-0.5％到+0.5％；第二组量子阱可以是与衬底晶格匹配的结构。

作为另一优选实施例，第一组量子阱3w1可以是InGaAsP量子阱结构。

作为另一优选实施例，第二组量子阱3w2可以是InGaAsP量子阱结构。

作为另一优选实施例，第二组量子阱3w2的量子阱个数可以在1～6之间调整。

本实用新型在第一组量子阱的下方增加了第二组量子阱，由于第二组量子阱的厚度仅为10nm左右，而且一般使用非掺杂晶格匹配材料，因此不仅可以提升高功率激光器的特性，而且对芯片的生长和制造成本不会带来增加，可以应用于任何带有类似于刻蚀阻挡层带来的光场分布在P型材料的增加和发光区量子阱光场分布的减小的激光器结构。比如在分布反馈(DFB)激光器中如果光栅层位于P型材料中，增加第二组量子阱同样可以增加第一组量子阱的光场限制因子，降低P型区的光场限制因子，从而提升激光器的性能表现。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形，而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

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不少于第二组量子阱的个数。

7.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：所述两组量子阱的阱厚度均小于15nm。

8.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；

和/或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。

9.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：所述脊型波导层的宽度在1～10微米之间。

10.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：所述第二组量子阱的个数在1～6之间。

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