[發明專利]一種用于1550nm波長激光器的半導體外延晶片

有效

• 申請號: 202010813856.6
• 申請日: 2020-08-13
• 公開（公告）號: CN111934199B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 陳基生
• 申請（專利權）人: 廈門中芯晶研半導體有限公司
• 主分類號: H01S5/20
• 分類號: H01S5/20;H01S5/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種用于1550nm波長激光器的半導體外延晶片，包括n?InP襯底及襯底依次向上的蓋層、限制層、勢壘層、量子阱、限制層、保護層、稀釋波導層、蓋層、過渡層、歐姆接觸層；分為襯底材料、無源波導區、有源區、稀釋波導區、脊型波導，通過降低1550nm波長激光器光子腔內的內部損耗的半導體外延晶片在p層材料中吸收來提升半導體激光器的光功率；蓋層、過渡層和歐姆接觸層構成的脊型波導結構來增加半導體激光器外延結構中增強光的橫向限制提升1550nm波長激光器半導體外延晶片光場分布。

技術領域

本發明屬于半導體領域，特別涉及一種用于高功率和高光束質量（近場分布、遠場分布、發散角）邊發射激光器外延晶片。

背景技術

半導體激光器因為具有體積小、可靠性高、壽命長、轉換效率高、驅動簡單、能直接調制等優點被廣泛應用在通訊、固體激光器和光纖激光器的泵浦源、激光打印、激光醫療、空間通訊等領域。

在光纖通訊等領域的應用中，由于需要將邊發射激光器發射出的光束直接耦合進單模光纖內，基模以外的其他模式向單向光纖中耦合的效率非常低，為了克服這些問題，增強高功率和高光束質量邊發射半導體激光器的半導體外延晶片設計成為半導體技術領域比較重要的研究領域。因此研制高功率和高光束質量半導體激光器不僅具有重要的理論意義，而且還具有實際的應用價值。

其次，在石英系光纖三個低損窗口 850nm、1310nm 和 1550nm 中，1550nm波段光纖衰減最小為0.2dB/km，還具有人眼安全、抗干擾能力強的優點，另外，光纖通訊目前的光通信系統通常依靠工作在1550nm的半導體激光器來產生光信號；1550nm的半導體激光器有源區帶隙為0.8eV，與InP晶格匹配的材料體系對應帶隙為0.75eV至1.45eV，具有很強優勢；由于調制和波導功能也可以在同一類型的InP材料中實現，因此將這些器件集成在一起是非常有意義的。

再次，半導體激光器主要包含內部損耗和腔面損耗，內部損耗主要是由外延材料中內部載流子吸收、波導散射損耗等導致光學色散較大所引起的，尤其在1550nm光波段領域，p層的自由載流子的吸收是相當高的，導致光損較大；勢必導致1550nm波段激光器的光功率降低。由于半導體外延晶片中波導區域設計無法限制橫向和側向模式，造成出射光的光束質量較低，多種模式共同存在也降低了光束的相干性和光功率密度。

目前，傳統的1550nm半導體激光器一般采用InP襯底材料，在InP襯底材料生長n型蓋層，通常選用與InP晶格匹配的InP二元材料或者In_xGa_(1-x)P三元材料體系制備n型蓋層結構，為滿足半導體激光器的激射條件，生長InP襯底材料與有源區之間過渡層，也是器件的波導限制層，波導限制層選用不同組分的Al_xIn_yGa_(1-x-y)As 或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)四元材料，組分的選擇折射率介于InP襯底材料及勢壘材料之間。生長器件的有源層，通常為3-7對量子阱。生長p型波導限制層，生長三元或四元Al_xIn_yGa_(1-x-y)As 或In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的保護層。在保護層上方引入周期分布的InP/ Al_xIn_yGa_(1-x-y)As 或InP/In_xGa_(1-x)As_yP_(1-y)的稀釋波導結構，在稀釋波導層上生長p型蓋層，p型蓋層上生長p型過渡層。p型過渡生長p型歐姆接觸層。

通常采用n型結構作為襯底，生長如上的外延結構，刻蝕出p型的脊型波導結構，在脊型波導上面蒸鍍正面電極。將襯底減薄，蒸鍍背面電極，器件的腔長、脊型波導的寬度、外延層中摻雜濃度等都會影響光功率和光束質量。