[發明專利]一種寬工作溫度范圍的分布反饋半導體激光器

有效

• 申請號: 202011250138.9
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112467514B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 張敏明;楊思康
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種寬工作溫度范圍的半導體器件，屬于半導體器件領域，包括：器件區和應力補償區，器件區包括有源區，有源區為多量子阱結構，器件區和應力補償區的熱膨脹系數不相等；當半導體器件的溫度高于初始溫度時，應力補償區用于為器件區提供應力，以對溫度升高在器件區中產生的閾值電流升高和微分增益降低進行補償。利用器件區和應力補償區的材料熱學與力學性質差異，通過應力補償區向器件區施加應力，補償溫度升高對器件閾值電流和微分增益的影響，使得器件可在寬溫度范圍內工作，且在該寬溫度范圍內保證恒定的閾值電流和高的調制帶寬，高溫條件下器件能耗較低，降低運行成本，此外，無需為器件額外設置溫度補償電路，降低器件復雜度。

技術領域

本發明屬于半導體器件領域，更具體地，涉及一種寬工作溫度范圍的半導體器件。

背景技術

半導體激光器具有成本低、體積小、可批量生產等優勢，已經成為低成本光纖通信應用中的重要光源。在5G通信網絡、數據中心的巨大需求下，分布反饋半導體激光器已經成為了核心光源。激光器調制輸出的光信號伴隨有波形畸變、頻率啁啾等現象。同時，隨著溫度升高，激光器的微分增益迅速下降，俄歇復合迅速增強，使得芯片閾值電流迅速增大，功耗增加，出現明顯的調制帶寬瓶頸。對于其他半導體器件而言，亦是如此。如何提高半導體器件的調制帶寬，改善其高溫特性，是半導體器件面臨的重要技術挑戰。

針對半導體激光器調制帶寬的優化措施通常包括：減小器件阻抗，優化量子阱結構，集成無源結構以縮小有源區長度，采用掩埋異質結結構以減小有源區寬度等。針對半導體器件高溫特性的優化措施通常包括：采用溫度特性好、微分增益高的AlGaInAs材料，采用非對稱周期調制結構光柵改善空間燒孔效應等。上述方法使得半導體器件的高溫特性與低溫特性存在明顯差異，為了避免溫度變化引起的傳輸誤差，通常需要額外的溫度補償電路，結構復雜。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種寬工作溫度范圍的半導體器件，其目的在于通過應力補償區向器件區施加應力，補償溫度升高對器件閾值電流和微分增益的影響，從而實現寬工作溫度范圍、高帶寬、低能耗的半導體器件，并且無需設置額外的溫度補償電路。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種寬工作溫度范圍的半導體器件，包括器件區和應力補償區，所述器件區包括有源區，所述有源區為多量子阱結構，所述器件區和應力補償區的熱膨脹系數不相等；當所述半導體器件的溫度高于初始溫度時，所述應力補償區用于為所述器件區提供應力，以對溫度升高在所述器件區中產生的閾值電流升高和微分增益降低進行補償。

更進一步地，所述器件區自下往上依次包括n面電極、襯底、n型下包層、下限制層、所述有源區、上限制層、光柵層、p型上包層、脊波導和p面電極，其兩側形成三級階梯結構；所述應力補償區設置在橫截面尺寸最大的第一級階梯上，包括位于所述器件區兩側且寬度相等的兩部分。

更進一步地，所述第一級階梯的頂層為所述襯底、n型下包層、下限制層中的任一層，所述應力補償區的熱膨脹系數與楊氏模量的乘積大于所述器件區的熱膨脹系數與楊氏模量的乘積，所述應力為壓應力。

更進一步地，所述壓應力為：

其中，ε為所述壓應力，E₁和E₂分別為所述器件區和應力補償區的楊氏模量，2W₁和W₂分別為所述器件區和應力補償區的寬度，α₁和α₂分別為所述器件區和應力補償區的熱膨脹系數，T為所述半導體器件的溫度，T₀為所述初始溫度。

更進一步地，所述第一級階梯的頂層為所述上限制層，所述應力補償區的熱膨脹系數小于所述器件區的熱膨脹系數，所述應力為壓應力。

更進一步地，所述第一級階梯的頂層為所述上限制層，所述應力補償區的熱膨脹系數大于所述器件區的熱膨脹系數，所述應力為張應力。