一种双有源区激光器芯片及制备方法与流程

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种双有源区激光器芯片及制备方法。

背景技术：

为了使半导体激光器实现高功率输出，现有技术中多采用半导体双有源区巴条结构，半导体双有源区巴条结构，是通过一次外延生长把两个有源区垂直堆叠，上有源区和下有源区之间通过一个反向高掺杂pn隧道结串联。一个载流子在经过第一个有源区参与复合发光后，在隧道结处完成反转，还可在第二个有源区参与复合发光。从原理上，半导体双有源区巴条的内量子效率将提高两倍，实现在一定电流注入情况下，激光输出功率达到两倍，但是半导体双有源区巴条芯片倒焊封装在热沉上，上有源区接触焊料和热沉，工作时产生的废热直接向热沉传导，有源区结温较低；而下有源区产生的废热需通过上有源区的半导体材料才能向热沉传导，有源区结温相对较高。而因为工作时结温的差异，上、下有源区的激射中心波长会因温度漂移而不同，双有源区巴条的光谱是上、下两个有源区光谱的叠加，当上、下有源区激射中心波长不同时，整个巴条的光谱会展宽，甚至出现波长双峰。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的双有源区激光器输出光谱会被展宽的缺陷，从而提供一种双有源区激光器芯片及制备方法。

本发明第一方面提供了一种双有源区激光器芯片，包括：依次设置的衬底、下有源区和上有源区；所述上有源区中包括上有源区量子阱；所述下有源区中包括下有源区量子阱；所述上有源区量子阱与所述下有源区量子阱的材料为inxga1-xas，且所述上有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x大于所述下有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x；所述上有源区量子阱的厚度大于所述下有源区量子阱的厚度。

可选地，双有源区激光器芯片还包括隧道结；所述上有源区和所述下有源区通过所述隧道结串联；所述隧道结是高掺杂的pn结，包括p层与n层，p层与n层厚度分别为5～10nm，p层掺杂浓度大于10²⁰cm^-3，n层掺杂浓度大于3×10¹⁹cm^-3。

可选地，双有源区激光器芯片，还包括：隔离槽，所述隔离槽依次贯穿所述上有源区、隧道结及下有源区，且平行于所述双有源区激光器芯片的发光方向。

可选地，隔离槽表面及所述上有源区部分表面覆盖有绝缘层；所述上有源区表面未被所述绝缘层覆盖的部分被p面金属覆盖，形成电流注入区域。

可选地，电流注入区域宽度大于或等于200μm。

可选地，电流注入区域与所述隔离槽之间的距离大于或等于30μm。

可选地，下有源区还包括下有源区n型载流子势垒层、下有源区n型波导层、下有源区p型波导层、下有源区p型载流子势垒层；所述下有源区n型载流子势垒层位于所述衬底上方；所述下有源区n型波导层位于所述下有源区n型载流子势垒层上方；所述下有源区量子阱位于所述下有源区n型波导层上方；所述下有源区p型波导层位于所述下有源区量子阱上方；所述下有源区p型载流子势垒层位于所述下有源区p型波导层上方。

可选地，上有源区还包括上有源区n型载流子势垒层、上有源区n型波导层、上有源区p型波导层、上有源区p型载流子势垒层；所述上有源区n型载流子势垒层位于所述隧道结上方；所述上有源区n型波导层位于所述上有源区n型载流子势垒层上方；所述上有源区量子阱位于所述上有源区n型波导层上方；所述上有源区p型波导层位于所述上有源区量子阱上方；所述上有源区p型载流子势垒层位于所述上有源区p型波导层上方。

本发明第二方面提供了一种双有源区激光器芯片制备方法，其特征在于，包括：提供一衬底；在所述衬底上生长下有源区，在所述下有源区中形成下有源区量子阱；在所述下有源区上生长上有源区，在所述上有源区中形成上有源区量子阱；所述上有源区量子阱与所述下有源区量子阱的材料为inxga1-xas，且所述上有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x大于所述下有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x；所述上有源区量子阱的厚度大于所述下有源区量子阱的厚度。

可选地，在本发明提供的双有源区激光器芯片制备方法中，在衬底上生长下有源区之后、在所述下有源区上生长上有源区之前，所述方法还包括，通过如下步骤在所述下有源区上生长隧道结：在所述下有源区的上表面生长所述p层，所述p层的掺杂浓度大于10²⁰cm^-3；在所述p层的上表面生长n层，所述n层的掺杂浓度大于3×10¹⁹cm^-3；通过如下步骤在所述p层的上表面生长n层：在所述p层的上表面生长第一单原子层，所述第一单原子层为掺si的gaas；通入ash3气体吹扫所述第一单原子层的表面；通过si在所述第一单原子层的一侧表面生长第二单原子层；通入ash3气体吹扫所述第二单原子层的表面；在所述第二单原子层的一侧表面生长第三单原子层，所述第三单原子层为掺si的gaas；判断当前的n层的厚度是否大于或等于预设阈值；若当前的n层的厚度小于预设阈值，返回生长gaas掺si的第一单原子层的步骤，直至所述n层的厚度大于或等于预设阈值。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的双有源区激光器芯片，上有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x大于下有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x，且上有源区量子阱的厚度大于下有源区量子阱的厚度，较少的铟组分和较小的厚度可以使下有源区的激射波长较短，实现了对下有源区因工作结温较高导致的激射波长较上有源区激射波长较高的补偿，使得双有源区激光芯片输出的光谱与单有源区激光芯片输出的光谱的展宽相差较小。

2.本发明提供的双有源区激光器芯片，设置有贯穿上有源区、隧道结及下有源区的隔离槽，通过隔离槽隔离了发光点之间的光学串扰。

3.本发明提供的双有源区激光器芯片，电流注入区域的宽度大于或等于200μm，有效减小了载流子在隧道结出横向扩散后上有源区和下有源区发光单元宽度差异比例。

4.本发明提供的双有源区激光器芯片，电流注入区域与隔离槽之间的距离大于或等于30μm，有效防止了载流子在隔离槽处的复合而导致comd。

5.本发明提供的双有源区激光器芯片制备方法，所制备的双有源区激光器芯片的上有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x大于下有源区量子阱的inxga1-xas材料中的铟组分x，且上有源区量子阱的厚度大于下有源区量子阱的厚度，较少的铟组分和较小的厚度可以使下有源区的激射波长较短，实现了对下有源区因工作结温较高导致的激射波长较上有源区激射波长较高的补偿，使得双有源区激光芯片输出的光谱与单有源区激光芯片输出的光谱的展宽相差较小。

6.本发明提供的双有源区激光器芯片制备方法，通过提高隧道结的掺杂浓度来降低隧道结的电阻率，常规的si掺杂技术仅能使n层的掺杂浓度达到10¹⁹cm^-3，但是本发明实施例在生长n层时，先生长第一单原子层，第一单原子层为掺si的gaas，然后通入ash3气体吹扫所述第一单原子层的表面，之后通过si在所述第一单原子层的一侧表面生长第二单原子层，再次通入ash3气体吹扫所述第二单原子层的表面，最后在所述第二单原子层的一侧表面生长第三单原子层，第三单原子层也为掺si的gaas，以此循环，直到n层的厚度达到预设阈值。该掺杂方法突破了si掺杂剂的溶解度限制，在生长完成第一单原子层后没有ga的情况下提供si原子和as原子，从而抑制了si在as位上的并入，从而抑制了si的两性特性。因此，大部分si原子均并入到ga位，而达到了更高的n型掺杂浓度，从而进一步降低了隧道结的电阻率，进而降低半导体激光器芯片的电压，提高半导体激光器的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-图3为本发明实施例中提供的双有源区激光器芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的生长n层的掺杂工艺图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供了一种双有源区激光器芯片，如图1所示，包括：依次设置的衬底7、下有源区2和上有源区1，其中，衬底7为gaas衬底。

上有源区1中包括上有源区量子阱11；下有源区2中包括下有源区量子阱21；

上有源区量子阱11与下有源区量子阱21的材料为inxga1-xas，且上有源区量子阱11的inxga1-xas材料中的铟组分x大于下有源区量子阱21的inxga1-xas材料中的铟组分x；上有源区量子阱11的厚度大于下有源区量子阱21的厚度。

现有技术中，为了使半导体激光器实现高功率输出而采用双有源区激光器芯片，但是本申请发明人发现双有源区激光器芯片输出的光谱展宽要比单有源区激光器输出的展宽更大，这是因为在半导体双有源区巴条芯片处于工作状态时，上、下有源区的散热状态不一致。半导体双有源区巴条芯片倒焊封装在热沉上，上有源区接触焊料和热沉，工作时产生的废热直接向热沉传导，有源区结温较低；而下有源区产生的废热需通过上有源区的半导体材料才能向热沉传导，有源区结温相对较高，因此上、下有源区在工作时结温存在差异，而因为工作时结温的差异，上、下有源区的激射波长会因温度漂移而不同，双有源区巴条的光谱是上、下两个有源区光谱的叠加，当上、下有源区激射中心波长不同时，整个巴条的光谱会展宽，甚至出现波长双峰。

以940nm波段的双有源区激光器芯片和单有源区芯片为例，在500a工作电流下，单有源区激光器芯片输出的光谱展宽半高为4nm左右，而双有源区激光器芯片输出光谱展宽半高为7nm左右，这是因为下有源区2因工作结温更高，其激射波长较上有源区1高3nm左右，因此为了补偿因温差带来的光谱展宽较大的问题，需要使下有源区量子阱21的激射波长比上有源区1短3nm，量子阱的材料inxga1-xas中的铟组分x的变化和量子阱的厚度的变化都可以引起激射波长的变化，例如可以在下有源区量子阱21中的铟组分不变的前提下，将上有源区量子阱11中的铟组分x增加1％，上有源区1的激射波长增加2nm，在下有源区量子阱21的厚度不变的前提下，将上有源区量子阱11的厚度增加1a(0.1nm)，上有源区1的激射波长增加0.9nm，如此，在注入电流为500a时，双有源区半导体激光芯片输出光谱半高为4nm左右，与单有源区激光器芯片输出的光谱展宽半高基本相同，实现了窄光谱输出。

本发明实施例提供的双有源区激光器芯片，上有源区量子阱11的inxga1-xas材料中的铟组分x大于下有源区量子阱21的inxga1-xas材料中的铟组分x，且上有源区量子阱11的厚度大于下有源区量子阱21的厚度，较少的铟组分和较小的厚度可以使下有源区2的激射波长较短，实现了对下有源区2因工作结温较高导致的激射波长较上有源区1激射波长较高的补偿，使得双有源区激光芯片输出的光谱与单有源区激光芯片输出的光谱的展宽相差较小。

在一可选实施例中，如图1所示，双有源区激光器芯片还包括：隧道结，上有源区1和下有源区2通过隧道结串联，隧道结是高掺杂的pn结，包括p层32与n层31，p层32与n层31厚度分别为5～10nm，p层32掺杂浓度大于10²⁰cm^-3，n层31掺杂浓度大于3×10¹⁹cm^-3。在一具体实施例中，为了减少载流子在经过隧道结时的扩散，可以将p层32与n层31的厚度设置为5nm。

在一具体实施例中，如图1所示，双有源区激光器芯片还包括：隔离槽4，隔离槽4依次贯穿上有源区1、隧道结及下有源区2，通过隔离槽4可以隔离发光点之间的光学串扰。

在一具体实施例中，如图2所示，隔离槽4表面及上有源区1部分表面覆盖有绝缘层5，防止双有源激光器芯片被氧化，并且通过在上有源区1部分表面覆盖绝缘层5图形定义电流注入区域。

上有源区1表面未被绝缘层5覆盖的部分被p面金属6覆盖，p面金属6与上有源区1的半导体材料形成欧姆接触层，形成电流注入区域，在一具体实施例中，电流注入区域的宽度大于或等于200μm，有效减小了载流子在隧道结出横向扩散后上有源区1和下有源区2发光单元宽度差异比例，电流注入区域与隔离槽4之间的距离大于或等于30μm，有效防止了载流子在隔离槽4处的复合而导致comd。

在一可选实施例中，如图3所示，下有源区2还包括下有源区n型载流子势垒层25、下有源区n型波导层24、下有源区p型波导层23、下有源区p型载流子势垒层22，下有源区n型载流子势垒层25位于衬底7上方，下有源区n型波导层24位于下有源区n型载流子势垒层25上方，下有源区量子阱21位于下有源区n型波导层上方24，下有源区p型波导层23位于下有源区量子阱21上方，下有源区p型载流子势垒层22位于下有源区p型波导层23上方。

在一可选实施例中，如图3所示，上有源区1还包括上有源区n型载流子势垒层16、上有源区n型波导层15、上有源区p型波导层14、上有源区p型载流子势垒层13，上有源区n型载流子势垒层16位于隧道结上方，上有源区n型波导层15位于上有源区n型载流子势垒层16上方，上有源区量子阱11位于上有源区n型波导层15上方，上有源区p型波导层14位于上有源区量子阱11上方，上有源区p型载流子势垒层13位于上有源区p型波导层14上方。

实施例2

本发明实施例提供了一种双有源区激光器芯片制备方法，包括：

提供一衬底7。

在衬底7上生长下有源区2，在下有源区2中形成下有源区2量子阱21。

在下有源区2上生长上有源区1，在上有源区1中形成上有源区1量子阱11。

上有源区1量子阱11与下有源区2量子阱21的材料为inxga1-xas，且上有源区1量子阱11的inxga1-xas材料中的铟组分x大于下有源区2量子阱21的inxga1-xas材料中的铟组分x；上有源区1量子阱11的厚度大于下有源区2量子阱21的厚度。

对双有源区激光器芯片的详细描述见上述实施例1。

本发明提供的双有源区激光器芯片制备方法，所制备的双有源区激光器芯片的上有源区1量子阱11的inxga1-xas材料中的铟组分x大于下有源区2量子阱21的inxga1-xas材料中的铟组分x，且上有源区1量子阱11的厚度大于下有源区2量子阱21的厚度，较少的铟组分和较小的厚度可以使下有源区2的激射波长较短，实现了对下有源区2因工作结温较高导致的激射波长较上有源区1激射波长较高的补偿，使得双有源区激光芯片输出的光谱与单有源区激光芯片输出的光谱的展宽相差较小。

在一可选实施例中，在衬底7上生长下有源区2之后、在下有源区2上生长上有源区1之前，本发明实施例提供的双有源区激光器芯片制方法还包括，通过如下步骤在下有源区2上生长隧道结3：

在下有源区2的上表面生长p层32，p层32的掺杂浓度大于10²⁰cm^-3。

在p层32的上表面上生长n层31，n层31的掺杂浓度大于3×10¹⁹cm^-3。

在本发明实施例中，p层32采用p++gaas，n层31采用n++gaas，p++gaas采用常规方式就能达到10²⁰cm^-3，而n++gaas若采用常规的si掺杂，最高仅能达10¹⁹cm^-3，不能达到隧道结低电阻的需求，因此在本发明实施例中，如图4所示，通过如下步骤生长n层31：

在p层32的上表面生长第一单原子层311，第一单原子层311为掺si的gaas；

通入ash3气体吹扫第一单原子层311的表面；

通过si在第一单原子层311的一侧表面生长第二单原子层312；

通入ash3气体吹扫第二单原子层312的表面；

在第二单原子层312的一侧表面生长第三单原子层313，第三单原子层为掺si的gaas；

判断当前的n层31的厚度是否大于或等于预设阈值，在本发明实施例中，n层31厚度为5～10nm，因此可以将预设阈值设置为5nm。

若当前的n层31的厚度小于预设阈值，返回生长gaas掺si的第一单原子层311的步骤，直至n层31的厚度大于或等于预设阈值。

本发明提供的双有源区激光器芯片制备方法，通过提高隧道结的掺杂浓度来降低隧道结的电阻率，常规的si掺杂技术仅能使n层31的掺杂浓度达到10¹⁹cm^-3，但是本发明实施例在生长n层31时，所采用的掺杂方式突破了si掺杂剂的溶解度限制，在生长完成第一单原子层311后没有ga的情况下提供si原子和as原子，从而抑制了si在as位上的并入，从而抑制了si的两性特性。因此，大部分si原子均并入到ga位，而达到了更高的n型掺杂浓度，从而进一步降低了隧道结的电阻率，进而降低半导体激光器芯片的电压，提高半导体激光器的效率。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。