专利名称：一种具有p／n异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体芯片的设计与制造，特别涉及一种具有P/N异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，以提升高速脊波导型半导体激光器芯片的可靠性。
背景技术：
半导体激光器芯片是现代光通讯网路的最重要的器件，所有的信息都是通过激光器芯片进行光电转换后把信息通过光纤网络传输到世界每一个角落，其主要应用领域有光纤区域网路(Local Area Network)，光网路存储(Storage Area Network)，及光纤到户(Fiber-To-The-Home)，以及今后十年将会改变人类生活方式的云计算(Cloud Computing)。现有激光器芯片的基本结构有两种，脊波导型与掩埋型异质结芯片，目前国际市场上速率超过万兆级以上的芯片多数属于脊波导型AlInGaAs复合化合物半导体激光器芯片，脊波导型芯片的结构如
图1所示，由上至下包括P型金属电极层1、P型掺杂磷化铟半导体层2、非掺杂AUnGaAs半导体量子阱结构3、N型掺杂磷化铟半导体层4、N型掺杂磷化铟衬底层5和N型金属电极层6。其中，脊波导型芯片的区域3即为电子与空穴注入并产生光子的量子阱区域。现有产品的InP掺杂与量子阱设计，如图2所示，横轴是半导体生长方向，主要区域有N型磷化铟层、非掺杂的量子阱区域以及P型磷化铟层，纵轴为载流子(电子和空穴)能级。这种结构的缺点是激光器芯片在承受反向静电时，所有的电场全部都施加到非掺杂的量子阱区域，非常容易造成芯片量子阱区域的半导体材料的击穿，从而引起产品失效。激光器芯片的特性包括两个方面，一个是常规性能指标，包括出光功率、波长、阈值电流、调制速率等；另外一个则是可靠性指标，主要包括抗静电特性，使用寿命，长期使用的失效率，其中，抗静电特性是一项非常重要的可靠性指标，如果不好，将会在芯片的封装或者使用过程中产生重大的产品失效，这对于国防通讯、重大公共工程以及国际电讯网络将会造成系统失效，给国家、营运商或者个人带来重大损失和不利影响。所以，怎样提高芯片在生产、组装、应用中抗静电的可靠性，将是所有制造商与用户都极其重视的问题。相对于半导体芯片正负极，其抗静电特性包括正向抗静电与反向抗静电阈值，如果施加到芯片正向或负向的电压超过其阈值，那么激光器芯片内部半导体材料将有永久性损伤，甚至造成产品的立刻失效。脊波导激光器芯片的正向抗静电阈值一般可以达到 4000V以上，而反向抗静电阈值大约只有600V，所以对于脊波导型激光器抗静电特性关键则在于提高反向抗击穿电压。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新型的具有P/N异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，以降低对芯片生产设备防静电的要求，提升激光器芯片的可靠性。本发明主要是将图1中3和4区域中的量子阱与磷化铟半导体材料组分和掺杂重新设计，来提升芯片的抗静电特性。为实现上述发明目的，本发明提供了一种新型的具有P/N异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，所述的量子阱结构沿半导体生长方向有N型磷化铟层、非掺杂的量子阱区域以及P型磷化铟层，其特征在于，所述的N型磷化铟层中引入一层非掺杂的磷化铟层，其厚度为0. 1 1微米，该层非掺杂的磷化铟层和非掺杂的量子阱区域之间的N型掺杂的磷化铟层的厚度为0 2微米。作为上述技术方案的一种优选，所述的N型磷化铟层中的非掺杂的磷化铟层的厚度为0.1 0.5微米。作为上述技术方案的再一种优选，所述的非掺杂的磷化铟层和非掺杂的量子阱区域之间的N型掺杂的磷化铟层的厚度为0. 1 0. 5微米。如图3所示，是在N型掺杂的磷化铟区域，引入一层非掺杂的磷化铟层，该非掺杂的磷化铟层的厚度范围可以为0. 1 1微米范围内，如果超出这个范围，激光器芯片就不能正常工作；该非掺杂的磷化铟层的位置可以有一定的灵活性，最右边可以到量子阱旁边，最左边可以远离量子阱2um。也就是说第二层的厚度范围是0. 1 lum，第三层的厚度可以是 0 2um。优选地，其厚度可以从0.1到0.5微米不等，即图3中的第2层。而图3的第3 层仍然是N型掺杂的磷化铟，其厚度范围是0. 1到0. 5微米。该设计优点是在芯片承受反向的静电冲击时，一半甚至更多的电场强度会分布到非掺杂的磷化铟区域，即图3中的第2层，而真正分步到量子阱的电场强度会大大降低， 因此，静电对于芯片最重要的量子阱区域的伤害会降低。因为根据泊松方程(Poisson ‘s equation)，dE/dx = P / κ s ε 0,电场强度的分布随净电荷区域分布的不同而变化。其中，E是电场强度，P是净电荷密度，Ks是半导体介电常数，ε C1是真空介电常数。图如显示了一个简化的PIN型半导体结构。假设横轴零点是非参杂半导体层⑴中间，两个耗尽层分别位于-(Xp) _(Xi/2)和Xi/2 Xn，。根据耗尽层假设，静电荷密度分布为
权利要求
1.一种具有Ρ/Ν异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，所述的量子阱结构沿半导体生长方向有N型磷化铟层、非掺杂的量子阱区域以及P型磷化铟层，其特征在于，所述的 N型磷化铟层中引入一层非掺杂的磷化铟层，其厚度为0. 1 1微米，该层非掺杂的磷化铟层和非掺杂的量子阱区域之间的N型掺杂的磷化铟层的厚度为0 2微米。
2.根据权利要求1所述的具有Ρ/Ν异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，其特征在于，所述的N型磷化铟层中的非掺杂的磷化铟层的厚度为0. 1 0. 5微米。
3.根据权利要求1或2所述的具有Ρ/Ν异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，其特征在于，所述的非掺杂的磷化铟层和非掺杂的量子阱区域之间的N型掺杂的磷化铟层的厚度为0. 1 0. 5微米。
全文摘要
本发明涉及一种新型的具有P/N异质结的半导体激光器芯片的量子阱结构，所述的量子阱结构沿半导体生长方向有N型磷化铟层、非掺杂的量子阱区域以及P型磷化铟层，其特征在于，所述的N型磷化铟层中引入一层非掺杂的磷化铟层，其厚度为0.1～1微米，该层非掺杂的磷化铟层和非掺杂的量子阱区域之间的N型掺杂的磷化铟层的厚度为0～2微米。本发明的优点主要有三个1、提升激光器芯片的可靠性，增强数据网路的稳定性；2、降低对芯片生产设备防静电要求，从而降低设备成本于芯片成本；3、降低对于下游的芯片封装厂商的生产环境要求，便于客户降低成本，提高可靠性。
文档编号H01S5/343GK102545059SQ20121002217
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月1日 优先权日2012年2月1日
发明者任大为, 张欣刚, 谢镇隆, 邱继广 申请人:华汉晶源(北京)光电技术有限公司