高峰值功率1550nm激光二极管芯片及制备方法与流程

本发明涉及光电子芯片技术领域，特别涉及一种高峰值功率1550nm激光二极管芯片及制备方法。

背景技术：

现有激光传感、激光测距领域多用905nm、850nm、760nm半导体激光，对于人眼安全具有隐患，空气中衰减也比较严重；不利于实际应用。为了实现人眼安全激光、大气传输窗口的应用，开发1550nm半导体激光芯片，而现有技术中是采用多个单层发光激光芯片的物理堆叠，物理堆叠会引起发光区尺寸增大，没有增加功率密度，反而使应用过程中的光学尺寸增加。

因此，如何增加发光芯片的功率密度成为了同行从业人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种高峰值功率1550nm激光二极管芯片及制备方法，解决现有技术中通过物理叠加来增强发光，但是其功率密度并不能得到提高的问题。

为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种高峰值功率1550nm激光二极管芯片，包括：多个pn结、高掺杂电阻区和n型衬底；

所述多个pn结从下到上依次叠加；任意相邻两个pn结通过所述高掺杂电阻区连接；

所述n型衬底位于最低层pn结的下方。

在一个实施例中，所述pn结包括：n型波导层、发光区、p型波导层；

所述发光区位于所述n型波导层和p型波导层之间。

在一个实施例中，所述高掺杂电阻区由n型高掺杂区和p型高掺杂区组成；所述n型高掺杂区位于和p型高掺杂区的上方；

所述高掺杂电阻区的总厚度范围为15nm±2nm。高掺杂区的厚度应该尽可能薄一些，可以更容易实现上下两个pn结的级联。

在一个实施例中，所述n型高掺杂区中的inp掺杂浓度范围为4.5×10²⁰cm^-3至6.5×10²⁰cm^-3，其厚度范围为10-12nm。高掺杂区中的n型高掺杂区不能太薄，应大于其耗尽区的厚度，可更好实现级联。

在一个实施例中，所述p型高掺杂区中的inp掺杂浓度范围为7.5×10¹⁸cm^-3至8.5×10¹⁸cm^-3，其厚度范围为3-5nm。高掺杂区中的p型高掺杂区不能太薄，应大于其耗尽区的厚度，可更好实现级联。

第二方面，本发明还提供一种高峰值功率1550nm激光二极管芯片的制备方法，包括：

s1、在n型衬底上从下至上依次生长n型波导层、发光区、p型波导层，完成第一个pn结的生长；

s2、在所述p型波导层上级联生长高掺杂电阻区；

s3、在所述高掺杂电阻区的上方从下至上依次生长n型波导层、发光区、p型波导层，完成下一个pn结的生长；

s4、依次重复步骤s2和s3，直至完成多个pn结的生长。

本发明的优点在于，本发明的一种高峰值功率1550nm半导体激光二极管芯片及制备方法，该芯片在传统的单层发光基础上，使用高掺杂区实现多个pn结互联，通过芯片内部发光层的纳米堆叠实现高峰值功率输出。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的高峰值功率1550nm激光二极管芯片；

图2为本发明实施例提供的高掺杂电阻区结构示意图；

图3为本发明实施例提供的传统1550nm低功率芯片结构图；

图4为本发明实施例提供的高峰值功率1550nm激光二极管芯片的制备流程图；

附图中：1-pn结、2-高掺杂电阻区、3-n型衬底、11-n型波导层、12-发光区、13-p型波导层、21-n型高掺杂区、22-p型高掺杂区。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种高峰值功率1550nm激光二极管芯片，参照图1所示，包括：

多个pn结1、高掺杂电阻区2和n型衬底3；其中，多个pn结1从下到上依次叠加；任意相邻两个pn结1通过所述高掺杂电阻区2连接；n型衬底3位于最低层pn结1的下方。

在一个实施例中，pn结1包括n型波导层11、发光区12、p型波导层13，其中，述发光区12位于n型波导层11和p型波导层13之间。

在一个实施例中，如图2所示，用于连接两个pn结1的高掺杂电阻区2由n型高掺杂区21和p型高掺杂区22组成；其中，n型高掺杂区21位于和p型高掺杂区22的上方；高掺杂电阻区2的总厚度范围为15nm±2nm，其均是利用金属有机化学气相沉积系统(mocvd)生长。

进一步地，n型高掺杂区21中的inp掺杂浓度范围为4.5×10²⁰cm^-3至6.5×10²⁰cm^-3，其厚度范围为10-12nm；p型高掺杂区22中的inp掺杂浓度范围为7.5×10¹⁸cm^-3至8.5×10¹⁸cm^-3，其厚度范围为3-5nm。

本发明中的高峰值功率1550nm激光二极管芯片的发光原理为：在一个具有3个pn结1的芯片中，在该芯片的第一个pn结1中，注入的电子发生辐射复合产生一个光子后，从导带落到价带。此时高掺杂电阻区2，在电场作用下，复合后的电子通过高掺杂电阻区2再生到后面的第二个pn结1导带上发生第二次复合，再产生一个光子。以此类推，把三个pn结1通过反偏高掺杂电阻区2级联起来，激光器两电极间注入的每一对电子—空穴可以在三个pn结1中发生三次复合，产生三个光子，使其量子效率大大提高，可以在注入较少电流的情况下发出较强的光功率。

如图2-3所示，与传统的1550nm低功率芯片相比，本发明的芯片中的高掺杂电阻区起到关键作用，在芯片中级联了上下两个pn结1，如果没有高掺杂电阻区2，会导致上一个的n结连接到下一个的p结，二极管呈反向状态，电流无法正向导通；增加了高掺杂电阻区之后，就可以实现多个pn结1的级联。

第二方面，如图4所示，本发明还提供了一种高峰值功率1550nm半导体激光二极管芯片的制备方法，包括：

s1、在n型衬底上从下至上依次生长n型波导层、发光区、p型波导层，完成第一个pn结的生长；

s2、在所述p型波导层上级联生长高掺杂电阻区；

s3、在所述高掺杂电阻区的上方从下至上依次生长n型波导层、发光区、p型波导层，完成下一个pn结的生长；

s4、依次重复步骤s2和s3，直至完成多个pn结的生长。

高峰值功率1550nm激光芯片的生长过程为：在p型衬底上，生长n型波导层、发光区、p型波导层，这样完成第一个pn结的生长，然后级联生长高掺杂电阻区，高掺杂电阻区由n型高掺杂和p型高掺杂区组成，总厚度控制在15nm±2nm，n型掺杂浓度在4.5×10²⁰cm^-3至6.5×10²⁰cm^-3之间，厚度在10-12nm之间，p型掺杂浓度在7.5×10¹⁸cm^-3至8.5×10¹⁸cm^-3之间,厚度在3-5nm之间；完成高掺杂电阻区之后，依次类推完成第二个、第三个pn结的生长。

其中，n型衬底为inp单晶材料，一般用垂直布里奇曼法进行晶锭的制作，然后切割成晶圆、并进行抛光、给出晶向，则完成了衬底的制作；n型波导层、发光区、p型波导层均是通过mocvd生长的。

高掺杂电阻区生长的材料为inp，p型掺杂源是c，n型掺杂源为si；ⅲ族的三甲基铟in(ch3)3与第ⅴ族气体磷化氢(ph3)，通过载气输送在高温inp衬底上发生反应，沉积形成inp薄膜；沉积时间不同，生长的厚度也不同。

本发明提供了一种高峰值功率1550nm激光二极管芯片及制备方法，该芯片通过在相邻的两个pn结之间添加了高掺杂电阻区，实现了多个pn结的级联，使得注入的电子-空穴对可以发生多次复合，从而使得量子效率大大提高，可以在注入较少电流的情况下发出较强的光功率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。