长波长半导体基片及激光器芯片的制作方法

本申请涉及半导体激光器芯片领域，具体涉及一种长波长半导体基片及激光器芯片。

背景技术：

1、随着光通信对速率和信息容量的要求，提高信号的发射和接收速率以及铺设新的光纤资源成为提高光纤传输信息容量的主要手段。在传统基础上，为了提高光通信传输速率、降低使用成本，通常需要拓展光源波长，利用波分复用技术。当下，光源波长往长波长的光通信l波段(1575～1625nm)和u波段(1625～1675nm)拓展成为提高光纤资源利用率的主要方法。

2、然而，当激光波长超过1550nm时，inp材料体系的俄歇复合、价带间吸收等非辐射复合严重且单光子能量低，导致长波长半导体激光器芯片的出光功率无法满足实际应用需求。因此，如何提高长波长半导体激光器芯片的出光功率是本领域亟需解决的难题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本申请提供一种长波长半导体基片及激光器芯片，能够对出光模场进行调控，实现芯片的低发散角和高的单模光纤耦合效率，从而提高长波长半导体激光器芯片的出光功率。

2、本申请第一方面提出了一种长波长半导体基片，包括衬底和生长在衬底上的增益区；

3、其中，增益区包括至少三个ingaasp增益层，每个ingaasp增益层包括上波导层、两层应变量子阱、量子垒和下波导层，相邻的两个ingaasp增益层之间通过inp间隔层分隔。

4、在上述技术方案中，长波长半导体基片生长至少三个ingaasp增益层，ingaasp增益层之间通过inp间隔层分隔，由于减少了单处ingaasp增益层中应变量子阱的层数，有效降低了量子阱生长后的净应变，提高了长波长半导体基片的生长质量和可靠性。此外，通过调节ingaasp增益层之间的inp间隔层的厚度，可以实现对光学模场的有效调控、降低芯片发光远场发散角、提高应用端to器件至单模光纤的耦合效率，提高长波长半导体基片所制得的长波长半导体激光器芯片的出光功率。

5、在一种可能的实现方式中，所述inp间隔层的厚度为0.9μm-1.1μm。

6、在一种可能的实现方式中，ingaasp增益层的出光波长为1630-1650nm。

7、在一种可能的实现方式中，衬底和增益区之间设置有n-inp缓冲层。

8、在一种可能的实现方式中，增益区远离衬底的一面设置有光栅层，光栅层包括p-ingaasp功能层、p-inp缓冲层和p-inp盖层，其中，p-inp缓冲层设置在p-ingaasp功能层和增益区之间，p-inp盖层设置在p-ingaasp功能层远离增益区的一侧。

9、本申请在第二方面还提供了一种长波长半导体激光器芯片，由上述的长波长半导体基片制得。

10、在上述技术方案中，长波长半导体基片生长有至少三个ingaasp增益层，通过调节ingaasp增益层之间的inp间隔层的厚度，可以实现对光学模场的有效调控、降低芯片发光远场发散角、提高应用端to器件至单模光纤的耦合效率，由上述长波长半导体基片制得的长波长半导体激光机具有较高的出光功率。

11、在一种可能的实现方式中，长波长半导体基片的衬底和增益区之间设置有n-inp缓冲层，增益区远离衬底的一面设置有光栅层。长波长半导体激光器芯片包括由光栅层向衬底的方向刻蚀形成的单模增益波导，其中，n-inp缓冲层被部分刻蚀。在上述技术方案中，长波长半导体激光器芯片形成有单模增益波导，具有较高的光束质量。

12、在一种可能的实现方式中，长波长半导体激光器芯片包括沿单模增益波导侧壁设置的限制结构，限制结构的侧面与单模增益波导的侧壁接触，限制结构的底面与n-inp缓冲层接触。

13、在上述技术方案中，通过设置限制结构对单模增益波导进行了半绝缘掩埋，实现了对电子最大化的限制，从而有效提高了长波长半导体激光器芯片的的出光效率及出光功率。

14、在一种可能的实现方式中，长波长半导体激光器芯片在单模增益波导的上表面和限制结构的部分上表面上形成有多模脊型波导。在上述技术方案中，通过单模增益波导和多模脊型波导的配合，实现了低p型欧姆接触电阻和单横模的光学模场，有效降低了芯片的发热和结温，提高了特征温度、高温出光功率和线性度。

15、与现有技术相比，本申请的有益成果在于：

16、(1)本申请提供的长波长半导体基片及由其制得的长波长半导体激光器芯片中的增益区中通过设置至少三个ingaasp增益层，对多层量子阱进行分隔，保证了长波长半导体基片的生长质量和可靠性。同时，多个ingaasp增益层之间通过设置inp间隔层对ingaasp增益层的间距进行调控，能够实现对出光模场的调控，从而实现长波长半导体激光器芯片的低发散角和高单模光纤耦合效率，进而提高长波长半导体激光器芯片的出光功率。

17、(2)进一步地，在一些可能的实现方式中，通过在单模增益波导侧面设置绝缘结构，实现了对电子最大化的限制，从而有效提高了芯片的出光斜率效率及出光功率。

18、(3)进一步地，在一些可能的实现方式中，通过增益区域采用单模的宽度，而脊型波导区域采用多模的宽度，有效实现了低p型欧姆接触电阻和单横模的光学模场，有效降低了芯片的发热和结温，提高了特征温度、高温出光功率和线性度。

技术特征：

1.一种长波长半导体基片，其特征在于，包括衬底和生长在所述衬底上的增益区；

2.根据权利要求1所述的长波长半导体基片，其特征在于，所述inp间隔层的厚度为0.9μm-1.1μm。

3.根据权利要求1所述的长波长半导体基片，其特征在于，所述ingaasp增益层的出光波长为1630-1650nm。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的长波长半导体基片，其特征在于，所述衬底和所述增益区之间设置有n-inp缓冲层。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的长波长半导体基片，其特征在于，所述增益区远离所述衬底的一面设置有光栅层，所述光栅层包括p-ingaasp功能层、p-inp缓冲层和p-inp盖层，其中，所述p-inp缓冲层设置在所述p-ingaasp功能层和所述增益区之间，所述p-inp盖层设置在所述p-ingaasp功能层远离所述增益区的一侧。

6.一种长波长半导体激光器芯片，其特征在于，由权利要求1-5中任意一项所述的长波长半导体基片制得。

7.根据权利要求6所述的长波长半导体激光器芯片，其特征在于，所述长波长半导体基片的衬底和增益区之间设置有n-inp缓冲层，所述增益区远离所述衬底的一面设置有光栅层；

8.根据权利要求7所述的长波长半导体激光器芯片，其特征在于，所述长波长半导体激光器芯片包括沿所述单模增益波导侧壁设置的限制结构，所述限制结构的侧面与所述单模增益波导的侧壁接触，所述限制结构的底面与所述n-inp缓冲层接触。

9.根据权利要求8所述的长波长半导体激光器芯片，其特征在于，所述长波长半导体激光器芯片在所述单模增益波导的上表面和限制结构的部分上表面上形成有多模脊型波导。

技术总结
本申请提出了一种长波长半导体基片以及由该长波长半导体基片制得的长波长半导体激光器芯片。其中，长波长半导体基片包括衬底和生长在衬底上的增益区；其中，增益区包括至少三个InGaAsP增益层，每个InGaAsP增益层包括上波导层、两层应变量子阱、量子垒和下波导层，相邻的两个InGaAsP增益层之间通过InP间隔层分隔。长波长半导体基片以及由该长波长半导体基片制得的长波长半导体激光器芯片能够对出光模场进行调控，实现芯片的低发散角和高的单模光纤耦合效率，从而提高长波长半导体激光器芯片的出光功率。

技术研发人员：李景虎,薛贤铨,张兴宝,郑维银,田永猛
受保护的技术使用者：成都亿芯源半导体科技有限公司
技术研发日：20230526
技术公布日：2024/1/15