[发明专利]光通信O波段硅基高速半导体激光芯片及其制造方法

说明书

本发明提出一种光通信O波段硅基高速半导体激光芯片及其制造方法，通过采用不同的缓冲层来形成InP材料低位错密度的生长表面；在能带结构上采用N‑InAlGaAs取代常规的N‑InAlAs电子阻挡层，降低电子从N型进入量子阱的势垒，降低阈值；采用超晶格结构量子垒取代单层垒层结构改善重空穴在量子阱中的输运；并在材料结构上进行调整，实现可靠性良好的硅衬底光通信用O波段高直调速率半导体激光芯片。

技术领域

本发明涉及激光芯片技术领域，尤其涉及一种光通信O波段硅基高速半导体激光芯片及其制造方法。

背景技术

高速光芯片是大容量数据中心、5G网、大容量接入网的关键发光芯片。与常规的InP衬底相比，硅衬底具有导电和导热性良好、成本低、坚硬度好、与常规半导体工艺兼容等优点，在硅衬底上制备InP激光芯片是光通信下一步发展和集成化的关键；通常在硅衬底上由于晶格常数等不匹配使得在硅衬底上无法直接生长InP材料系。

此外，应变量子阱采用压缩应变可以将最高空穴带转为类轻空穴带，使得Auger符合和价带间吸收率大幅降低，压缩应变可以有效的减小空穴的有效质量和态密度，从而使得激光器的增益和弛豫频率提高；1990年，研究人员发现同压应变相比，采用张应变量子阱可以进一步的降低激光器阈值，使得出光功率和弛豫频率更高（Tanban-EK T et al．Performance enhancement of InGaAs／InP quantum well lasers by both tensile andcompressive strain．21 st Internal．Semicon．Laser Conf．1990；D-3）。为了进一步降低激光器芯片的阈值电流和工作电流，可以采用张应变量子阱，然而高速激光芯片为了提高激光器的光子和电子相互作用密度、提高调制频率，通常采用较多层数的量子阱；由于电子的有效质量较小通常在导带上采用P型电子阻挡层对其进行限制，然而空穴的有效质量较大，在多层量子阱中容易产生分布不均的问题，通常载流子在能带上的输运主要有两种：一种通过热跃迁越过势垒，另一种为载流子的隧穿效应，通常量子垒对于重空穴而言无法实现较大比例的隧穿。

另外，半导体激光器由于在解离腔面处光子和电子密度比较集中，容易发热形成腔面灾变失效，是激光器应用过程中失效较为常见的一种因素。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种光通信O波段硅基高速半导体激光芯片及其制造方法。在硅衬底上采用晶格参数相近的过渡材料，并对生长后的界面进行烘烤和清洗来改善InP材料体系的生长界面降低位错。此外，采用多层超晶格的薄层作为量子垒，利于空穴在不同阱之间的隧穿，从而改善空穴注入的均匀性和微分增益。而在靠近出光和背光端面进行选择区域生长PNP电流阻挡层的方法可以阻挡电流流向端面；另一方面PNP的组合波导可以通过调整厚度调整光斑近场，降低激光器的端面光子密度，改善芯片可靠性。在P面电极金属下，采用掺杂Fe的绝缘InP层有效改善芯片的电容参数，提高带宽，可以不用采用常规的BCB等工艺。

其通过采用不同的缓冲层来形成InP材料低位错密度的生长表面；在能带结构上采用N-InAlGaAs取代常规的N-InAlAs电子阻挡层，降低电子从N型进入量子阱的势垒，降低阈值；采用超晶格结构量子垒取代单层垒层结构改善重空穴在量子阱中的输运；并在材料结构上进行调整，实现可靠性良好的硅衬底光通信用O波段高直调速率半导体激光芯片。

本发明具体采用以下技术方案：

一种光通信O波段硅基高速半导体激光芯片，其特征在于：在Si衬底上，采用不同的缓冲层形成的低位错密度的生长表面；在材料结构上采用N-InAlGaAs取代N-InAlAs电子阻挡层，并采用超晶格量子垒结构。

进一步地，所述缓冲层包括：N-GaP缓冲层、N-GaAs缓冲层和N-InP缓冲层。