CN207602981U - 一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，包括：两个堆叠串联的有源区，其中，上有源区(101)和下有源区(103)之间通过隧道结(102)串联，在巴条发光单元(1)之间刻蚀一条平行于发光方向的隔离槽(2)，隔离槽依次贯穿上有源区(101)、隧道结(102)及下有源区(103)，其中，所述隧道结(102)是高掺杂的PN结，P层与N层厚度分别约5～10nm，掺杂浓度大于1019cm‑3，且隧道结界面必须是陡峭，即隧道结P层N层两侧的掺杂源扩散要小。
Description
技术领域
本实用新型属于一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片。
背景技术
在半导体激光***中，单巴条功率翻倍，意味着激光器单位面积发光亮度翻倍，输出相同功率所使用的巴条数量减少一半，激光***整体重量与体积将减少。由此获得的高亮度、小型化、轻质化的半导体激光器***，将更适合在军民领域中发挥作用。
对于单巴条激光器产品，一般通过增加注入电流的方式来提高激射功率，但增加注入电流会带来的巴条激光器效率下降、材料损伤等导致巴条激光器失效的不利因素，同时增加注入电流带来的导线电压损耗也影响激光***整体效率。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是本技术方案涉及一种半导体激光器巴条芯片产品，尤其涉及一种在低电流注入情况下高激光功率输出的巴条芯片产品。
本实用新型解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，包括：两个堆叠串联的有源区，其中，上有源区(101)和下有源区(103)之间通过隧道结(102)串联，在巴条发光单元(1)之间刻蚀一条平行于发光方向的隔离槽(2)，隔离槽依次贯穿上有源区(101)、隧道结(102)及下有源区(103)，其中，所述隧道结(102)是高掺杂的PN结，P层与N层厚度分别约5～10nm，掺杂浓度大于1019cm-3，且隧道结界面必须是陡峭，即隧道结P层N层两侧的掺杂源扩散要小。
优选的是，还设置有GaAs衬底(106)、SiO钝化层(107)、P面金属(108)和SiO钝化层窗口(109)，其中，GaAs衬底(106)位于最底端，在上面设置有以上上有源区(101)、下有源区(103)、隧道结(102)以及SiO钝化层(107)、P面金属(108)和SiO钝化层窗口(109)。
优选的是，自GaAs衬底(106)往上分别是下有源区n型载流子势垒层、下有源区n型波导层、下有源区量子阱、下有源区p型载流子势垒层、下有源区p型波导层、下有源区p型载流子势垒层、隧道结高掺杂N层、隧道结高掺杂P层、上有源区n型载流子势垒层、上有源区n型波导层、上有源区量子阱、上有源区p型载流子势垒层、上有源区p型波导层、上有源区p型载流子势垒层、上有源区欧姆接触层。
优选的是，巴条发光单元的电注入区域由所述SiO钝化层(107)的窗口形状所限定，其中，在SiO钝化层窗口处的P面金属(108)直接与半导体材料形成欧姆接触，该区域即为所述电注入区域。
优选的是，载流子自SiO钝化层的窗口注入，在上有源区量子阱处复合发光后，经过隧道结的隧穿效应，可在下有源区量子阱处进行第二次复合发光，由此形成上有源发光区(104)和下有源发光区(105)。
本技术方案将在低电流注入情况下，实现巴条激光器的高功率输出。在巴条激光器芯片外延结构设计中，采用在材料外延生长中直接将两个或多个有源区堆叠串联，增加激光器的斜率效率。理论上，一个载流子可参加两次或多次光复合，内量子效率将提高两倍或多倍，实现相同电流注入情况下，两倍或多倍激光输出。
本实用新型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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型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。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进行详细的描述，以使得本实用新型的上述优点更加明确。其中，
图1是本实用新型一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片的结构示意图；
图2是本实用新型一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片的正面结构示意图；
图3是本实用新型一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片的剖面示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。
如图1、2和3所述，一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，包括：两个堆叠串联的有源区，其中，上有源区(101)和下有源区(103)之间通过隧道结(102)串联，在巴条发光单元(1)之间刻蚀一条平行于发光方向的隔离槽(2)，隔离槽依次贯穿上有源区(101)、隧道结(102)及下有源区(103)，其中，所述隧道结(102)是高掺杂的PN结，P层与N层厚度分别约5～10nm，掺杂浓度大于1019cm-3，且隧道结界面必须是陡峭，即隧道结P层N层两侧的掺杂源扩散要小。
优选的是，还设置有GaAs衬底(106)、SiO钝化层(107)、P面金属(108)和SiO钝化层窗口(109)，其中，GaAs衬底(106)位于最底端，在上面设置有以上上有源区(101)、下有源区(103)、隧道结(102)以及SiO钝化层(107)、P面金属(108)和SiO钝化层窗口(109)。
优选的是，自GaAs衬底(106)往上分别是下有源区n型载流子势垒层、下有源区n型波导层、下有源区量子阱、下有源区p型载流子势垒层、下有源区p型波导层、下有源区p型载流子势垒层、隧道结高掺杂N层、隧道结高掺杂P层、上有源区n型载流子势垒层、上有源区n型波导层、上有源区量子阱、上有源区p型载流子势垒层、上有源区p型波导层、上有源区p型载流子势垒层、上有源区欧姆接触层。
优选的是，巴条发光单元的电注入区域由所述SiO钝化层(107)的窗口形状所限定，其中，在SiO钝化层窗口处的P面金属(108)直接与半导体材料形成欧姆接触，该区域即为所述电注入区域。
优选的是，载流子自SiO钝化层的窗口注入，在上有源区量子阱处复合发光后，经过隧道结的隧穿效应，可在下有源区量子阱处进行第二次复合发光，由此形成上有源发光区(104)和下有源发光区(105)。
其中，本技术方案将在低电流注入情况下，实现巴条激光器的高功率输出。在巴条激光器芯片外延结构设计中，采用在材料外延生长中直接将两个或多个有源区堆叠串联，增加激光器的斜率效率。理论上，一个载流子可参加两次或多次光复合，内量子效率将提高两倍或多倍，实现相同电流注入情况下，两倍或多倍激光输出。
具体来说，在巴条芯片的外延生长过程中，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隧道结串联，得到双有源区激光器外延结构。然后在巴条芯片的晶圆流片过程中，巴条发光单元之间刻蚀一条平行于发光方向的隔离槽，隔离槽依次贯穿上有源区、隧道结及下有源区。
双有源区外延结构中，隧道结是高掺杂的PN结，P层与N层厚度分别约5～10nm，掺杂浓度大于1019cm-3，且隧道结界面必须是陡峭，即隧道结P层N层两侧的掺杂源扩散要小。
双有源区巴条外延结构自GaAs衬底往上依次是下有源区n型载流子势垒层、下有源区n型波导层、下有源区量子阱、下有源区p型载流子势垒层、下有源区p型波导层、下有源区p型载流子势垒层、隧道结高掺杂N层、隧道结高掺杂P层、上有源区n型载流子势垒层、上有源区n型波导层、上有源区量子阱、上有源区p型载流子势垒层、上有源区p型波导层、上有源区p型载流子势垒层、上有源区欧姆接触层。
巴条芯片结构中，巴条发光单元的电注入区域由SiO钝化层的窗口形状定义，在SiO钝化层窗口处P面金属直接与半导体材料形成欧姆接触，此区域为发光单元电注入区域。
双有源区巴条每个发光单元工作原理为，载流子自SiO钝化层的窗口注入，在上有源区量子阱处复合发光后，经过隧道结的隧穿效应，可在下有源区量子阱处进行第二次复合发光，即一个载流子进行两次复合发光，产生两倍光能量输出。
巴条芯片制作完成后进行封装，采用长脉冲准连续测试，可实现在注入电流小于500A时，超过1000W的脉冲峰值功率输出。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，其特征在于，包括：两个堆叠串联的有源区，其中，上有源区(101)和下有源区(103)之间通过隧道结(102)串联，在巴条发光单元(1)之间刻蚀一条平行于发光方向的隔离槽(2)，隔离槽依次贯穿上有源区(101)、隧道结(102)及下有源区(103)，其中，所述隧道结(102)是高掺杂的PN结，P层与N层厚度分别约5～10nm，掺杂浓度大于1019cm-3，且隧道结界面必须是陡峭，即隧道结P层N层两侧的掺杂源扩散要小。
2.根据权利要求1所述的片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，其特征在于，还设置有GaAs衬底(106)、SiO钝化层(107)、P面金属(108)和SiO钝化层窗口(109)，其中，GaAs衬底(106)位于最底端，在上面设置有以上上有源区(101)、下有源区(103)、隧道结(102)以及SiO钝化层(107)、P面金属(108)和SiO钝化层窗口(109)。
3.根据权利要求2所述的片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，其特征在于，自GaAs衬底(106)往上分别是下有源区n型载流子势垒层、下有源区n型波导层、下有源区量子阱、下有源区p型载流子势垒层、下有源区p型波导层、下有源区p型载流子势垒层、隧道结高掺杂N层、隧道结高掺杂P层、上有源区n型载流子势垒层、上有源区n型波导层、上有源区量子阱、上有源区p型载流子势垒层、上有源区p型波导层、上有源区p型载流子势垒层、上有源区欧姆接触层。
4.根据权利要求2所述的片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，其特征在于，巴条发光单元的电注入区域由所述SiO钝化层(107)的窗口形状所限定，其中，在SiO钝化层窗口处的P面金属(108)直接与半导体材料形成欧姆接触，该区域即为所述电注入区域。
5.根据权利要求4所述的片内堆积多有源区半导体巴条激光器芯片，其特征在于，载流子自SiO钝化层的窗口注入，在上有源区量子阱处复合发光后，经过隧道结的隧穿效应，可在下有源区量子阱处进行第二次复合发光，由此形成上有源发光区(104)和下有源发光区(105)。
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