阅读说明：本技术 一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构及其制备方法 (InP-based semiconductor laser structure with low contact resistance and preparation method thereof ) 是由 章曙东 鲍辉 章鹏 闫小冰 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构,包括在InP衬底上外延生长半导体激光器结构以及在半导体激光器结构上制备金属电极层。半导体激光器结构主要包括由下至上依次制备的n-InP缓冲层、n型限制层、n型波导层、量子阱有源层、p型波导层、p型限制层、p型腐蚀阻挡层、p型cladding层和新型p型电极接触层。本发明提出一种新的p型电极接触层结构及其制备方法,利用能带工程,在p型电极接触层中引入压应变和带隙窄化效应,同时为了解决接触层在较大压应力水平下薄膜外延质量恶化的问题,引入过渡接触层技术,来改善欧姆接触性能,从而降低半导体激光器芯片的接触电阻,提高其散热能力、可靠性和寿命。(The invention relates to an InP-based semiconductor laser structure with low contact resistance, which comprises an epitaxial growth semiconductor laser structure on an InP substrate and a metal electrode layer prepared on the semiconductor laser structure. The semiconductor laser structure mainly comprises an n-InP buffer layer, an n-type limiting layer, an n-type waveguide layer, a quantum well active layer, a p-type waveguide layer, a p-type limiting layer, a p-type corrosion barrier layer, a p-type cladding layer and a novel p-type electrode contact layer which are sequentially prepared from bottom to top. The invention provides a novel p-type electrode contact layer structure and a preparation method thereof, which utilize energy band engineering to introduce compressive strain and band gap narrowing effects into a p-type electrode contact layer, and simultaneously introduce a transition contact layer technology to improve ohmic contact performance in order to solve the problem that the epitaxial quality of a film of the contact layer is deteriorated under a larger compressive stress level, thereby reducing the contact resistance of a semiconductor laser chip, improving the heat dissipation capability, reliability and service life of the semiconductor laser chip.)

一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构及其制备 方法

技术领域

本发明属于半导体激光器的技术领域，具体而言，涉及一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构及其制备方法。

背景技术

为了满足器件的实际使用要求，光通信用半导体激光器一般采用脊波导（RidgeWaveguide，RW）和掩埋异质结（Buried Heterojunction，BH）两种类型的激光器结构。这两种结构的p型区域宽度都很窄（1-2 μm），以实现对半导体激光器电场和光场的限制，图1为传统脊波导结构的示意图。

经过系统的计算和分析，器件大部分的串联电阻都落在p型区域（约占90%左右）。通常有源区附近的非掺杂区或低掺杂区对于电阻贡献很小，因为它们非常薄，中等掺杂水平（0.5~5×10¹⁸cm^-1）的p型cladding层和金属-p型电极接触层界面贡献了大部分的电阻。串联电阻的大小不仅影响激光器常规激射特性，更关系到激光器的热状态，影响激光器的可靠性和寿命，尤其高速率器件通常需要工作在高电流条件下，对于串联电阻的控制要求更为苛刻。

对于中等掺杂水平的p型cladding层电阻的改善，专利CN 101969179A和CN106159673 A公开了一种倒台脊波导技术，可以有效降低该层的电阻，另外掩埋异质结技术也可以在很大程度上改善p型cladding层的电阻。

对于金属-p型电极接触层界面电阻的改善，通常有两种方法。最为常用的是对p型电极接触层进行重掺杂，使势垒变薄，实现隧穿。现有的技术就采用Ti-Pt-Au多层金属电极与重掺杂的p-In_0.53Ga_0.47As材料，通过快速热退火来实现隧穿欧姆接触，其中Ti并非p型掺杂剂，只起粘附层的作用，Pt作为阻挡层，Au用于互连引线焊接，p-In_0.53Ga_0.47As组分材料与基底InP晶格匹配，可以实现高质量的外延生长。然而这种方法有其局限性，比如重掺杂的p-In_0.53Ga_0.47As材料掺杂浓度水平一般为1~3×10¹⁹cm^-1，很难实现极低阻值的欧姆接触，另外高掺杂浓度时Zn元素在各层薄膜间的扩散也会带来一系列的问题。另一种方法是对金属层的改善，降低金属层与p型电极接触层之间的势垒。专利CN 104218447 B针对金属层的制备，公开了一种实现单一金属层之间金属层过渡渐变的方法，可以有效降低器件界面引起的应力，提高器件抗热疲劳性能，然而其并没有涉及金属-半导体界面的改善。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是形成一种p型电极接触层和金属层良好接触的半导体激光器芯片，具有比传统InP基半导体激光器芯片更低的接触电阻。

本发明提供一种新的p型电极接触层结构及其制备方法，利用能带工程，通过变化接触层的组分和掺杂水平，引入压应变和带隙窄化效应，同时为了避免接触层在大应力水平下薄膜外延质量恶化，引入过渡接触层技术，来改善欧姆接触性能，从而降低半导体激光器芯片接触电阻，提高散热能力、可靠性和寿命。

本发明的技术方案：

一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构，包括在InP衬底上外延生长半导体激光器结构以及在半导体激光器结构上制备金属电极层。金属电极层包括Ti/Pt/Au等多层金属，属于现有公知技术。半导体激光器结构主要包括由下至上依次生长的n-InP缓冲层、n型限制层、n侧波导层、量子阱有源层、p侧波导层、p型限制层、p型腐蚀阻挡层、p型cladding层和p型电极接触层。

根据本发明优选的，p型电极接触层为基于p-In_0.53+xGa_0.47-xAs材料的三元或二元化合物材料，厚度范围为100~350 nm，掺杂浓度水平范围为的0.1~1×10²⁰cm^-1。

p-In_0.53+xGa_0.47-xAs材料，通过改变x，在公知与InP基底晶格匹配的p-In_0.53Ga_0.47As材料中引入压应变及带隙窄化效应，x的范围为0~0.47。

根据本发明优选的，为了简化制备工艺，p-In_0.53+xGa_0.47-xAs可以采用单层单组分材料，x的取值选择在0~0.05之间。由于厚度和总应力限制，单层单组分p-In_0.53+xGa_0.47-xAs材料与InP基底之间的晶格失配控制在3300ppm以内。

根据本发明优选的，为了避免单层压应变p-In_0.53+xGa_0.47-xAs材料与InP基底晶格失配导致的材料质量恶化问题，同时基于尽量减小顶层p型电极接触层的带隙的考量，引入过渡接触层技术。

所述的过渡接触层技术采用连续式渐变方法，由下至上，p-In_0.53+xGa_0.47-xAs连续式渐变层x由0逐渐增加至0.47，实现在过渡层中逐渐引入压应变和带隙窄化效应。

所述p-In_0.53+xGa_0.47-xAs连续式渐变层中x的取值可以选择（0,0.47）间的中间区段，变化速率趋势遵循线性或抛物线线型，优化原则是使总压应力较小，p型电极接触层顶层带隙较小。

所述过渡层技术也可以采用台阶式渐变方法，引入多层p-In_0.53+xGa_0.47-xAs薄膜，薄膜层数≧2层，由下至上，p-In_0.53+xGa_0.47-xAs薄膜x呈台阶式增加，与InP基底之间的压应变逐渐增加，带隙逐渐窄化，台阶式渐变方法可以更好的控制p型电极接触层中不同带隙层的厚度和薄膜总应力水平。

一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器制备方法，包括采用MOCVD技术在InP衬底上外延生长半导体激光器结构步骤：依次生长的n-InP缓冲层、n型限制层、n侧波导层、量子阱有源层、p侧波导层、p型限制层、p型腐蚀阻挡层、p型cladding层和p型电极接触层。

在制备p型电极接触层时，通过调整通入腔室的TMIn、TMGa、AsH₃、DEZn的比例以及沉积时间来实现p-In_0.53+xGa_0.47-xAs薄膜组分和厚度的连续式渐变和台阶式渐变。

本发明的优点在于：

本发明通过引入新的p型电极接触层结构，具有比传统InP基半导体激光器芯片低的接触电阻，从而提高激光器芯片的散热能力、可靠性和寿命。

附图说明

图1是传统脊波导结构示意图；

图2是本发明实施例1的单层单组分p-In_0.53+xGa_0.47-xAs压应变电极接触层脊波导结构示意图；

图3是本发明实施例2和3的多层多组分的连续渐变式p-In_0.53+xGa_0.47-xAs压应变电极接触层脊波导结构示意图；

图4是本发明实施例4的多层多组分的台阶渐变式p-In_0.53+xGa_0.47-xAs压应变电极接触层脊波导结构示意图。

图5是在采用实施例4的技术制备的半导体激光器与采用传统技术制备的半导体激光器上获得电阻的对比分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明进一步详细地说明，但不限于此。

实施例1、

一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构，包括InP衬底21，InP衬底上外延生长的半导体激光器结构32和半导体激光器结构上的金属电极层31，半导体激光器结构包括由下至上依次生长的n-InP缓冲层22、n型限制层23、n侧波导层24、量子阱有源层25、p侧波导层26、p型限制层27、p型腐蚀阻挡层28、p型cladding层29和p型电极接触层30。 p型电极接触层30材料为p-In_0.57Ga_0.43As，在电极接触层中引入2600ppm左右的压应变，带隙由常规结构中的0.75eV降低至0.71eV左右，材料厚度范围为150nm，掺杂浓度水平为0.3×10²⁰cm^-1。

实施例2、一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构，包括InP衬底41，InP衬底上外延生长的半导体激光器结构52和半导体激光器结构上的金属电极层51，半导体激光器结构包括由下至上依次生长的n-InP缓冲层42、n型限制层43、n侧波导层44、量子阱有源层45、p侧波导层46、p型限制层47、p型腐蚀阻挡层48、p型cladding层49和p型电极接触层50。 p型电极接触层50材料为p-In_0.53+xGa_0.47-xAs的三元或二元化合物材料，其中x由0逐渐连续线性渐变至0.47，材料厚度为250 nm，x随厚度变化的线性关系为x≈0.02×t(其中t为厚度，单位nm)，掺杂浓度水平为0.3×10²⁰cm^-1左右。

实施例3、

一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构，包括InP衬底41，InP衬底上外延生长的半导体激光器结构52和半导体激光器结构上的金属电极层51，半导体激光器结构包括由下至上依次生长的n-InP缓冲层42、n型限制层43、n侧波导层44、量子阱有源层45、p侧波导层46、p型限制层47、p型腐蚀阻挡层48、p型cladding层49和p型电极接触层50， p型电极接触层，材料为p-In0.53+xGa0.47-xAs的三元或二元化合物材料，其中x由0逐渐连续渐变至0.47，材料厚度为250 nm，x随厚度变化的抛物线关系为x≈1E-05×t²-0.0024t(其中t为厚度，单位nm)，掺杂浓度水平为0.3×10²⁰cm^-1左右。

实施例4、

一种具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构，包括InP衬底61，InP衬底上外延生长的半导体激光器结构75和半导体激光器结构上的金属电极层74，半导体激光器结构包括由下至上依次生长的n-InP缓冲层62、n型限制层63、n侧波导层64、量子阱有源层65、p侧波导层66、p型限制层67、p型腐蚀阻挡层68、p型cladding层69和p型电极接触层70。p型电极接触层材料由下至上为p-In_0.53Ga_0.47As薄膜层71，厚度为150nm，p-In_0.51Ga_0.45As薄膜层72, 厚度为25nm，p-In_0.49Ga_0.43As薄膜层73，厚度为25nm，三层薄膜总厚度为200nm，平均掺杂浓度水平为0.3×10²⁰cm^-1。

实施例5、

实施例1-4具有低接触电阻的InP基半导体激光器结构制备方法，包括采用MOCVD技术在InP衬底上外延生长半导体激光器结构步骤：依次生长的n-InP缓冲层、n型限制层、n侧波导层、量子阱有源层、p侧波导层、p型限制层、p型腐蚀阻挡层、p型cladding层和p型电极接触层。外延生长p型电极接触层时，调整通入腔室的TMIn、TMGa、AsH3、DEZn的比例以及沉积时间控制x的范围为0~0.47，材料厚度范围为100~350 nm，掺杂浓度水平为的0.1~1×10²⁰cm^-1。

为验证本发明的效果，利用一个传统结构的激光器，与本发明实施例4所述激光器进行对比。传统结构激光器p型电极接触层为与衬底材料InP完全晶格匹配的p-In_0.53Ga_0.47As薄膜层，厚度为200nm，掺杂浓度水平为0.3×10²⁰cm^-1。除了p型电极接触层的差异，两种结构激光器采用完全相同的芯片制程工艺条件，形成激光器器件，对比了两种激光器的输出电阻特性。图5是在采用实施例4的技术制备的半导体激光器与采用传统技术制备的半导体激光器上获得电阻的对比分布图。相对于传统激光器，本发明所述激光器的电阻得到明显的改善，性能更优。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。