CN101079532A - 波长为852nm的分布反馈激光器的结构和制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种波长为852nm的分布反馈激光器的结构，包括：在N型GaAs衬底上依次制作的N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs下盖层、N型GaAs缓冲层、非掺AlGaAs下波导层、N型AlGaAs下盖层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGaAs下波导层、非掺AlGaInAs有源层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGaAs上垒层、非掺AlGaInAs有源层、非掺AlGaAs上波导层、非掺AlGaAs上垒层、非掺GaInP光栅层、非掺AlGaAs上波导层、非掺AlGaAs上盖层、非掺GaInP光栅层、P型AlGaAs上盖层、非掺AlGaAs上盖层、P型GaAs帽层、P型AlGaAs上盖层、SiO2层、P型GaAs帽层、P型电极以及N型电极。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种波长为852nm的分布反馈(Distributed feed back DFB)激光器的结构和制作方法。
背景技术
852nm单模半导体激光器广泛应用于铯原子钟的光泵浦和冷却系统，光纤通讯，遥感测量，原子物理学和光学实验研究等方面。研制852nm单频DFB/DBR-LD需要同时拥有半导体材料外延生长系统，优良的光栅制备手段和其他关键的后工艺处理设备。目前，国际上仅有光谱二极管实验室(Spectra Diode Laboratories，已经被JDS Uniphase并购)，Blue Sky Research，Power Technology Inc，OpticalMeasurement Technology Development Company，NanoplusLaser，Frankfurt Laser Co.，Swiss Federal Institute ofTechnology等为数不多的几个公司和实验室研究单纵模工作的852nm半导体激光器，商业化的852nm半导体激光器产品则只有JDS Uniphase和Power Technology Inc.有出售。传统的852nmDFB激光器采用GaAs量子阱结构和在AlGaAs上刻光栅的工艺。这种激光器制作工艺存在Al原子易氧化带来的问题，从而影响器件激射特性和寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波长为852nm的分布反馈(DFB)激光器的结构和制作方法，其中采用四元材料AlGaInAs作有源层，可根据预期的波长独立调节Al和In的组分；再有就是光栅层采用无铝的GaInP材料克服了含铝光栅易氧化带来的问题。
本发明一种波长为852nm的分布反馈激光器的结构，其特征在于，该结构包括：
一N型GaAs衬底；
一N型GaAs缓冲层，该N型GaAs缓冲层制作在N型GaAs衬底上；
一N型AlGaAs下盖层，该N型AlGaAs下盖层制作在N型GaAs缓冲层上；
一非掺AlGaAs下波导层，该非掺AlGaAs下波导层制作在N型AlGaAs下盖层上；
一非掺AlGaAs下垒层，该非掺AlGaAs下垒层制作在非掺AlGaAs下波导层上；
一非掺AlGaInAs有源层，该非掺AlGaInAs有源层制作在非掺AlGaAs下垒层上；
一非掺AlGaAs上垒层，该非掺AlGaAs上垒层制作在非掺AlGaInAs有源层上；
一非掺AlGaAs上波导层，该非掺AlGaAs上波导层制作在非掺AlGaAs上垒层上；
一非掺GaInP光栅层，该非掺GaInP光栅层制作在非掺AlGaAs上波导层上；
一非掺AlGaAs上盖层，该非掺AlGaAs上盖层制作在非掺GaInP光栅层上；
一P型AlGaAs上盖层，该P型AlGaAs上盖层制作在非掺AlGaAs上盖层上；
一P型GaAs帽层，该P型GaAs帽层制作在P型AlGaAs上盖层上；
一SiO2层，该SiO2层制作在P型GaAs帽层两侧的上面；
一P型电极，该P型电极制作在SiO2层和P型GaAs帽层上；以及
一N型电极，该N型电极制作在N型GaAs衬底的下面。
其中N型AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层中AlAs的组分为0.4。
其中非掺AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波导层采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4。
其中非掺AlGaInAs有源层采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内。
其中非掺GaInP光栅层采用与N型GaAs衬底晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料。
本发明一种波长为852nm的分布反馈激光器结构的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在N型GaAs衬底依次外延生长N型GaA s缓冲层、N型AlGaAs下盖层、非掺AlGaAs下波导层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGaInAs有源层、非掺AlGaAs上垒层、非掺AlGaAs上波导层和非掺GaInP光栅层；
(2)在非掺GaInP光栅层上通过全息曝光加湿法腐蚀的方法制备光栅；
(3)在非掺GaInP光栅层上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层、P型AlGaAs上盖层和P型GaAs帽层；
(4)在P型GaAs帽层上光刻并湿法腐蚀出脊形条，保留脊形条上面的光刻胶；
(5)生长200nm SiO2层，带胶剥离SiO2层暴露出脊形条，而在脊形条外则覆盖着SiO2层；
(6)制作P型电极，蒸Ti/Pt/Au；
(7)减薄N型GaAs衬底，制作N型电极，蒸Au/Ge/Ni；
(8)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。
其中所述步骤(2)中光栅的湿法腐蚀采用体积比为Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶480腐蚀液。
其中所述步骤(4)中脊形条的湿法腐蚀采用体积比为H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3腐蚀液。
其中N型AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层中AlAs的组分为0.4。
其中非掺AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波导层采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4。
其中非掺AlGaInAs有源层采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内。
其中非掺GaInP光栅层采用与N型GaAs衬底晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料。
本发明技术方案的有益效果是：(1)采用四元材料AlGaInAs作有源层，可根据预期的波长独立调节Al和In的组分；(2)光栅层采用无铝的GaInP材料克服了含铝光栅易氧化带来的问题。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是本发明852nm的分布反馈(DFB)激光器的结构示意图；
图2是光栅的SEM图；
图3是该器件的激射光谱图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明一种波长为852nm的分布反馈激光器的结构，该结构包括：
一N型GaAs衬底2；
一N型GaAs缓冲层3，该N型GaAs缓冲层3制作在N型GaAs衬底2上；
一N型AlGaAs下盖层4，该N型AlGaAs下盖层4制作在N型GaAs缓冲层3上；其中N型AlGaAs下盖层4中AlAs的组分为0.4；
一非掺AlGaAs下波导层5，该非掺AlGaAs下波导层5制作在N型AlGaAs下盖层4上；其中非掺AlGaAs下波导层5采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4；
一非掺AlGaAs下垒层6，该非掺AlGaAs下垒层6制作在非掺AlGaAs下波导层5上；
一非掺AlGaInAs有源层7，该非掺AlGaInAs有源层7制作在非掺AlGaAs下垒层6上；该非掺AlGaInAs有源层7采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内；
一非掺AlGaAs上垒层8，该非掺AlGaAs上垒层8制作在非掺AlGaInAs有源层7上；
一非掺AlGaAs上波导层9，该非掺AlGaAs上波导层9制作在非掺AlGaAs上垒层8上；其中非掺AlGaAs上波导层9采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4；
一非掺GaInP光栅层10，该非掺GaInP光栅层10制作在非掺AlGaAs上波导层9上；该非掺GaInP光栅层10采用与N型GaAs衬底2晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料；
一非掺AlGaAs上盖层11，该非掺AlGaAs上盖层11制作在非掺GaInP光栅层10上；
一P型AlGaAs上盖层12，该P型AlGaAs上盖层12制作在非掺AlGaAs上盖层11上；其中P型AlGaAs上盖层12中AlAs的组分为0.4；
一P型GaAs帽层13，该P型GaAs帽层13制作在P型AlGaAs上盖层12上；
一SiO2层14，该SiO2层14制作在P型GaAs帽层13两侧的上面；
一P型电极15，该P型电极15制作在SiO2层14和P型GaAs帽层13上；以及
一N型电极1，该N型电极1制作在N型GaAs衬底2的下面。
请再参阅图1所示，本发明一种波长为852nm的分布反馈激光器结构的制作方法，该方法包括以下步骤：
(1)在N型GaAs衬底2依次外延生长N型GaAs缓冲层3、N型AlGaAs下盖层4、非掺AlGaAs下波导层5、非掺AlGaAs下垒层6、非掺AlGaInAs有源层7、非掺AlGaAs上垒层8、非掺AlGaAs上波导层9和非掺GaInP光栅层10；
该N型AlGaAs下盖层4和P型AlGaAs上盖层12中AlAs的组分为0.4；
该非掺AlGaAs下波导层5和非掺AlGaAs上波导层9采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4；
该非掺AlGaInAs有源层7采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内；
该非掺GaInP光栅层10采用与N型GaAs衬底2晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料；
(2)在非掺GaInP光栅层10上通过全息曝光加湿法腐蚀的方法制备光栅；所述湿法腐蚀采用体积比为Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶480腐蚀液；
(3)在非掺GaInP光栅层10上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层11、P型AlGaAs上盖层12和P型GaAs帽层13；
(4)在P型GaAs帽层13上光刻并湿法腐蚀出脊形条，保留脊形条上面的光刻胶；该脊形条的湿法腐蚀采用体积比为H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3腐蚀液；
(5)生长200nm SiO2层14，带胶剥离SiO2层14暴露出脊形条，而在脊形条外则覆盖着SiO2层14；
(6)制作P型电极15，蒸Ti/Pt/Au；
(7)减薄N型GaAs衬底2，制作N型电极1，蒸Au/Ge/Ni；
(8)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。
再如图1所示，本发明的具体实施例1中的分布反馈(DFB)激光器结构包括由蒸Ti/Pt/Au制作的N型电极1，由蒸Au/Ge/Ni制作的P型电极15，二者的功能在于使外加电流注入到器件中；N型GaAs衬底2；N型GaAs缓冲层3，其作用在于减少由于直接将结构生长在衬底2上所产生的缺陷，从而提高器件的质量；N型AlGaAs下盖层4和P型AlGaAs上盖层12，其中AlAs的组分选择为0.4，是考虑到一方面可以提供足够的光和载流子限制的功效，另一方面避免过高的AlAs的组分易于氧化，从而给材料生长带来困难；非掺AlGaAs下波导层5和非掺AlGaAs上波导层9，二者构成线性渐变分离限制结构，其中非掺AlGaAs下波导层5中AlAs组分由0.4线性渐变到0.2，非掺AlGaAs下垒层6中AlAs组分由0.2线性渐变到0.4，线性渐变分离限制结构相较于普通的分离限制结构来说能够对光和载流子提供更好的限制，从而可以更好的减少光损耗和降低阈值电流；非掺AlGaAs下垒层6和非掺AlGaAs上垒层8，AlAs的组分选择为0.2，其效果在于将载流子限制在有源区内，若AlAs的组分过低，则对载流子的限制作用变差，从而会使载流子更容易泄漏到相应的少子区，使器件性能变差，这种情况在温度升高时更严重；非掺AlGaInAs有源层7，采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内。其功效是用来形成光增益，AlGaInAs有源层相较于无应变的GaAs有源层来说具有如微分增益高，厚度和Al/In组分可独立调节等特点，之所以没有采用更高的压应变，是为了降低材料生长的难度；非掺GaInP光栅层10，采用与N型GaAs衬底2晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料，光栅层采用无铝的GaInP材料作用在于克服了含铝光栅易氧化带来的问题；非掺AlGaAs盖层11，AlAs的组分选择为0.2，与非掺GaInP光栅层10形成折射率的差异，从而达到对产生的光反馈的目的；P型GaAs帽层13；SiO2层14，用于限制电流。
本发明的具体实施例1中的分布反馈(DFB)激光器制作方法包括(1)采用外延工艺金属有机化学气相沉积方法在N型GaAs衬底2上依次外延生长N型GaAs缓冲层3，其作用在于减少由于直接将结构生长在衬底2上所产生的缺陷，从而提高器件的质量；N型AlGaAs下盖层4，AlAs的组分选择为0.4；非掺AlGaAs下波导层5，AlAs组分由0.4线性渐变到0.2；非掺AlGaAs下垒层6，AlAs的组分选择为0.2；非掺AlGaInAs有源层7，采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内。其功效是用来形成光增益，AlGaInAs有源层7相较于无应变的GaAs有源层来说具有如微分增益高，厚度和Al/In组分可独立调节等特点，之所以没有采用更高的压应变，是为了降低材料生长的难度；非掺AlGaAs上垒层8，AlAs的组分选择为0.2，其与非掺AlGaAs下垒层6的作用在于将载流子限制在有源区内，若AlAs的组分过低，则对载流子的限制作用变差，从而会使载流子更容易泄漏到相应的少子区，使器件性能变差，这种情况在温度升高时更严重；非掺AlGaAs上波导层9，AlAs组分由0.2线性渐变到0.4，其与非掺AlGaAs下波导层5二者构成线性渐变分离限制结构，线性渐变分离限制结构相较于普通的分离限制结构来说能够对光和载流子提供更好的限制，从而可以更好的减少光损耗和降低阈值电流的作用；非掺GaInP光栅层10，采用与N型GaAs衬底2晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料，光栅层采用无铝的GaInP材料作用在于克服了含铝光栅易氧化带来的问题；
(2)在非掺GaInP光栅层10上通过全息曝光加湿法腐蚀的方法制备光栅，其中光栅的湿法腐蚀采用体积比为Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶480腐蚀液，在冰水混合物条件下腐蚀得到深度约为70nm周期为252nm的光栅，如图2所示；
(3)在非掺GaInP光栅层10上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层11，AlAs的组分选择为0.2，与非掺GaInP光栅层10形成折射率的差异，从而达到对产生的光反馈的目的；P型AlGaAs上盖层12，AlAs的组分选择为0.4，其与N型AlGaAs下盖层4的功能是提供足够的光和载流子限制；P型GaAs帽层13；
(4)在P型GaAs帽层13上光刻并湿法腐蚀出脊形条，其作用在于保证器件单侧模工作，脊形条的湿法腐蚀采用体积比为H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3腐蚀液。保留脊形条上面的光刻胶；
(5)生长200nm SiO2层14，带胶剥离SiO2层14暴露出脊形条，使脊形条上无SiO2，而在脊形条外则覆盖着SiO2，其作用在于限制电流；
(6)制作P型电极15，蒸Ti/Pt/Au；
(7)减薄N型GaAs衬底2，制作N型电极1，蒸Au/Ge/Ni；
(8)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。
进行器件性能测量。图3是该器件的激射光谱图，边模抑制比大于30dB，达到了DFB激光器对单模的要求。
Claims (12)
1.一种波长为852nm的分布反馈激光器的结构，其特征在于，该结构包括：
一N型GaAs衬底；
一N型GaAs缓冲层，该N型GaAs缓冲层制作在N型GaAs衬底上；
一N型AlGaAs下盖层，该N型AlGaAs下盖层制作在N型GaAs缓冲层上；
一非掺AlGaAs下波导层，该非掺AlGaAs下波导层制作在N型AlGaAs下盖层上；
一非掺AlGaAs下垒层，该非掺AlGaAs下垒层制作在非掺AlGaAs下波导层上；
一非掺AlGaInAs有源层，该非掺AlGaInAs有源层制作在非掺AlGaAs下垒层上；
一非掺AlGaAs上垒层，该非掺AlGaAs上垒层制作在非掺AlGaInAs有源层上；
一非掺AlGaAs上波导层，该非掺AlGaAs上波导层制作在非掺AlGaAs上垒层上；
一非掺GaInP光栅层，该非掺GaInP光栅层制作在非掺AlGaAs上波导层上；
一非掺AlGaAs上盖层，该非掺AlGaAs上盖层制作在非掺GaInP光栅层上；
一P型AlGaAs上盖层，该P型AlGaAs上盖层制作在非掺AlGaAs上盖层上；
一P型GaAs帽层，该P型GaAs帽层制作在P型AlGaAs上盖层上；
一SiO2层，该SiO2层制作在P型GaAs帽层两侧的上面；
一P型电极，该P型电极制作在SiO2层和P型GaAs帽层上；以及
一N型电极，该N型电极制作在N型GaAs衬底的下面。
2.根据权利要求1所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构，其特征在于，其中N型AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层中AlAs的组分为0.4。
3.根据权利要求1所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构，其特征在于，其中非掺AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波导层采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4。
4.根据权利要求1所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构，其特征在于，其中非掺AlGaInAs有源层采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内。
5.根据权利要求1所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构，其特征在于，其中非掺GaInP光栅层采用与N型GaAs衬底晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料。
6.一种波长为852nm的分布反馈激光器结构的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)在N型GaAs衬底依次外延生长N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs下盖层、非掺AlGaAs下波导层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGaInAs有源层、非掺AlGaAs上垒层、非掺AlGaAs上波导层和非掺GaInP光栅层；
(2)在非掺GaInP光栅层上通过全息曝光加湿法腐蚀的方法制备光栅；
(3)在非掺GaInP光栅层上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层、P型AlGaAs上盖层和P型GaAs帽层；
(4)在P型GaAs帽层上光刻并湿法腐蚀出脊形条，保留脊形条上面的光刻胶；
(5)生长200nm SiO2层，带胶剥离SiO2层暴露出脊形条，而在脊形条外则覆盖着SiO2层；
(6)制作P型电极，蒸Ti/Pt/Au；
(7)减薄N型GaAs衬底，制作N型电极，蒸Au/Ge/Ni；
(8)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。
7.根据权利要求6所述的波长为852nm的分布反馈激光器结构的制作方法，其特征在于，其中所述步骤(2)中光栅的湿法腐蚀采用体积比为Br2∶HBr∶H2O＝1∶25∶480腐蚀液。
8.根据权利要求6所述的波长为852nm的分布反馈激光器结构的制作方法，其特征在于，其中所述步骤(4)中脊形条的湿法腐蚀采用体积比为H3PO24∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3腐蚀液。
9.根据权利要求6所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构的制作方法，其特征在于，其中N型AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层中AlAs的组分为0.4。
10.根据权利要求6所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构的制作方法，其特征在于，其中非掺AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波导层采用线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.4。
11.根据权利要求6所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构的制作方法，其特征在于，其中非掺AlGaInAs有源层采用0.65％的压应变，PL谱峰在845-855nm范围内。
12.根据权利要求6所述的波长为852nm的分布反馈激光器的结构的制作方法，其特征在于，其中非掺GaInP光栅层采用与N型GaAs衬底晶格匹配的Ga0.51In0.49P材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |