CN102332681B - 一种低线宽的f-p腔应变量子阱激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器。所述的包括顺次连接的衬底(1)、缓冲层(2)、n型下限制层(3)、下波导层(4)、下势垒层(5)、有源层(6)、上势垒层(7)、上波导层(8)、p型上限制层(9)和欧姆接触层(10)；通过优化设计有源层6，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子相互抵消，实现了低线宽，改善了量子阱激光器光束的质量。本发明的激光器的有源层为InxGa1-xAs材料，x＝0.33，阱宽厚度为3～5nm，中心波长λ＝980nm～1036nm，线宽较量子阱激光器线宽降低了3个数量级。可以用于光学测量、固体激光器泵浦、激光光谱学研究等领域。
Description
本发明涉及半导体激光器领域，尤其是低线宽的F-P腔应变量子阱激光器。
背景技术
半导体激光器以其体积小、重量轻广泛的应用于固体激光器泵浦和军事应用等领域。量子阱激光器是近些年来新发展的一种新型半导体激光器。由于其有源层厚度小于电子平均自由程，使载流子只能在有源层运动，提高了激光器的转换效率。线宽展宽因子（Linewidth
Enhancement Factor, 
factor）是影响半导体激光器谱线宽度的重要因素。它不仅直接影响半导体激光器的谱线宽度，而且会对激光器的模式稳定，电流调制下的啁啾，注入锁定范围、光放大系数以及光反馈效应等均会产生影响。
目前文献报道的量子阱激光器线宽展宽因子测量值一般为1-3，为了降低谱线展宽给激光器动态特性带来的影响，实现激光器窄线宽输出，需要一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器。
目前窄线宽半导体激光器主要有分布反馈激光器（DFB）、分布布拉格反馈激光器（DBR）和光栅外腔激光器，这三种激光器确实实现了低线宽的输出，但是这三种激光器有着共同的难点就是腔面加工工艺复杂[王丽丽、任建华、赵同刚、徐大雄、饶岚、吴炜、郭永新 2005 激光技术29 4][江剑平 2000 半导体激光器(北京：电子工业出版社) 第125页 ]。而对于F-P腔应变量子阱激光器，其制作方法已经较为成熟，但普通的F-P腔应变量子阱激光器线宽较宽，普通的F-P腔应变量子阱激光器的结构如图2所示[刘安平、段利华、周勇 2010 光电子·激光21 163]：
21为衬底层，材料为GaAs；22为缓冲层，厚度为500nm，材料为N型GaAs；23为 n型下限制层，厚度为1500nm，材料为AlGaAs；24为限制层，厚度为200nm，材料为AlGaAs；25为接触层，厚度为50nm，材料为GaAs；26为应变缓冲层，厚度为6nm，材料为In x Ga 1-x As；27 为波导层，厚度为60nm，材料为GaAs；28为有源层，厚度为6nm，材料为In x Ga 1-x As；29为波导层，厚度为100nm，材料为GaAs；30为限制层，厚度为200nm，材料为AlGaAs；31为限制层，厚度为1300nm，材料为P型AlGaAs；32为接触层，厚度为200nm，材料为GaAs；有源层In x Ga 1-x As材料，x=0.1，阱宽厚度为6nm。根据公式
为线宽，
为中心波长，
为对应的频率宽度，c为光速，经过计算此激光器角频率对应线宽为
=2713GHz，线宽较宽。
发明内容
为了解决现有F-P腔应变量子阱激光器线宽存在的问题，本发明提供了一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器。
本发明提供的一种低线宽的 F-P 腔应变量子阱激光器，其构成包括：顺次连接的衬底1、缓冲层2、n型下限制层3、下波导层4、下势垒层5、有源层6、上势垒层7、上波导层8、p型上限制层9和欧姆接触层10；衬底层1的材料为GaAs；缓冲层2，厚度为100nm，材料为GaAs，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；n型下限制层3，厚度为1500nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；下波导层4，厚度为100nm，材料为Al0.3Ga0.7As；下势垒层5，厚度为20nm，材料为GaAs；有源层6，厚度为3~5nm，采用In x Ga 1-x As应变材料，x=0.33；上势垒层7，厚度为20nm，材料为GaAs；上波导层8，厚度为100nm，材料为Al0.3Ga0.7As；P型上限制层9，厚度为1500nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；欧姆接触层10，厚度为300nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1019cm-3的Be杂质。
衬底1采用n型GaAs材料，用于在其上进行激光器各个层的外延生长。
缓冲层2采用n型GaAs材料，制作在衬底层1上。该层作用是生长出缺陷少的外延层，减小衬底与其他层之间的应力，以生长出高质量的外延层表面，其中掺入了Si杂质，掺杂浓度为1×1018cm-3。
n型下限制层3采用Al0.7Ga0.3As材料，制作在缓冲层2上，其目的是抑制激光器横模向衬底层1和缓冲层2的传播，减少光能损耗，同时也起到了限制载流子扩散的作用，降低了阈值电流。其中掺入了浓度为1×1018cm-3Si杂质。
下波导层4采用Al0.3Ga0.7As材料，制作在下限制层3上，其作用是限制光的传播，提高激光器的光束质量。
下势垒层5采用GaAs材料，制作在下波导层4上，其作用是为有源层提供势垒，使载流子限制在有源层之中，实现量子化效应。
有源层6使用的是InGaAs材料，制作在下势垒层5上，其作用是为量子阱激光器提供有源区，产生光子，实现光增益。所述的有源层采用In x Ga 1-x As应变材料，x=0.33。
上势垒层7采用GaAs材料，制作在下有源层6上，其作用是为有源层提供势垒，使载流子限制在有源层之中，实现量子化效应。
上波导层8采用Al0.3Ga0.7As材料，制作在上势垒层7上，其作用是限制光的传播，提高激光器的光束质量。
p型上限制层9采用Al0.7Ga0.3As材料，制作在上波导层8上，其目的是抑制激光器横模向衬底层1和缓冲层2的传播，减少光能损耗，同时也起到了限制载流子扩散的作用，降低了阈值电流。其中掺入了浓度为1×1018cm-3Be杂质。
欧姆接触层10采用p型GaAs材料，制作在p型上限制层9上，其目的是实现欧姆接触，提高转换效率和输出功率。其中掺入了浓度为1×1019cm-3Be杂质。
本发明提供的一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，以In x Ga 1-x As材料作为量子阱结构的有源层，以GaAs材料作为势垒层，通过优化设计有源层6厚度以及材料组分，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子相互抵消。参见图6，线宽展宽因子大小约为0，从而使线宽从一般的量子阱激光器的2713GHz降到了3~3.03GHz。有效降低了F-P腔量子阱激光器的光谱宽度，改善了量子阱激光器光束的质量。
本发明提供的一种低线宽的
F-P
腔应变量子阱激光器，其制备方法如下：
采用分子束外延系统为英国VG SEMICON公司的V80H MBE设备。将衬底放入进样室后，进行抽真空，达到10-5Pa后，衬底进入制备室，在制备室内进行样品预处理，预处理加热台加热到480℃左右，以去除气体杂质，减少进入生长室时对真空度的影响，完成上述步骤并且生长室真空度达到10-8Pa，衬底由制备室进入生长室，进行量子阱激光器外延生长，保持GaAs组分的生长速率为1μm/hr，Ⅴ/Ⅲ束流有效比为9，设定温度为600℃，生长100nm 的缓冲层2，并掺入Si杂质的生长；使用同样方法生长20nm的下势垒层5和20nm的上势垒层7；设定AlGaAs材料的生长温度为700℃，Ⅴ/Ⅲ束流有效比为5，生长1500nm的n型下限制层3；使用相同方法生长100nm的下波导层4，100nm的上波导层8，1500nm的P型上限制层9以及300nm的欧姆接触层10；生长n型下限制层3和P型上限制层9时应掺入Si杂质的生长，生长欧姆接触层10时应掺入Be杂质的生长；设定InGaAs生长温度为500℃，生长停顿时间为30秒，生长3~5nm的有源层6。完成上述结构后，通过电子束蒸发100nm 的SiO2介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P-型电极窗口（宽度为200
m），然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P-型欧姆接触电极。N面化学减薄至约100
m厚度后蒸发AuGeNi，形成N-型欧姆接触层。合金温度为420℃，合金气氛为氢气。经过解理形成腔长为1000nm的激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，完成一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器。
本发明提供的一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，可应用于光学测量、固体激光器泵浦、激光光谱学研究以及电子学实验研究等许多领域。
本发明提供的一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，其依据的科学原理如下：
影响半导体激光器线宽展宽因子的主要因素有三个方面，分别是带间跃迁、自由载流子吸收和带隙收缩三者对线宽展宽因子的影响。带间跃迁对线宽展宽因子产生的影响是正值，而后两者对线宽展宽因子的影响的产生是负值。具体的计算方法如下：
向激光器注入电流后，注入到有源区的载流子使激光器发生自发发射，而自发发射会引起载流子浓度变化，它使激射场的位相和强度不连续的变化，在这个过程中折射率实部和虚部发生了变化。
因子就是由于有源区载流子浓度变化引起激光器折射率实部和虚部变化产生的[1,2]。
线宽展宽因子可表示为：
其中Δn ’为折射率实部变化量，Δn ’’为折射率虚部变化量，对上式进行转换：
ΔN为载流子浓度的变化量
又有：Δn ’’ =Δgc/(2ω)
(3)
其中Δg为增益变化量，ω为角频率，c为真空中光速；
根据文献[3]有：Δn ’/ΔI=(n/ λ )Δλ/ΔI，n为折射率，
为波长的变化量， I为电流的变化量。为方便计算,可取如下近似：
Δn ’= n∙Δω / ω
(4)
Δω为角频率变化量, 将 (3) 和 (4) 式带入(2) 式，整理得到因子的近似计算公式：
dg/dN即为各载流子浓度下增益峰值变化拟合曲线的斜率，微分增益直接反映带边载流子浓度增加的快慢，不仅与半导体激光器
因子有关，还与很多其它重要性能有关。dħ ω /dN为各载流子浓度下增益峰值对应光子能量变化拟合曲线的斜率。所以，得到材料增益和对应光子能量随载流子浓度的变化后，通过(5)式我们就可以对
因子进行计算。在计算过程中我们选择各载流子浓度下增益曲线的峰值以及其对应的光子能量进行计算。
折射率虚部的变化是由带间跃迁、自由载流子效应和带隙收缩共同引起的，而后两者引起的变化量很小[2]，所以在计算三因素对折射率虚部影响时，近似使用带间跃迁对虚部的影响，即：
令 1=Δn1’/Δn1’’
2=Δn2’/Δn1’’
3=Δn3’/Δn1’’, 则
；
Δn1’(Δn1’’) 、Δn2’(Δn2’’)、Δn3’(Δn3’’)依次代表带间跃迁、带隙收缩和自由载流子效应引起的折射率实(虚)部的变化，
、
、
依次代表他们对
因子的影响。
带隙跃迁对
因子影响
当得到微分增益dg/dN及dħ ω /dN后，即可计算带间跃迁对
因子的影响：
带隙收缩对
因子影响
载流子浓度的增加会引起带隙变小，这是多体效应。带隙收缩量ΔE g =－1.6×10-8（N+P）1/3（eV）[2]，根据式(5)，本征半导体材料N=P，有：
自由载流子效应对
因子影响
自由载流子等离子体效应对折射率实部的贡献为[2]：
根据式(3)转换得：
式 (10) 和 (11) 分别对载流子浓度进行微分，有
为了计算方便我们对光子能量取近似值：ħ ω≈ E q，所以由式(2)、 (10) 和 (11)可得到自由载流子效应对
因子的贡献为：
根据上面所述的计算方法，我们首先计算了量子阱的增益曲线。
考虑载流子带内弛豫效应的增益公式为[4,5]：
其中ħ=h/2π是约化普朗克常数，q为电子电量，m 0为电子静止质量，ε 0为真空介电常数，ρ r =m r/π L w ħ2 为约化态密度，L w为量子阱阱宽，振子有效质量m r=m x*m c/(
m x +m c)，m x为与跃迁对应的重空穴或轻空穴有效质量。τ为弛豫时间取0.1ps， E q为量子阱结构的带隙。我们采用较为常见的一种带隙计算形式计算E g：E g= 1.424-1.5817x+0.5137x 2(eV)[6]。自旋耦合裂距参照文献[5]，其拟合公式应为Δ=0.34－0.11x+0.15x 2(eV)，E l为连续分布振子的本征能量，f c、f v分别为导带和价带能级被电子占据的概率，
|MT |2为动量矩阵元。
其他参数均采用内插法进行拟合。
表1.计算所用的材料参数
| InAs | GaAs | |
| 带隙E c (eV) | 0.36 | 1.42 |
| 导带有效质量m c (m 0) | 0.023 | 0.067 |
| Luttinger 参数γ 1 | 20 | 6.98 |
| Luttinger 参数γ 2 | 8.5 | 2.06 |
| 折射率n | 3.52 | 3.65 |
| 导带形变势a c (eV) | -5.08 | -7.17 |
| 价带形变势a v (eV) | 1.00 | 1.16 |
| 切向形变势b (eV) | -1.8 | -2.0 |
| 弹性刚度常数C 11 (×106 N/cm 2) | 8.329 | 12.21 |
| 弹性刚度常数C 12 (×106 N/cm 2) | 4.526 | 5.66 |
为简化计算我们只计算对材料有主要影响的导带第一子带E c1和重空穴第一子带E hh1跃迁产生的增益[6,7]。
InGaAs/GaAs量子阱能带简化结构如图3所示[6,8]。ΔE c、ΔE v分别为导带带阶、价带重空穴带阶，带阶比ΔE c:ΔE v=3:2[9]。
有限深势阱中的子能带可从以下公式得到[2,10]
（18）
m b为导带（或价带）势垒的有效质量，m w为导带（或价带）阱材料的有效质量，ΔE为带阶。
我们计算了In组分x=0.33时，增益随量子阱阱宽的变化关系，如图4所示。
对
In
组分的选择
我们利用上述方法分别计算了量子阱的In组分和阱宽对
因子的影响。固定阱宽为8nm，计算In组分取不同值时激光器的
因子，如图5所示。
随着In组分的增加，
1不断增加，而
2和
3不断减小，
因子不断增加。因此，在保证增益的情况下，应尽量选择较低In组分来获得较小的
因子。
对阱宽的选择
固定In组分x=0.33，不同阱宽的激光器
因子大小如图6所示。
由图6可知，随着阱宽的增加，α因子不断的增加。各文献报道的量子阱激光器
因子的大小多数集中在0到3之间[11,12,13,14]，而我们得到的因子也在此范围。
要实现量子阱激光器低线宽因子，这就要求对量子阱外延层进行优化设计，尤其是对量子阱有源层材料进行合理选择，对其厚度进行优化计算，使其能够使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子相互抵消。
线宽的计算
N为载流子浓度，S为光子浓度，σ为自发发射因子，Δτ为载流子寿命。
本发明考虑图4阱宽对增益的影响，图5和图6阱宽和In组分对
因子的影响，阱宽取3~5nm，In组分为0.33。
有益效果：本发明提供的一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，以In x Ga 1-x As材料作为量子阱结构的有源层，以GaAs材料作为势垒层，通过优化设计有源层6厚度以及材料组分，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子相互抵消，实现了低线宽因子，进而降低线宽。有效降低了量子阱激光器的光谱宽度，改善了量子阱激光器光束的质量。本发明低线宽的F-P腔应变量子阱激光器的有源层为In x Ga 1-x As材料，x=0.33，阱宽厚度为3~5nm，中心波长
=980~1036nm，
=-0.0077~0.159，经计算得到线宽3~3.03GHz，线宽较已有的的量子阱激光器线宽（2713GHz）降低了3个数量级。本发明是从激光器外延结构和材料着手进行窄线宽设计的，所以，以上只是针对F-P腔半导体激光器的比对，不与具有光栅结构的分布反馈激光器（DFB）、分布布拉格反馈激光器（DBR）和外腔激光器比较。
附图说明
图1为本发明的低线宽的F-P腔应变量子阱激光器结构示意图。
图2为普通的F-P腔应变量子阱激光器结构示意图。
图3 为InGaAs/GaAs量子阱能带结构示意图。
图4为阱宽和增益的关系图(载流子浓度N=2×1018/cm3)。
图5为
因子随In组分x的变化趋势图(阱宽L w=8nm)。
图6为
因子随阱宽的变化趋势(In组分x=0.33)曲线图。具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，其构成包括：顺次连接的衬底1、缓冲层2、n型下限制层3、下波导层4、下势垒层5、有源层6、上势垒层7、上波导层8、p型上限制层9和欧姆接触层10；衬底层1的材料为GaAs；缓冲层2，厚度为100nm，材料为GaAs，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；n型下限制层3，厚度为1500nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；下波导层4，厚度为100nm，材料为Al0.3Ga0.7As；下势垒层5，厚度为20nm，材料为GaAs；有源层6，厚度为4nm，材料为In x Ga 1-x As， x=0.33；上势垒层7，厚度为20nm，材料为GaAs；上波导层8，厚度为100nm，材料为Al0.3Ga0.7As；P型上限制层9，厚度为1500nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；欧姆接触层10，厚度为300nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1019cm-3的Be杂质。
衬底1采用n型GaAs材料，用于在其上进行激光器各个层的外延生长。
缓冲层2采用n型GaAs材料，制作在衬底层1上。其层作用是生长出缺陷少的外延层，减小衬底与其他层之间的应力，以生长出高质量的外延层表面，其中掺入了Si杂质，掺杂浓度为1×1018cm-3。
n型下限制层3采用Al0.7Ga0.3As材料，制作在缓冲层2上，其目的是抑制激光器横模向衬底层1和缓冲层2的传播，减少光能损耗，同时也起到了限制载流子扩散的作用，降低了阈值电流。其中掺入了浓度为1×1018cm-3Si杂质。
下波导层4采用Al0.3Ga0.7As材料，制作在下限制层3上，其作用是限制光的传播，提高激光器的光束质量。
下势垒层5采用GaAs材料，制作在下波导层4上，其作用是为有源层提供势垒，使载流子限制在有源层之中，实现量子化效应。
有源层6使用的是InGaAs材料，制作在下势垒层5上，其作用是为量子阱激光器提供有源区，产生光子，实现光增益。所述的有源层采用In x Ga 1-x As应变材料，x=0.33。
上势垒层7采用GaAs材料，制作在下有源层6上，其作用是为有源层提供势垒，使载流子限制在有源层之中，实现量子化效应。
上波导层8采用Al0.3Ga0.7As材料，制作在上势垒层7上，其作用是限制光的传播，提高激光器的光束质量。
p型上限制层9采用Al0.7Ga0.3As材料，制作在上波导层8上，其目的是抑制激光器横模向衬底层1和缓冲层2的传播，减少光能损耗，同时也起到了限制载流子扩散的作用，降低了阈值电流。其中掺入了浓度为1×1018cm-3Be杂质。
欧姆接触层10采用p型GaAs材料，制作在p型上限制层9上，其目的是实现欧姆接触，提高转换效率和输出功率。其中掺入了浓度为1×1019cm-3Be杂质。
采用分子束外延系统为英国VG SEMICON公司的V80H MBE设备。将衬底放入进样室后，进行抽真空，达到10-5Pa后，衬底进入制备室，在制备室内进行样品预处理，预处理加热台加热到480℃左右，以去除气体杂质，减少进入生长室时对真空度的影响，完成上述步骤并且生长室真空度达到10-8Pa，衬底由制备室进入生长室，进行量子阱激光器外延生长，保持GaAs组分的生长速率为1μm/hr，Ⅴ/Ⅲ束流有效比为9，设定温度为600℃，生长100nm 的缓冲层2，并掺入Si杂质的生长；使用同样方法生长20nm的下势垒层5和20nm的上势垒层7；设定AlGaAs材料的生长温度为700℃，Ⅴ/Ⅲ束流有效比为5，生长1500nm的n型下限制层3；使用相同方法生长100nm的下波导层4，100nm的上波导层8，1500nm的P型上限制层9以及300nm的欧姆接触层10；生长n型下限制层3和P型上限制层9时应掺入Si杂质的生长，生长欧姆接触层10时应掺入Be杂质的生长；设定InGaAs生长温度为500℃，生长停顿时间为30秒，生长3~5nm的有源层6。完成上述结构后，通过电子束蒸发100nm 的SiO2介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P-型电极窗口（宽度为200um），然后热蒸发Au/Zn/Au，形成P-型欧姆接触电极。N面化学减薄至约100um厚度后蒸发AuGeNi，形成N-型欧姆接触层。合金温度为420℃，合金气氛为氢气。经过解理形成腔长为1000nm的激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，完成一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器。
本发明提供的一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，以In x Ga 1-x As材料作为量子阱结构的有源层，以GaAs材料作为势垒层，通过优化设计有源层6厚度以及材料组分，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子相互抵消。参见图6，线宽展宽因子大小约为0，从而使线宽从一般的量子阱激光器的2713GHz降到了3~3.03GHz。有效降低了F-P腔量子阱激光器的光谱宽度，改善了量子阱激光器光束的质量。
实施例 2 有源层6，厚度为3nm，其余的同实施例1。
实施例 3 有源层6，厚度为5nm，其余的同实施例1。
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O 2009 Journal of Applied Physics 106 063102。
Claims (1)
1. 一种低线宽的F-P腔应变量子阱激光器，其构成包括：顺次连接的衬底（1）、缓冲层（2）、n型下限制层（3）、下波导层（4）、下势垒层（5）、有源层（6）、上势垒层（7）、上波导层（8）、p型上限制层（9）和欧姆接触层（10）；衬底层（1）的材料为GaAs；缓冲层（2），厚度为100nm，材料为GaAs，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；n型下限制层（3），厚度为1500nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；下波导层（4），厚度为100nm，材料为Al0.3Ga0.7As；下势垒层（5），厚度为20nm，材料为GaAs；有源层（6），厚度为3~5nm，采用In x Ga 1-x As应变材料，x=0.33；上势垒层（7），厚度为20nm，材料为GaAs；上波导层（8），厚度为100nm，材料为Al0.3Ga0.7As；P型上限制层（9），厚度为1500nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1018cm-3的Si杂质；欧姆接触层（10），厚度为300nm，材料为Al0.7Ga0.3As，掺入浓度为1×1019cm-3的Be杂质。
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