CN102820616B - 利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上外延生长下分别限制层及量子阱层；步骤2：在量子阱层上制作选择区域外延介质掩膜图形；步骤3：选择区域外延生长上分别限制层，使不同的激光器单元具有不同厚度的上分别限制层；步骤4：去掉介质掩膜图形；步骤5：在上分别限制层上大面积制作光栅；步骤6：在光栅7上生长接触层，完成激光器阵列的制备。本发明在获得不同阵列单元不同发光波长的同时对量子阱材料的发光性能不产生影响。

Description

利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法。
背景技术
多波长激光器是现代波分复用(WDM)光通信系统的核心器件。由于具有结构紧凑，光学和电学连接损耗小，稳定性和可靠性高等优点，单片集成的多波长激光器阵列在WDM系统中具有广泛的应用前景。目前已经开发了多种单片集成多波长激光器阵列的制作方法，包括采用电子束曝光技术、多步全息曝光技术、取样光栅技术、选择区域外延技术等多种。
上述技术中，采用选择区域外延(SAG)技术制作单片集成多波长激光器阵列具有工艺简单的优点，受到越来越多的关注。已公开的利用SAG技术制作单片集成多波长激光器阵列的方案包括以下主要步骤：在衬底上制作SAG掩膜图形、SAG生长激光器有源区材料(包括上下分别限制层以及多量子阱层)、在上分别限制层上制作光栅、生长接触层完成器件材料结构。在上述现有方案中，利用SAG技术改变包括上下分别限制层以及多量子阱层在内的材料层的厚度，使阵列的不同激光器单元的材料具有不同的有效折射率，最终实现不同阵列单元不同的激射波长。这个方案的缺点是材料有效折射率随厚度变化的同时，量子阱的发光波长也随着材料厚度而变化。由于量子阱材料的发光波长对量子阱厚度十分敏感，随着材料厚度的变化，量子阱发光波长的变化速度远大于分布反馈激光器布拉格波长的变化速度，这会导致一些阵列单元的布拉格波长偏离量子阱材料的增益峰值，导致其单模特性恶化。另外由于量子阱材料一般具有较大的应变，厚度的明显增加会导致材料质量明显下降。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，在获得不同阵列单元不同发光波长的同时对量子阱材料的发光性能不产生影响。
为达到上述目的，本发明提供一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上外延生长下分别限制层及量子阱层；
步骤2：在量子阱层上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤3：选择区域外延生长上分别限制层，使不同的激光器单元具有不同厚度的上分别限制层；
步骤4：去掉介质掩膜图形；
步骤5：在上分别限制层上大面积制作光栅；
步骤6：在光栅7上生长接触层，完成激光器阵列的制备。
其中所述介质掩膜图形以阵列单元间距为周期型成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度渐变。
本发明还提供一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤2：选择区域外延生长下分别限制层，使不同的激光器单元具有不同厚度的下分别限制层；
步骤3：去掉介质掩膜图形；
步骤4：在下分别限制层上外延生长量子阱层及上分别限制层；
步骤5：在上分别限制层上大面积制作光栅；
步骤6：在光栅7上生长接触层，完成激光器阵列的制备。
其中所述介质掩膜图形以阵列单元间距为周期型成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度渐变。
上述方案中，利用选择区域外延技术仅改变激光器上分别限制层或下分别限制层的厚度，而其他材料层厚度不变，使阵列的不同激光器单元的材料具有不同的有效折射率，进而使在各阵列单元具有相同周期光栅的条件下不同的阵列单元具有不同的发光波长。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
利用SAG生长仅改变激光器上分别限制层(或下分别限制层)厚度，在使DFB激光器阵列不同单元具有不同发光波长的同时不影响量子阱材料的发光性能，有利于制作高质量多波长激光器阵列。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明进行进一步描述，其中：
图1为本发明第一实施例的利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法流程图；
图2为本发明第二实施例的利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法流程图；
图3为本发明第一实施例的多波长分布反馈激光器阵列的结构剖面图；
图4为本发明第二实施例的多波长分布反馈激光器阵列的结构剖面图；
图5为本发明一种选择区域外延所用的一种掩膜对间距不变、掩膜宽度渐变的介质掩膜图形；
图6为本发明一种选择区域外延所用的一种掩膜宽度不变、掩膜对间距渐变的介质掩膜图形。
具体实施方式
请参阅图1、图3、图5及图6所示，本发明提供一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法(第一实施例)，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上外延生长下分别限制层2及量子阱层3，衬底1是GaAs衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底，或其他III-V、II-VI族材料衬底；
步骤2：在量子阱层3上制作选择区域外延介质掩模图形4(图5)或5(图6)。掩膜图形4或5中介质掩膜对的周期与阵列单元的周期(图3)相同，均为S。掩膜图形4(图5)中掩膜对的间距不变，掩膜宽度逐渐增加，即掩膜M1、M2、M3至MN的宽度满足W1＜W2＜W3＜…＜WN。掩膜图形5(图6)中掩膜宽度不变而掩膜对间距逐渐减小，即掩膜M1、M2、M3至MN的间距满足O1＞O2＞O3＞…＞ON。介质掩膜材料为SiO2或Si3N4；
步骤3：选择区域外延生长上分别限制层6，使不同的激光器单元具有不同厚度的上分别限制层6；
步骤4：去掉介质掩膜图形4或5；
步骤5：在上分别限制层6上大面积制作光栅7；
步骤6：在光栅7上生长接触层8。
请再参阅图2、图4、图5及图6所示，本发明还提供一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法(第二实施例)，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1之上制作选择区域外延介质掩膜图形4(图5)或5(图6)。衬底1是GaAs衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底，或其他III-V、II-VI族材料衬底。掩膜图形4或5中介质掩膜对的周期与阵列单元的周期(图4)相同，均为S。掩膜图形4(图5)中掩膜对的间距不变，掩膜宽度逐渐增加，即掩膜M1、M2、M3至MN的宽度满足W1＜W2＜W3＜…＜WN。掩膜图形5(图6)中掩膜宽度不变而掩膜对间距逐渐减小，即掩膜M1、M2、M3至MN的间距满足O1＞O2＞O3＞…＞ON。介质掩膜材料为SiO2或Si3N4；
步骤2：选择区域外延生长下分别限制层2，使不同的激光器单元具有不同厚度的下分别限制层2；
步骤3：去掉介质掩膜图形4或5；
步骤4：在下分别限制层2上外延生长量子阱层3及上分别限制层6；
步骤5：在上分别限制层6之上大面积制作光栅7；
步骤6：在光栅7之上生长接触层8。
在SAG生长中，反应物在介质掩模对之间的部分容易形核，而在介质掩模上面不能形核。除了在半导体表面上存在控制材料生长的反应物垂直浓度梯度外，还存在着从掩模对上方排斥过来的侧向浓度梯度。这样就使得掩模对之间的选择生长区域的材料厚度增加，同时材料厚度增加的量随着掩模对宽度的增加而增加，随着掩膜间距的减小也增加。这使得在使用如图5或图6所示的介质掩膜进行SAG生长时，图3中阵列单元激光器由C1、C2、C3至CN上分别限制层6的厚度逐渐增加，图4中阵列单元激光器由由C1、C2、C3至CN下分别限制层2的厚度逐渐增加，即t1＜t2＜t3＜…＜tN，这使得阵列中单元激光器材料的有效折射率(neff)有如下关系neff1＜neff2＜neff3＜…＜neffN。由：
λ＝2neffΛ，
其中，λ为分布反馈激光器的发光波长，Λ为光栅的周期，可知，阵列激光器单元上或下分别限制层厚度的逐渐变化使得不同的阵列单元具有不同的发光波长，即λ1＜λ2＜λ3＜…＜λN，从而得到多波长激光器阵列。由于SAG生长在量子阱层生长之后进行，所以仅有上分别限制层的厚度发生变化，避免了SAG生长对包括多量子阱在内的其他材料层质量的影响。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上外延生长下分别限制层及量子阱层；
步骤2：在量子阱层上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤3：选择区域外延生长上分别限制层，使不同的激光器单元具有不同厚度的上分别限制层；
步骤4：去掉介质掩膜图形；
步骤5：在上分别限制层上大面积制作光栅；
步骤6：在光栅上生长接触层，完成激光器阵列的制备。
2.根据权利要求1所述的利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，其中所述介质掩膜图形以阵列单元间距为周期型成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度渐变。
3.一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤2：选择区域外延生长下分别限制层，使不同的激光器单元具有不同厚度的下分别限制层；
步骤3：去掉介质掩膜图形；
步骤4：在下分别限制层上外延生长量子阱层及上分别限制层；
步骤5：在上分别限制层上大面积制作光栅；
步骤6：在光栅上生长接触层，完成激光器阵列的制备。
4.根据权利要求3所述的利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，其中所述介质掩膜图形以阵列单元间距为周期型成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度渐变。
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