CN104254951B - 适用于调制激光器系统的可变频带间隙调制器 - Google Patents

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Abstract

一种调制激光器系统通常包括发光区域，配备多个半导电层的调制区域，和分隔发光区域和调制区域的隔离区域，其中至少有一个半导电层包含具有可变能带间隙的量子井层。所述激光器可以是电吸收调制激光器，所述发光区域可包含分布反馈激光器，而所述调制区域可包含电吸收调制器。所述激光器的制造步骤包括：在基板上塑造下半导电缓冲层，在下半导电缓冲层上塑造活性层（包含带能带间隙的可变一个或多个量子井层），在活性层上塑造上半导电缓冲层，在上半导电缓冲层塑造接触层，和塑造隔离发光区域和调制区域的隔离区域。

Description

适用于调制激光器系统的可变频带间隙调制器
技术领域
本发明涉及电吸收调制激光器(EML)领域。更具体地说，本发明的实施例适用于对温度增长补偿的EML中可变频带间隙电吸收调制器(EAM)，且尤其适用于在大功率激光器应用。
技术背景
常规的EML包含分布反馈激光器(DFB)区域，隔离区域和EAM区域。EML是整体式装配的，以便EML的各区域可通过一系列的外延生长程序在单基板上成形。EML装置的层包含活性区域层。这样的层包括量子井层，且更普遍的是，包括交替阻挡曾分隔开的多重量子井层。DFB区域中的量子井层频带间隙就是这样的，当将偏置电压施加到DFB上时活性区域层就发出光子。量子井层频带间隙也是经过选择的，以便量子井层吸收光子，其中所述光子是当将第一偏置电压施加到EAM区域时由EML的DFB区域发出的，且量子井层还允许光子在第二偏置电压施加到EAM区域时穿过。隔离区域将DFB和EAM区域分开，以便DFB和EAM区域相互电绝缘。
图1举例说明了包含发光区域110，隔离区域120和调制器区域130的常规调制激光器100。制造调制激光器100可包括在基板140上塑造下半导电缓冲层150，在下半导电缓冲层150上塑造活性区域层160，在活性区域层160上塑造上半导电缓冲层170，在上半导电缓冲层170上或上方塑造接触层180a-b，和在活性区域层160上或上方塑造隔离层190，而隔离区域120中的上半导电缓冲层170可将发光区域110和调制区域130分隔。
在大功率EML应用中，EAM区域中光子的吸收会产生可观数量的能量。与EAM活性区域对隔离区域相对的部分相比较，较大数量的此种能量则是在EAM活性区域对隔离区域相邻的部分中损耗掉的（即，光发射区域发出的光子首先入射）。在EAM区域近端部分中此类较大功率损耗导致温度上升，造成所述部分中量子井频带间隙能量变化，和EML“稳定状态”操作期间变化频带间隙能量的子区域生成。因此，当在整个EAM活性区域施加恒定电压时，EAM区域的较近端以不一致的速率吸收光子。
本“背景技术”部分仅用于提供背景信息。“背景技术”的陈述并不意味着本“背景技术”部分的内容构成本发明的现有技术公开，并且本“背景技术”的任何部分，包括”本背景技术”本身，都不构成本发明的现有技术公开。
发明内容
本发明的实施例涉及适用于温度补偿的可变频带间隙调制器和其制造方法。本发明尤其适用于大功率EML应用。本发明实施例所述的半导体激光器通常包含光发射区域，包含多个半导体层（至少一层包含具有可变能带间隙的一个或多个量子井层）的调制区域，和隔离区域，用于将发光区域和调制区域隔离。
根据本发明的实施例，制造具有发光区域和调制区域的半导体激光器通常包含在基板上塑造下半导电缓冲层，在下半导电缓冲层上塑造活性区域层，其中活性区域层包含具有可变能带间隙的一个或多个量子井层，在活性区域层上或上方塑造上半导电缓冲层，在上半导电缓冲层上或上方塑造接触层，和在活性区域层和上半导电缓冲层的接口区域处或内部塑造隔离层，所述隔离区域用于将发光区域和调制区域分隔。
根据本发明的实施例，制造具有发光区域和调制区域的半导体激光器的另一方法通常包含在基板上塑造下接触层，在下接触层上塑造包括活性区域层的多个半导电层或在基板上塑造包括活性区域层的多个半导电层来构成发光区域，蚀刻部分的活性区域层和选择性地蚀刻下接触层，塑造额外的层（包括具有可变能带间隙的调制活性区域层）来构成调制区域，在活性层上或上方塑造上接触层，和在发光区域和调制区域间的接头处蚀刻部分的上接触层和活性区域层来构成隔离区域。
本发明有益地提供了一种在部分EAM较高温度运行时（比如，在稳定状态）具有恒定频带间隙能量的EAM量子井层。同样地，本发明提供了一种装置和方法用于处理其他此类装置中出现的问题（EAM内温度曲线变化并导致不一致或意料之外的操作特性）。
本发明的优越性将通过对下面不同实施例的详细描述来展现。
附图说明
图1所示为常规EML。
图2为本发明EML的典型实施例。
图3为本发明EAM活性区域层的典型实施例。
图4A-4C为本发明单量子井层的典型实施例。
图5A-5C分别为典型EML高亮发光，隔离，和EAM区域的扫描电子显微镜（SEM）图像。
图6A-6C为典型EML的热影像，包括不同环境温度，激光器电流和EAM电压条件下部分EAM区域的温度读数，其中所述部分EAM区域靠近隔离区域。
图7所示为两幅图，主图表为在根据本发明制造的典型EML的两个不同操作点，EAM表面温度与EAM耗散功率的对照，而嵌入式图表为从隔离区域进入EAM条件下EAM表面温度与距离的关系。
图8A-8E为制造本发明EML的典型方法的原理图。
图9A-9C举例说明了本发明另一制造EML方法的典型步骤。
图10为剖视图，举例说明了EML调制器区域中活性区域层的可变量子井厚度，所述可变量子井厚度是利用本发明的制造方法成形的。
图11A-11B为用于成形本发明EAM活性区域层的典型掩模，其中DFB和EAM量子井是同时间生成的。
图12A-12B为用于成形本发明EAM活性区域层的其它典型掩模，其中EAM量子井在DFB量子井生成后再生成。
具体实施例
本发明的各种实施例都会有详细的参照。参照的例证会在附图中得到阐释。本发明会用随后的实施例说明，但本发明不仅限于这些实施例的说明。相反的，本发明还意欲涵盖，可能包括在由附加权利要求规定的本发明的主旨和值域内的备选方案，修订条款和等同个例。而且，在下文对本发明的详细说明中，指定了很多特殊细节，以便对本发明的透彻理解。但是，对于一个所属技术领域的专业人员来说，本发明没有这些特殊细节也可以实现的事实是显而易见的。在其他实例中，都没有详尽说明公认的方法，程序，部件和电路，以避免本公开的各方面变得含糊不清。
为了方便起见，虽然术语“激光器”，“EML”，“光源”和“激光二极管”通常是可交换的并且可以交替使用，且使用这些术语中任何一个也就涵盖了其他，但赋予他们的含义通常仍然是在此类技术上公认的。同样，为了简便，术语“光吸收”，“调制器”，“调制区域”和“电吸收调制器”可以交替使用，相互包涵，除非文中另有清楚的交代。此外，术语“厚度”和“高度”在文中都可互换，但两者在本申请文件总都是指有关水平表面的垂直测量。术语“可变能带间隙”，“可变频带间隙能量”或“可变频带间隙”通常也是可互换的，但指的是结构的特质或特点，而不是特定物质或材料。
本发明涉及可变频带间隙调制器，用于补偿贯穿调制区域的温度差别导致的性能差异。本发明尤其适用于对大功率EML应用的温度补偿。下面是在半导体激光器调制区域中实现或提供可变频带间隙能量的典型实施例，我们将结合典型的实施例对本发明进行详细说明。
典型的调制激光器
一方面，本发明涉及半导体激光器，包含光发射区域，包括多个半导电层（至少一个半导电层包含一个或多个具有可变能带间隙的量子井层）的调制区域，和用于分隔发光区域和调制区域的隔离区域。在各实施例中，半导体激光器可包含EML，发光区域可包含DFB，而调制区域可包含EAM。
图2举例说明了体现本发明的调制激光器200。调制激光器200包含发光区域210，和隔离区域220和调制区域230。调制激光器200包含基板240，下半导电缓冲层250，在发光区域210中具有固定频带间隙能量和在调制区域230中具有可变频带间隙能量的活性区域层260，上半导电缓冲层270，接触层280a-b和隔离层290。更具体地说，调制区域230内的活性区域层260包含具有可变频带间隙能量的量子井层261a-d。可变频带间隙能量可在量子井层261a-d中通过改变贯穿调制区域230的量子井层261a-d厚度来实现。在图2的实施例中，厚度在与隔离区域220的接口262时最小，然后逐渐变大贯穿调制区域230。
在本发明中，调制区域230中具有可变频带间隙能量的活性区域层260尤其适用于大功率半导体激光器应用。在隔离区域220和调制区域230间的接口262处，活性区域层260接近接口262的部分受较大光吸收量的影响，并因此产生较高的功率损耗，导致量子井层261a-d区域内温度较大幅度升高和/或频带间隙能量发上较大变化。当量子井层261a-d具有可变频带间隙能量时，在激光器稳定运行期间，即便有温度不一致的情况出现，可变频带间隙能量仍然可使恒定频带间隙规范化并实现频带能量恒定。
通常，调制区域230具有一个接近隔离区域的第一边界262和一个与隔离区域相对的第二边界263。如图2所示，第一边界262为调制区域230接近隔离区域220的一边。第二边界263代表调制区域230对第一边界262相反的一边。量子井层261a-d的可变能带间隙具有沿第一边界262到第二边界263的方向的梯度。频带间隙梯度在所述方向上可以是负的或递减的。或者，量子井层261a-d中频带能量可以是从第一边界262到第二边界263递减的。
换言之，量子井层261a-d具有能带间隙，所述能带间隙在从接近隔离区域220的一个边界或接口262到与隔离区域220相对的另一边界或接口263的横向尺寸内变化。接近隔离区域220的区域中频带间隙能量将大于与隔离区域220相对区域中频带间隙能量。优选地，在任意预定区域中频带间隙的增大都会等于或约等于频带间隙变形量，其中由于半导体激光器200的功率损坏，因此相同区域都会经历频带间隙变形。量子井层261a-d区域中的功率损耗与所在区域的工作温度有直接的关系。因此，优选地，当半导体激光器稳定运转时，量子井层261a-d受影响区域中频带间隙增长会等于或约等于较高工作温度导致的受影响区域中任何预期的频带间隙缩减。因此，优选地，室温条件下的频带间隙增长（或当半导体激光器200关闭时）抵消了半导体激光器200稳定工作期间频带间隙中某些或所有预期的缩减。在某些实施例中，量子井261a-d的可变能量间隙与沿第一边界262到第二边界263方向上的距离成反比。而在其它实施例中，量子井261a-d的可变能量间隙和与沿第一边界262到第二边界263方向上的距离相应功率损耗量成正比。
量子井层261a-d的可变能带间隙可通过改变量子井层261a-d的厚度来实现。可变厚度可以是沿第一边界262到第二边界263方向上的厚度梯度。优选地，梯度为正，这样，厚度沿所述方向增大。
图3举例说明了半导体激光器内的活性区域300。活性区域层310代表图2中调制区域330内某些或全部活性区域层260，其中调制区域330可以是与图2的调制区域230相同或相异的。活性区域层310包含n个量子井层320a-n，其中n为等于或大于6的整数。多重量子井层的使用强化了调制区域330内的光子吸收效应。图3仅举例说明了一个可能的实施例，其中量子井层的数量至少为6（6层用于说明性的目的），但量子井层的数量也可以是任何等于或大于1的整数值。根据第一典型实施例，各量子井层320a-n都可具有图3所示的厚度剖面，其中所述厚度泡面沿第一边界340到第二边界350的横向距离变化，其中厚度沿第一边界340到第二边界350的直线方向增大，从而实现变化频带间隙能量。或者，一个或多个量子井层320a-n具有与图3所示类似的厚度剖面，且一个或多个量子层（未显示）具有较为恒定的厚度剖面。
图4A-4C举例说明了单量子井层QW1 410，与图3所示量子井层QW1 320a相同。量子井层QW1 410在第一端440的厚度为X，而在与第一端440相对的第二端450时厚度为Y。如图4A-4C所示，虽然X的值小于Y，但值的差异不一定是按比例的。X和Y的值都可在1nm到100nm间变化（或任何文中所述范围内的值），且X的值可以是Y值的10%-95%（或任何文中所述范围内的百分数）。在第一端440，量子井层的工作温度大于第二端上的工作温度。应注意，图3和4A-4C没有举例说明量子井层320a-n厚度有变化的特有实施例。除开图4A所示的线性变化，厚度的变化可以是非线性的，比如图4B所示的阶梯函数，或图4C所示的单级，其中厚度在高吸收区域460中较小，而在调制区域330的大部分区域或剩余部分中较高（如图3所示）。
如图4A-4C所示，第一端440的稳定状态工作温度为最高，因为来自光发射区域210的光子首先进入第一端440所在区域。第一端440处升高的温度还与半导体激光器的工作电压有关。工作电压越高，观察到的稳定状态工作温度增长或差异（delta T）越高。
图5A-5C的扫描式电子显微图片为目前半导体激光器的光发射器件500，隔离区域510和调制区域520。图5A描述了光发射器件500的发光区域502，适用于光发射器件500的第一接头504，隔离接口506，和隔离区域510的各个区域，包括无屏蔽区域514，受屏蔽区域512和底面518。偏置电流通过接头504施加到发光器件500，随后光从区域502发出并向隔离区域510传播。因此，在各个实施例中，光发射器件500可包含DFB激光器，边射型激光器，量子级联激光器，光纤激光器，它们的组合，等。
图5B为隔离区域510和调制区域520中的部分高吸收区域522。调制区域520包含了未屏蔽区域514，受屏蔽区域512a-b，底面518，调制区域520的前部和隔离接口506。受屏蔽区域512a-b和未屏蔽区域514允许发光区域502生成的光几乎全部穿过调制区域520，并将发光区域502和调制区域520相互电隔离。
图5C为调制区域520，包括前高吸收区域522，主体区域524，第二接头530，和用于调制区域的焊线。也在图中还展示了隔离区域510和底面518的受屏蔽区域512a-b和未受屏蔽区域514部分。为了确定调制区域520不同区块中的光吸收效果，就必须分别将温度在发光区域502，隔离区域510，高吸收区域522，和调制区域520的主体区域524取平均值。接头530有助于高吸收区域522和主体区域524中平均温度的测算。
比如，当-2V的偏置电压施加到整个调制区域520时且100mA的偏置电流施加到发光区域502上时，Delta T（高吸收区域522的平均温度与热电冷却器[TEC]温度设置之间的差异）为12°C。或者，当-3V的偏置电压施加到整个调制区域520时且150mA的偏置电流施加到发光区域502上时，Delta T为53°C。因此，在较大功率半导体激光器应用中，为了获得贯穿活性层区域310的统一调制（图3），对调制区域520的高吸收区522中升高的稳定状态工作温度进行补偿就变得更加重要。下面表1概括了高吸收区域522的Delta T和高吸收区域522中功率损耗（“功率”）的相互关系。
表1
表1为不同的DFB偏置电流（“DFB bias”），EAM偏置电压（“EAM bias”）和TEC温度设置(“TEC temp”)列出了EAM Delta T。从高吸收区域522（比如，接头530下调制区域520的前20μm；“20μm测到的平均表面”）平均表面温度和TEC温度设置(“EAM ΔT”) 的差异可看出，高吸收区域522经受的工作温度要明显大于TEC温度设置。半导体材料的频带间隙能量随温度升高而趋于减弱。此现象可通过公式: Eg(T) = Eg(0) – [αT2]/[T + β]来描述，其中Eg(0), α和β为半导体材料常数。因此，当高吸收区域522工作温度较高时，相对于TEC温度设置上的预期频带间隙，它的频带间隙也会减小。
图6A-6C的热影像描述了功率损耗对温度Delta的影响，或功率损耗使温度升高，且这些现象都可在调制区域520的高吸收区522观察到。图6A-6C所示为图5A-5C的EML器件（图6A-6D中标记600），包括光发射器件502/504，隔离区域510和调制区域522/524。图6A所示为当EML600工作且TEC调到40°C，发光器件500偏置电流调到100mA并调制区域偏置电压调到-2V时的EML600图像。按照这些设置，高吸收区域522的平均温度为52° C，而高吸收区域522和TEC温度设置间的温度Delta为12°C。
图6B也是EML器件600，但不同的是，工作时TEC调到85°C，发光器件500偏置电流调到100mA，且调制区域偏置电压调到0V。这样，高吸收区域522平均温度为90°C，而高吸收区域522和TEC温度设置间的温度Delta仅为5°C，说明调制器电压为0V时，功率损耗很小或没有功率损耗。
图6C也为相同的EML器件600，但不同的是，工作时TEC调到25°C，发光器件500偏置电流调到150mA，且调制区域偏置电压调到-3V。这样，高吸收区域522平均温度为92°C，而高吸收区域522和TEC温度设置间的温度Delta为67°C。
图7中图表还概括了高吸收区域522（即，接近发光器件500的调制区域520的头20μm）和TEC温度设置，和调制区域520耗散功率量之间温度Delta间的关系。随着耗散功率增大，调制区域520的高吸收区域522中的温度Delta也在升高。主图表700提供了两条趋势线710和720。顶部线720用于TEC较高的温度设置范围（即，65-85°C），而底部线710则用于TEC较高的温度设置范围（即，25-44°C）。线710和720的对比结果显示温度Delta随TEC温度设置升高而升高。这个取决于通过EAM实现的较高光吸收，由于较高温度下频带间隙更接近产生激光的条件。
内置图表750所示为调制器的表面温度。它是根据距调制区域520与隔离区域510相对一端的距离，绘制的沿调制区域520的温度图。 利用此数据，取贯穿调制区域520前20μm的温度的平均值并与TEC温度设置相比较。较高工作温度导致的调制器区域520高吸收区域520中的较低频带间隙能量可对调制器和/或激光器性能产生不利影响。80°C的Delta T表示约28 nm的频带间隙变化，从EML520的前部到后部，目的是保持整个调制区域内量子井动态一致。此外，在调制区域520的前部降低量子井的吸收可使如图7图表750中的温度曲线展开得更平顺。
如图3所示，且根据上述温度与功率损耗的关系，量子井层320a-n具有这样的可变厚度：在装置稳定工作时，相对于距量子井层320a-n和隔离区域220（图2）间接口的距离，大致与温度梯度和/或耗散功率成反比，这样量子井层320a-n的厚度从第一边界340到第二边界350增长，但不会超过激光器/发光区域（比如，图2的区域210）中量子井层的厚度。因此，量子井层320a-n区域受较高温度支配，并因此使它们的频带间隙能量有较大幅度的降低，厚度可能变小，从而导致初始频带间隙能量必须较高，以便对较高工作温度下所预期的频带间隙能量降低做出补偿。
在另外的实施例中，量子井层320a-n可具有可变掺杂剖面或掺杂梯度，实现可变能带间隙。可变掺杂剖面可由沿从第一边界340到第二边界350方向上的掺杂浓度或剂量梯度。根据距隔离区域220（图2）和量子井层320a-n间接口的距离，可变掺杂剖面还可与温度梯度和/或耗散功率互相关联。因此，经历了较高温度并因此频带间隙能量有较大幅度较低的量子井层320a-n区域可具有调整过的掺杂剖面，并因此具有较高的初始频带间隙能量，以便对较高工作温度下所经历的频带间隙能量降低做出补偿。
改变掺杂剖面可包含利用诸如锌或其他p型杂质扩散之类的方法，使PIN连接的消耗区域或固有区域穿过量子井层320a-n。在此类量子井层320a-n中，不会有光电流生成且功率损耗可以避免。但是，已进入基本的P型掺杂区域（比如，图2中的P型掺杂半导体区域250）的任意量子井层（比如，320a）会有附加损耗。
或者，假如PIN本征区域（本征区域）制造得更厚，那么对于相同的外加电压，贯穿量子井320a-n的电场就减弱了，而这个转而减小了EAM区域（比如，图2中区域230）单位长度的吸收度，从而单位长度的电流，转而减小了单位长度的功耗。如以上的图4A-4C所示，厚的本征区域最容易采用多重再生长阶梯式制造。
典型方法
本发明还涉及制造具有发光区域和调制区域的半导体激光的方法，包括在基板上塑造下半导电缓冲层，在下半导电缓冲层上塑造活性区域层，在活性区域层上塑造上半导电缓冲层，在上半导电缓冲层上塑造接头层，和在至少部分活性区域层和上半导电缓冲层中塑造隔离层。活性层包含具有可变能带间隙的一个或多个量子井层，而隔离区域则将发光区域和调制区域分开。隔离区域通常在发光区域和调制区域间的接口处成形。
图8A-8E举例说明了在调制器区域中用可变能带间隙量子井层塑造半导体激光器件的典型方法。图8A中，下半导电缓冲层820在基板810上成形。通常，基板810包含不导电或半导电材料。比如，基板810可为半导体激光器和调制器提供物理支撑，并具有警惕定位的表面，实现半导电和/或活性层在随后的生长。比如，基板810可包含半绝缘或不导电的II-VI或III-V族化合物（比如，CdSe, ZnS, ZnO, InP, GaAs,等）或IV族元素或合金(比如，Si,Ge, SiGe, 等.)。 或者，基板810可包含绝缘基板，比如SiO2, Al2O3, SiC，石英，石榴石，等。基板810可以是片状，条状或晶片状的单晶体，局部晶体或非晶体材料，或包含局部晶体或非晶体绝缘或半绝缘材料上的多晶薄膜。基板810的厚度可在5μm到500μm左右（比如，100μm）变化，或为文中所述范围内的值。
下半导电缓冲层820可包含半导体化合物或基本由半导体化合物组成（比如，不导电或半绝缘II-VI或III-V族材料，比如CdSe, ZnS, ZnO, InP, GaAs,它们的组合，等），且在未知沉积条件下通过外延生长和/或化学气相沉淀（比如，金属有机气相沉积）从已知前体成形而来。在沉积下半导电缓冲层820之前，可根据已知技术清洁基板810。基板810和下半导体缓冲层820都包含足够剂量的n型和/或p型掺杂剂来为其提供可靠和/或可再生的半绝缘或固有特性。在某些实施例中，下半导电缓冲层820具有晶体结构，且基板810与基板810的上表面相匹配。下半导电缓冲层820厚度可在100nm到10000nm左右变化，或为文中所述范围的值。在某个实施例中，下半导电缓冲层820可用p型掺杂剂进行掺杂（比如，用P,As, Sb, Zn, Cd, Be, Mg, Ca，等）。
图8B中，活性区域层830成形于下半导电缓冲层830上，其中活性区域层830包含具有可变频带间隙能量的一个或多个量子井（比如，如图2-4所示）。塑造活性区域层830可包含通过掩膜或掩膜上的选择性区域生长（SAG）和/或选择性区域外延生长(SAE)（参见图11A-12B及下文的论述）。SAG和/或SAE可包含生长或沉淀第一和第二差异材料的交错层（比如，InP和InGaAs）。第一和第二半导电材料的交错层还可通过金属有机气相外延(MOVPE)，金属有机气相沉积(MOCVD)，或分子束外延(MOMBE)沉积而成。此外，SAG和/或SAE还包括当在下半导电缓冲层820上塑造量子井层时（或以量子井层为基础；参见下面的图9-11B）塑造具有一个或多个可变宽度部分的掩膜。
各量子井层都可包含不同材料的交错层。通常，各量子井层都包含上下层或基本由上下层组成，各层包括第一半导体材料，和包含不同第二半导体材料的内层。优选地，第一半导体材料具有比第二半导体材料更大的频带间隙能量。在不同的实施例中，第一和第二半导体材料都是复合的III-V或II-VI族半导体材料（比如，AlInAs, InGaAs, InGaN,InGaAlAs, InGaAsP, InGaP, InAsP, InGaAsP,等）。比如，第二材料为Inx1Ga1-x1Asy1P1-y1时，且第一材料为Inx2Ga1-x2Asy2P1-y2时，其中x1不等于x2，且y1不等于y2。因此，单量子井层通常包括具有不同频带间隙能量的第二和第一半导体材料的交错层，从而在预定偏置电压施加到调制器时实现预期的光子吸收。但是，在优选的实施例中，活性区域层830包含多重量子井层（比如，从2到100个量子井层，或文中所述范围内的值，比如30）。内半导体层的厚度可在10到1000埃间变化，同时上下半导体层的厚度则在20到2000埃间变化。通常，上下半导体层的厚度会大于内半导体层的厚度。
图10为活性区域层830的横剖视图（参见，图8）。活性区域层830的厚度，或高度在调制区域1030内变化。隔离区域1020中间的第一边界1040（图10）处的活性区域层830厚度为X，而接近隔离区域1020的第一边界或接口1040处的活性区域层830（图8）厚度为Y1，与第一边界1040相对的第二边界1050（图10）处的活性区域层厚度则为Y2。如图10所示，X的值大于Y1和Y2的值，而Y2的值大于Y1的值。调制区域1030中活性层区域830的厚度在第一边界1040到第二边界1050的方向上递增。由于频带间隙能量与活性区域层830中量子井层厚度有关（图8），因此在第一边界1040处的频带间隙能量大于在第二边界1050处的频带间隙能量。尽管图10将厚度的增长（和因此产生的频带间隙能量减小）显示为在第一边界1040到第二边界1050内呈连续和/或线性状态，但厚度的增长或频带间隙能量的减小在第一边界1040到第二边界1050内仍可以是不连续的，导致在一个或多个步骤中Y1到Y2厚度增长。
沉积活性区域层830中使用的掩膜宽度（图8B；比如，通过SAG或SAE）对掩膜中曝露区域量子井层的厚度有影响。具有被变化（比如，锥形的）表面区域包围开口的掩膜（或系列掩膜）使进入较大宽度或面积区域开口的掩膜的沉积材料具有更强漫射性。因此，为了使正在塑造的量子井层获得预期的厚度，沉积期间用到的掩膜各部分的宽度和相应表面积都可调。
图11A为一个此类掩膜1100a-b，包含调制区域1030中的第一片1110和第二片1120。第一和第二片1110和1120的宽度，沿接近隔离区域1020的第一边界1040到远离隔离区域1020的第二边界区域1050方向递增。此外，沿同一方向，第一片1110的宽度可约等于第二片1120的宽度。或者，第一片1110和第二片1120宽度可以是不同的或独立变化的。
在另一实施例中，改变半导电层厚度的方法包括改变掩膜片间开口的宽度。开口宽度越大，散入开口中的材料就越少，反之亦然（即，开口宽度越小，在区域中散入开口的材料就越多），实现更大的厚度。或者，如果掩膜和活性区域的尺寸选取得合适，具有从第一边界到第二边界渐宽开口的掩膜就只允许较少离子注入活性区域。随后的注入离子的散播，开口较窄区域中注入离子的剂量在单位面积上大大小于开口较宽区域中注入离子的剂量，从而减小开口较窄区域中量子井层的频带间隙。
如图11B所示，开口1160的宽度沿调制区域1030和隔离区间接口处第一边界1040到第二边界1050方向递减。第一片1152和第二片1154将具有可变宽度的活性区域1160露出，其中所述可变宽度可大致在同一方向与第一1152和/或第二片1154成反比。第一1152和第二片1154间的开口宽度在调制区域1030中变化。因此，接近隔离区域1020的接口1040的开口第一宽度W1就大于第二边界1050处开口1160的第二宽度W2。而且，宽度W2大于掩膜1150a和1150b间第三宽度W3。所以，虽然开口1160的宽度从第一边界1040处的宽度W1减至第二边界1050处的宽度W2，但不会减至等于或小于掩膜1150a和1150b间第三宽度W3。再者，沿调制区域改变宽度的方法只是一种可能性而已。改变宽度以便变化不同于线性的，比如通过一个或多个步骤。
在图11A和11B中，调制区域内的掩膜1100的1110/1120部分和掩膜1150的1152/1154部分都具有可变宽度。图11A和11B只是掩膜1100或1150宽度如何变化的两个例子，也可以采用其他改变掩膜1100或1150宽度的途径和/或方法（可能涉及非线性变化掩膜）。在11A和11B中，虽然1110/1120部分和1152/1154部分的宽度分别以恒定或线性模式变化，但如图4A-4C所示，如果需要非线性剖面，那么掩膜1100和1150的宽度也会相应改变。
塑造活性区域层830（图8B）因此还包含在调制区域1030中用具有第一片（比如，1110或1152）和第二片的掩膜遮蔽半导电缓冲层820（FIG. 8B），和在第一和第二片间开口（比如，1130或1160）中调制区域1030中塑造活性区域层830(FIG. 8A)。
参考图8C，上半导电缓冲层840在活性区域层830上成形。上半导电缓冲层840可通过大面积沉积III-V型半导体（比如，InP, GaAs,等），II-VI型半导体（比如，CdSe, ZnS，等），族IV半导体（比如，硅和/或锗），随后将一种或多种掺杂剂植入半导体或使掺杂剂从固态或汽态掺杂剂源扩散进入半导体材料，来塑造。滞后，掺杂剂通常利用熔炉或激光热处理来激活。在某个实施例中，上半导电缓冲层840包含III-V类半导体材料(比如，InP)。上半导电缓冲层840厚度大致在20nm到10,000nm间变化，或为任何文中所述范围内的值。在某个实施例中，上半导电缓冲层840可用N型掺杂剂掺杂（比如，用B, Al, Be, Mg, Ca, Si,等）。
参考图8D，接触层850成形于上半导电缓冲层840之上。如果接触层850成形为连续层，那们接触层850可图案化（比如，通过光刻法或激光蚀刻）来塑造第一和第二上接头852和854（见图8E）。或者，第一和第二接头852和854直接通过印刷成形，从而避免了额外的光刻和蚀刻步骤。参考图8D，接触层850可包含导电材料，比如金属（比如，Al, Cu, Ag, Au,等），两种或多种金属的合金（比如，Au/Cr, Au/Pt/Ti, or Au/Ge），半导体（比如，文中所述的II-VI, III-V类或族IV半导体，可用N型[比如，P, Sb, As, 等]或P型掺杂剂[比如， 硼]掺杂），和/或半导电金属化合物（比如，TiN, TiSix, WSix, TiSixNy, WSixNy, 铟锡氧化物[ITO]，等）。接触层850可通过大面积沉积（比如，通过化学气相沉积，溅射，蒸发，或金属有机气相沉积）来塑造且厚度大致在100nm到5000nm内变化，或为任何文中所述范围内的值。
图9A-9C举例说明了一种在调制区域1030内塑造活性区域层的替代方法。参考图9A，且从图8A开始，活性区域层930和上半导电层940通过文中所述适用于活性区域（比如，包含量子井）层和上/下半导电缓冲层的方法统一地在下半导电层820上连续生长。掩膜910可随后在发光区域1010中部分上半导电缓冲层940上成形。然后，蚀刻停止层（未显示，但通常位于下半导电缓冲层820之上）上的层930和940的露出部分通过蚀刻（比如，湿蚀刻或干[比如，等离子]）移除。
在图9B中，由于掩膜910仍然位于发光区域1010之上，因此调制区域1030的层一般利用外延生长和/或沉积依次成形。调制区域1030的层包括第二活性区域层935和第二上半导电缓冲层945。
如文中所述，第二活性区域层935包括具有可变频带间隙能量的量子井层（比如，图3所示层320a-n）。上文描述了塑造第二活性区域层935的方法，或另一种选择是，采用一系列或连续的沉积或生长（和可选的蚀刻）步骤。与第二活性区域层935的单一持续沉积或生长截然相反，后者涉及可以用任意数量的沉积或生长和蚀刻步骤在调制区域1030中塑造量子井层。假如实施独立步骤，那么某些或全部量子井层的能带间隙会改变，这样能带间隙在靠近发光区域1010和调制区域1030间接口的区域中大于远离接口区域。
图12A为适用于塑造包含第一片1210和第二片1220的活性区域层935的另一种掩膜1200。第一和第二片1210和1220都沿靠近隔离区域1020的第一边界1040到第二边界1050方向递增，且沿所述方向，第一片1210的宽度约等于第二片1220的宽度。图12A中的掩膜1200和图11A中的掩膜1100a-b的不同之处在于，第一和第二1110和1120间开口1130一直延伸穿过掩膜1100a-b，而掩膜1200阻挡了光发射区域1010光生成区域和隔离区域1020光传递区域中的沉积。此类掩膜有利于使发光区域1010，隔离区域1020和调制区域1030间拓扑和/或拓扑问题减到最少。
在另一个实施例中，改变半导电层厚度的方法包括改变掩膜片间开口的宽度。开口宽度越大，散入开口中的材料就越少，反之亦然（即，开口宽度越小，在区域中散入开口的材料就越多），实现更大的厚度。或者，如果掩膜和活性区域的尺寸选取得合适，具有从第一边界到第二边界渐宽开口的掩膜就只允许较少离子注入活性区域。随后的注入离子的散播，开口较窄区域中注入离子的剂量在单位面积上大大小于开口较宽区域中注入离子的剂量，从而减小开口较窄区域中量子井层的频带间隙。
如图12B所述，开口1260的宽度可沿调制区域1030和隔离区域间第一边界1040到第二边界1050方向递减。第一片1252和第二片1254使具有可变宽度的活性区域1260露出，其中所述可变宽度沿同一方向大致与第一片1252和/或第二片1254的宽度成反比。第一片1252和第二片1254间开口1260宽度在调制区域1030中变化。因此，接近隔离区域1020的接口1040的开口1230第一宽度W1就大于第二边界1050处开口1260的第二宽度W2。再者，沿调制区域改变宽度的方法只是一种可能性而已。改变宽度以便变化不同于线性的，比如通过一个或多个步骤。
在图12A和12B中，调制区域内的掩膜1200的1210/1220部分和掩膜1250的1252/1254部分都具有可变宽度。图12A和12B只是掩膜1200或1250宽度如何变化的两个例子，也可以采用其他改变掩膜1200或1250宽度的途径和/或方法（可能涉及非线性变化掩膜）。在12A和12B中，虽然1210/1220部分和1252/1254部分的宽度分别以恒定或线性模式变化，但如图4A-4C所示，如果需要非线性剖面，那么掩膜1200和1250的宽度也会相应改变。
塑造活性区域层930（图9B）因此还包含在调制区域1030中用具有第一片（比如，1210或1252）和第二片的掩膜遮蔽下半导电缓冲层820（FIG. 9B），和在第一和第二片间开口（比如，1230或1260）中调制区域1030中塑造活性区域层935(FIG.9B)。
在图9C中，当第二活性区域层已经整体成形时，第二上半导电缓冲层945以与发光区域1010中类似或相同的方式成形。或者，第二上半导电缓冲层945在进一步处理之前可以是平面化的（比如，通过抛光，比如化学机械抛光）。
在图8E中，隔离区域860由移除部分接触层850，并将隔离离子注入活性区域层830和下半导电缓冲层820的暴露区域，来成形或规定。比如，隔离区域860可通过在不会被移除的接触层850部分上设置掩膜，并随后蚀刻接触层850的暴露部分，来成形。蚀刻过程可包含湿蚀刻或干蚀刻。可行的此类干蚀刻技术是反应离子蚀刻（RIE）。在蚀刻接触层850的暴露部分之后，隔离离子（比如，H+, He,等）可注入到暴露的上半导电缓冲层840和活性区域层830（或注入下半导电缓冲层820）来破坏各个此类层中的半导体晶格并将所述层转换为半绝缘或绝缘层。可采用热处理步骤来修复之前蚀刻和注入步骤导致的任何损害。
尽管未有图示，除移除接触层850的暴露部分之外，部分上半导电缓冲层840和部分活性区域层830仍可利用相同或不同的蚀刻方法和/或化学方法为接触层850（为二者），在隔离区域860中塑造沟或槽穿过上半导电缓冲层840和部分或全部活性区域层830。同样，根据蚀刻要求的深度，可塑造额外蚀刻停止层（未显示）来实现预期的蚀刻深度和仅移除那些层或他们的一部分就足以塑造有效的隔离沟或槽，同时使蚀刻停止层（未显示）下的那些层保持不变。或者，当活性区域层830全部移除时，下面部分或全部下半导电缓冲层820可通过相同或不同的蚀刻方法和/或化学方法移除。当部分或全部下半导电缓冲层820（和可选的部分活性区域层830）在蚀刻后保持不变，用以规定和/或成形隔离区域860中的沟或槽，隔离离子可通过上述沟或槽注入暴露区域。
结论
因此，本发明提供了一种适用于调制激光器系统的可变频带间隙调制器及其制造方法。通过提供可变频带间隙调制器，本发明补偿了整个调制区域的温度差别造成的性能差异。
图解和说明已经详细展示了前述的本发明的具体实施例。本公开并不限于前述实施例，并且很明显，也可以鉴于以上所述的技术，对本发明进行修改和变更。本文选定实施例并对其进行描述，以便最精确地阐述本发明的原理及它的实际应用，从而使所属专业技术领域的其他人员能最大程度的利用本发明及带有各种修改的实施例，以适用于预期的特殊用途。即，本发明的范围有由添加至此的权利要求和它们的对等物来限定。

Claims (19)

1.一种半导体激光器,包括：
发光区域，
调制区域，其具有多个半导电层，其中至少有一个半导电层包含具有可变能带间隙的量子井层，其中，第一边界为调制区域接近隔离区域的一边，第二边界是调制区域对第一边界相反的一边，所述可变能带间隙的量子井层的厚度是沿第一边界到第二边界方向上的厚度梯度，梯度为正，和
隔离区域，其分隔所述发光区域和所述调制区域。
2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述可变能带间隙沿频带间隙梯度的能量大致与到所述第一边界的距离成反比和/或大致与所述距离上消耗的能量总量成正比。
3.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述调制区域有一个与所述隔离区域相邻的边界，且一个或多个所述具有可变能带间隙的量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与到所述边界的距离成正比和/或大致在所述距离上消耗的能量总量成正比。
4.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相邻的第一边界，且一个或多个所述具有可变能带间隙的量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与所述半导体激光器处于稳定运行状态时一个或多个关于所述量子井层的温度梯度成反比，即从所述第一边界到与所述隔离区域最远的第二边界递增。
5.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，一个或多个所述具有可变能带间隙的量子井层具有可变掺杂轮廓。
6.一种制造具有发光区域和调制区域半导体激光器的方法，包括：
在基板上塑造下半导电缓冲层；
在所述下半导电缓冲层上塑造活性层，其中，
所述调制区域中的所述活性层包含一个或多个具有可变能带间隙的量子井层，其中，第一边界为调制区域接近隔离区域的一边，第二边界是调制区域对第一边界相反的一边，可变能带间隙的所述量子井层的厚度是沿第一边界到第二边界方向上的厚度梯度，梯度为正，和；
在所述活性区域层上塑造上半导电缓冲层；
在所述上半导电缓冲层上塑造接触层；
和在所述活性层和所述上半导电缓冲层的区域塑造隔离层，其用于将所述发光区域和所述调制区域分离。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述可变能带间隙沿频带间隙梯度的能量大致与到所述第一边界的距离成反比和/或大致与在所述距离上消耗的能量总量成正比。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调制区域有一个与所述隔离区域相邻的边界，且一个或多个所述具有可变能带间隙的量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与到所述边界的距离成正比和/或大致在所述距离上消耗的能量总量成正比。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，塑造所述活性层包含选择性区域生长（SAG）或选择性区域外延（SAE）。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述选择性区域生长或所述选择性区域外延包含在所述下半导电缓冲层上塑造具有宽度可变的第一和第二片的遮罩。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相邻的第一边界和一个与所述隔离区域距离最远的第二边界，且所述第一和第二片的遮罩可变宽度沿所述第一边界到第二边界方向递增。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一片的遮罩可变宽度在所述方向上任意点上都大致与所述第二片的遮罩可变宽度相等。
13.如权利要求6所述的方法，其特征在于，塑造所述活性层还包括在调制区域中的下半导电缓冲层上掩盖第一和第二片的遮罩，和在所述第一和第二片的遮罩之间的开口内的调制区域之中，塑造具有所述具有可变能带间隙的量子井层。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，利用金属有机物气相外延(MOVPE)或金属有机物化学气相沉淀(MOCVD)在所述下半导电缓冲层上生长出半导体材料。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述开口的宽度沿第一边界到第二边界的方向减小。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述开口的宽度沿第一边界到第二边界的方向与所述第一和第二片的遮罩宽度成正比。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述开口的宽度在沿第一边界到第二边界的方向上是一致或恒定的。
18.如权利要求6所述的方法，其特征在于，一个或多个所述具有可变能带间隙的量子井层具有可变掺杂轮廓。
19.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述调制区域具有一个与所述隔离区域相邻的第一边界和一个与所述隔离区域距离最远的第二边界，且一个或多个所述具有可变能带间隙的量子井层具有可变厚度，其中所述可变厚度大致与所述半导体激光器处于稳定运行状态时关于所述一个或多个量子井层的温度梯度成反比，即从所述第一边界到第二边界增加。
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