CN105826815B - 980nm半导体激光器结构及制备方法 - Google Patents

980nm半导体激光器结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种980nm半导体激光器结构，包括：一n‑GaAs衬底；一n‑GaAs缓冲层制作在n‑GaAs衬底上；一n‑AlGaAs无源波导芯层制作在n‑GaAs缓冲层上；一n‑GaAs空间层制作在n‑AlGaAs无源波导芯层上；一InGaAs/GaAs应变量子阱结构制作在n‑GaAs空间层上；一p‑GaAs缓冲层制作在n‑GaAs空间层上；一n‑GaAs电流阻挡层制作在p‑GaAs缓冲层上；一p‑GaAs欧姆接触层制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构上；分为激光器、模斑转换器和无源波导区。本发明可以将有源区产生的光低损耗绝热地耦合进无源波导芯层传输，从而实现将有源器件的不对称的椭圆光斑转换为对称的圆形光斑，可以提高半导体激光器和光纤的耦合效率，提高其偏调容差，降低耦合封装工艺难度。

Description

980nm半导体激光器结构及制备方法
技术领域
本发明所属半导体领域，是一种在光纤通信和光纤传感等领域中有重要作用的980nm半导体激光器结构及制备方法。
背景技术
半导体泵浦激光器是众多领域亟需的关键器件，其中处于近红外波段的980nm半导体泵浦光源技术是掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifer，简称EDFA)和掺铒光纤超荧光光源(Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Source，简称ED-SFS)的重要泵浦光源，对实现超高速、超大容量、超长距离的全光通信系统和高精度光纤陀螺的技术发展具有重要的战略意义。
在全光通信系统和光纤陀螺的应用中，半导体激光器与光纤的耦合效率是影响传输损耗和信号衰减的核心因素。单模光纤的波导结构是对称的圆柱形结构，这样导致其本征模场是对称的圆形光斑，而半导体激光器的波导结构一般是对称度较小的长方形结构，这样导致其本征模场是椭圆形光斑。因此，单模光纤和半导体激光器之间的本征模场的大小和形状的差别导致了二者之间有很大的模式失配，二者之间的耦合效率极低，而且对准容差很小。如何通过光束整形技术实现半导体激光器与单模光纤的高效率耦合，降低光损耗，提高耦合容差是制约高光束质量、高功率半导体激光器技术发展的瓶颈问题。
发明内容
为解决上述一个或多个问题，本发明提出了一种980nm半导体激光器结构及制备方法。半导体模斑转换器可以将有源区产生的光低损耗绝热地耦合进无源波导芯层传输，从而实现将有源器件的不对称的椭圆光斑转换为对称的圆形光斑，这样既可以提高半导体激光器和光纤的耦合效率，又可以提高其偏调容差，降低耦合封装工艺难度，本发明是一种高光束质量的980nm半导体激光器结构及制备方法。
本发明提供一种980nm半导体激光器结构，包括：
一n-GaAs衬底；
一n-GaAs缓冲层，其制作在n-GaAs衬底上；
一n-AlGaAs无源波导芯层，其制作在n-GaAs缓冲层上；
一n-GaAs空间层，其制作在n-AlGaAs无源波导芯层上的中间，该n-GaAs空间层的断面为中间凸起结构；
一InGaAs/GaAs应变量子阱结构，其制作在n-GaAs空间层中间凸起的部位上，该InGaAs/GaAs应变量子阱结构纵向两侧的宽度为渐变形状；
一p-GaAs缓冲层，其制作在n-GaAs空间层薄的部位上，该p-GaAs缓冲层的两侧面与InGaAs/GaAs应变量子阱结构接触，该p-GaAs缓冲层一侧的断面为L形结构，断面为一侧薄，另一侧厚；
一n-GaAs电流阻挡层，其制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构两侧的p-GaAs缓冲层断面薄的部位上，且高于p-GaAs缓冲层的顶部；
一p-GaAs欧姆接触层，其制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构上，且覆盖暴露的p-GaAs缓冲层及n-GaAs电流阻挡层的上面；
其中该n-GaAs空间层、InGaAs/GaAs应变量子阱结构、p-GaAs缓冲层、n-GaAs电流阻挡层和p-GaAs欧姆接触层构成脊形结构，该脊形结构分为激光器、模斑转换器和无源波导区。
本发明还提供一种980nm半导体激光器结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一n-GaAs衬底上生长n-GaAs缓冲层、n-AlGaAs无源波导芯层、n-GaAs空间层和InGaAs/GaAs应变量子阱结构；
步骤2：第一次刻蚀，使InGaAs/GaAs应变量子阱结构形成窄条形状，其两侧的GaAs空间层的高度低于InGaAs/GaAs应变量子阱结构的下表面，该InGaAs/GaAs应变量子阱结构纵向两侧的宽度为渐变形状；
步骤3：在n-GaAs空间层上生长p-GaAs缓冲层；
步骤4：第二次刻蚀，使p-GaAs缓冲层上面的一侧低于另一侧的高度；
步骤5：在p-GaAs缓冲层上生长0.9μm n-GaAs电流阻挡层；
步骤6：第三次刻蚀，暴露出InGaAs/GaAs应变量子阱结构及部分p-GaAs缓冲层，使两侧0.9μm n-GaAs电流阻挡层的高度高于暴露出的p-GaAs缓冲层；
步骤7：在InGaAs/GaAs应变量子阱结构、p-GaAs缓冲层和n-GaAs电流阻挡层上生长p-GaAs欧姆接触层，完成制备。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)采用半导体激光器和模斑转换器单片集成的结构设计，可以将半导体的椭圆光斑转换为接近圆形光斑，提高半导体激光器与模斑转换器的耦合效率和偏调容差；
(2)在有源区下面生长一层无源波导芯层，中间用n-GaAs空间层隔开，形成双波导结构，该结构能够保证从模斑转换器耦合进无源波导芯层的光稳定传输；
(3)模斑转换器采用二阶锥形有源波导结构，该结构可以有效把锥形有源波导区的光绝热地耦合到下面的无源波导芯层。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明中半导体激光器与模斑转换器集成的结构设计图；
图2是本发明中一次光刻的掩膜板图形；
图3是本发明制备方法的流程图。
具体实施方式
请参阅图1、图2所示，本发明提供一种980nm半导体激光器结构，包括：
一n-GaAs衬底1；
一n-GaAs缓冲层2，其制作在n-GaAs衬底1上，所述n-GaAs缓冲层2的厚度为0.3-0.7μm；
一n-AlGaAs无源波导芯层3，其制作在n-GaAs缓冲层2上，所述n-AlGaAs无源波导芯层3的厚度为45-55nm；
一n-GaAs空间层4，其制作在n-AlGaAs无源波导芯层3上的中间，该n-GaAs空间层4的断面为中间凸起结构，所述n-GaAs空间层4的厚度为0.3-0.7μm；
一InGaAs/GaAs应变量子阱结构5，其制作在n-GaAs空间层4中间凸起的部位上，该InGaAs/GaAs应变量子阱结构5纵向两侧的宽度为渐变形状(参阅图2)，所述InGaAs/GaAs应变量子阱结构5为不掺杂的InGaAs/GaAs应变量子阱结构，包括厚度为90nm的AlGaAs上下波导层，厚度为15nm的GaAs上下限制层和厚度为8nm的InGaAs量子阱层；
一p-GaAs缓冲层6，其制作在n-GaAs空间层4薄的部位上，该p-GaAs缓冲层6的两侧面与InGaAs/GaAs应变量子阱结构5接触，该p-GaAs缓冲层6一侧的断面为L形结构，断面为一侧薄，另一侧厚，所述p-GaAs缓冲层6的厚度为0.8μm；
一n-GaAs电流阻挡层7，其制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构5两侧的p-GaAs缓冲层6断面薄的部位上，且高于p-GaAs缓冲层6的顶部，所述n-GaAs电流阻挡层7的厚度为0.9μm；
一p-GaAs欧姆接触层8，其制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构5上，且覆盖暴露的p-GaAs缓冲层6及n-GaAs电流阻挡层7的上面；
其中，该n-GaAs空间层4、InGaAs/GaAs应变量子阱结构5、p-GaAs缓冲层6、n-GaAs电流阻挡层7和p-GaAs欧姆接触层8构成脊形结构，同时采用在脊形表面沉积SiO2钝化层的技术，以减少激光器电极的寄生电容。
其中，该脊形结构分为激光器、模斑转换器和无源波导区(见图2)。
其中，模斑转换器的作用是把激光器的光斑尺寸逐渐变大，同时尽可能地把激光器的光绝热地耦合到无源波导区。
其中，无源波导区的作用就是稳定光斑模式并使其出射端面的近场光斑和单模光纤的模场相匹配，以减小激光器远场发散角。
其中，n-GaAs空间层4的作用是将传输到无源波导区的光扩展到空间层，使光斑进一步趋近于圆形光斑，从而提高与光纤的耦合效率。
请参阅图3并结合参阅1、图2所示，本发明提供一种980nm半导体激光器结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在一n-GaAs衬底1上生长n-GaAs缓冲层2、n-AlGaAs无源波导芯层3、n-GaAs空间层4和InGaAs/GaAs应变量子阱结构5，所述n-GaAs缓冲层2的厚度为0.3-0.7μm，所述n-AlGaAs无源波导芯层3的厚度为45-55nm，所述n-GaAs空间层4的厚度为0.3-0.7μm，所述InGaAs/GaAs应变量子阱结构5包括厚度为90nm的AlGaAs上下波导层，厚度为15nm的GaAs上下限制层和厚度为8nm的InGaAs量子阱层；
步骤2：第一次刻蚀，使InGaAs/GaAs应变量子阱结构5形成窄条形状，其两侧的GaAs空间层4的高度低于InGaAs/GaAs应变量子阱结构5的下表面，该InGaAs/GaAs应变量子阱结构5纵向两侧的宽度为渐变形状；
步骤3：在n-GaAs空间层4上生长p-GaAs缓冲层6，所述p-GaAs缓冲层6的厚度为0.8μm；
步骤4：第二次刻蚀，使p-GaAs缓冲层6上面的一侧低于另一侧的高度；
步骤5：在p-GaAs缓冲层6上生长0.9μm n-GaAs电流阻挡层7，该n-GaAs电流阻挡层7的厚度为0.9μm；
步骤6：第三次刻蚀，暴露出InGaAs/GaAs应变量子阱结构5及部分p-GaAs缓冲层6，使两侧0.9μm n-GaAs电流阻挡层7的高度高于暴露出的p-GaAs缓冲层6；
步骤7：在InGaAs/GaAs应变量子阱结构5、p-GaAs缓冲层6和n-GaAs电流阻挡层7上生长p-GaAs欧姆接触层8，完成制备。
其中，第一次刻蚀InGaAs/GaAs应变量子阱结构5纵向两侧的宽度为渐变形状，需要配合分辨率更高的光刻工艺。采用SUSS的UV250真空接触曝光工艺并结合深紫外光刻胶，使光刻精度能够达到0.5μm。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种980nm半导体激光器结构的制备方法，该980nm半导体激光器结构包括一n-GaAs衬底；一n-GaAs缓冲层，其制作在n-GaAs衬底上；一n-AlGaAs无源波导芯层，其制作在n-GaAs缓冲层上；一n-GaAs空间层，其制作在n-AlGaAs无源波导芯层上的中间，该n-GaAs空间层的断面为中间凸起结构；一InGaAs/GaAs应变量子阱结构，其制作在n-GaAs空间层中间凸起的部位上，该InGaAs/GaAs应变量子阱结构纵向两侧的宽度为渐变形状；一p-GaAs缓冲层，其制作在n-GaAs空间层薄的部位上，该p-GaAs缓冲层的两侧面与InGaAs/GaAs应变量子阱结构接触，该p-GaAs缓冲层一侧的断面为L形结构，断面为一侧薄，另一侧厚；一n-GaAs电流阻挡层，其制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构两侧的p-GaAs缓冲层断面薄的部位上，且高于p-GaAs缓冲层的顶部；一p-GaAs欧姆接触层，其制作在InGaAs/GaAs应变量子阱结构上，且覆盖暴露的p-GaAs缓冲层及n-GaAs电流阻挡层的上面；其中该n-GaAs空间层、InGaAs/GaAs应变量子阱结构、p-GaAs缓冲层、n-GaAs电流阻挡层和p-GaAs欧姆接触层构成脊形结构，该脊形结构分为激光器、模斑转换器和无源波导区，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：在一n-GaAs衬底上生长n-GaAs缓冲层、n-AlGaAs无源波导芯层、n-GaAs空间层和InGaAs/GaAs应变量子阱结构；
步骤2：第一次刻蚀，使InGaAs/GaAs应变量子阱结构形成窄条形状，其两侧的GaAs空间层的高度低于InGaAs/GaAs应变量子阱结构的下表面，该InGaAs/GaAs应变量子阱结构纵向两侧的宽度为渐变形状；
步骤3：在n-GaAs空间层上生长p-GaAs缓冲层；
步骤4：第二次刻蚀，使p-GaAs缓冲层上面的一侧低于另一侧的高度；
步骤5：在p-GaAs缓冲层上生长0.9μm n-GaAs电流阻挡层；
步骤6：第三次刻蚀，暴露出InGaAs/GaAs应变量子阱结构及部分p-GaAs缓冲层，使两侧0.9μm n-GaAs电流阻挡层的高度高于暴露出的p-GaAs缓冲层；
步骤7：在InGaAs/GaAs应变量子阱结构、p-GaAs缓冲层和n-GaAs电流阻挡层上生长p-GaAs欧姆接触层，所述n-GaAs电流阻挡层的厚度为0.9μm，完成制备。
2.根据权利要求1所述的980nm半导体激光器结构的制备方法，其中n-GaAs缓冲层的厚度为0.3-0.7μm、n-AlGaAs无源波导芯层的厚度为45-55nm及n-GaAs空间层的厚度为0.3-0.7μm。
3.根据权利要求1所述的980nm半导体激光器结构的制备方法，其中p-GaAs缓冲层的厚度为0.8μm。
4.根据权利要求1所述的980nm半导体激光器结构的制备方法，其中InGaAs/GaAs应变量子阱结构包括厚度为90nm的AlGaAs上波导层和下波导层，厚度为15nm的GaAs上下限制层和厚度为8nm的InGaAs量子阱层。
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