CN106058639A

CN106058639A - 基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制作方法

Info

Publication number: CN106058639A
Application number: CN201610443677.1A
Authority: CN
Inventors: 许俊杰; 梁松; 朱洪亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: CN106058639B

Abstract

本发明公开了一种基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制作方法。所述方法包括：1.选区外延掩模设计；2.选取外延掩模图形制作；3.选区外延；4.激光器腔体结构制作；5.电隔离制作；6.电极制作；7.解理得到管芯激光器。本发明通过一次选区外延同时定义锁模激光器的增益区、饱和吸收区和有源无源腔比例，通过碰撞锁模的原理压缩脉冲宽度、提高锁模频率，通过无源外腔的技术降低脉冲重频的时域抖动，最终实现窄脉冲的稳定重频(按应用需求可高可低)输出。

Description

基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制作方法

技术领域

本发明涉及一种新型的半导体外腔锁模激光器的设计和制作，特别涉及到核心量子阱材料的选择区域外延技术在半导体锁模激光器的输出脉冲压缩和外腔延展上的应用。

背景技术

半导体锁模激光器是半导体脉冲光源制造的核心技术。作为一种重复频率设计可调的窄脉冲光源，半导体锁模激光器可以应用于光线通信、生物医疗或者是飞秒化学研究等领域。

现有的半导体锁模技术主要包括主动锁模和被动锁模两大类。主动锁模因为有外部微波源的注入，所以脉冲的重复频率在频率域上很稳，时间抖动很小，但是这种锁模脉冲源受制于电学微波源的高频限制，很难以低成本实现很高频率的锁模脉冲，使得这种器件在通信领域的应用受限。

相比之下，被动锁模技术在半导体芯片上的应用可以得到相对高很多的锁模脉冲频率，典型的技术有如应用腔内半导体可饱和吸收镜(SESAM)技术、对称碰撞锁模技术(SCPM)以及非对称碰撞锁模技术(ACPM)。这些片上的被动锁模技术能够把锁模脉冲的重复频率做得很高，并且碰撞锁模技术也能实现更小的脉冲宽度(CPM)，但是这些被动技术相对不足的是，它们的重复频率的稳定性不如主动锁模技术好。

为了在各个重复频率上(包括高频如太赫兹或低频如几十个GHz)都实现重复频率稳定的脉冲输出，本发明使用片上外腔技术，也即使用片上延展外腔技术(extendedcavity mode-locked semiconductor laser，ECL)来降低被动锁模脉冲的重复频率抖动。已见报道的片上外腔技术有使用量子阱混杂工艺和对接工艺的，并且两中方案都是基于饱和吸收镜方式的被动锁模。这两种技术分别需要额外的对接和量子阱混杂工艺，对材料的损伤大使得器件老化性能不好，而且工艺复杂成品率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种新型的半导体锁模激光器，具有体积小、脉冲窄、脉冲重复频率高、只需要一个驱动电源的优点，是一种轻便可靠的窄脉冲激光光源，具有广泛的应用价值。

为此，本发明提供了一种基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制作方法，包括如下步骤：

步骤1：根据所需要的锁模脉冲宽度以及重复频率，设计预定尺寸和预定介质材料的选择区域外延掩模条图形，所述预定尺寸包括掩模条的长度、宽度、沉积厚度、掩模和非掩模区域的长度比例和掩模的倾斜角度；

步骤2：在III-V族半导体衬底上沉积预定厚度的介质层掩模。

步骤3：将选择区域外延掩模条图形转移到III-V族半导体衬底上，形成选区介质掩膜；

步骤4：选用预定的外延生长温度、腔室气压以及外延气氛分压，按照需要的光脉冲波长，带着选区介质掩模，外延生长全量子阱结构；

步骤5；：全息曝光，制作波导外腔光栅结构；

步骤6：去掉选区外延用的介质层掩模后，再外延上接触层；

步骤7：光刻波导掩模，刻蚀激光器脊波导结构；腐蚀隔离沟；沉积钝化介质层，制作P接触和N接触电极；解理，完成激光器的制作。

本发明使用选择区域外延技术制造半导体锁模激光器，这种技术带来的核心优势在于两点。首先，是由此方法制造的半导体锁模激光器将具有带隙渐变的饱和吸收体，这有利于锁模脉冲的稳定，并且如制造步骤4和步骤1所述，这种渐变带隙的饱和吸收体与设计的选取外延尺寸和外延条件有关。另一个技术创新优势就是由选区外延技术可以给锁模激光器引入一个单片集成的延展腔，因为有了这个腔，高阶碰撞锁模(图1.1，1.3，1.5，1.8)、含有光栅的重频可调谐的锁模(图1.2，1.4，1.6，1.9，1.7，1.10)将都可以得到实现。

本发明的技术方案，使用选择区域外延技术，使得材料芯层完好没有对接的刻蚀截面损伤以及量子阱混杂的空穴缺陷引入，材料老化性能好，并且伴随选择区域外延技术定义的有源无源区的过渡位置，自然的会存在一个饱和吸收体，这使得碰撞锁模得以设计实现，结合无源外腔的存在，有益于得到稳定的窄脉冲输出。本发明通过一次选区外延同时定义锁模激光器的增益区、饱和吸收区和有源无源腔比例，通过碰撞锁模的原理压缩脉冲宽度、提高锁模频率，通过无源外腔的技术降低脉冲重频的时域抖动，最终实现窄脉冲的稳定重频(按应用需求可高可低)输出。

再者，基于本发明的一次成型的外腔结构，其内部也可以进一步地设计进光栅结构，配合特定的周期结构，在一定的电流注入下，通过改变等效外腔镜面来实现锁模脉冲的波长和重复频率可调。

本发明公开的半导体锁模激光器制造技术具有以下几项技术优点：

通过全量子阱的选择区域外延，只经过一次材料生长就同时定义半导体锁模激光器的增益区、饱和吸收区和外腔波导，器件的工艺成本低、成品率高。

本发明通过全量子阱选择区域外延技术制作出的锁模激光器具有大比值的增益吸收比，有利于压缩锁模脉冲的脉宽。不同的选区外延掩膜图形，对增益和吸收的调制作用不同。如图2所示，矩形掩膜的宽度变化会影响到过渡区饱和吸收体的大小，也即矩形掩膜宽度越大，过渡区饱和吸收体的体积就越大，饱和吸收量就越大。如图2所示，楔形和梯形掩膜都具有调制增益区材料的增益谱宽的作用，并且梯形结构比楔形结构的调制作用更大，这两种结构相比较矩形掩膜而言，能够外延得到频域更宽的量子阱结构，相对应地在锁模条件下也就能够得到脉宽更窄的锁模脉冲。

本发明通过取样外延引入外腔结构，相比较全有源结构的锁模激光器，在相同的重复频率下，本发明的锁模激光器结构具有更小的频率抖动；并且利用SAG方法得到的外腔锁模激光器结构，外腔的长度能够做得很长，外腔的损耗也相比量子阱混杂工艺要小很多，有助于脉冲的高功率输出。(SAG外腔结构)

本发明通过取样外延引入的外腔结构内部含有结构完好的、极少缺陷(相比较量子阱混杂(QWI)技术而言)的量子阱结构，在反向偏压下通过量子限制斯塔克斯效应(QCSE效应)可以实现整个锁模激光器的饱和吸收量可调，从而使得本发明的锁模激光器具有增益吸收动态可调谐的能力。这种能力可以使得在SAG过渡区饱和吸收量不足的情况的下进行补偿，使得本发明器件具有更稳定的锁模质量以及更高的锁模成品率。

本发明通过全量子阱选择区域外延技术，使得增益吸收比和法布里-帕罗(FP)腔长得到分别的定义，也就是说由增益吸收比决定的脉冲宽度和由腔长决定的脉冲重复频率可以分别按需设计制作。

本发明通过外腔波导的结构中设计加入特定的光栅结构，通过改变注入电流来实现外腔等效镜面的受控调制，从而实现脉冲复频率和波长的调谐。(外腔光栅及其电调制等效镜面)

本发明通过双臂外腔结构，可以在半导体锁模激光器中引入两个饱和吸收体结构，有利于锁模脉冲的压缩。(双臂外腔结构)

相比传统的两段式半导体锁模激光器，本发明的设计只需要一个增益区电流就可以实现稳定的窄脉宽、高重复频率脉冲输出。

区别于锁模激光器系统，本发明具有明显的小型化优势；相比量子点半导体锁模激光器，本发明使用外延生长条件更易控制、重复性、成品率更高的量子阱结构。

附图说明

图1为本发明中选区外延掩膜图形及外腔参数的示意图；

图2为本发明中典型的选取外延掩膜图形结构示意图。

图3为本发明中基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制备方法的工艺流程图。

图4为本发明中器件的典型输出时域图。

图5为本发明中材料外延生长结构层图。

具体实施方式

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制备方法，其包括：

步骤1：根据所需要的锁模脉冲宽度以及重复频率，制备预定尺寸和预定材料的选择区域外延掩模条，所述预定尺寸包括所述选择区域外延掩模条的长度、宽度、沉积厚度、掩模和非掩模区域的长度比例、掩模的倾斜角度(楔形和梯形掩膜结构涉及)，所述预定材料包括所用的介质材料SiO或SiN等，如图1和图2所示。

图1中的各个图例涉及本发明的核心关键结构，包括均匀与非均匀的选区外延掩膜图形，单臂、对称双臂、不对称双臂的外腔结构以及若干种含有光栅的外腔设置。其中，均匀外延掩膜图形指掩掩膜宽度不变的掩膜图形，非均匀外延掩膜图形指掩模宽度渐变的掩膜图形；单臂指只在有源区一侧有无源延展腔，对称双臂指在有源区两侧有对称的两组无源延展腔，不对称双臂的外腔结构指有源区腔体两侧的无源延展腔长度不一样，含有光栅的外腔设置包括单侧设置光栅、两侧都设置光栅的外腔就结构。

图2示出了本发明典型的选区外延掩膜图形，分别为均匀宽度的矩形、单侧渐变展宽的楔形和两侧都渐变展宽的梯形。这几种结构分别对应了带隙均匀的量子阱有源区与带隙渐变的有源区量子阱，并且在梯形渐变结构的选区掩膜下外延出的量子阱具有渐变程度最剧烈的带隙，楔形掩膜次之。具体的掩膜尺寸已经表在图示当中，可以依据具体的应用需求以及材料外延生长条件设计调整。如图2所示，矩形掩膜的宽度变化会影响到过渡区饱和吸收体的大小，也即矩形掩膜宽度越大，过渡区饱和吸收体的体积就越大，饱和吸收量就越大。如图2所示，楔形和梯形掩膜都具有调制增益区材料的增益谱宽的作用，并且梯形结构比楔形结构的调制作用更大，这两种结构相比较矩形掩膜而言，能够外延得到频域更宽的量子阱结构，相对应地在锁模条件下也就能够得到脉宽更窄的锁模脉冲。

选区外延掩模的设计直接决定了所设计的锁模激光器是含有单臂延展腔的还是含有双臂延展腔或者是不含延展腔的(如图1中标示的waveguide所示)，这些都可以根据具体的应用需要设计选择。

步骤2：在III-V族半导体衬底上(按需要可以选用GaAs、InP，n型掺杂或p型参杂等)沉积适当厚度的介质层掩模(SiO、SiN等)。

步骤3：按照设计要求，将所述选择区域外延掩模条图形通过光刻以及介质层刻蚀(直条图形可以选择湿法刻蚀而非直调的如领结型或锥型可以选择干法刻蚀)转移到III-V族半导体衬底上；

步骤4：按照设计要求，选用合适的外延生长温度、腔室气压以及外延气氛分压，按照需要的光脉冲波长(可以选用III-V族或II-IV族的量子阱材料，如InGaAsP、InGaAlAs、GaAs、InP等)，在制作有所述介质层掩膜的所述III-V族半导体衬底上，带着选区介质掩模，外延生长全量子阱结构，即包括上下光限制层和预定对数的量子阱垒结构。外延过程中涉及的多量子阱外延的阱垒对数(如3对、5对、6对、11对等)、应力程度(如张应变、压应变等)都可以根据应用和性能需要具体设计使用。

在合适的外延生长条件下，本发明制作的半导体锁模激光器拥有一个带隙渐变的饱和吸收体(如图1中标示出的各个SA区所示)。这种对饱和吸收带隙的结构创新有利于提高半导体锁模激光器的锁模稳定性。

在合适的外延生长条件下，按照本发明制作的锁模激光器能够拥有一个单片集成的损耗很小、长度可选的无源延展腔(如图1中标示的各个waveguide区域所示)，这种结构能够用于半导体调制锁模激光器的重复频率并且能够降低锁模脉冲重复频率的时间抖动。

步骤5：全息曝光，制作波导外腔光栅(如图1中图1.2，1.4，1.6，1.9，1.7，1.10所示)。对双臂的结构可以制作对称的或不对称的、具有特定周期和结构(如取样、啁啾等)的波导光栅结构。在选区外延的延展腔上制作光栅可以起到锁模重复频率可调的效果。

步骤6：湿法腐蚀掉所述介质层掩模后，再外延上接触层。

步骤7：光刻波导掩模，湿法刻蚀激光器脊波导结构；腐蚀隔离沟；沉积钝化介质层，按激光器正常工艺并制作P接触和N接触电极；解理，完成激光器的制作。

本发明的技术方案，使用选择区域外延技术，使得材料芯层完好没有对接的刻蚀截面损伤以及量子阱混杂的空穴缺陷引入，材料老化性能好，并且伴随选择区域外延技术定义的有源无源区的过渡位置，自然的会存在一个饱和吸收体，这使得碰撞锁模得以设计实现，结合无源外腔的存在，有益于得到稳定的窄脉冲输出。

本发明一实施例中利用的饱和吸收体为有源无源腔体的过渡区域材料，需要配合电隔离沟使用。

本发明一实施例中用到取样外延的介质掩膜图形包括均匀矩形结构、渐变楔形结构与剧变的梯形结构，都可以根据具体的应用需求设计使用。

本发明一实施例中用到取样外延的介质掩膜的厚度、长度、宽度、倾斜角度(楔形和梯形掩膜结构涉及)以及所用的介质材料SiO或SiN等，都可以根据具体的应用需要和工艺条件设计使用。

本发明一实施例中多量子阱外延的阱垒对数(如3对、5对、6对、11对等)、应力程度(如张应变、压应变等)都可以根据应用和性能需要具体设计使用。

本发明一实施例中多量子阱外延的结构包括上下分别限制层和中间的量子阱垒对。

本发明一实施例中外腔无源波导可以是单臂或是双臂的，单臂的长度或者双臂的尺寸、对称度(如附图表一各图)都可以根据具体的性能要求设计制作。

本发明一实施例中外腔无源波导可以内含特定周期的光栅结构，这种光栅的设置可以是单臂的、也可是双臂的；可以是双臂同周期的、也可以是双臂不同周期的；这种内置的光栅也可以是含啁啾的。见附图表1所示各图所示。光栅的设计能够起到调节脉冲波长、重复频率和脉冲宽度的所用。

本发明一实施例中外腔无源波导本身也可以制作上金属电极，配合电隔离沟，使用正向电流偏置或反向电压偏置，来分别改变无源波导腔的有效折射率或电吸收能力(QCSE效应)。

本发明一实施例中外腔无源波导上的电极可以设计制作成高频电极结构，在一定的偏置电压下，将高频的微波信号(锁模脉冲的重频信号)输出到电口，实现光生微波的应用。

通过调整III-V材料的外延波长，本发明可以应用于如光通信、生物医疗、飞秒化学研究等多个领域。

在光纤通信领域，这种窄脉冲光源可以应用的领域有如高速时钟捕获、超快信号处理、光时分复用系统等。特别是对于超大容量的光纤通信系统，若使用波分复用系统，信道数的增加将涉及到复杂的非线性串扰、复用解复用、增益平坦度的控制、信道管理和监控等等的各种问题，而时分复用系统只需要一个波段的超短脉冲就可以达到十几路甚至上百路的波分复用系统的传输速率，所以对于超大容量的光通信系统，时分复用系统相比波分复用系统具有更加低廉的成本和可靠的性能。

在生物医疗领域，这种锁模激光器因为具有飞秒级的脉冲输出可以应用于外科胶膜手术。飞秒脉冲激光可以按照医疗需要在角膜中烧制鼓包，如果在平行于角膜平面的方向上烧制多个小鼓包，可以使得病变的角膜组织脱落。因为飞秒脉冲的脉冲时间很短，所以对组织的烧伤仅仅局限于特定深度的病变组织，内部组织不会受到烧伤威胁，再者飞秒激光能够聚焦到比头发直径还要小的空间区域，也为诸如角膜手术这种超精密的外科手术增加了安全保障。一般用于角膜手术的飞秒激光器的波长是1053nm，这个波长的激射恰好是本发明使用的III-V族半导体量子阱材料能够实现的，结合本发明的结构，为这种激光手术刀的小型化创造了条件。

在科学研究领域，超快的飞秒激光光源是研究物理、化学、生物学中的原子或分子超快反应过程的有利工具。1999年，埃及科学家Ahmed H.Zewail因为应用飞秒激光闪光成像技术观测到分子中的原子在化学反应中的运动而得到诺贝尔化学奖，由此衍生发展出来的飞秒化学使得人们对于化学反应的理解更加深入，很多反应过程的中间产物由此得到发现。可以预见，随着飞秒化学的应用，化学反应将会变得更加可控，也将会有更多的新分子被制造出来。

实例一、

在掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N型InP衬底(附图5，层4)上外延一层200nm的N型掺杂的InP外延缓冲层(附图5，层3)；在外延好的芯片上沉积一层200nm厚度的SiO2介质层掩膜，根据应用需要，针对需要的锁模脉冲宽度和重复频率，选用附图表一中的合适的掩膜图形(表A.中的图1、3、5、8)制作掩膜板；光刻掩膜图形，将掩膜图形转移到介质层上；在100mbar，675℃的腔室内，带着掩膜图形外延全量子阱结构(附图5，层2)；外延量子阱的波长设计在1550nm或1310nm附近，使得锁模脉冲输出波长在光纤传输的低损耗窗口内，满足光纤通信的传输需求；之后再，取出外延好的片子，湿法BOE漂掉SiO2介质层，再清洗后外延P接触层(附图5，层1)；在光刻波导掩膜图形，湿法刻蚀激光器脊波导腔体；在有源区端口，取样掩膜的过渡区光刻隔离沟图形，并湿法腐蚀掉P接触层最上层的重掺杂部分；重新沉积介质钝化层，自对准工艺开窗口，真空溅射沉积正面TiAu电极；减薄后，热蒸发沉积背面AuGeNi电极；金属电极425℃，氮气保护下退火35s；解理得到本发明设计的锁模激光器。

实例二、

在掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N型InP衬底(附图5，层4)上外延一层200nm的N型掺杂的InP外延缓冲层(附图5，层3)；在外延好的芯片上沉积一150nm厚度的SiO2介质层掩膜，根据应用需要，针对需要的锁模脉冲宽度和重复频率，选用附图表一中的合适的掩膜图形(表A.中的图1、3、5、8)制作掩膜板；光刻掩膜图形，将掩膜图形转移到介质层上；在200mbar，675℃的腔室内，带着掩膜图形外延全量子阱结构(附图5，层2)；外延量子阱的波长设计在1053nm处，使得锁模脉冲输出的波段在角膜手术激光刀的波段范围之内；取出外延好的片子，湿法BOE漂掉SiO2介质层，再清洗后外延P接触层(附图5，层1)；在光刻波导掩膜图形，湿法刻蚀激光器脊波导腔体；在有源区端口，取样掩膜的过度区光刻隔离沟图形，并湿法腐蚀掉P接触层最上层的重掺杂部分；重新沉积介质钝化层，自对准工艺开窗口，真空溅射沉积正面TiAu电极；减薄后，热蒸发沉积背面AuGeNi电极；金属电极425℃，氮气保护下退火35s；解理得到本发明设计的锁模激光器。

实例三、

在掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N型InP衬底上(附图5，层4)外延一层200nm的N型掺杂的InP外延缓冲层(附图5，层3)；在外延好的芯片上沉积一层200nm的SiO2介质层掩膜，根据应用需要，针对需要的锁模脉冲宽度和重复频率，选用附图表一中的合适的掩膜图形(表A.中的图2、4、6、9、7、10)制作掩膜板；光刻掩膜图形，将掩膜图形转移到介质层上；在100mbar，675℃的腔室内，带着掩膜图形外延全量子阱结构(附图5，层2)；之后，再取出外延好的片子，使用二次爆光工艺，在外腔波导区域(全区域或者是部分区域)，制作选区光栅(附图5，层5)；后再湿法BOE漂掉SiO2介质层，再清洗后外延P接触层(附图5，层1)；在光刻波导掩膜图形，湿法刻蚀激光器脊波导腔体；在有源区端口，取样掩膜的过度区光刻隔离沟图形，并湿法腐蚀掉P接触层最上层的重掺杂部分；重新沉积介质钝化层，自对准工艺开窗口，真空溅射沉积正面TiAu电极；减薄后，热蒸发沉积背面AuGeNi电极；金属电极425℃，氮气保护下退火35s；解理得到本发明设计的锁模激光器。

上述的制作实例详细说明一下本发明专利的制作方法。实例一和实例二变化的参数是选区外延的核心参数，包括选区图形、外延气压以及掩膜层厚度，综合设计选用这些参数能够起到调节增益谱宽和调节饱和吸收体吸收强度的作用，有助于调节压缩脉冲宽度；再者，通过调整外延量子阱的组分，可以将本发明的器件分别用于光纤通信或医疗领域。实例三在实例二的基础上，加入了一步光栅工艺，使得所制备的锁模激光器具备波长和重频的调谐能力。

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，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

1.一种基于全量子阱选择区域外延的半导体锁模激光器制作方法，包括如下步骤：

步骤2：在III-V族半导体衬底上沉积预定厚度的介质层掩模。

步骤5：全息曝光，制作波导外腔光栅结构；

步骤6：去掉选区外延用的介质层掩模后，再外延上接触层；

2.如权利要求1所述的制作方法，其中所述选择区域外延掩模条图形包括均匀矩形结构、渐变楔形结构与剧变的梯形结构。

3.如权利要求1所述的制作方法，其中选区外延介质掩膜的厚度、长度、宽度、倾斜角度以及预定介质材料根据具体应用需要和工艺条件确定。

4.如权利要求1所述的制作方法，其中多量子阱外延的阱垒对数、应力程度根据应用和性能需要确定。

5.如权利要求1所述的制作方法，其中多量子阱外延结构包括上限制层、中间的量子阱垒对数和下限制层。

6.如权利要求1所述的制作方法，其中，激光器脊波导结构为无源波导，为单臂或双臂，单臂的长度或者双臂的尺寸、对称度根据具体的性能要求确定。

7.如权利要求1所述的制作方法，

其中激光器脊波导结构为无源波导，其内含特定周期的光栅结构，所述光栅结构的设置为单臂或双臂；光栅结构为双臂时，包括双臂同周期、双臂不同周期和含啁啾的光栅结构。

8.如权利要求1所述的制作方法，其中激光器脊波导结构包括带隙过渡区或者无源外腔波导，其上制作金属电极，配合电隔离沟，使用正向电流偏置或反向电压偏置，来分别改变无源波导的有效折射率或电吸收能力。

9.如权利要求1所述的制作方法，其中激光器脊波导结构为无源波导，其上的电极制作成高频电极结构，在预定的偏置电压下，将锁模脉冲的重频信号输出到电口，实现光生微波的应用。