CN106532433A - 一种窄垂直方向远场发散角的激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种该激光器的外延结构包括InP衬底，在InP衬底上由下向上依次沉积有缓冲层、N型外限制层、N型内限制层、非掺杂的折射率渐变的波导层、量子阱有源区、非掺杂的折射率渐变的波导层、P型内限制层、P型外限制层、腐蚀阻挡层、P型包层、P型势垒渐变层、P型势垒激变层、P形欧姆接触层,量子阱有源区量子阱对数不小于6对；量子阱为应变的量子阱结构，阱为压应变，垒为张应变；量子阱结构垒的厚度不小于10nm；N型内限制层为张应变结构层，N型内限制层采用AlInAs材料。该激光器可降低半导体激光器的垂直方向的远场发散角，提高激光器与光纤的耦合效率。

Description

一种窄垂直方向远场发散角的激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，特别涉及一种窄垂直方向远场发散角的激光器以及这种激光器的制备方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、阈值低、寿命长、能与硅集成电路兼容等特点，是光通信、光互联、光计算等光电集成电路的主要光源。在这些应用中，半导体激光器发出的光往往需要采用光纤作为传输介质，要求激光器与光纤之间具有较高的耦合效率，但传统的半导体激光器采用多量子结构作为有源层，光腔的宽度往往只有数百纳米，垂直远场光发射角约为32-45°，远大于平行于结方向水平发散角(约20°),光衍射作用导致垂直方向远场发散角较大，而在平行于结的方向，由于对光场的限制作用较小(以最常见的脊波导半导体激光器为例，其水平方向的光场大小一般为2um)，因此，水平方向远场发散角较小，这样会导致半导体激光器的远场光斑呈椭圆形。而光纤的直径是圆形的，当激光器的光通过光纤传输时，就会导致激光器与光纤的耦合效率下降。
中国发明专利(公开号：CN104466675A)公开了一种窄发散角脊波导半导体激光器，该半导体激光器插入N型InGaAsP材料作为扩展波导层，该层有较高的折射率，其目的是使光场从主波导中能够扩展一部分到该区域中，起到扩展近场光斑的作用，从而减小激光器的远场发散角。中国发明专利(公开号：CN104300365A)公开了一种同时降低发散角和阈值电流的激光器的制备方法，该方案在波导层和限制层之间引入非对称掺杂的低折射率层。低折射率层的引入是在量子阱有源区附近引入反波导作用，这与有源区和波导层共同作用调节光场在激光器中的分布，进而改变有源区的光学限制因子，最终影响激光器的阈值电流和垂直发散角。上述两种方案是在低折射率的波导层中插入高折射率的波导层、或者在波导层与限制层之间改入非对称掺杂的低折射率层。但异质外延层的引入不但会增加载流子注入的势垒，还会引入寄生电容，影响半导体激光器的阈值、功率与频谱响应曲线等，因此改进效果并不理想。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低垂直远场发散角激光器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于，该激光器的外延结构包括InP衬底，在所述InP衬底上由下向上依次沉积有缓冲层、N型外限制层、N型内限制层、非掺杂的折射率渐变的波导层、量子阱有源区、非掺杂的折射率渐变的波导层、P型内限制层、P型外限制层、腐蚀阻挡层、P型包层、P型势垒渐变层、P型势垒激变层、P形欧姆接触层,所述的量子阱有源区量子阱为应变量子阱结构；所述的N型内限制层为张应变结构层，所述N型内限制层采用AlInAs材料。
优选的，所述的应变量子阱结构的阱层为压应变，所述的应变量子阱结构的垒层为张应变。
优选的，所述量子阱结构阱层的压应变为0.8％-1.2％,阱层的厚度为5-8nm。
优选的，所述量子阱结构垒层的张应变为0.4％-0.8％,垒层的厚度为10-15nm。
优选的，所述应变量子阱结构的量子阱对数为6-9对。
优选的，所述N型内限制层的厚度为30-60nm。
优选的，所述N型外限制层的厚度为2-4um。所述N型外限制层(3)采用渐变掺杂，掺杂浓度从3E18cm-3降低到1E18cm-3。
优选的，所述N型内限制层采用的AlInAs材料为AlxIn(1-x)As材料，其Al组分X的范围为0.44-0.478。其特征在于：所述N型内限制层与InP衬底的晶格不匹配，相对于InP衬底有0.1-0.5％的张应变。
本发明还公开了一种窄垂直方向远场发散角的激光器的制备方法，其包括如下步骤：1)以InP作为生长衬底，在InP衬底上依次生长N-InP缓冲层，N-InP外限制层，N-AlInAs限制层、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层、6个周期的AlGaInAs量子阱、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层、非掺杂的AlInAs限制层、P-InP外限制层、波长为1100nm的InGaAsP腐蚀阻挡层、InP包层以及波长为1300nm的InGaAsP势垒过渡层，波长为1500nm的InGaAsP势垒过渡层，以及InGaAs欧姆接触层，形成完整的FP激光器的外延结构；2)采用光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构；3)脊波导结构上蒸镀正面电极，并将InP衬底减薄，在减薄的InP衬底背面蒸镀背面电极；4)在激光器管芯两端蒸镀一定反射薄膜率的薄膜。
优选的，InP生长衬底的电导率范围为2E18cm-2至8E18cm-2，其生长衬底放入到的MOCVD系统中生长，MOCVD系统中反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、二乙基锌(DeZn)、硅烷(SiH4)、砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)为反应源气体。
如上所述，本窄垂直方向远场发散角的激光器及其制备方法的具有以下有益效果：该激光器增加了MQW(量子阱结构)有源区的厚度，可有效增加光腔体积，降低垂直远光发散角；该激光器的N型内限制层为张应变结构层，采用AlInAs材料，随着AlxIn(1-x)As材料的Al组分降低，其折射率相应增加，使光在限制层中的衰减变小，从而使更多的光能拓展到外限制层InP中，从而降低垂直方向的远场发散角，这种激光器不增加扩展波导层，通过应变来拓展垂直方向的光场，降低了半导体激光器的垂直方向的远场发散角，提高激光器与光纤的耦合效率。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例激光器远场发散角的曲线图。
元件标号说明
1、InP衬底；2、缓冲层；3、N型外限制层；4、N型内限制层；5、非掺杂的折射率渐变的波导层；6、量子阱有源区；7、非掺杂的折射率渐变的波导层；8、P型内限制层；9、P型外限制层；10、腐蚀阻挡层；11、P型包层；12、P型势垒渐变层；13、P型势垒激变层；14、P形欧姆接触层。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1、2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种窄垂直方向远场发散角的激光器，该激光器的外延结构包括InP衬底1，在InP衬底1上由下向上依次沉积生长有缓冲层2、N型外限制层3、N型内限制层4、非掺杂的折射率渐变的波导层5、量子阱有源区6、非掺杂的折射率渐变的波导层7、P型内限制层8、P型外限制层9、腐蚀阻挡层10、P型包层11、P型势垒渐变层12、P型势垒激变层13和P形欧姆接触层14。其中N型内限制层4为张应变结构层，也就是说N型内限制层4与InP衬底1的晶格不匹配，相对于InP衬底1有张应变，张应变的范围为0.1-0.5％。
量子阱有源区量子阱7为应变量子阱结构。应变量子阱结构的阱层为压应变，应变量子阱结构的垒层为张应变。量子阱结构阱层的压应变为0.8％-1.2％,厚度为5-8nm，量子阱结构垒层的张应变为0.4％-0.8％,厚度为10-15nm。应变量子阱结构的量子阱对数为6-9对。通过增加了MQW(量子阱结构)有源区的厚度，可有效增加光腔体积，降低垂直远光发散角。
N型内限制层4采用AlInAs材料，具体采用AlxIn(1-x)As材料，其中X表示Al的组分，X的范围在0.44-0.478之间。N型内限制层4与InP衬底1的晶格不匹配，InP衬底的晶格常数为0.58688nm,而N型内限制层4的晶格常数随AlxIn(1-x)As中Al组分不同而不同，其晶格常数与Al组分x的关系为：a＝0.56614+0.039698x，当x＝0.522时，N型内限制层4的晶格常数与InP衬底1匹配。当x＝0.478时，a＝0.58512,N型内限制层4的晶格常数与InP衬底1匹配。当AlxIn(1-x)As的Al组分降低0.468时，其晶格常数a＝0.58472nm,与InP衬底1的晶格失配度：mismatch＝(aepi-asub)/asub＝(0.58688-0.58472)/0.58688＝0.368％。由此可见随着Al组分的减小，N型内限制层4的晶格常数与InP衬底1的晶格失配度会逐渐变大，张应变也会相应变大。
N型内限制层4的中AlxIn(1-x)As的禁带宽度与Al组分x的关系为：Eg＝0.24x2+2.35x+0.36，当x＝0.478时，AlxIn(1-x)As的禁带宽度为1.537eV。由于半导体折射率在不同波长下与其禁带宽度呈反相关的关系(Eg*n4＝常数)，因此，若使Al组分x＝0.468，即AlxIn(1-x)As的Al组分降低0.01，此时，AlxIn(1-x)As的禁带宽度减小到1.512eV，AlxIn(1-x)As的折射率会相应增加。由于光子在波导层中的衰减速率取决于波导层与内限制层的折射率差，差值越大，光在限制层中衰减越快。也就是说AlxIn(1-x)As的Al组分降低，张应变也会相应变大，禁带宽度减小，其折射率相应增加，使光在限制层中的衰减变小，从而使更多的光能拓展到外限制层InP中，从而降低垂直方向的远场发散角。
但随着张应变的变大，AlInAs的厚度应相应变小，不然会产生穿透位错影响到有源区的材料质量。当N型内限制层4的厚度为20-80nm，不会超过其临界厚度，优选，N型内限制层4的厚度为30-60nm。
此外，为了进一步减小垂直方向远场发散角，本发明N-InP外限制层3的厚度增加到2-4um，进一步拓展垂直方向光场的宽度。当InP外限制层厚度3增加后，为了不影响激光器的串联电阻和阈值电流，本发明在InP外限制层3中采用渐变掺杂，掺杂浓度从3E18cm-3降低到1E18cm-3。
该窄垂直方向远场发散角的激光器不需要插入层，降低寄生电容与串联电阻；采用张应变的AlInAs,提高限制层的折射率，降低光在限制层中的衰减，让光场拓展到外限制层；外限制层厚度增加，进一步拓展垂直方向光场的宽度；通过这些改进，获得的激光器垂直方向远场发散角减小。
该窄垂直方向远场发散角的激光器在制备时以电导率为2-8E18cm-2的InP作为生长衬底，放入到Aixtron公司的MOCVD系统中生长。反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、二乙基锌(DEZn)、硅烷(SiH4)、砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)等为反应源气体，依次生长N-InP缓冲层，N-InP外限制层，N-AlInAs限制层、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层、6个周期的AlGaInAs量子阱、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层、非掺杂的AlInAs限制层、P-InP外限制层、波长为1100nm的InGaAsP腐蚀阻挡层、InP包层以及波长为1300nm的InGaAsP势垒过渡层，波长为1500nm的InGaAsP势垒过渡层，以及InGaAs欧姆接触层等，即形成完整的FP激光器的外延结构。外延结构生长完成后，可利用公知的光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构，然后在脊波导结构上蒸镀正面电极，并将InP衬底减薄，在减薄的InP衬底背面蒸镀背面电极；在管芯两端蒸镀一定反射薄膜率的薄膜，即完成窄垂直远场发散角激光器的制作。
该激光器的N型内限制层为张应变结构层，采用AlInAs材料，随着AlxIn(1-x)As材料的Al组分降低，其折射率相应增加，使光在限制层中的衰减变小，从而使更多的光能拓展到外限制层InP中，从而降低垂直方向的远场发散角，这种激光器不增加扩展波导层，通过应变来拓展垂直方向的光场，降低了半导体激光器的垂直方向的远场发散角，提高激光器与光纤的耦合效率。如图2所示，激光器垂直方向的远场发散明显减小(下面一条曲线为限制层增加应变层后激光器的远场光发散角曲线，上面一条曲线为常规激光器的远场光发散角曲线)。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于，该激光器的外延结构包括InP衬底(1)，在所述InP衬底(1)上由下向上依次沉积有缓冲层(2)、N型外限制层(3)、N型内限制层(4)、非掺杂的折射率渐变的波导层(5)、量子阱有源区(6)、非掺杂的折射率渐变的波导层(7)、P型内限制层(8)、P型外限制层(9)、腐蚀阻挡层(10)、P型包层(11)、P型势垒渐变层(12)、P型势垒激变层(13)、P形欧姆接触层(14),所述的量子阱有源区量子阱(7)为应变量子阱结构；所述的N型内限制层(4)为张应变结构层，所述N型内限制层(4)采用AlInAs材料。
2.根据权利要求1所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述应变量子阱结构的阱层为压应变，所述的应变量子阱结构的垒层为张应变。
3.根据权利要求2所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述量子阱结构阱层的压应变为0.8％-1.2％,阱层的厚度为5-8nm。
4.根据权利要求2所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述量子阱结构垒层的张应变为0.4％-0.8％,垒层的厚度为10-15nm。
5.根据权利要求1所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述应变量子阱结构的量子阱对数为6-9对。
6.根据权利要求1所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述N型内限制层(4)的厚度为30-60nm。
7.根据权利要求1所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述N型外限制层(3)的厚度为2-4um，所述N型外限制层(3)采用渐变掺杂，掺杂浓度从3E18cm-3降低到1E18cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种窄垂直方向远场发散角的激光器，其特征在于：所述N型内限制层(4)采用的AlInAs材料为AlxIn(1-x)As材料，其Al组分X的范围为0.44-0.478。其特征在于：所述N型内限制层(4)与InP衬底(1)的晶格不匹配，相对于InP衬底(1)有0.1-0.5％的张应变。
9.一种窄垂直方向远场发散角的激光器的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1)以InP作为生长衬底，在InP衬底上依次生长N-InP缓冲层，N-InP外限制层，N-AlInAs限制层、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层、6个周期的AlGaInAs量子阱、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层、非掺杂的AlInAs限制层、P-InP外限制层、波长为1100nm的InGaAsP腐蚀阻挡层、InP包层以及波长为1300nm的InGaAsP势垒过渡层，波长为1500nm的InGaAsP势垒过渡层，以及InGaAs欧姆接触层，形成完整的FP激光器的外延结构；
2)采用光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构；
3)脊波导结构上蒸镀正面电极，并将InP衬底减薄，在减薄的InP衬底背面蒸镀背面电极；
4)在激光器管芯两端蒸镀一定反射薄膜率的薄膜。
10.根据权利要求8所述的窄垂直方向远场发散角的激光器的制备方法，其特征在于：InP生长衬底的电导率范围为2E18cm-2至8E18cm-2，其生长衬底放入到的MOCVD系统中生长，MOCVD系统中反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以H2为载气，三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、二乙基锌(DeZn)、硅烷(SiH4)、砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)为反应源气体。
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