CN106785884A - 一种具有梳状电流分布的半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有梳状电流分布的半导体激光器及其制作方法，其中半导体激光器包括衬底、金属接触层和欧姆接触层，所述衬底、金属接触层和欧姆接触层之一采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底与金属接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底与欧姆接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述金属接触层与欧姆接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底、金属接触层和欧姆接触层采用电阻梳状分布结构。本发明通过将激光器的金属接触区或者欧姆接触区制作为电阻梳状分布结构来实现具有增益‑折射率复合耦合光栅的半导体激光器。本发明可以不涉及二次外延工艺，简化了器件的制作难度，同时，还保留了增益耦合光栅半导体激光器的诸多优点。

Description

一种具有梳状电流分布的半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，具体涉及一种具有梳状电流分布的半导体激光器及其制作方法。

背景技术

分布式反馈(Distributed Feedback，DFB)半导体激光器(DFB-LD)与分布式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)半导体激光器(DBR-LD)均是由内含布拉格光栅来实现光的反馈。两者的区别在于光栅和有源区的位置不同。1972年科克尼克(H.Kogelnik)和香克(C.V.Shank)等人的理论分析中指出，在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合型(Index-Coupling)，另一种是增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的F-P腔激光器相比，DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。和DFB激光器相似，DBR激光器也是通过内含布拉格光栅来实现光的反馈的，易于与其它器件集成。

对于折射率耦合型DFB-LD而言，在与布拉格波长(与光栅周期的二分之一成整数倍关系)相对称的位置上存在着两个损耗相同且最低的模式。换言之，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射，单模成品率依赖于管芯腔面光栅的位相状况。当一个端面低反射率镀膜，令一个端面高反射率镀膜时，单模成品率在50％以上。中心引入λ/4相移光栅可以提高单模激射率，但是注入电流过大时易于在相移处形成烧孔效应，破坏了λ/4相移作用，使高功率工作时单模稳定性变差，线宽难以做得更窄。而引入CMP可以实现大功率，稳定单模输出，但是制作工艺复杂，成品率低。在制作工艺上，折射率耦合型DFB-LD在光栅制备后需要进行二次外延，二次外延和光栅制作工艺十分关键，影响到分布反馈激光器的性能。而增益耦合型DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个损耗为最低的模式，可以实现单模激射。增益耦合型DFB-LD具有单模成品率高，高的边模抑制比，受端而反射的影响较小，抗外部反馈能力强，纯增益耦合型可以在不增加阈值电流的前提下，将阈值增益差做得很大等优点。但是增益光栅的制作及光栅表面的再生长是其制作的难点，还容易在有源区引入大量的非辐射复合缺陷，影响到激光器的激射特性。增益折射率复合型DFB-LD具有两种耦合类型的优点，但是增益折射率复合型DFB-LD中两种耦合模式不易控制，通信中增益扰动，有源区周期性的吸收，易引起阈值电流的上升。DBR-LD虽然也能够单模工作，但它的单模工作稳定性比DFB-LD差，DBR-LD的反射率非常容易影响器件的性能，要想获得高性能的DBR-LD，就必须对耦合系数加以优化。从结构、工艺的角度来看，DBR-LD中的有源区和光栅区的材料是不同的，光栅区对有源区的激射波长是透明的。在实际器件中，两个波导是在不同的外延层中制作的。这意味着DBR-LD的制作工艺要难于DFB-LD的工艺。

综上所述，在内含布拉格光栅的半导体激光器在制作工艺上都存在一定的难度问题，折射率耦合型在光栅制备后好进行二次外延；增益耦合型的制作涉及有源区的加工，对器件的性能有较大影响；DBR-LD的制作工艺要难于DFB-LD的工艺。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有梳状电流分布的半导体激光器及其制作方法，技术方案如下。

一种具有梳状电流分布的半导体激光器，半导体激光器包括衬底、金属接触层和欧姆接触层，其中，所述衬底、金属接触层和欧姆接触层之一采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底与金属接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底与欧姆接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述金属接触层与欧姆接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底、金属接触层和欧姆接触层采用电阻梳状分布结构。

进一步地，所述半导体激光器还包括在所述衬底上依次设置的下限制层、下波导层、有源区、上波导层和上限制层和在所述衬底下设置的背电极层，以及在所述金属接触层上设置的上电极层；欧姆接触层设置在上限制层和金属接触层之间；其中，所述下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层构成外延结构。

进一步地，所述半导体激光器采用折射率导引结构或者增益导引结构。

进一步地，在所述衬底、下波导层或者上波导层制备光栅结构。

进一步地，所述外延结构还包括横模限制结构。

进一步地，所述电阻梳状分布结构的分布规律是全部电阻值呈梳状高低分布，或者是部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

进一步地，所述电阻梳状分布结构呈每个高电阻区面积大小均一，同时每个低电阻区面积大小均一的周期分布；或者呈各个高电阻区面积大小和各个低电阻区面积大小均不均一但有规律的分布。

进一步地，当所述欧姆接触层采用电阻梳状分布结构时，所述上限制层采用电阻梳状分布结构，其分布规律是上限制层的全部电阻值呈梳状高低分布，或者是上限制层的部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

进一步地，所述电阻梳状分布结构中，高低电阻区的占空比一致或者不一致。

一种制作如前中任一项所述的半导体激光器的方法，所述电阻梳状分布结构的制作方法为：

当所述金属接触层或欧姆接触层采用电阻梳状分布结构时，利用电子束曝光或全息光刻制备电阻梳状分布；

当所述衬底采用电阻梳状分布结构时，衬底经电子束曝光或全息光刻后通过掺杂制备高电阻区。

本发明的有益效果：本发明通过将激光器的金属接触区或者欧姆接触区制作为电阻梳状分布结构，这种电流的分布可以改变介电常数实部和虚部的大小和分布，实现具有增益-折射率复合耦合型的DFB-LD或DBR-LD。所述电阻梳状分布结构使注入的载流子浓度成梳状分布，进而形成增益和折射率的规律性变化。这种变化使本发明具有单模激射，高的边模抑制比，受端而反射的影响较小，抗外部反馈能力强，可以在不增加阈值电流的前提下，将阈值增益差做得很大等优点，同时还不会引入大量的非辐射复合缺陷。在制作工艺上，由于本发明的制作过程可以不涉及二次外延，从而降低了对制备工艺的要求，也降低了器件的制作难度。

附图说明

图1是本发明提出的一种具有梳状电流分布的半导体激光器的剖面结构示意图；

图2是本发明提出的半导体激光器中的电流分布示意图；

图3是本发明提出的一种具有梳状金属接触区的半导体激光器的结构示意图；

图4是本发明提出的一种具有梳状欧姆接触区的半导体激光器的结构示意图；

图5是本发明提出的一种具有部分梳状金属接触区的半导体激光器的结构示意图；

图6是本发明提出的一种具有部分梳状欧姆接触区的半导体激光器的结构示意图；

图7是本发明提出的一种衬底具有梳状电阻高低分布区的半导体激光器的结构示意图。

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，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员都知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明提出的一种具有梳状电流分布的半导体激光器，其组成结构如图1所示，包括衬底1009，还包括在衬底1009上依次设置的外延结构、金属接触层1002和上电极层1001，以及在衬底1009下设置的背电极层1010。其中外延结构包括从下往上依次设置的下限制层1008、下波导层1007、有源区1006、上波导层1005、上限制层1004和欧姆接触层1003。为表述方便，将背电极层1010、衬底1009、下限制层1008、下波导层1007、有源区1006、上波导层1005、上限制层1004统称为通用结构1011。

所述激光器可以采用脊波导结构或者掩埋异质结构等折射率导引结构，也可以采用增益导引结构。

所述衬底1009、下波导层1007或者上波导层1005可以制备光栅结构。

所述有源区1006可以是多量子点结构，也可以是多量子阱结构，还可以是这两种结构的混合。

所述外延结构还可以包括质子轰击区、阻挡层等横模限制结构。

所述欧姆接触层1003采用电阻梳状分布结构，其分布规律可以是欧姆接触层1003的全部电阻值呈梳状高低分布，也可以是欧姆接触层1003的部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。和/或所述金属接触层1002采用电阻梳状分布结构，其分布规律可以是金属接触层1002的全部电阻值呈梳状高低分布，也可以是金属接触层1002的部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

优选地，所述电阻梳状分布结构可以从欧姆接触层1003扩展到上限制层1004中，上限制层1004的电阻梳状分布结构的分布规律同欧姆接触层1003的电阻梳状分布结构的分布规律，可以是上限制层1004的全部电阻值呈梳状高低分布，也可以是上限制层1004的部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

优选地，所述衬底电阻1009的电阻值可以采用均匀分布结构，也可以采用电阻梳状分布结构，电阻梳状分布结构的分布规律可以是全部电阻值呈梳状高低分布，还可以是部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

电阻梳状分布结构中，可以是每个高电阻区面积大小均一，同时每个低电阻区面积大小均一的周期分布，或者是各个高电阻区面积大小和各个低电阻区面积大小不均一但有规律的分布，比如等差数列分布、啁啾光栅分布、取样光栅分布等。

电阻梳状分布结构中，高低电阻区的占空比可以是一致的，也可以是不一致的。

图2给出了半导体激光器中的电流分布示意图，从所述激光器的上电极层2001注入电流2012，电流2012经梳状接触层2023后在通用结构2011中为梳状分布。

半导体激光器的制作顺序一般是：

1)MOCVD生长外延结构；

2)制备导引结构：光刻后腐蚀制备脊波导结构，或者光刻腐蚀加二次外延制备掩埋异质结构，或者光刻腐蚀加杂质扩散制备掩埋异质结构，再或者质子轰击形成增益导引结构；

3)制备梳状接触层：利用电子束曝光(或全息光刻)结合扩散、刻蚀、离子束轰击等方式制备电阻梳状分布的金属接触层；或欧姆接触层，也可由欧姆接触层扩展至上限制层；或电阻梳状分布同时包括金属接触层和欧姆接触层，也可扩展至上限制层；

4)制备绝缘层；

5)制备上电极层1001和背电极层1010。

上述步骤先后顺序因不同导引结构类型的激光器可以改变。

下面结合附图对器件的具体设计制备方式进行描述。

实施例1

如图1和图3所示，半导体激光器的结构具体为：InP衬底1009上依次为1μm InP下限制层1008、100nm InGaAsP下波导层1007、多量子阱有源区1006、100nm InGaAsP上波导层1005、300nm InP上限制层1004、200nm的InGaAs欧姆接触层1003、Ti-Pt-Au金属接触层1002、上电极层1001，衬底1009之下为背电极层1010。

其中，多量子阱有源区1006以InGaAsP为量子阱，AlGaInAs或InGaAsP为势垒，量子阱层数为3-10层，量子阱层厚度为5-8nm，垒层厚度5-10nm，应变都为1.2％，中心激射波长在1.2um-1.7um范围(具体参数按设计不同而不同)。

金属接触层1002为梳状结构，周期约为200-260nm,，占空比为3:7～6:4。器件腔长300-500μm。采用脊波导结构，脊宽3-5μm。

本实施例中半导体激光器的制作流程为：

1)MOCVD生长外延结构，该外延结构包括：下限制层1008、下波导层1007、有源区1006、上波导层1005、上限制层1004和欧姆接触层1003；

2)光刻后腐蚀制备脊波导结构；

3)在欧姆接触层1003上氧化绝缘层制备；

4)电子束曝光(或全息光刻)并刻蚀部分氧化绝缘层制备后，形成梳状氧化绝缘区3025；

5)沉积Ti-Pt-Au，制备梳状金属接触区3024；梳状氧化绝缘区3025和梳状金属接触区3024构成金属接触层3002，如图3所示；

6)光刻后制备上电极层3001；

7)减薄后制备背电极层1010。

在本实施例中，金属接触层3002电阻为梳状分布结构，梳状结构覆盖整个金属接触层3002，如图3所示。

实施例2

本实施例如图4所示，其与实施例1的不同之处在于，实施例1中金属接触层3002电阻为梳状分布结构，本实施例中通用结构4011上的欧姆接触层4003包含高电阻区4027和低电阻区4026，电阻呈规律性梳状高低分布，金属接触层4002为电阻均匀分布。替代地，高电阻区4027也可以为氧化绝缘区。

本实施例中半导体激光器的制作流程为，

1)MOCVD生长外延结构包括：下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层、欧姆接触层4003；

2)电子束曝光(或全息光刻)后，扩散或者离子束轰击制备高电阻区4027；或者电子束曝光(或全息光刻)后刻蚀形成空间间隔区，经氧化绝缘层沉积后形成高电阻区4027；欧姆接触层4003的其余部分即为低电阻区4026；

3)光刻后腐蚀制备脊波导结构；

4)氧化绝缘层制备；

5)光刻并刻蚀部分氧化绝缘层制备后，形成金属接触区；

6)沉积Ti-Pt-Au，制备金属接触层4002；

7)光刻后制备上电极层4001；

8)减薄后制备背电极层。

实施例3

本实施例如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中梳状结构覆盖整个金属接触层3002，本实施例中金属接触层5002的一部分为梳状金属接触区5024和梳状氧化绝缘区5025组成的梳状金属接触区5023，另一部分为均一金属接触区5029。梳状金属接触区5023位于均一金属接触区5029一端(如图5所示)，或者梳状金属接触区5023位于均一金属接触区5029两端(未图示)。附图标记5011表示通用结构。

本实施例中半导体激光器的制作流程为：

1)MOCVD生长外延结构，该外延结构包括：下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层5003；

2)光刻后腐蚀制备脊波导结构；

3)在欧姆接触层上氧化绝缘层制备；

4)电子束曝光(或全息光刻)并刻蚀部分区域的部分氧化绝缘层制备后，形成梳状氧化绝缘区5025；

5)沉积Ti-Pt-Au，制备所述部分区域的梳状金属接触区5024；所述部分区域的梳状氧化绝缘区5025和梳状金属接触区5024构成金属接触层5002的梳状金属接触区5023，其余部分区域构成金属接触层5002的均一金属接触区5029，如图5所示；

6)光刻后制备上电极层5001；

7)减薄后制备背电极层。

实施例4

本实施例如图6所示，其与实施例2的不同之处在于，实施例2中整个欧姆接触层4003电阻呈规律性梳状高低分布，本实施例中欧姆接触层6003由电阻梳状分布区6030和电阻均一区6031组成，电阻梳状分布区6030位于电阻均一区6031一端(未图示)，或者电阻梳状分布区6030位于电阻均一区6031两端(如图6所示)。所述电阻梳状分布区6030由低电阻区6026和高电阻区或氧化绝缘区6027构成。

本实施例中半导体激光器的制作流程为，

1)MOCVD生长外延结构包括：下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层、欧姆接触层6003；

2)电子束曝光(或全息光刻)后，扩散或者离子束轰击制备高电阻区6027；或者电子束曝光(或全息光刻)后刻蚀形成空间间隔区，经氧化绝缘层沉积后形成高电阻区6027；欧姆接触层6003的其余部分即为低电阻区6026；

3)光刻后腐蚀制备脊波导结构；

4)氧化绝缘层制备；

5)光刻并刻蚀部分氧化绝缘层制备后，形成金属接触区；

6)沉积Ti-Pt-Au，制备金属接触层6002；

7)光刻后制备上电极层6001；

8)减薄后制备背电极层。

实施例5

本实施例与实施例1-4的不同之处在于，实施例1-4中通用结构中不含光栅，本实施例中通用结构中制备光栅结构，光栅结构制备的位置可以是在衬底1009，也可以是上波导层1005或下波导层1007(如图1所示)。

本实施例半导体激光器的制备方法与实施例1-4的制备方法不同之处在于，本实施例中在实施例1-4的制作流程的第1)步前在衬底1009制备了光栅结构，或者在制作流程的第1)步中加入在上波导层1005或下波导层1007中制备光栅结构的步骤并进行二次外延。

实施例6

本实施例与实施例1-4的不同之处在于，实施例1-4中通用结构中衬底电阻均匀分布，本实施例中通用结构7011中衬底7009的电阻也呈梳状分布有高电阻区7027和低电阻区7026。当衬底7009采用本实施例的结构时，金属接触层7002的电阻可以采用实施例1(图图3)或实施例3(如图5)的结构，也可以采用实施例2(如图4)或实施例4(如图6)的均一结构；欧姆接触层7003的电阻可以采用实施例1(图图3)或实施例3(如图5)的均一结构，也可以采用实施例2(如图4)或实施例4(如图6)的结构。图7给出了金属接触层7002的电阻采用图3所示的梳状分布结构，欧姆接触层7003的电阻采用图3所示的均一结构的示例，其中金属接触层7002的高电阻区7027和低电阻区7026的位置与衬底7009的高电阻区7027和低电阻区7026的位置对应一致。

本实施例的制备方法同实施例1-4的不同之处在于，本实施例中在实施例1-4的制作流程的第1)步前在衬底7009上光刻后通过掺杂制备高电阻区7027，根据金属接触层7002和欧姆接触层7003电阻是否有梳状分布，在制作流程中保留或者舍弃相对应的制作步骤。

实施例7

本实施例与实施例1-4的不同之处在于，梳状接触层2023包括欧姆接触层和金属接触层，可参考图2所示结构。欧姆接触层和金属接触层的电阻梳状分布规律相同。

本实施例中半导体激光器的制作流程为：

1)MOCVD生长外延结构，该外延结构包括：下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层；

2)光刻后腐蚀制备脊波导结构；

3)氧化绝缘层制备；

4)电子束曝光(或全息光刻)后，扩散或者离子束轰击制备高电阻区；或者电子束曝光(或全息光刻)后刻蚀形成空间间隔区，经氧化绝缘层沉积后形成高电阻区；欧姆接触层的其余部分即为低电阻区；

5)沉积Ti-Pt-Au，制备梳状接触区2023；梳状氧化绝缘区和梳状金属接触区构成梳状接触区2023；

6)光刻后制备上电极层；

7)减薄后制备背电极层。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。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 (10)

1.一种具有梳状电流分布的半导体激光器，其特征在于，半导体激光器包括衬底、金属接触层和欧姆接触层，其中，所述衬底、金属接触层和欧姆接触层之一采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底与金属接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底与欧姆接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述金属接触层与欧姆接触层采用电阻梳状分布结构，或者所述衬底、金属接触层和欧姆接触层采用电阻梳状分布结构。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器还包括在所述衬底上依次设置的下限制层、下波导层、有源区、上波导层和上限制层和在所述衬底下设置的背电极层，以及在所述金属接触层上设置的上电极层；欧姆接触层设置在上限制层和金属接触层之间；其中，所述下限制层、下波导层、有源区、上波导层、上限制层和欧姆接触层构成外延结构。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器采用折射率导引结构或者增益导引结构。

4.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，在所述衬底、下波导层或者上波导层制备光栅结构。

5.根据权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述外延结构还包括横模限制结构。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述电阻梳状分布结构的分布规律是全部电阻值呈梳状高低分布，或者是部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述电阻梳状分布结构呈每个高电阻区面积大小均一，同时每个低电阻区面积大小均一的周期分布；或者呈各个高电阻区面积大小和各个低电阻区面积大小均不均一但有规律的分布。

8.根据权利要求2-5中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，当所述欧姆接触层采用电阻梳状分布结构时，所述上限制层采用电阻梳状分布结构，其分布规律是上限制层的全部电阻值呈梳状高低分布，或者是上限制层的部分区域电阻值呈梳状高低分布，其他区域电阻值呈均一分布。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述电阻梳状分布结构中，高低电阻区的占空比一致或者不一致。

10.一种制作如权利要求1-9中任一项所述的半导体激光器的方法，其特征在于，所述电阻梳状分布结构的制作方法为：

当所述金属接触层和/或欧姆接触层采用电阻梳状分布结构时，利用电子束曝光或全息光刻制备电阻梳状分布；

当所述衬底采用电阻梳状分布结构时，衬底经电子束曝光或全息光刻后通过掺杂制备高电阻区。