CN107706738B - 分布反馈半导体激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布反馈（DFB）半导体激光器。所述DFB半导体激光器包括光栅和输出光端面，该光栅位于条状波导的欧姆接触层和波导上限制层两侧，由周期性的半导体和绝缘材料构成；所述输出光端面为刻蚀形成的垂直于衬底表面的端面，所述DFB半导体激光器无需解离就可以进行端面镀膜。本发明还涉及上述DFB半导体激光器的制备方法，所述DFB半导体激光器在整个制备方法中只需要一次外延，通过刻蚀波导两侧的欧姆接触层和上限制层、并填充绝缘材料实现所述DFB半导体激光器的光栅，通过刻蚀波导两端的上限制层、有源层、下限制层和一部分衬底以及整个晶片镀膜实现DFB半导体激光器的输出光端面。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器及其制备方法，尤其涉及一种分布反馈（DFB）半导体激光器及其制备方法。
背景技术
DFB半导体激光器是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，光栅分布在整个谐振腔中，利用光栅的选频特性对纵模进行选择，光波获得增益同时得到反馈。再加上横模结构的限制，从而实现纵模和横模的完全单模。由于光栅的选频特性，不同波长的激光的谐振腔损耗差别较大，因此在高速调制的情况下仍能保持完全单模状态，即动态单模。
目前，人们普遍采用内置光栅的结构、多次外延的方法制作DFB半导体激光器。所谓外延，指的是利用晶体生长动力学原理在衬底晶体上按照其晶格生长单晶薄膜的过程。在光电子材料中常用的外延方法主要有液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）以及金属有机化合物化学气相外延（MOVPE）等技术。传统的DFB半导体激光器，在制作光栅之前，首先在衬底上外延生长一次（一次外延）；光栅制作完毕之后再进行至少一次的外延（二次外延）；外延结束以后，再经过其它后部工艺，才能制作出DFB半导体激光器。外延工艺需要耗费大量原材料，加之设备昂贵，所以此工序成本较高。而且，由于外延的加热作用会使光栅变形，为保证光栅质量，需要对二次外延提出更加苛刻的工艺要求，二次外延的制作成本比一次外延更高。因此，高昂的制作成本，成为阻碍DFB半导体激光器应用的主要原因。为此，人们提出表面光栅的方法，即在激光器各层结构外延生长以后，在表面直接刻蚀光栅以实现单纵模。表面光栅DFB半导体激光器只需要一次外延，能有效降低制作成本，在未来的光纤通讯网络具有广泛的应用前景。
然而，由于表面光栅距离有源层相对较远，纵模选择能力相对较弱。另外，DFB半导体激光器的两个输出端面会形成等效的Fabry–Pérot （FP）纵模，即使在纵模选择能力相对较强的传统DFB半导体激光器，为抑制FP模式，往往需要将DFB半导体激光器从衬底解理成多个长度为几百微米的激光器列，然后每列激光器装载到特殊的样品夹具上，放入真空镀膜设备对DFB半导体激光器端面镀光学膜。这种方式，不仅生产效率低下，而且，由于在镀抗反射膜之前已经将DFB半导体激光器从衬底解理开，该DFB半导体激光器制作完成以后已经是一个单独的分立器件，难以进行进一步的单片光子集成。而FP模式的干扰问题，对于纵模选择能力较弱表面光栅DFB半导体激光器尤为严重。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种只需一次外延、且可以在无需解离衬底的情况下有效抑制端面FP模式的DFB半导体激光器及其制备方法。
一种DFB半导体激光器，所述DFB半导体激光器含有光栅和两个端面，所述光栅为表面光栅，所述端面为刻蚀形成的端面。所述光栅位于条状波导的欧姆接触层和波导上限制层的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导。电流可以从所述光栅的半导体区域注入，而不从绝缘填充区域注入，形成含有增益耦合机制的表面光栅。所述DFB半导体激光器的刻蚀端面与衬底表面垂直。所述DFB半导体激光器的两个端面，可以在无需解离衬底的情况下镀抗反射膜。所述DFB半导体激光器的一个端面，可以在无需解离衬底的情况下镀抗反射膜；所述DFB半导体激光器的另一个端面，可以在无需解离衬底的情况下镀高反射膜。所述DFB半导体激光器的一个端面为对称的渐变尖锥面，该端面的对称轴和DFB半导体激光器的波导方向平行；所述DFB半导体激光器的另一个端面为平面，该平面与DFB半导体激光器的波导方向垂直。所述DFB半导体激光器的p、n电极为共面电极。
一种DFB半导体激光器的制备方法，所述DFB半导体激光器在整个制备方法中只需要一次外延，通过刻蚀欧姆接触层和波导上限制层、以及填充绝缘材料来实现所述DFB半导体激光器的表面光栅，通过刻蚀形成所述DFB半导体激光器的两个端面。所述的制备方法，可以在无需解离衬底的情况下，对DFB半导体激光器两个端面进行光学镀膜。
与现有技术相比，本发明提供的同时具有表面光栅和刻蚀端面的DFB半导体激光器，巧妙地解决了内置光栅DFB需要多次外延、而表面光栅纵模选择能力相对较弱、难以有效抑制FP模式、并且DFB半导体激光器都需要在解离后才能进行端面镀膜等诸多困难，兼有只需一次外延、在无需解离激光器的情况下对端面进行镀膜、便于单片光子集成、抑制FP模式等优点。
附图说明
图1为本发明提供的DFB半导体激光器的立体结构示意图。
图2为图1的剖面结构示意图。
图3为绝缘填充体、波导上限制层以及欧姆接触层组成的整体结构的结构示意图。
主要元件符号说明
| DFB半导体激光器 | 100 |
| 衬底 | 10 |
| 缓冲层 | 20 |
| 第一缓冲层部分 | 22 |
| 第二缓冲层部分 | 24 |
| 下波导层 | 30 |
| 第一下波导层部分 | 32 |
| 第二下波导层部分 | 34 |
| 有源层 | 40 |
| 第一有源层部分 | 42 |
| 第二有源层部分 | 44 |
| 上波导层 | 50 |
| 第一上波导层部分 | 52 |
| 第二上波导层部分 | 54 |
| 波导上限制层 | 60 |
| 第一波导上限制层部分 | 62 |
| 第二波导上限制层部分 | 64 |
| 欧姆接触层 | 70 |
| 第一欧姆接触层部分 | 72 |
| 第二欧姆接触层部分 | 74 |
| 绝缘填充体 | 80 |
| SiN<sub>x</sub>层 | 82 |
| 聚酰亚胺层 | 84 |
| 第一表面 | 840 |
| 第二表面 | 842 |
| 第三表面 | 844 |
| 第四表面 | 846 |
| p型电极 | 90 |
| n型电极 | 92 |
| 基底 | 120 |
| 光栅 | 130 |
| 第一端面 | 140 |
| 第二端面 | 150 |
| 介质层 | 160 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的DFB半导体激光器作进一步的详细说明。
请参见图1和图2，本发明提供一种DFB半导体激光器100，该DFB半导体激光器100包括一衬底10、一缓冲层20、一下波导层30、一有源层40、一上波导层50、一波导上限制层60、一欧姆接触层70和多个绝缘填充体80。所述衬底10具有一上表面和一与该上表面相对的下表面，所述缓冲层20、下波导层30、有源层40、上波导层50、波导上限制层60和欧姆接触层70依次层叠设置于所述衬底10的上表面。所述衬底10的材料为n型InP或者n型GaAs。
所述缓冲层20由第一缓冲层部分22和第二缓冲层部分24组成，该第一缓冲层部分22和第二缓冲层部分24位于同一平面且形成连续的所述缓冲层20。所述第一缓冲层部分22具有相对的两个表面，该相对的两个表面的形状为对称的渐变尖锥曲面，且该相对的两个表面垂直于所述衬底10的上表面。所述第二缓冲层部分24具有一垂直于所述衬底10上表面的平面。所述第二缓冲层部分24的平面与所述第一缓冲层部分22的渐变尖锥曲面的尖端相对设置。所述缓冲层20的材料为n型InP或n型GaAs，所述n型InP的掺杂浓度约1×1018cm-3，所述n型GaAs的掺杂浓度约1×1018cm-3。
所述下波导层30由第一下波导层部分32和第二下波导层部分34组成，该第一下波导层部分32和第二下波导层部分34位于同一平面且形成连续的所述下波导层30。所述第一下波导层部分32具有相对的两个表面，该相对的两个表面的形状为对称的渐变尖锥曲面，且该相对的两个表面垂直于所述衬底10的上表面。所述第二下波导层部分34具有一垂直于所述衬底10上表面的平面。所述第二下波导层部分34的平面与所述第一下波导层部分32的渐变尖锥曲面的尖端相对设置。所述下波导层30的材料为非掺杂晶格匹配InGaAsP或者非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs。
所述有源层40由第一有源层部分42和第二有源层部分44组成，该第一有源层部分42和第二有源层部分44位于同一平面且形成连续的所述有源层40。所述第一有源层部分42具有相对的两个表面，该相对的两个表面的形状为对称的渐变尖锥曲面，且该相对的两个表面垂直于所述衬底10的上表面。所述第二有源层部分44具有一垂直于所述衬底10上表面的平面。所述第二有源层部分44的平面与所述第一有源层部分42的渐变尖锥曲面的尖端相对设置。所述有源层40的材料为InGaAsP有源层40多量子阱、非掺杂应变AlGaInAs多量子阱有源层40、或者非掺杂应变GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源层40。
所述上波导层50由第一上波导层部分52和第二上波导层部分54组成，该第一上波导层部分52和第二上波导层部分54位于同一平面且形成连续的所述上波导层50。所述第一上波导层部分52具有相对的两个表面，该相对的两个表面的形状为对称的渐变尖锥曲面，且该相对的两个表面垂直于所述衬底10的上表面。所述第二上波导层部分54具有一垂直于所述衬底10上表面的平面。所述第二上波导层部分54的平面与所述第一上波导层部分52的渐变尖锥曲面的尖端相对设置。所述上波导层50的材料为非掺杂型晶格匹配InGaAsP或者非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs。
所述波导上限制层60由第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64组成，该第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64位于同一平面。所述第一波导上限制层部分62具有相对的两个表面，该相对的两个表面的形状为对称的渐变尖锥曲面，且该相对的两个表面垂直于所述衬底10的上表面。所述第二波导上限制层部分64具有多个第一开口，该多个第一开口间隔设置在所述第二波导上限制层部分64相对的两侧，且该第二波导上限制层部分64相对两侧的第一开口一一对应。所述第二波导上限制层部分64具有一垂直于所述衬底10上表面的平面，该平面与所述第一波导上限制层部分62的渐变尖锥曲面的尖端相对设置，且该平面为所述波导上限制层60的一端面。所述波导上限制层60的材料为p型InP或者p型Ga1-xAlxAs，所述p型InP的掺杂浓度为1×1017cm-3至1×1018cm-3，所述p型Ga1-xAlxAs的掺杂浓度约5(1017cm-3。
所述欧姆接触层70由第一欧姆接触层部分72和第二欧姆接触层部分74组成，该第一欧姆接触层部分72和第二欧姆接触层部分74位于同一平面。所述第一欧姆接触层部分72具有相对的两个表面，该相对的两个表面的形状为对称的渐变尖锥曲面，且该相对的两个表面垂直于所述衬底10的上表面。所述第二欧姆接触层部分74具有多个第二开口，该多个第二开口间隔设置在所述第二欧姆接触层部分74相对的两侧，且该第二欧姆接触层部分74相对两侧的第二开口一一对应。所述第二欧姆接触层部分74具有一垂直于所述衬底10上表面的平面，该平面与所述第一欧姆接触层部分72的渐变尖锥曲面的尖端相对设置，且该平面为所述欧姆接触层70的一端面。所述欧姆接触层70的材料为p型InGaAs或者p型 GaAs，所述p型InGaAs的掺杂浓度约1×1019cm-3，所述p型GaAs的掺杂浓度约1(1019cm-3。
所述第一缓冲层部分22、第一下波导层部分32、第一有源层部分42、第一上波导层部分52、第一波导上限制层部分62和第一欧姆接触层部分72的形状相同，依次层叠在一起。所述第二波导上限制层部分64和第二欧姆接触层部分74的形状相同，也即，所述多个第一开口和多个第二开口一一对应层叠设置，且第一开口和第二开口的尺寸相同。所述绝缘填充体80设置于或者填充于所述多个第一开口和多个第二开口处。所述波导上限制层60、欧姆接触层70和绝缘填充体80共同形成所述DFB半导体激光器100的光栅130，该光栅130为表面光栅130。所述绝缘填充体80的宽度与所述第一开口和第二开口的宽度相等，为200nm；所述波导上限制层60和欧姆接触层70的总高度为2μm，因此所述光栅130具有较高的深宽比。
请参见图3，所述绝缘填充体80由SiNx层82和聚酰亚胺层84组成。该聚酰亚胺层84具有相对的第一表面840和第二表面842，以及相对的第三表面844和第四表面846，其中，所述第一表面840暴露出来。一SiNx层82位于所述聚酰亚胺的第二表面842和所述上波导层50之间。一SiNx层82位于层叠设置的波导上限制层60和欧姆接触层70，以及聚酰亚胺的第三表面844之间。一SiNx层82位于层叠设置的波导上限制层60和欧姆接触层70，以及聚酰亚胺的第四表面846之间。所述SiNx层82的材料为SiNx，所述聚酰亚胺层84的材料为聚酰亚胺。
所述对称的渐变尖锥曲面的对称轴和DFB半导体激光器的波导方向平行，而且所述对称的渐变尖锥曲面的对称轴平行于所述衬底10的上表面。也即，所述衬底具有一平行于DFB半导体激光器100的波导方向的上表面。所述平面与波导方向和衬底10上表面垂直，所述渐变尖锥曲面可以在无需解离的情况下镀抗反射膜，所述平面可以在无需解离的情况下镀高反射膜。因此，所述DFB半导体激光器100可以在无需解离的情况下镀抗反射膜，可以实现单片光子集成。
进一步，所述DFB半导体激光器100包括一p型电极90和一n型电极92，该n型电极92与所述衬底10电连接，p型电极90与所述欧姆接触层70电连接。所述p型电极90和n型电极92的设置方式不限，比如，所述n型电极92可以设置于衬底10的下表面；也可以将缓冲层20、下波导层30、有源层40、上波导层50、波导上限制层60和欧姆接触层70部分刻蚀，以便将衬底10的部分上表面暴露，然后将n型电极92设置该衬底10的上表面。本实施例中，所述p型电极90和n型电极92位于所述衬底10的上表面，并且位于所述光栅130的两侧。
可以理解，所述DFB半导体激光器100还可以包括一波导下限制层、该波导下限制层位于所述缓冲层20和下波导层30之间。
可以理解，所述DFB半导体激光器100中的波导上限制层60可以分为波导上限制层60I和波导上限制层60II两层，并且，一脊波导腐蚀停止层位于波导上限制层60I和波导上限制层60II之间。
所述DFB半导体激光器100可以为波长为1550nm的InGaAsP/InPDFB半导体激光器100、波长为1310nm的AlGaInAs/InP DFB半导体激光器100和波长为850nm的GaAlAs/GaAsDFB半导体激光器100。
具体的，在所述波长为1550nm的InGaAsP/InPDFB半导体激光器100中，所述缓冲层20的材料为n型InP，厚度为160nm，掺杂浓度为1×1018cm-3。所述下波导层30的材料为非掺杂晶格匹配InGaAsP，厚度为80nm，光荧光波长为1150nm。所述有源层40为InGaAsP有源层40多量子阱，10对量子阱，阱宽为10nm，0.7%压应变，光荧光波长为1550nm，垒宽为10nm，晶格匹配材料的光荧光波长为1200nm。所述上波导层50的材料为非掺杂型晶格匹配InGaAsP，厚度为100nm，光荧光波长为1150nm。所述波导上限制层60的材料为p型InP，厚度为1500nm，掺杂浓度为3×1017cm-3至1×1018cm-3。所述欧姆接触层70的材料为p型InGaAs，厚度为100nm，掺杂浓度为1×1019cm-3。
在所述波长为1310nm的AlGaInAs/InP DFB半导体激光器100中，所述缓冲层20的材料为n型InP，厚度为500nm，掺杂浓度为1×1018cm-3。所述下波导层30的材料为非掺杂晶格匹配InGaAsP，厚度为100nm，光荧光波长为1050nm。所述有源层40为非掺杂应变AlGaInAs多量子阱有源层40，10周期, 1%压应变阱，厚度为6nm；晶格匹配垒的厚度为10 nm，光荧光波长为1270 nm。所述上波导层50为非掺杂型晶格匹配InGaAsP，厚度为150nm，光荧光波长为1050 nm。所述波导上限制层60由波导上限制层60I和波导上限制层60II组层。波导上限制层60I为p型InP，厚度为100nm，掺杂浓度为1(1017cm-3。波导上限制层60II为p型InP，厚度为1.7(m～1.8(m, 掺杂浓度为8(1017cm-3。一脊波导腐蚀停止层设置于所述波导上限制层60I和波导上限制层60II之间，该脊波导腐蚀停止层的厚度为20nm，材料为InGaAsP。所述欧姆接触层70为p型InGaAs，厚度为300nm，掺杂浓度为1(1019cm-3。
在所述波长为850nm的GaAlAs/GaAs DFB半导体激光器100中，所述缓冲层20为n型GaAs，厚度为500nm，掺杂浓度为1×1018 cm-3。一波导下限制层位于所述缓冲层20和下波导层30之间，该波导下限制层为非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs，厚度为1000nm，x=0.45，掺杂浓度为5×1017cm-3。所述下波导层30为非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs，厚度为150nm，x=0.06。所述有源层40为非掺杂应变GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源层40，10周期, GaAs量子阱的厚度为10nm；Ga1-xAlxAs垒的厚度10nm，x=0.06。所述上波导层50为非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs，厚度为150nm，x=0.06。所述波导上限制层60为p型Ga1-xAlxAs，厚度为1000nm，x=0.45，掺杂浓度为5(1017cm-3。所述欧姆接触层70为p型GaAs，厚度为300nm，掺杂浓度为1(1019cm-3。
所述DFB半导体激光器100含有光栅130和两个端面，所述光栅130为表面光栅130，所述端面为刻蚀形成的端面。所述光栅130位于波导上限制层60的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅130和横模选择的脊波导。因此，所述DFB半导体激光器100在使用时，电流可以从所述光栅130的半导体区域注入，而不从绝缘填充区域注入，形成含有增益耦合机制的表面光栅130。所述DFB半导体激光器的刻蚀端面与所述衬底10的上表面垂直。所述DFB半导体激光器100的两个端面，可以在无需解离的情况下镀抗反射膜。所述DFB半导体激光器100的一个端面可以在无需解离的情况下镀抗反射膜，另一个端面可以在无需解离的情况下镀高反射膜。所述DFB半导体激光器100的一个端面为对称的渐变尖锥曲面，该对称的渐变尖锥曲面的对称轴和DFB半导体激光器100的波导方向平行，另一个端面为平面，该平面与波导方向垂直。所述DFB半导体激光器100的p型电极90和n型电极92为共面电极，该共面电极是指所述p型电极90和n型电极92位于所述衬底10的同一侧，即位于所述衬底10的上表面，并且位于所述光栅130的两侧。
可以理解，所述DFB半导体激光器100包括基底120、有源层、光栅130、p型电极90和n型电极92，其中，所述基底120包括衬底10、缓冲层20和下波导层30。所述DFB半导体激光器100具有第一端面140和第二端面150，该第一端面140是所述对称的渐变尖锥曲面，该第二端面150是所述平面，如图1所示。所述对称的渐变尖锥曲面和所述平面均是刻蚀形成的，也即所述第一端面140和第二端面150是刻蚀形成的。所述p型电极90和n型电极92位于所述基底120的同一侧，并且位于所述光栅130的两侧。所述p型电极90的下表面设置一介质层160，该介质层160与所述p型电极90直接接触，该介质层160为绝缘材料形成。本实施例中，所述介质层160与所述绝缘填充体80具有相同的材料。
所述DFB半导体激光器100在整个制备方法中只需要一次外延，通过刻蚀欧姆接触层和波导上限制层、以及填充一绝缘填充体80来实现所述DFB半导体激光器100的表面光栅130，通过刻蚀形成所述DFB半导体激光器100的两个端面。进一步可以在无需解离的情况下，对所述两个端面进行光学镀膜。
本发明以具体实施例的方式分别对所述波长为1550nm的InGaAsP/InPDFB半导体激光器100、波长为1310nm的AlGaInAs/InP DFB半导体激光器100和波长为850nm的GaAlAs/GaAs DFB半导体激光器100的制备方法进行说明。
具体实施例一
本实施例介绍一种波长为1550nm的InGaAsP/InP DFB半导体激光器100的制备方法。
在一个高掺杂的n型InP衬底10上一次外延生长如下材料：n型InP缓冲层20（厚度160nm、掺杂浓度约1×1018cm-3），非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层30（厚度80nm，光荧光波长1150nm），InGaAsP有源层40多量子阱（10对量子阱，阱宽10nm，0.7%压应变，光荧光波长1550nm，垒宽10nm，晶格匹配材料，光荧光波长1200nm），非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层50（厚度100nm，光荧光波长1150nm），p型InP波导上限制层60（厚度1500nm，掺杂浓度从3×1017cm-3渐变到为1×1018cm-3）和的p型InGaAs欧姆接触层70（厚度100nm，掺杂浓度约1×1019cm-3）。
为了描述方便，将InGaAsP/InP DFB半导体激光器100分为两部分，以第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64的连接线为分界线，分为光栅130部分和刻蚀端面部分（实际上第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64之间并没有分界线，第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64形成一连续的波导上限制层60）。
所述光栅130部分的形成过程为：采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD），在所述欧姆接触层70上沉积厚度为200nm的SiNx。采用电子束曝光，形成波导和光栅130的光刻胶图案（即所述没有鱼头的鱼骨头的形状）：波导大部分区域宽度为2μm、长度范围为200μm~1000μm，采用二阶光栅130，光栅130周期为480nm。采用反应离子刻蚀（RIE），以SF6为反应气体，将波导和光栅130的图案从光刻胶转移到SiNx。采用电感应耦合等离子体刻蚀（ICP），以Cl2、CH4、H2、Ar为反应气体，刻蚀p型InGaAs欧姆接触层70p型InP波导上限制层60，形成具有多个开口的光栅130结构。采用原子层沉积（ALD），在所述具有多个开口的光栅130结构上沉积厚度为50nm的SiNx，形成对所述多个开口的侧壁钝化。在所述SiNx的表面进一步旋转涂覆光敏聚酰亚胺，并且该聚酰亚胺填充所述多个开口。光刻去除光栅130顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF6为反应气体，去除光栅130顶部的SiNx，露出光栅130的InGaAs欧姆接触层70。光刻，依次溅射Ti、Pt、Au后丙酮超声剥离形成DFB半导体激光器100的p型电极90。
所述刻蚀端面部分的形成过程为：采用PECVD沉积厚度为600nm的SiNx。采用光刻，形成一个为对称轴平行于波导的对称渐变尖锥曲面、另一个为垂直于波导的平面的端面的光刻胶图案。采用RIE，以SF6为反应气体，将端面的图案从光刻胶转移到SiNx。采用ICP，以Cl2、CH4、H2、Ar为反应气体，刻蚀p型InGaAs接触层、p型InP层、非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层50、InGaAsP多量子阱有源层40、非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层30、n型InP缓冲层20，形成与衬底10上表面垂直的两个端面，一个端面为对称的渐变尖锥曲面，对称轴平行于波导，另一个端面为平面，垂直于波导。采用光刻，形成一个露出渐变尖锥端面的图案，电感应耦合等离子体增强化学气相沉积（ICP-PECVD）沉积奇数层SiO2/SiNx，丙酮超声剥离后形成渐变尖锥端面的抗反射膜。采用光刻，形成一个露出平面端面的图案，ICP-PECVD沉积偶数层SiO2/SiNx，丙酮超声剥离形成平面端面的高反镀膜。光刻，依次溅射Ni、Au后丙酮超声剥离形成DFB半导体激光器100的n型电极92。
具体实施例二
本实施例介绍一种波长为1310nm的AlGaInAs/InP DFB半导体激光器100的制备方法。
在一个高掺杂的n型InP衬底10上一次外延如下材料：n型InP缓冲层20（厚度500nm、掺杂浓度约1×1018cm-3），非掺杂晶格匹配InGaAsP下波导层30（厚度100nm，光荧光波长1050nm），非掺杂应变AlGaInAs多量子阱有源层40（10周期, 1%压应变阱，厚度6nm；晶格匹配垒，厚度10 nm，光荧光波长1270 nm）, 非掺杂型晶格匹配InGaAsP上波导层50（厚度150nm，光荧光波长1050 nm），依次生长p型InP波导上限制层60I（厚度100nm，掺杂浓度约1(1017cm-3）、InGaAsP脊波导腐蚀停止层（厚度20nm）、p型InP波导上限制层60II（厚度1.7(m～1.8(m, 掺杂浓度约8(1017cm-3）和p型InGaAs欧姆接触层70（厚度300nm，掺杂浓度约1(1019cm-3）。
为了描述方便，将AlGaInAs/InP DFB半导体激光器100分为两部分，以第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64的连接线为分界线，分为光栅130部分和刻蚀端面部分（实际上第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64之间并没有分界线，第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64形成一连续的波导上限制层60）。
所述光栅130部分的形成过程为：采用PECVD，在所述欧姆接触层70上沉积厚度为200nm的SiNx。采用电子束曝光，形成波导和光栅130的光刻胶图案：波导大部分区域宽度为2μm、长度范围为200μm~1000μm，采用二阶光栅130，周期为406nm。采用RIE，以SF6为反应气体，将波导和光栅130的图案从光刻胶转移到SiNx。采用ICP，以Cl2、CH4、H2、Ar为反应气体，刻蚀p型InGaAs欧姆接触层70和p型InP层，形成具有多个开口的光栅130结构。采用ALD，沉积厚度为50nm的SiNx，形成对所述多个开口的侧壁钝化。在所述SiNx的表面进一步旋转涂覆光敏聚酰亚胺，并且该聚酰亚胺填充所述多个开口。光刻去除光栅130顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF6为反应气体，去除光栅130顶部的SiNx，露出光栅130的InGaAs欧姆接触层70。光刻，依次溅射Ti、Pt、Au后丙酮超声剥离形成DFB半导体激光器100的p型电极90。
所述刻蚀端面部分的形成过程为：采用PECVD沉积厚度为600nm的SiNx。采用光刻，形成一个为对称轴平行于波导的对称渐变尖锥曲面、另一个为垂直于波导的平面的端面的光刻胶图案。采用RIE，以SF6为反应气体，将端面的图案从光刻胶转移到SiNx。采用ICP，以Cl2、CH4、H2、Ar为反应气体，刻蚀掉所有的外延层InP衬底10，形成与衬底10表面垂直的两个端面，一个端面为对称的渐变尖锥曲面，对称轴平行于波导，另一个端面为平面，垂直于波导。采用光刻，形成一个露出渐变尖锥端面的图案，ICP-PECVD沉积奇数层SiO2/SiNx，丙酮超声剥离后形成渐变尖锥端面的抗反射膜。采用光刻，形成一个露出平面端面的图案，ICP-PECVD沉积偶数层SiO2/SiNx，丙酮超声剥离形成平面端面的高反镀膜。光刻，依次溅射Ni、Au后丙酮超声剥离形成DFB半导体激光器100的n型电极92。
具体实施例三
本实施例介绍一种波长为850nm的GaAlAs/GaAs DFB半导体激光器100的制备方法。
在一个高掺杂的n型GaAs衬底10上一次外延该如下材料结构：n型GaAs缓冲层20（厚度500nm，掺杂浓度约1×1018 cm-3），非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs波导下限制层（厚度1000nm，x=0.45，掺杂浓度约5×1017cm-3），非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs下波导层30（厚度150nm，x=0.06），非掺杂应变GaAs/Ga1-xAlxAs多量子阱有源层40（10周期, GaAs量子阱，厚度10nm；Ga1-xAlxAs垒，厚度10nm，x=0.06），非掺杂晶格匹配Ga1-xAlxAs上波导层50（厚度150nm，x=0.06），p型Ga1-xAlxAs波导上限制层60（厚度1000nm，x=0.45，掺杂浓度约5(1017cm-3）和p型GaAs欧姆接触层70（厚度300nm，掺杂浓度约1(1019cm-3）。
为了描述方便，将GaAlAs/GaAs DFB半导体激光器100分为两部分，以第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64的连接线为分界线，分为光栅130部分和刻蚀端面部分（实际上第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64之间并没有分界线，第一波导上限制层部分62和第二波导上限制层部分64形成一连续的波导上限制层60）。
所述光栅130部分的形成过程为：采用PECVD，在所述欧姆接触层70上沉积厚度为200nm的SiNx。采用电子束曝光，形成波导和光栅130的光刻胶图案：波导大部分区域宽度为2μm、长度范围为200μm ~1000μm，采用三阶光栅130，周期为395nm。采用RIE，以SF6为反应气体，将波导和光栅130的图案从光刻胶转移到SiNx。采用ICP，以Cl2、BCl3、Ar为反应气体，刻蚀p型GaAs欧姆接触层70和p型Ga1-xAlxAs波导上限制层60，形成具有多个开口的光栅130结构。采用ALD，在所述具有多个开口的光栅130结构上，沉积厚度为50nm的SiNx，形成对所述多个开口的侧壁钝化。在所述SiNx层82上进一步旋转涂覆光敏聚酰亚胺，并且该聚酰亚胺填充所述多个开口。光刻去除光栅130顶部的聚酰亚胺。进一步，采用RIE，以SF6为反应气体，去除光栅130顶部的SiNx，露出光栅130的GaAs欧姆接触层70。光刻，依次溅射Ti、Pt、Au后丙酮超声剥离形成DFB半导体激光器100的p型电极90。
所述刻蚀端面部分的形成过程为：采用PECVD沉积厚度为600nm的SiNx。采用光刻，形成一个为对称轴平行于波导的对称渐变尖锥曲面、另一个为垂直于波导的平面的端面的光刻胶图案。采用RIE，以SF6为反应气体，将端面的图案从光刻胶转移到SiNx。采用ICP，以Cl2、BCl3、Ar为反应气体，刻蚀掉所有的外延层，形成与衬底10表面垂直的两个端面，一个端面为对称的渐变尖锥曲面，对称轴平行于波导，另一个端面为平面，垂直于波导。采用光刻，形成一个露出渐变尖锥端面的图案，ICP-PECVD沉积奇数层SiO2/SiNx，丙酮超声剥离后形成渐变尖锥端面的抗反射膜。采用光刻，形成一个露出平面端面的图案， ICP-PECVD沉积偶数层SiO2/SiNx，丙酮超声剥离形成平面端面的高反镀膜。光刻，依次溅射Ni、Au后丙酮超声剥离形成DFB半导体激光器100的n型电极92。
本发明提供的DFB半导体激光器及其制备方法具有以下优点：第一、所述DFB半导体激光器具有一对对称的渐变尖锥曲面和一平面，所述对称的渐变尖锥曲面的对称轴和DFB半导体激光器的波导方向平行，所述平面与波导方向和衬底上表面垂直，所述对称的渐变尖锥曲面可以在无需解离的情况下镀抗反射膜，所述平面可以在无需解离的情况下镀高反射膜，因此，所述DFB半导体激光器可以在无需解离的情况下镀抗反射膜，可以实现单片光子集成；第二、所述欧姆接触层、波导上限制层和绝缘填充体共同形成所述DFB半导体激光器的光栅，并且欧姆接触层和波导上限制层由半导体材料形成，也即该光栅由周期性排列的半导体和绝缘填充体构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导。电流可以从所述光栅的半导体区域注入，而不从绝缘填充体区域注入，从而形成含有增益耦合机制的表面光栅。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种DFB半导体激光器，包括衬底、光栅和两个端面，其特征在于：所述光栅为表面光栅，所述端面为刻蚀形成的端面，所述两个端面中的一个端面为对称的渐变尖锥曲面，该对称的渐变尖锥曲面的对称轴和所述DFB半导体激光器的波导方向平行；所述两个端面中的另一个端面为平面，该平面与所述DFB半导体激光器的波导方向垂直；所述DFB半导体激光器包括一个条状波导的欧姆接触层和波导上限制层，所述光栅位于所述条状波导的欧姆接触层和波导上限制层的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导；所述衬底具有一平行于DFB半导体激光器的波导方向的表面，所述端面与所述衬底的所述表面垂直。
2.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器，其特征在于：所述DFB半导体激光器在使用时，电流从所述光栅的半导体区域注入，而不从所述绝缘填充区域注入，形成含有增益耦合机制的表面光栅。
3.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器，其特征在于：所述DFB半导体激光器进一步包括抗反射膜，所述端面在无需解离衬底的情况下镀所述抗反射膜。
4.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器，其特征在于：所述DFB半导体激光器进一步包括一抗反射膜和一高反射膜，所述两个端面中的一个端面在无需解离衬底的情况下镀所述抗反射膜，所述两个端面中的另一个端面在无需解离衬底的情况下镀所述高反射膜。
5.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器，其特征在于：所述DFB半导体激光器进一步包括一p型电极和一n型电极，该p型电极和该n型电极位于所述光栅的两侧，并且位于所述衬底的同一侧。
6.一种DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：所述DFB半导体激光器在整个制备方法中只需要一次外延，通过刻蚀欧姆接触层和波导上限制层，以及填充绝缘材料形成一表面光栅，通过刻蚀形成两个端面，所述两个端面中的一个端面为对称的渐变尖锥曲面，该对称的渐变尖锥曲面的对称轴和所述DFB半导体激光器的波导方向平行；所述两个端面中的另一个端面为平面，该平面与所述DFB半导体激光器的波导方向垂直；所述表面光栅位于所述欧姆接触层和波导上限制层的两侧，由周期性排列的半导体区域和绝缘填充区域构成，形成用于纵模选择的折射率耦合表面光栅和横模选择的脊波导；所述DFB半导体激光器包括一衬底，所述衬底具有一平行于DFB半导体激光器的波导方向的表面，所述端面与所述衬底的所述表面垂直。
7.根据权利要求6所述的DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：进一步包括一在无需解离衬底的情况下，对所述两个端面进行光学镀膜的步骤。
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