CN108054634B - 一种窄线宽半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窄线宽半导体激光器及这种激光器的制备方法。该方法公开一种半导体激光器结构，这种激光器结构制备在衬底上，由衬底往上依次为N型缓冲层、N型下限制层、N型下波导层、激光器有源区、P型上波导层、P型上限制层、P型盖层。采用PECVD方法在该激光器结构外延片上制备掩膜，利用诱导耦合等离子体刻蚀技术制作激光器的脊形波导。采用诱导耦合等离子体刻蚀在脊形波导上制作有效折射率微扰光栅结构单元。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种2μm窄线宽锑化物半导体激光器及其制备方法。
背景技术
2～5μm波段是重要的大气窗口，该波段包含许多气体分子的重要特征谱线，工作于该波段的激光器、探测器在大气监测、红外成像等方面有广泛应用，且在这一波段有望实现自由空间通讯。因此，针对2～5μm波段的重要特点，发展应用于痕量气体检测方面的激光光源具有极为重要的研究意义。
半导体激光器因其具有电光直接转换效率高、体积小、寿命长等优点，已广泛应用于光通信和光电传感领域。但是由于线宽问题的存在，难以满足其在光传感等领域的要求。在互联网领域、高速通信领域，高稳定度的窄线宽激光器是高灵敏度光纤传感系统和相干光通信系统的核心器件。因此，实现窄线宽激光器器件具有十分重要的意义。窄线宽激光器可以增大通信距离，在光通信领域虽然光纤激光器有更窄的线宽，但是由于半导体激光器在体积、功耗、尺寸等各方面都会比光纤激光器有更大的优势，非常有益于应用在前沿科学研究方面以及国防安全领域，因此窄线宽的半导体激光器具有非常重要的应用价值，将会有更广泛的应用。
在实际的气体探测中，由于气体分子吸收谱线宽度为～100MHz左右，为避免气体间的交叉干扰，要求激光器的光谱线宽要小于～100MHz。然而一般半导体激光器的线宽很大，达到数百MHz至GHz量级，严重限制了其在该领域的应用。窄线宽半导体激光器主要包括：F-P腔半导体激光器、分布布拉格反射半导体激光器(DBR)、外腔半导体激光器(ECDL)和分布反馈半导体激光器(DFB)。常规结构的F-P腔边发射半导体激光器光谱线宽在数百MHz至GHz量级。外腔半导体激光器虽然具有窄线宽和灵活的波长调谐能力，但是较长的外腔容易受到外界环境以及磁场的干扰影响，导致激光频率不稳定。同时，在半导体激光器材料中，能够实现激射波长大于2.0μm，且具有实用价值的半导体激光器材料以锑化物为首选材料。因此，锑化物分布反馈半导体激光器(DFB)是实现激射波长大于2μm的窄线宽半导体激光器的首选，而由于激光器材料制备及器件工艺的限制使2μm高性能窄线宽锑化物半导体激光器器件较难实现。
发明内容
本发明提出一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构及其制备方法，本发明提出的这种半导体激光器可以实现激射波长为2μm的激光输出，输出激光线宽<10MHz，解决现有2μm半导体激光器由于线宽问题在光通信领域和气体探测应用中的限制，在光通信和气体探测应用中提供性能稳定的2μm窄线宽激光。
本发明提出一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构及其制备方法，这种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构是通过采用分子束外延技术获得2μm激光输出半导体激光器外延片，然后在激光器外延片上进行光刻与刻蚀工艺，获得具有脊形波导结构的激光器管芯，在在脊形波导上通过制作一定深度和宽度的有效折射率微扰光栅结构单元，实现光学模式传输有效折射率的微小变动，针对不同的波长实现不同的镜面损耗波，从而耗散掉不希望激射的波长，实现激光器线宽的窄化。
本发明提出一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构及其制备方法，为实现本发明所提出的这种2μm锑化物窄线宽半导体激光器，首先，利用分子束外延技术外延生长这种2μm半导体激光器结构，这种激光器结构包括：N型GaSb衬底、N型GaSb缓冲层、N型AlGaAsSb下限制层、N型AlGaAsSb下波导层、InGaAsSb/AlGaAsSb激光器有源区、P型AlGaAsSb上波导层、P型AlGaAsSb上限制层、P型GaSb盖层。其中，N型GaSb缓冲层厚度为800nm；N型AlGaAsSb下限制层厚度为1500nm，具体组分为Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92；N型AlGaAsSb下波导层厚度为350nm，具体组分为Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98；InGaAsSb/AlGaAsSb激光器有源区中InGaAsSb厚度为10nm，具体组分为In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98，AlGaAsSb厚度为25nm，具体组分为Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98；P型AlGaAsSb上波导层厚度为350nm，具体组分为Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98；P型AlGaAsSb上限制层厚度为1500nm，具体组分为Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92；P型GaSb盖层厚度500nm。然后，在2μm锑化物半导体激光器外延片上进行光刻与刻蚀工艺，获得具有脊形波导以及有效折射率微扰光栅结构单元和二阶光栅结构单元的激光器芯片，具体流程为：采用PECVD方法在GaSb盖层淀积SiNx掩膜，利用诱导耦合等离子体刻蚀技术刻蚀GaSb盖层与P型上限制层，形成激光器的脊形波导，并在脊形波导上刻蚀出有效折射率微扰光栅周期结构单元，沿着脊波导两侧利用电子束光刻与刻蚀技术制备二阶光栅，刻蚀深度至上波导层界面。最后，制备P面Ti/Pt/Au电极、N面衬底减薄至80μm、制备N面Au/Ge/Ni电极、划片获得激光器Bar条，对激光器Bar条制备腔面膜、解理获得激光器管芯、进一步封装完成激光器器件制备。
本发明提出一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构及其制备方法，这种激光器结构及其制备方法通过在脊形波导上制作有效折射率微扰光栅周期结构单元，可以有效的压窄激光器的线宽，得到窄线宽激光输出。在脊形波导两侧刻蚀二阶光栅，进一步压窄输出激光的线宽，从而制作出高性能的2μm锑化物窄线宽半导体激光器器件。
附图说明
图1为本发明2.0μm锑化物窄线宽半导体激光器结构示意图。
图2为本发明2.0μm锑化物窄线宽半导体激光器结构立体图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提出一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构及其制备方法，所述这种2μm锑化物窄线宽半导体激光器包括激光器结构和光栅结构。其中激光器结构包括：N型GaSb衬底、N型GaSb缓冲层、N型AlGaAsSb下限制层、N型AlGaAsSb下波导层、InGaAsSb/AlGaAsSb激光器有源区、P型AlGaAsSb上波导层、P型AlGaAsSb上限制层、P型GaSb盖层。光栅结构包括：有效折射率微扰光栅结构和二阶光栅结构。下面对实现这种2μm锑化物窄线宽半导体激光器的结构和制备方法进行详细描述。
图1为本发明所提出的2μm锑化物窄线宽半导体激光器的结构示意图，该激光器由下至上依次包括：N型电极1、N型GaSb衬底2、N型掺杂GaSb缓冲层3、N型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92下限制层4、N型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98下波导层5、In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98/Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98量子阱有源层6、P型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98上波导层7、P型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92上限制层8、P型GaSb盖层9、P型电极10。图2为本发明所提出的2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构立体图，包括脊形波导11，有效折射率微扰光栅结构12，侧向耦合二阶光栅结构13。
采用分子束外延技术依次外延生长N型掺杂GaSb缓冲层、N型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92下限制层、N型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98下波导层、In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98/Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98量子阱有源层、P型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98上波导层、P型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92上限制层、P型GaSb盖层，获得2μm的锑化物半导体激光器结构外延片。
所述N型掺杂GaSb缓冲层形成于N型GaSb衬底上，Te作为掺杂元素。所述N型AlGaAsSb下限制层采用Te作为掺杂元素，外延在N型GaSb缓冲层上。所述N型AlGaAsSb下波导层采用Te作为掺杂源，外延生长在AlGaAsSb下限制层上。所述量子阱有源区外延生长在N型AlGaAsSb下波导层上，阱材料采用InGaAsSb，垒材料采用AlGaAsSb，InGaAsSb/AlGaAsSb/InGaAsSb构成量子阱的有源区，InGaAsSb厚度10nm，AlGaAsSb厚度25nm，发光波长2μm。所述P型AlGaAsSb上波导层采用采用Be作为掺杂源，外延生长在多量子阱有源层上。所述P型AlGaAsSb上限制层采用Be作为掺杂源，外延生长在P型AlGaAsSb上波导层上。所述P型GaSb盖层采用Be作为掺杂源得到重掺杂的GaSb层，该盖层外延生长在P型AlGaAsSb上限制层上。
外延生长得到2μm的锑化物半导体激光器结构外延片后，对外延片进行光刻与刻蚀工艺获得脊形波导及有效折射率微扰光栅结构和二阶光栅结构；利用磁控溅射设备制作P面电极，P面电极材料为Ti/Pt/Au；对GaSb衬底进行减薄工艺，减薄至80μm；在N面衬底上，用磁控溅射设备制备N面电极，N面电极材料为Au/Ge/Ni。
图1中脊形波导是在材料外延生长完成之后采用PECVD方法在GaSb盖层淀积SiNx做掩膜，采用Cl2/BCl3诱导耦合等离子体刻蚀完成，刻蚀界面位于AlGaAsSb上限制层500nm处。采用电子束光刻与刻蚀技术沿着脊形波导两侧刻蚀二阶光栅结构，刻蚀深度接近上限制层与上波导层界面。用PECVD在脊形波导及其两侧淀积厚度500nm左右的SiNx，起到绝缘层和降低吸收损耗的作用。
图2中有效折射率微扰光栅结构单元的制作，将脊波导上及脊波导两侧需要制作光栅结构的SiNx层刻蚀去掉，再利用诱导耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出具有周期结构和适当宽度、深度的有效折射率微扰光栅结构单元及二阶光栅结构。最后把脊形波导上的SiNx层剥离，利用磁控溅射在P型GaSb盖层上制作Ti/Pt/Au P电极。
通过以上步骤可实现本申请所要求保护的一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器结构及其制备方法，该方法通过采用分子束外延技术获得2μm激光输出半导体激光器外延片，然后在激光器外延片上进行光刻与刻蚀工艺，获得具有脊形波导结构的激光器管芯，在脊形波导上通过制作一定深度和宽度的有效折射率微扰光栅结构单元，实现光学模式传输有效折射率的微小变动，针对不同的波长实现不同的镜面损耗波，从而耗散掉不希望激射的波长，实现激光器线宽的窄化。最终，实现激射波长为2μm的激光输出，输出激光线宽<10MHz，解决现有2μm半导体激光器由于线宽问题在光通信领域和气体探测应用中的限制，在光通信和气体探测应用中提供性能稳定的2μm窄线宽激光光源。
Claims (5)
1.一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器制备方法，其特征在于，所述方法包括：
采用分子束外延技术在N型GaSb衬底上依次外延生长800nm厚度的N型GaSb缓冲层、1500nm厚度的N型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92下限制层、350nm厚度的N型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98下波导层、10nm厚度的In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98和25nm厚度的Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98构成的In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98/Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98激光器有源区、350nm厚度的P型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98上波导层、1500nm厚度的P型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92上限制层和500nm厚度的P型GaSb盖层，得到2μm半导体激光器结构外延片；
采用PECVD方法在GaSb盖层淀积SiNx做掩膜，采用Cl2/BCl3诱导耦合等离子体刻蚀技术刻蚀GaAs盖层与P型上限制层，形成激光器的脊波导；
将脊波导上及脊波导两侧需要制作光栅结构的SiNx层刻蚀去掉，在脊型波导上刻蚀出有效折射率微扰光栅周期结构单元，沿着脊波导两侧利用电子束光刻与刻蚀技术制备二阶光栅，刻蚀深度至上波导层界面。
2.如权利要求1所述的一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器制备方法，其特征在于，在有效折射率微扰光栅周期结构单元和二阶光栅制备完成后利用PECVD淀积SiNx，SiNx起到绝缘层和降低吸收损耗的作用。
3.如权利要求1所述的一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器制备方法，其特征在于，该2μm锑化物窄线宽半导体激光器在制备N型电极前对GaSb衬底进行减薄抛光工艺，将GaSb衬底减薄抛光至80μm。
4.如权利要求1所述的一种2μm锑化物窄线宽半导体激光器制备方法，其特征在于，该2μm锑化物窄线宽半导体激光器N型电极和P型电极利用磁控溅射制备，N型电极制备在减薄抛光后的GaSb衬底背面，电极材料为Au/Ge/Ni，P型电极制备在GaSb盖层上，电极材料为Ti/Pt/Au。
5.一种采用权利要求1所述的制备方法制备的2μm锑化物窄线宽半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器用于实现2μm窄线宽激光输出；
所述2μm锑化物窄线宽半导体激光器包括2μm锑化物半导体激光器结构部分和实现窄线宽激光输出的光栅结构部分；
所述2μm锑化物半导体激光器结构用于实现产生波长2μm的激光；
所述2μm锑化物半导体激光器结构具体组成由下至上依次为N型GaSb衬底、800nm厚度的N型GaSb缓冲层、1500nm厚度的N型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92下限制层、350nm厚度的N型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98下波导层、10nm厚度的In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98和25nm厚度的Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98构成的In0.15Ga0.85As0.02Sb0.98/Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98激光器有源区、350nm厚度的P型Al0.21Ga0.79As0.02Sb0.98上波导层、1500nm厚度的P型Al0.8Ga0.2As0.08Sb0.92上限制层、500nm厚度的P型GaSb盖层；
所述光栅结构用于对输出激光线宽的窄化；所述光栅结构由有效折射率微扰光栅结构单元和二阶光栅结构单元组成；
所述有效折射率微扰光栅结构单元制备在脊形波导上；
所述二阶光栅结构单元制作在脊形波导两侧。
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