CN108988124B - 一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，涉及半导体光电子器件技术领域。本发明提出的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器主要包括：N电极、N型InP衬底、N型InP缓冲层、下限制层、量子阱有源区、上限制层、光栅层、N型InP层、隧道结、P型InP盖层、P型接触层、P电极。本发明利用隧道结正偏时的微分负阻特性，在器件内部进行振荡调制，使激光器能直接发射光载微波，在降低相位噪声、减小功率损耗、简化器件结构的同时，实现高速调制。

Description

一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器。
背景技术
微波信号在电子测量、时钟提取、民用通信、电子对抗、雷达等方面都有广泛的应用。在传统的微波信号产生方法中，介质振荡器在高纯频谱、低相位噪声以及可调谐等方面，表现得不尽人意。光电振荡器(Optoelectonic oscillators,OEO)采用光电反馈环路技术来获得高稳定、低噪声的微波信号，成为了一种新型的高质量微波信号源。
OEO能够在光域中产生射频(Radio Frequency,RF)信号，具有一些优于传统电振荡器的优点，例如信号可在光纤中传播、以及可在光域中进行信号处理等。已经报道了几种能在频谱上产生纯净微波信号的OEO系统方案，所报告的OEO系统通常包含激光器、马赫-曾德尔调制器、放大器、滤光器、可调光延迟线和光电检测器。由此可见，OEO系统体积庞大且复杂、封装尺寸大、功率损耗高，以及这些实施方案中的RF放大器和掺铒光纤放大器都是主要的噪声元件。
近年来，已经报道了将隧道二极管和激光器这两个分离器件混合集成在一起的微波振荡源，能在光域中生成RF信号，并在许多电路应用上得到了证实。但是，由两个分离器件混合集成的微波振荡源调制速率低，所报道的最高RF信号频率为1.4GHz。因此，目前的微波振荡源存在调制速率低、相位噪声高、功率损耗高、结构复杂的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，用于实现高速调制、降低相位噪声、减小功率损耗、简化器件结构。
(二)技术方案
本发明提供一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，该激光器自下而上依次为N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6和光栅层7，且各层宽度相同；
光栅层7之上还自下而上依次包括P型InP盖层10和P型接触层11，P型InP盖层10和P型接触层11宽度相同，且小于光栅层7的宽度，其中：
光栅层7与P型InP盖层10之间还自下而上依次包括N型InP层8和隧道结9；N型InP层8置于光栅层7上，与光栅层7宽度相同；隧道结9置于N型InP层8上，宽度与P型InP盖层10宽度相同；隧道结9、P型InP盖层10、P型接触层11构成脊形波导结构。
其中，隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11构成的脊形波导结构的宽度为2～6μm。
其中，所述隧道结9自下而上依次包括：重掺杂N型InP层和重掺杂P型InAlAs层；重掺杂N型InP层的厚度为8nm～15nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1019cm-3；重掺杂P型InAlAs层的厚度为8nm～15nm，In组分为0.52，掺杂元素为C，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
其中，所述N型InP层8的掺杂元素为Si，掺杂浓度在1018cm-3量级，厚度为80nm～200nm。
其中，所述下限制层4和上限制层6均为带隙波长在1μm～1.2μm之间的InGaAsP材料。
其中，所述量子阱有源区5包括量子阱层和势垒层；量子阱层与势垒层交错排布，量子阱有源区的最下层和最上层均为势垒层。
其中，所述量子阱层是激射波长为1.55μm的InGaAsP材料，势垒层是带隙波长为1.2μm的InGaAsP材料；或所述量子阱层是激射波长为1.31μm的InGaAsP材料，势垒层是带隙波长为1.1μm的InGaAsP材料。
其中，绝缘隔离层12，包覆于脊形波导结构侧面以及N型InP层8未被隧道结9覆盖的上表面；P电极13，包覆于绝缘隔离层12外表面及P型接触层11上表面。
(三)有益效果
本发明的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其具有的积极效果在于：利用隧道结正偏时的微分负阻特性，在器件内部进行振荡调制，使激光器能直接发射光载微波，在降低相位噪声、减小功率损耗、简化器件结构的同时，实现高速调制。
附图说明
图1是本发明的一种具体实施例的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器的器件剖面示意图；
图2是本发明的一种具体实施例的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器的量子阱有源区组成示意图；
图3是本发明的一种具体实施例的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器的隧道结组成示意图；
附图标记：
1-N电极 2-N型InP衬底 3-N型InP缓冲层 4-下限制层
5-量子阱有源区 6-上限制层 7-光栅层 8-N型InP层
9-隧道结 10-P型InP盖层 11-P型接触层 12-绝缘隔离层
13-P电极；
5.2、5.4、5.6-量子阱层 5.1、5.3、5.5、5.7-势垒层
9.1-重掺杂N型InP层 9.2-重掺杂P型InAlAs层。
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。
隧道二极管和激光器两个分离器件通过电路混合集成在一起的微波振荡源，能在光域中生成RF信号，但是，存在调制速率低、相位噪声高、功率损耗高、结构复杂的问题。本发明通过半导体外延工艺将隧道结与分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器集成在一个器件上，避免了隧道结与DFB激光器之间的电路连接；利用隧道结正偏时的微分负阻特性，在器件内部进行振荡调制，使DFB激光器能直接发射光载微波，能在降低相位噪声、减小功率损耗、简化器件结构的同时，实现高速调制。
图1是本发明的一种具体实施例的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器的器件剖面示意图。如图1所示，该用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，自下而上依次为N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6、光栅层7、N型InP层8、隧道结9、P型InP盖层10、P型接触层11、绝缘隔离层12和P电极13。
N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6、光栅层7、N型InP层8各层宽度相同；N型InP层8上为隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11形成的脊形波导结构，脊形波导结构的宽度为2～6μm，隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11各层宽度相同，且小于N型InP层8的宽度；绝缘隔离层12包覆于脊形结构侧面以及N型InP层8未被隧道结9覆盖的上表面；P电极13，包覆于绝缘隔离层12外表面及P型接触层11上表面。
其中，隧道结9自下而上依次包括：重掺杂N型InP层和重掺杂P型InAlAs层；重掺杂N型InP层的厚度为8nm～15nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1019cm-3；重掺杂P型InAlAs层的厚度为8nm～15nm，In组分为0.52，掺杂元素为C，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
其中，N型InP层8的掺杂元素为Si，掺杂浓度在1018cm-3量级，厚度为80nm～200nm。
其中，下限制层4和上限制层6均为带隙波长在1μm～1.2μm之间的InGaAsP材料。
其中，量子阱有源区5包括量子阱层和势垒层；量子阱层与势垒层交错排布，量子阱有源区的最下层和最上层均为势垒层。
其中，量子阱层是激射波长为1.55μm的InGaAsP材料，势垒层是带隙波长为1.2μm的InGaAsP材料；或量子阱层是激射波长为1.31μm的InGaAsP材料，势垒层是带隙波长为1.1μm的InGaAsP材料。
与图1所示的本发明的一种具体实施例的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器相对应，本发明提供的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器是在DFB激光器的光栅层与P型InP盖层之间增加了N型InP层和隧道结，进而将隧道结与DFB激光器集成在一个器件上，避免了隧道结与DFB激光器之间的电路连接；利用隧道结正偏时的微分负阻特性，在器件内部进行振荡调制，使DFB激光器能直接发射光载微波，能在降低相位噪声、减小功率损耗、简化器件结构的同时，实现高速调制。
实施例1：
实施例1为激射波长在1.55μm附近的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器。
如图1所示，实施例1的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，自下而上依次为N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6、光栅层7、N型InP层8、隧道结9、P型InP盖层10、P型接触层11、绝缘隔离层12和P电极13。
N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6、光栅层7、N型InP层8各层宽度相同；N型InP层8上为隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11形成的脊形波导结构，脊形波导结构宽度为2～6μm，隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11各层宽度相同，且小于N型InP层8的宽度；绝缘隔离层12包覆于脊形结构侧面以及N型InP层8未被隧道结9覆盖的上表面；P电极13，包覆于绝缘隔离层12外表面及P型接触层11上表面。
其中，N电极1由能够与N型InP衬底2形成欧姆接触的材料构成，例如为AuGeNi或AuZn，其厚度应设为150nm～500nm之间，优选为300nm。
N型InP衬底2是材料外延的基底，取向为(100)。在N型InP衬底2上外延N型InP缓冲层3，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1018cm-3，厚度1500nm～2000nm，优选为1500nm。
下限制层4是带隙波长在1.1μm～1.2μm之间的InGaAsP材料，厚度为600nm～700nm，用于降低内部损耗，提高输出功率，提升器件的可靠性。
量子阱有源区5包括3个量子阱层和4个势垒层，用于实现激射。如图2量子阱有源区组成示意图所示，其中，量子阱层5.2、5.4、5.6是激射波长在1.55μm附近的InGaAsP材料，每层厚度为5nm；势垒层5.1、5.3、5.5、5.7是带隙波长在1.2μm附近的InGaAsP材料，每层厚度为10nm。
上限制层6是带隙波长在1.1μm～1.2μm之间的InGaAsP材料，厚度为200nm～300nm，用于降低内部损耗，提高输出功率，提升器件的可靠性。
光栅层7与上限制层6材料相同，厚度为40nm～80nm，对InGaAsP材料进行刻蚀，形成布拉格光栅，用于选择激射波长为1.55μm的单纵模。
在光栅层7上二次外延N型InP层8，厚度为80nm～200nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度在1018cm-3量级。
隧道结9包括重掺杂N型InP层和重掺杂P型InAlAs层。如图3隧道结组成示意图所示，重掺杂N型InP层9.1的厚度为8nm～15nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1019cm-3；重掺杂P型InAlAs层9.2的厚度为8nm～15nm，In组分为0.52，掺杂元素为C，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。利用隧道结正偏时的微分负阻特性，在器件内部直接进行振荡调制。
P型InP盖层10的厚度为1500nm～2000nm，优选为1500nm，掺杂元素为Zn，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。在P型InP盖层10上外延P型接触层11，材料为InGaAs，厚度为200nm～300nm，In组分为0.53，掺杂元素为Zn，掺杂浓度不小于1×1018cm-3，用于与P电极13形成欧姆接触。
二次外延后，N型InP衬底2到P型接触层11的各层宽度相同，然后，通过干法刻蚀P型接触层11、P型InP盖层10、隧道结9直到N型InP层8的上表面，得到宽度为2～6μm的脊形波导结构，厚度为350nm；在此结构基础上，沉积绝缘隔离层12，刻蚀掉脊形波导结构上的绝缘隔离层12，形成电极窗口。
P电极13包覆于绝缘隔离层12外表面及P型接触层11上表面，由能够与P型InGaAs形成欧姆接触的材料构成，例如TiAu或AuZn，其厚度应设为100nm～1000nm之间，优选为300nm。
实施例2：
实施例2为激射波长在1.31μm附近的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器。
如图1所示，实施例2的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，自下而上依次为N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6、光栅层7、N型InP层8、隧道结9、P型InP盖层10、P型接触层11、绝缘隔离层12和P电极13。
N电极1、N型InP衬底2、N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6、光栅层7、N型InP层8各层宽度相同；N型InP层8上为隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11形成的脊形波导结构，脊形波导结构宽度为2～6μm，隧道结9、P型InP盖层10和P型接触层11各层宽度相同，且小于N型InP层8的宽度；绝缘隔离层12包覆于脊形结构侧面以及N型InP层8未被隧道结9覆盖的上表面；P电极13，包覆于绝缘隔离层12外表面及P型接触层11上表面。
其中，N电极1由能够与N型InP衬底2形成欧姆接触的材料构成，例如为AuGeNi或AuZn，其厚度应设为150nm～500nm之间，优选为300nm。
N型InP衬底2是材料外延的基底，取向为(100)。在N型InP衬底2上外延N型InP缓冲层3，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1018cm-3，厚度1500nm～2000nm，优选为1500nm。
下限制层4是带隙波长在1μm～1.1μm之间的InGaAsP材料，厚度为600nm～700nm，用于降低内部损耗，提高输出功率，提升器件的可靠性。
量子阱有源区5包括3个量子阱层和4个势垒层，用于实现激射。如图2量子阱有源区组成示意图所示，其中，量子阱层5.2、5.4、5.6是激射波长在1.31μm附近的InGaAsP材料，每层厚度为5nm；势垒层5.1、5.3、5.5、5.7是带隙波长在1.1μm附近的InGaAsP材料，每层厚度为10nm。
上限制层6是带隙波长在1μm～1.1μm之间的InGaAsP材料，厚度为200nm～300nm，用于降低内部损耗，提高输出功率，提升器件的可靠性。
光栅层7与上限制层6材料相同，厚度为40nm～80nm，对InGaAsP材料进行刻蚀，形成布拉格光栅，用于选择激射波长为1.31μm的单纵模。
在光栅层7上二次外延N型InP层8，厚度为80nm～200nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度在1018cm-3量级。
隧道结9包括重掺杂N型InP层和重掺杂P型InAlAs层。如图3隧道结组成示意图所示，重掺杂N型InP层9.1的厚度为8nm～15nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1019cm-3；重掺杂P型InAlAs层9.2的厚度为8nm～15nm，In组分为0.52，掺杂元素为C，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。利用隧道结正偏时的微分负阻特性，在器件内部直接进行振荡调制。
P型InP盖层10的厚度为1500nm～2000nm，优选为1500nm，掺杂元素为Zn，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。在P型InP盖层10上外延P型接触层11，材料为InGaAs，厚度为200nm～300nm，In组分为0.53，掺杂元素为Zn，掺杂浓度不小于1×1018cm-3，用于与P电极13形成欧姆接触。
二次外延后，N型InP衬底2到P型接触层11的各层宽度相同，然后，通过干法刻蚀P型接触层11、P型InP盖层10、隧道结9直到N型InP层8的上表面，得到宽度为2～6μm的脊形波导结构，厚度为350nm；在此结构基础上，沉积绝缘隔离层12，刻蚀掉脊形波导结构上的绝缘隔离层12，形成电极窗口。
P电极13包覆于绝缘隔离层12外表面及P型接触层11上表面，由能够与P型InGaAs形成欧姆接触的材料构成，例如TiAu或AuZn，其厚度应设为100nm～1000nm之间，优选为300nm。
另一方面，本发明所述的具体实施例，即实施例1和实施例2，通过以下方法制备实施：
1)N型InP衬底2是材料外延的基底，在N型InP衬底2一次外延生长N型InP缓冲层3、下限制层4、量子阱有源区5、上限制层6光及栅层7；
2)对光栅层7进行刻蚀，形成布拉格光栅；
3)在光栅层7上二次外延N型InP层8、隧道结9、P型InP盖层10、P型接触层11；
4)二次外延后，N型InP衬底2到P型接触层11的各层宽度相同，然后，通过干法刻蚀P型接触层11、P型InP盖层10、隧道结9直到N型InP层8的上表面，得到宽度为2～6μm的脊形波导结构，P型接触层11、P型InP盖层10、隧道结9构成的脊形结构各层宽度相同；
5)沉积绝缘隔离层12，湿法腐蚀掉脊形波导结构上的绝缘隔离层12，形成电极窗口，制备正面P电极13；
6)背面减薄抛光后，制备N电极1。
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 (8)

1.一种用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，该激光器自下而上依次为N电极(1)、N型InP衬底(2)、N型InP缓冲层(3)、下限制层(4)、量子阱有源区(5)、上限制层(6)和光栅层(7)，且各层宽度相同；
光栅层(7)之上还自下而上依次包括P型InP盖层(10)和P型接触层(11)，P型InP盖层(10)和P型接触层(11)宽度相同，且小于光栅层(7)的宽度，其中：
光栅层(7)与P型InP盖层(10)之间还自下而上依次包括N型InP层(8)和隧道结(9)；N型InP层(8)置于光栅层(7)上，与光栅层(7)宽度相同；隧道结(9)置于N型InP层(8)上，宽度与P型InP盖层(10)宽度相同；隧道结(9)、P型InP盖层(10)、P型接触层(11)构成脊形波导结构；
其中，所述隧道结(9)自下而上依次包括：重掺杂N型InP层和重掺杂P型InAlAs层。
2.根据权利要求1所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，隧道结(9)、P型InP盖层(10)和P型接触层(11)构成的脊形波导结构的宽度为2～6μm。
3.根据权利要求2所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，重掺杂N型InP层的厚度为8nm～15nm，掺杂元素为Si，掺杂浓度不小于1×1019cm-3；重掺杂P型InAlAs层的厚度为8nm～15nm，In组分为0.52，掺杂元素为C，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，所述N型InP层(8)的掺杂元素为Si，掺杂浓度在1018cm-3量级，厚度为80nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，所述下限制层(4)和上限制层(6)均为带隙波长在1μm～1.2μm之间的InGaAsP材料。
6.根据权利要求1所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，所述量子阱有源区(5)包括量子阱层和势垒层；量子阱层与势垒层交错排布，量子阱有源区的最下层和最上层均为势垒层。
7.根据权利要求6所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，所述量子阱层是激射波长为1.55μm的InGaAsP材料，势垒层是带隙波长为1.2μm的InGaAsP材料；或所述量子阱层是激射波长为1.31μm的InGaAsP材料，势垒层是带隙波长为1.1μm的InGaAsP材料。
8.根据权利要求1所述的用于微波振荡源的单片集成隧道结激光器，其中，绝缘隔离层(12)，包覆于脊形波导结构侧面以及N型InP层(8)未被隧道结(9)覆盖的上表面；P电极(13)，包覆于绝缘隔离层(12)外表面及P型接触层(11)上表面。
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