CN109510063A - Dfb激光器外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DFB激光器外延结构，其包括其包括自下而上依次层叠设置的衬底、光栅层、缓冲层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、过渡层、腐蚀阻挡层、包层、势垒渐变层和欧姆接触层。本发明还涉及所述DFB激光器外延结构的制备方法。本发明提供的DFB激光器外延结构将光栅设置于N型层，由于N型半导体材料中，传输电流的载流子是电子，其具有比P型半导体载流子空穴更长的载流子寿命和输运长度，可以减小寄生电阻，提高DFB激光器的调制速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种DFB激光器外延结构及其制备方法，尤其涉及一种N型光栅激光器外延结构及其制备方法。
背景技术
光通信网络采用光作为信号传输的载体，相比于采用铜缆作为传输介质的电通信网络，信息互联的速度、容量和抗干扰能力得到显着提高，因而得到广泛应用。半导体激光器是光通信网络的主要光源，包括法布里-珀罗激光器(FP激光器)，分布反馈激光器(DFB)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)三种类型。其中，DFB激光器在半导体内部建立起布拉格光栅，依靠光的分布反馈实现单纵模的选择，具有高速、窄线宽及动态单纵模工作特性，且DFB激光器能在更宽的工作温度与工作电流范围内抑制普通FP激光器的模式跳变，极大地改善器件的噪声特性，在光通信领域具有广泛的应用。
传统的DFB激光器需要经过两次外延生长，首先需要在生长完成量子阱的一次外延片基础上，采用光刻制备纳米级别的光栅，然后在光栅表面进行二次外延生长，形成接触层。这种DFB结构在低调制速率DFB激光器中得到广泛应用，但对于高速DFB激光器，要求DFB的光栅具有更强的光栅耦合效果；对此，常用的办法是增加光栅的厚度，但是，传统DFB外延结构中光栅位于P型层，光栅厚度的增加会导致寄生电阻和寄生电容急剧增加，从而影响DFB激光的调制速率。
发明内容
因此，有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型DFB激光器外延结构及其制备方法，以提高传统DFB激光器的性能及应用范围。
一种N型光栅DFB激光器外延结构，其包括自下而上依次层叠设置的衬底、光栅层、缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、过渡层、腐蚀阻挡层、包层、势垒渐变层和欧姆接触层。
一种N型光栅DFB激光器外延结构的制备方法，其具体包括以下步骤：
步骤一，将一衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底的表面依次外延生长光栅制作层、光栅保护层；
步骤二，在所述光栅保护层的表面形成掩膜层；
步骤三，刻蚀所述光栅制作层和所述光栅保护层，形成光栅层；
步骤四，将步骤S3制备得到的结构放入MOCVD设备中，进行外延生长，直到生长得到的光栅掩埋层完全覆盖所述光栅层后，停止生长；
步骤五，从MOCVD设备中取出步骤S4制备得到的结构，去除掩膜层；以及
步骤六，将步骤S5制备得到的结构放入MOCVD设备中，在所述光栅层远离所述衬底的一侧依次生长缓冲层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、过渡层、腐蚀阻挡层、包层、势垒渐变层和欧姆接触层，即形成完整的DFB外延结构。
与现有技术相比，本发明提供的DFB激光器外延结构中光栅位于N型层，由于N型半导体材料中，传输电流的载流子是电子，其具有比P型半导体载流子空穴更长的载流子寿命和输运长度，可以减小寄生电阻，提高DFB激光器的调制速率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的DFB激光器外延结构的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的制备方法步骤一所生长完成的外延结构示意图。
图3为本发明实施例提供的制备方法步骤二所生长完成的外延结构示意图。
图4为本发明实施例提供的制备方法步骤三所生长完成的外延结构示意图。
图5为本发明实施例提供的制备方法步骤四所生长完成的外延结构示意图。
图6为本发明实施例提供的制备方法步骤五所生长完成的外延结构示意图。
以下将结合附图详细说明本发明提供的技术方案。
符号说明
| N型光栅激光器外延结构 | 10 |
| 衬底 | 101 |
| 光栅层 | 102 |
| 光栅制作层 | 1021 |
| 缓冲层 | 103 |
| 光栅保护层 | 1031 |
| 光栅掩埋层 | 1032 |
| 下限制层 | 104 |
| 下波导层 | 105 |
| 量子阱 | 106 |
| 上波导层 | 107 |
| 上限制层 | 108 |
| 过渡层 | 109 |
| 腐蚀阻挡层 | 110 |
| 包层 | 111 |
| 势垒渐变层 | 112 |
| 第一势垒渐变层 | 1121 |
| 第二势垒渐变层 | 1122 |
| 欧姆接触层 | 113 |
| 掩膜层 | 114 |
| 第一掩膜层 | 1141 |
| 第二掩膜层 | 1142 |
具体实施方式
以下将结合具体实施方式详细说明本发明所提供的N型光栅DFB激光器外延结构及其制备方法。
请参见图1，本发明实施例提供一种N型光栅DFB激光器外延结构10，其包括自下而上依次层叠设置的衬底101、光栅层102、缓冲层103、下限制层104、下波导层105、量子阱106、上波导层107、上限制层108、过渡层109、腐蚀阻挡层110、包层111、势垒渐变层112和欧姆接触层113。
所述光栅层102与所述衬底101之间可进一步设置有缓冲层，从而减少光栅层102中的缺陷密度，提高DFB外延结构的晶体质量。所述光栅层102与所述衬底101之间的缓冲层与所述缓冲层103可以相同，也可以不同。即，所述光栅层可以设置于所述衬底101与所述缓冲层103之间，也可以设置于所述缓冲层103中。所述势垒渐变层112包括第一势垒渐变层和第二势垒渐变层。
本实施例中，所述衬底101为N-InP衬底，所述光栅层102为N-InGaAsP层，所述缓冲层103为InP层，所述限制层104为N-AlInAs层、所述下波导层105为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层、所述量子阱106为6个周期的AlGaInAs层、所述上波导层107为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层、所述限制层108为非掺杂的AlInAs层、所述过渡层109为P-InP层、所述腐蚀阻挡层110为波长1100nm的InGaAsP层、所述包层111为InP层，所述势垒渐变层112包括波长为1300nm的InGaAsP层和波长为1500nm的InGaAsP层，所述欧姆接触层113为InGaAs层。
本发明实施例还提供一种所述DFB激光器外延结构10的制备方法，其具体包括以下步骤：
步骤一，将一衬底101放入MOCVD设备中，在所述衬底101的表面依次外延生长光栅制作层1021、光栅保护层1031；
步骤二，在所述光栅保护层1031远离所述光栅制作层1021的表面形成掩膜层114；
步骤三，刻蚀光栅制作层1021和光栅保护层1031，形成光栅层102；
步骤四，将步骤三制备得到的结构放入MOCVD设备中，进行外延生长，直到生长得到的光栅掩埋层1032完全覆盖所述光栅层102后，停止生长；
步骤五，从MOCVD设备中取出步骤四制备得到的结构，去除掩膜层114；以及
步骤六，将步骤五制备得到的结构放入MOCVD设备中，在所述光栅层102远离所述衬底101的一侧依次生长缓冲层103、限制层104、下波导层105、量子阱106、上波导层107、上限制层108、缓冲层109、腐蚀阻挡层110、包层111、势垒渐变层112和欧姆接触层113，即形成完整的DFB外延结构。
以下将详细说明步骤S1～S6。
步骤一中，将一衬底101放入MOCVD设备中，进行第一次外延生长，在所述衬底101的表面依次生长光栅制作层1021、光栅保护层1031，步骤一生长得到的外延结构如图2所示。
优选地，在所述衬底101的表面依次外延生长缓冲层103、光栅制作层1021及光栅保护层1031，这样可以减少光栅制作层1021中的缺陷密度，提高DFB外延结构的晶体质量。
步骤二中，在所述光栅保护层1031远离所述光栅制作层1021的表面形成掩膜层114，步骤二得到的结构如图3所示。
所述掩膜层114的材料不限，优选的，所述掩膜层114包括第一掩膜层1141和第二掩膜层1142，采用双重掩膜可以减少外延层表层的悬挂键，提高量子阱有源区的生长质量。所述第一掩膜层1141和所述第二掩膜层1142可以相同，也可以不同，优选的，所述第一掩膜层1141为非晶碳，所述第二掩膜层1142为二氧化硅(SiO2)。
步骤三中，刻蚀除去部分光栅制作层1021和光栅保护层1031，制备得到光栅层102，步骤三得到的结构如图4所示。
可以利用全息光刻或电子束光刻的方法在掩膜层114表面形成图案，所述图案暴露一部分光栅保护层1031并覆盖所述光栅保护层1031的其余部分，然后采用化学湿法腐蚀或物理干法刻蚀所述光栅保护层1031和所述光栅制作层1021，形成光栅层102。
步骤四中，将步骤三制备得到的结构放入MOCVD设备中，进行外延生长，直到生长得到的光栅掩埋层1032完全覆盖所述光栅层102后，停止生长，步骤四生长得到的外延结构如图5所示。
把制作完光栅的外延片再次放入到MOCVD中进行二次外延生长,首先，在PH3气体的保护下，缓慢升温至550℃，然后以脉冲的方式通入TMIn作为源气体生长InP，DeZn作为InP的掺杂，当InP层厚度完全覆盖光栅102后，停止生长，取出外延片的光栅结构。在进行二次外延生长时，首先在550℃生长光栅掩埋层，这样由于所述光栅掩膜层在低温、慢速下生长，使得获得的晶体质量较好，且可以生长界面平整的量子阱有源区。
步骤五中，从MOCVD设备中取出步骤四制备得到的结构，去除掩膜层114。
可以通过湿法或干法刻蚀的方法，去除第一掩膜层1141和第二掩膜层1142，去除掩膜层后的结构示意图如图6所示。
步骤六中，将步骤五制备得到的结构放入MOCVD设备中，在所述光栅层102远离所述衬底101的表面依次生长缓冲层103、限制层104、下波导层105、量子阱106、上波导层107、上限制层108、过渡层109、腐蚀阻挡层110、包层111、势垒渐变层112和欧姆接触层113。
可以采用正常外延生长温度670℃速生长InP缓冲层103及后续量子阱有源，生长完形成的结构如图1所示。
本实施例中，以电导率为2-8x1018cm-2的N-InP作为生长衬底，并将所述N-InP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-InGaAsP光栅制作层，N-InP保护层。然后取出外延结构，采用PECVD在光栅保护层的表面依次生长非晶碳、二氧化硅，并在二氧化硅的表面旋涂光刻胶，然后采用公知的全息或电子束曝光法，在光刻胶表面形成光栅的胶纹。然后采用BOE湿法去除未被光刻胶掩膜的SiO2，然后采用氧等离子体设备去除光刻胶和未被SiO2覆盖的非晶碳，并刻蚀光栅保护层和光栅制作层，形成光栅。把形成有光栅的外延结构清洗干净，然后再次放入到MOCVD反应炉中，采用脉冲式气流法生长光栅掩埋层，当光栅掩埋层完全覆盖所述光栅层时，停止生长；然后取出外延结构，去除SiO2和非晶碳掩膜层。然后在所述光栅层远离所述N-InP衬底的一侧依次外延生长InP缓冲层，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过渡层、波长为1100nm的InGaAsP腐蚀阻挡层、InP包层以及波长为1300nm和1500nm的InGaAsP势垒过渡层，以及InGaAs欧姆接触层等，即形成完整的DFB的外延结构。
待DFB激光器外延结构生长完成后，可利用光刻与刻蚀工艺，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；在管芯一端蒸镀高反射薄膜(90％反射率)，另一端蒸镀低反射膜(0.3％反射率)，即完成DFB激光器芯片的制作。
本发明采用N型光栅DFB外延结构，在生长过程中，在进行第二次外延生长时，采用二步法生长光栅掩埋层和量子阱有源区，使得量子阱有源区界面平整，生长质量高；而且采用非晶碳和二氧化硅双重掩膜，可以减少外延层表面的悬挂健，提高量子阱有源区生长质量；此外，在进行第二次外延生长时首先采用550℃的低温生长，直到二次外延生长层完全覆盖光栅层后，然后取出外延片，去除掩膜，可以生长界面平整的量子阱有源区。
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 (10)
1.一种N型光栅DFB激光器外延结构，其特征在于，包括自下而上依次层叠设置的衬底、光栅层、缓冲层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、过渡层、腐蚀阻挡层、包层、势垒渐变层和欧姆接触层。
2.如权利要求1所述的N型光栅DFB激光器外延结构，其特征在于，所述衬底为InP衬底。
3.如权利要求1所述的N型光栅DFB激光器外延结构，其特征在于，进一步地，所述光栅层设置于所述N型缓冲层中。
4.如权利要求1所述的N型光栅DFB激光器外延结构，其特征在于，所述光栅层为N-InGaAsP层，所述缓冲层为InP层，所述限制层为N-AlInAs层、所述下波导层为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层、所述量子阱为6个周期的AlGaInAs层、所述上波导层为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层、所述限制层为非掺杂的AlInAs层、所述过渡层为P-InP层、所述腐蚀阻挡层为波长1100nm的InGaAsP层、所述包层为InP层，所述势垒渐变层为InGaAsP层，所述欧姆接触层为InGaAs层。
5.如权利要求1所述的N型光栅DFB激光器外延结构，其特征在于，所述势垒渐变层包括第一势垒渐变层和第二势垒渐变层，所述第一势垒层为1300nm的InGaAsP层，所述第二势垒渐变层为1500nm的InGaAsP层。
6.一种N型光栅DFB激光器外延器的制备方法，其具体包括以下步骤：
步骤一，将一衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底的表面依次生长光栅制作层、光栅保护层；
步骤二，在所述光栅保护层的表面形成掩膜层；
步骤三，刻蚀光栅制作层和光栅保护层，形成光栅层；
步骤四，将步骤三制备得到的结构放入MOCVD设备中，进行外延生长，直到生长得到的光栅掩埋层完全覆盖所述光栅层后，停止生长；
步骤五，从MOCVD设备中取出步骤四制备得到的结构，去除掩膜层；以及
步骤六，将步骤五制备得到的结构放入MOCVD设备中，在所述光栅层远离所述衬底的一侧依次生长缓冲层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、上限制层、过渡层、腐蚀阻挡层、包层、势垒渐变层和欧姆接触层，即形成完整的DFB外延结构。
7.如权利要求6所述的N型光栅DFB激光器外延结构的制备方法，其特征在于，在步骤二中，所述掩膜层包括第一掩膜层和第二掩膜层。
8.如权利要求7所述的N型光栅DFB激光器外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一掩膜层为非晶碳层，所述第二掩膜层为二氧化硅层。
9.如权利要求6所述的N型光栅DFB激光器外延结构的制备方法，其特征在于，在步骤四中，生长到光栅掩膜层后停止生长，然后去除掩埋层，继续生长量子阱有源区等外延层。
10.如权利要求6所述的N型光栅DFB激光器外延结构的制备方法，其特征在于，在步骤三中，在PH3气体的保护下，缓慢升温至550℃，然后以脉冲的方式通入TMIn作为源气体生长InP，DeZn作为InP的掺杂，当InP层厚度完全覆盖光栅后，停止生长。
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