CN109586159B - 片上集成半导体激光器结构及其制备方法 - Google Patents

片上集成半导体激光器结构及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109586159B
CN109586159B CN201910061317.9A CN201910061317A CN109586159B CN 109586159 B CN109586159 B CN 109586159B CN 201910061317 A CN201910061317 A CN 201910061317A CN 109586159 B CN109586159 B CN 109586159B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
current injection
contact layer
layer
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910061317.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109586159A (zh
Inventor
杨成奥
牛智川
张宇
徐应强
谢圣文
张一�
尚金铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN201910061317.9A priority Critical patent/CN109586159B/zh
Publication of CN109586159A publication Critical patent/CN109586159A/zh
Priority to US17/253,747 priority patent/US11489315B2/en
Priority to PCT/CN2019/114740 priority patent/WO2020151290A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109586159B publication Critical patent/CN109586159B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4043—Edge-emitting structures with vertically stacked active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0201—Separation of the wafer into individual elements, e.g. by dicing, cleaving, etching or directly during growth
    • H01S5/0205—Separation of the wafer into individual elements, e.g. by dicing, cleaving, etching or directly during growth during growth of the semiconductor body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0201—Separation of the wafer into individual elements, e.g. by dicing, cleaving, etching or directly during growth
    • H01S5/0203—Etching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0425—Electrodes, e.g. characterised by the structure
    • H01S5/04256—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration
    • H01S5/04257—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the configuration having positive and negative electrodes on the same side of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1237—Lateral grating, i.e. grating only adjacent ridge or mesa
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1231—Grating growth or overgrowth details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/16—Window-type lasers, i.e. with a region of non-absorbing material between the active region and the reflecting surface
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34346—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser characterised by the materials of the barrier layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种片上集成半导体激光器结构及其制备方法，该设计结构包括：依次沉积在衬底上的第一N接触层、第一N限制层、第一有源区、第一P限制层、第一P接触层、隔离层，第二N接触层、第二N限制层、第二有源区、第二P限制层和第二P接触层作为外延结构，通过光刻刻蚀该外延结构实现双波长激光器的制作；以及波导结构，包括第一激光器的波导结构和第二激光器的波导结构；光栅，设置于第一激光器的波导结构和第二激光器的波导结构两侧，实现激光模式的筛选；和电流注入窗口。本发明通过在同一片外延上实现不同波段半导体激光器外延材料生长，实现了不同波长激光器的片上集成，达到在同一激光器上激射不同波长的激光的目的。

Description

片上集成半导体激光器结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及单片集成半导体激光器领域，尤其涉及一种片上集成半导 体激光器结构及其制备方法。
背景技术
半导体激光器具有输出功率高、体积小、重量轻、光电转换效率高等 优点，尤其是半导体边发射激光器在高效率、大功率和气体检测等方面具 有极大的优势。
常见的半导体激光器为一个PN结结构或PIN结结构，其激射波长受 有源区材料和结构直接影响，对其气体监测这一特殊应用要求，由于气体 本身的特征吸收峰不同，针对不同的气体的检测需要分别配置不同波长的 单模激光器实现气体的检测，不仅价格昂贵，而且配置多个单独封装的半 导体激光器会使得整套系统的体积和重量会大幅增加。
本发明中，我们在同一激光器外延片上制备了NIPINP型结构，中间 I层采用非掺杂的渐变绝缘层材料实现了外延材料良好的电隔离，利用半 导体材料激射波长覆盖范围广的优势，在同一片外延上通过改变有源区材 料组分，实现片上双波长激光，两个激光器分别有自己独立的波导结构和 光栅用于对目标波长的模式筛选，同时设计了不同的电流注入槽和隔离槽， 实现了两个PIN结电流的分别控制和注入，即在同一片外延上实现了双波 长激光激射，每个激光器具有独立的外延层结构和波导结构，他们公用一 个N面电极，可以分别对两个条形波导结构的半导体激光器进行电流的单 独调整，实现两个激光器的分别工作，由于两个激光器制备在同一个外延 片上，且距离很近，在后续的光纤耦合和光学整形时可以共用一套光路， 通过控制两个激光器分别工作实现同一激光器上激射两种单模激光，这种 片上集成结构降低了外置泵浦源和冷却装置的体积，降低了生产和制备的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种片上集成半导体激光器结 构及其制备方法，该激光器可以实现两个波长激光的分别单模工作，实现 两个波段激光的片上集成。
为了达到上述目的，本方案提供一种片上集成半导体激光器结构及其 制备方法，其中，该激光器结构包括：
依次沉积在衬底上的第一N接触层、第一N限制层、第一有源区、 第一P限制层、第一P接触层、隔离层、第二N接触层、第二N限制层、 第二有源区、第二P限制层和第二P接触层作为外延结构；
波导结构，第一激光器的波导结构为从第二P接触层刻蚀到第二有源 区界面上，第二激光器的波导结构为从第一P接触层刻蚀到第一有源区界 面上；
光栅，设置于第一激光器的波导结构和第二激光器的波导结构两侧， 实现激光模式的筛选；
电流注入窗口，第一激光器的第一N面电流注入窗口制备在第二N 接触层上，第一激光器的第二N面电流注入窗口制备在第一N接触层上， 第一激光器的P面电流注入窗口制备在第一激光器的波导结构上，第二激 光器的P面电流注入窗口制备在第二激光器的波导上。
进一步的，该激光器结构具有电流隔离区，包括第一电流隔离区和第 二电流隔离区，其中：
第一电流隔离区设置于第一激光器的P面电流注入窗口和第二激光器 的P面电流注入窗口之间，形成电学隔离；
第二电流隔离区设置于第一激光器的P面电流注入窗口和第一激光器 的第一N面电流注入窗口之间，形成电学隔离。进一步的，该激光器结构 具有电流注入槽，第一电流注入槽、第二电流注入槽和第三电流注入槽， 其中：
第一电流注入槽刻蚀到第一P接触层；
第二电流注入槽刻蚀到第二N接触层；
第三电流注入槽刻蚀到第一N接触层；
且，第三电流注入槽位于第二电流注入槽内，第二激光器的波导结构 位于第一电流注入槽内。
进一步的，该激光器外延结构包括：
衬底为N型GaSb衬底；
第一N接触层，N型掺杂，材料组分为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度200nm-700nm；
第一N限制层，材料为A1GaAaSb，Al组分0.4-0.9，掺杂浓度为1×1018 -8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第一有源区，非故意掺杂，材料为AlGaAsSb\InGaAsSb\AlGaAsSb， Al组分0.1-0.3，In组分0.25-0.4，厚度100nm-700nm；
第一P限制层，P型掺杂，材料为AlGaAaSb，Al组分0.4-0.9，掺杂 浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第一P接触层，P型掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度50nm-300nm；
隔离层，非故意掺杂，材料为Al0.1Ga0.9Sb\A10.6Ga0.4AsSb\Al0.1Ga0.9AsSb， Al组分从Al0.1Ga0.9Sb线性渐变到Al0.6Ga0.4AsSb，再线性渐变到 Al0.1Ga0.9AsSb，渐变区厚度300nm-900nm；
第二N接触层，N重掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度300nm-900nm；
第二N限制层，材料为AlGaAsSb，Al组分0.5-0.85，掺杂浓度为 1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第二有源区，非故意掺杂，材料为AlGaAsSb\InGaAsSb\AlGaAsSb， Al组分0.15-0.35，In组分0.1-0.3，厚度100nm-600nm；
第二P限制层，P型掺杂，材料为AlGaAsSb，Al组分0.5-0.85，掺杂 浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第二P接触层，P型重掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度50nm-500nm；
进一步的，第一激光器和第二激光器的波导结构为条形波导，宽度为 1μm-6μm，该第一激光器和第二激光器的波导结构刻蚀制备成相同高度的 波导结构或者分别制备成不同高度的波导结构。
进一步的，光栅为周期性光栅，在波导两侧均匀分布，与波导延伸方 向上垂直，光栅周期满足λ＝Λ×Neff/m，其中λ是激光器激射波长，Neff 是波导结构的有效折射率，Λ是光栅周期，m是光栅阶数。
进一步的，第一激光器的第一N面电流注入窗口和第二N面电流注 入窗口，实现第一激光器掺杂的第二N接触层与衬底的电学导通。
进一步的，第一电流隔离区和第二电流隔离区的宽度为30μm-300μm。
本发明还提供了一种片上集成半导体激光器的制备方法，包括：
取一N型衬底；
在N型衬底上依次沉积第一N接触层、第一N限制层、第一有源区、 第一P限制层、第一P接触层、隔离层，第二N接触层、第二N限制层、 第二有源区、第二P限制层和第二P接触层；
在外延结构上光刻刻蚀波导结构及电流注入槽；
进一步的，该步骤包括：
光刻并刻蚀形成第一激光器的波导结构；
光刻并刻蚀形成第二激光器的第一电流注入槽；
光刻并在第一电流注入槽内刻蚀形成第二激光器的波导结构；
光刻并刻蚀形成第二电流注入槽；
在第二电流注入槽内部光刻刻蚀形成第三电流注入槽。
在波导结构的两侧制备光栅掩膜图形；
在电流注入槽沉积绝缘介质层并光刻刻蚀绝缘介质层，形成电流注入 窗口；
光刻形成电极图形，沉积P面金属电极，采用剥离或刻蚀的方法制备 第一电流隔离区和第二电流隔离区；
衬底减薄抛光，在衬底背面制作背电极；
退火，解理成矩形芯片，完成制备。
本发明有以下的有益效果：
(1)本发明提供的这种单片集成双波长半导体激光器结构及其制备 方法，利用特殊的能带工程和外延结构设计，在同一片外延上实现不同波 段半导体激光器外延材料生长，实现双波长激光器的片上集成，结构紧凑， 两个激光器用于独立的波导结构和光栅结构，可以分别工作产生单模激光， 在同一激光器上激射两种不同波长的激光，实现不同种类气体检测。
(2)本发明提供的这种单片集成双波长半导体激光器通过电流注入 槽和隔离槽的特殊设计，实现了两个激光器驱动电极的集成性制备，同时 也实现了两个激光器分别电注入和电隔离，两个激光器可以分别单独驱动， 工艺成熟度高，两个激光器分别制备有独立的光栅区结构，针对不同波长 激光完成模式筛选，实现两种波长的单模激光的分别工作，由于两个激光 器集成在同一外延片上，因此在后续的光纤耦合和光学整形时可以共用一 套光路成本低，在气体检测领域具有广泛的应用前景。
附图说明
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，其中：
图1是本发明的激光器结构的剖面示意图；
图2是本发明实施例的激光器结构的制备方法流程图；
图3是本发明的激光器的光场模式分布仿真图；
图4是本发明的激光器1单独工作时的单模激射谱图；
图5是本发明的激光器2单独工作时的单模激射谱图。
图中：
衬底1 第一N接触层2 第一N限制层3
第一有源区4 第一P限制层5 第一P接触层6
隔离层7 第二N接触层8 第二N限制层9
第二有源区10 第二P限制层11 第二P接触层12
第二激光器的波导13 第一激光器的条形波导14
光栅15、16 电流注入窗口17、18、19、20
电流隔离区21、22 电流注入槽23、24、25
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。
本发明一实施例提供了一种片上集成半导体激光器结构，请参见图1， 包括：
依次沉积在衬底1上的第一N接触层2、第一N限制层3、第一有源 区4、第一P限制层5、第一P接触层6、隔离层7、第二N接触层8、第 二N限制层9、第二有源区10、第二P限制层11和第二P接触层12作为 外延结构，通过光刻刻蚀该外延结构实现双波长激光器的制作；
一些实施例中，该外延结构包括：
衬底1为N型GaSb衬底；
第一N接触层2，N型掺杂，材料组分为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度200nm-700nm；
第一N限制层3，材料为AlGaAaSb，Al组分0.4-0.9，掺杂浓度为 1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第一有源区4，非故意掺杂，材料为AlGaAsSb\InGaAsSb\AlGaAsSb， A1组分0.1-0.3，In组分0.25-0.4，厚度100nm-700nm；
第一P限制层5，P型掺杂，材料为AlGaAaSb，Al组分0.4-0.9，掺 杂浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第一P接触层6，P型掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度50nm-300nm；
隔离层7，非故意掺杂，材料为Al0.1Ga0.9Sb\Al0.6Ga0.4AsSb\Al0.1Ga0.9 AsSb，Al组分从Al0.1Ga0.9Sb线性渐变到Al0.6Ga0.4AsSb，再线性渐变到 Al0.1Ga0.9AsSb，渐变区厚度300nm-900nm；
第二N接触层8，N重掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度300nm-900nm；
第二N限制层9，材料为A1GaAsSb，A1组分0.5-0.85，掺杂浓度为1× 1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第二有源区10，非故意掺杂，材料为AlGaAsSb\InGaAsSb\AlGaAsSb， Al组分0.15-0.35，In组分0.1-0.3，厚度100nm-600nm；
第二P限制层11，P型掺杂，材料为A1GaAsSb，Al组分0.5-0.85， 掺杂浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
第二P接触层12，P型重掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017- 1×1019cm-3，厚度50nm-500nm。
波导结构，第一激光器的波导结构14为从第二P接触层12刻蚀到第 二有源区10界面上，第二激光器的波导结构13为从第一P接触层6刻蚀 到第一有源区4界面上；
一些实施例中，第一激光器和第二激光器的波导结构为条形波导，宽 度为1μm-6μm，该第一激光器和第二激光器的波导结构刻蚀制备成相同高 度的波导结构或者分别制备成不同高度的波导结构。
光栅，第一激光器的光栅15设置于第一激光器的波导结构14两侧， 第二激光器的光栅16设置于第二激光器的波导结构13两侧，实现激光模 式的筛选；
一些实施例中，光栅为周期性光栅，在波导两侧均匀分布，与波导延 伸方向上垂直，光栅周期满足λ＝Λ×Neff/m，其中λ是激光器激射波长， Neff是波导结构的有效折射率，Λ是光栅周期，m是光栅阶数。
电流注入窗口，第一激光器的第一N面电流注入窗口18制备在第二 N接触层8上，第一激光器的第二N面电流注入窗口17制备在第一N接 触层2上，第一激光器的P面电流注入窗口19制备在第一激光器的波导 结构14上，第二激光器的P面电流注入窗口20制备在第二激光器的波导 13上。
一些实施例中，第一激光器的第一N面电流注入窗口18和第二N面 电流注入窗口17，实现第一激光器掺杂的第二N接触层8与衬底1的电 学导通。
一些实施例中，该激光器结构具有电流隔离区，包括第一电流隔离区 22和第二电流隔离区21，其中：
第一电流隔离区22设置于第一激光器的P面电流注入窗口19和第二 激光器的P面电流注入窗口20之间，形成电学隔离；
第二电流隔离区21设置于第一激光器的P面电流注入窗口19和第一 激光器的第一N面电流注入窗口18之间，形成电学隔离。
一些实施例中，第一电流隔离区22和第二电流隔离区21的宽度为 30μm-300μm。
一些实施例中，该激光器结构具有电流注入槽，第一电流注入槽23、 第二电流注入槽25和第三电流注入槽24，其中：
第一电流注入槽23刻蚀到第一P接触层6；
第二电流注入槽25刻蚀到第二N接触层8；
第三电流注入槽24刻蚀到第一N接触层2；
且，第三电流注入槽24位于第二电流注入槽25内，第二激光器的波 导结构13位于第一电流注入槽23内。
本发明另一实施例提供了一种片上集成半导体激光器结构的制备方 法，以下请参照图2，分别对本实施例的片上集成双波长半导体激光器结 构的制备方法的各个部分进行详细的说明。
步骤1：取一N型GaSb衬底1；
步骤2：在N型衬底上依次沉积第一N接触层2、第一N限制层3、 第一有源区4、第一P限制层5、第一P接触层6、隔离层7、第二N接触 层8、第二N限制层9、第二有源区10、第二P限制层11和第二P接触 层12；
本实施例中，依次沉积在N型衬底1上的第一N接触层2，材料为 GaSb，厚度500nm，掺杂浓度2×1018cm-3、第一N限制层3，材料为 Al0.6Ga0.4As0.02Sb0.98，厚度2μm，掺杂浓度4×1017cm-3、第一有源区4， 厚度分别为120nm/10nm/120nm，材料为Al0.28Ga0.81As0.02Sb0.98\In0.3Ga0.85Sb\ Al0.28Ga0.81As0.02Sb0.98、第一P限制层5，厚度2μm，材料为Al0.6Ga0.4As0.02Sb0.98，掺杂浓度5×1018cm-3、第一P接触层6，厚度为200nm，材料为 GaSb，掺杂浓度9×1018cm-3、渐变绝缘隔离层7，材料为Al0.1Ga0.9As0.02 Sb0.98\Al0.6Ga0.4As0.02Sb0.98\Al0.1Ga0.9As0.02Sb0.98，厚度为500nm，第二N接 触层8，厚度400nm，材料为GaSb，掺杂浓度8×1018cm-3、第二N限制 层9，厚度1.8μm，材料为Al0.55Ga0.4As0.02Sb0.98，掺杂浓度5×1018cm-3、第二有源区10，厚度分别为300nm/8nm/300nm，材料分别为Al0.28Ga0.81 As0.02Sb0.98\In0.18Ga0.85Sb\Al0.28Ga0.81As0.02Sb0.98、第二P限制层11，材料为 1.8μmAl0.55Ga0.4As0.02Sb0.98、第二P接触层12，材料为270nm GaSb，铍掺 杂浓度1×1019cm-3。
步骤3：在外延结构上光刻刻蚀波导结构及电流注入槽；
一些实施例中，该步骤包括：
光刻并刻蚀形成第一激光器的波导结构；
光刻并刻蚀形成第二激光器的第一电流注入槽；
光刻并在第一电流注入槽内刻蚀形成第二激光器的波导结构；
光刻并刻蚀形成第二电流注入槽；
在第二电流注入槽内部光刻刻蚀形成第三电流注入槽。
本实施例中，首先光刻并刻蚀形成第一激光器的条形波导14，波导宽 3μm，刻蚀深度1.92μm，然后光刻并刻蚀形成第二激光器的电流注入槽 23，深5.378μm，宽100nm，然后光刻并在电流注入槽23内刻蚀形成第 二激光器的波导13，宽4.5μm，深2.05μm；然后光刻并刻蚀形成电流注 入槽25，宽250μm，深4.478μm，并在电流注入槽25内部光刻刻蚀形 成电流注入槽24，宽100μm，深5.35μm。
步骤4：在波导结构的两侧制备光栅掩膜图形；
本实施例中，在第一激光器的条形波导14的两侧制备光栅掩膜图形， 光栅周期555nm，占空比0.3，并向下刻蚀200nm，形成均匀周期光栅15； 在第二激光器的波导13的两侧制备光栅掩膜图形，光栅周期688nm，占 空比0.4，并向下刻蚀200nm形成均匀的周期光栅16。
步骤5：在电流注入槽沉积绝缘介质层并光刻刻蚀绝缘介质层，形成 电流注入窗口；
本实施例中，沉积绝缘介质层26，材料为Si3N4，厚度300nm；
在第一激光器的条形波导14、第二激光器的条形波导13、电流注入 槽25、电流注入槽24上光刻形成2μm的电流注入窗口掩膜，干法刻蚀 300nm Si3N4，形成第一激光器的P面电流注入窗口19、N面电流注入窗 口18和N面电流注入窗口17和第二激光器的P面电流注入窗口20。
步骤6：光刻形成电极图形，沉积P面金属电极，采用剥离或刻蚀的 方法制备第一电流隔离区和第二电流隔离区；
本实施例中，光刻形成电极图形，隔离槽磁控溅射P面金属电极TiPtAu 50\50\300nm，并采用带胶剥离制备第一电流隔离区22，宽50μm，和第 二电流隔离区21，宽50μm。
步骤7：衬底减薄抛光，在衬底背面制作背电极；
本实施例中，衬底减薄至100μm并抛光，在衬底背面制作背电极 Ni\AuGe\Au＝5\50\300nm。
步骤8：退火，解理成矩形芯片，完成制备；
本实施例中，退火，解理成1000μmX1.5mm的矩形芯片，完成制备。
至此，本实施例一种片上集成双波长半导体激光器的制备方法介绍完 毕。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种 具体结构或者形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知的替换， 例如：
(1)干法刻蚀可以用湿法腐蚀替代；
(2)SiNx绝缘层可以用SiO2作替代。
综上所述，本发明提供了一种片上集成双波长半导体激光器结构及其 制备方法。
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 (10)

1.一种片上集成半导体激光器结构，其特征在于，包括：
依次沉积在衬底上的第一N接触层、第一N限制层、第一有源区、第一P限制层、第一P接触层、隔离层、第二N接触层、第二N限制层、第二有源区、第二P限制层和第二P接触层作为外延结构；
波导结构，第一激光器的波导结构为从第二P接触层刻蚀到第二有源区界面上，第二激光器的波导结构为从第一P接触层刻蚀到第一有源区界面上；
光栅，分别设置于第一激光器的波导结构的两侧和第二激光器的波导结构的两侧，实现激光模式的筛选；
电流注入窗口，第一激光器的第一N面电流注入窗口制备在第二N接触层上，第一激光器的第二N面电流注入窗口制备在第一N接触层上，第一激光器的P面电流注入窗口制备在第一激光器的波导结构上，第二激光器的P面电流注入窗口制备在第二激光器的波导上。
2.根据权利要求1所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于，具有电流隔离区，包括第一电流隔离区和第二电流隔离区，其中：
第一电流隔离区设置于第一激光器的P面电流注入窗口和第二激光器的P面电流注入窗口之间，形成电学隔离；
第二电流隔离区设置于第一激光器的P面电流注入窗口和第一激光器的第一N面电流注入窗口之间，形成电学隔离。
3.根据权利要求1所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于，具有电流注入槽，包括第一电流注入槽、第二电流注入槽和第三电流注入槽，其中：
第一电流注入槽刻蚀到第一P接触层；
第二电流注入槽刻蚀到第二N接触层；
第三电流注入槽刻蚀到第一N接触层；
且，第三电流注入槽位于第二电流注入槽内，第二激光器的波导结构位于第一电流注入槽内。
4.根据权利要求1所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于：
所述衬底为N型GaSb衬底；
所述第一N接触层，N型掺杂，材料组分为GaSb，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度200nm-700nm；
所述第一N限制层，材料为AlGaAaSb，Al组分0.4-0.9，掺杂浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
所述第一有源区，非故意掺杂，材料为AlGaAsSb\InGaAsSb\AlGaAsSb，Al组分0.1-0.3，In组分0.25-0.4，厚度100nm-700nm；
所述第一P限制层，P型掺杂，材料为AlGaAaSb，Al组分0.4-0.9，掺杂浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
所述第一P接触层，P型掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度50nm-300nm；
所述隔离层，非故意掺杂，材料为Al0.1Ga0.9Sb\Al0.6Ga0.4AsSb\Al0.1Ga0.9AsSb，Al组分从Al0.1Ga0.9Sb线性渐变到Al0.6Ga0.4AsSb，再线性渐变到Al0.1Ga0.9AsSb，渐变区厚度300nm-900nm；
所述第二N接触层，N型掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度300nm-900nm；
所述第二N限制层，材料为AlGaAsSb，Al组分0.5-0.85，掺杂浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
所述第二有源区，非故意掺杂，材料为AlGaAsSb\InGaAsSb\AlGaAsSb，Al组分0.15-0.35，In组分0.1-0.3，厚度100nm-600nm；
所述第二P限制层，P型掺杂，材料为AlGaAsSb，Al组分0.5-0.85，掺杂浓度为1×1018-8×1018cm-3，厚度600nm-3000nm；
所述第二P接触层，P型重掺杂，材料为GaSb，掺杂浓度为1×1017-1×1019cm-3，厚度50nm-500nm。
5.根据权利要求1所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器的波导结构为条形波导，宽度为1μm-6μm，所述第一激光器和第二激光器的波导结构刻蚀制备成相同高度的波导结构或者分别制备成不同高度的波导结构。
6.根据权利要求1所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于，所述光栅为周期性光栅，在波导两侧均匀分布，与波导延伸方向上垂直，光栅周期满足λ＝Λ×Neff/m，其中λ是激光器激射波长，Neff是波导结构的有效折射率，Λ是光栅周期，m是光栅阶数。
7.根据权利要求1所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于，所述第一激光器的第一N面电流注入窗口和第二N面电流注入窗口，实现第一激光器掺杂的第二N接触层与衬底的电学导通。
8.根据权利要求2所述的片上集成半导体激光器结构，其特征在于，所述第一电流隔离区和第二电流隔离区的宽度为30μm-300μm。
9.一种片上集成半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括：
取一衬底；
在衬底上沉积外延结构；
在外延结构上光刻刻蚀波导结构及电流注入槽；
在波导结构的两侧制备光栅掩膜图形；
在电流注入槽沉积绝缘介质层并光刻刻蚀绝缘介质层，形成电流注入窗口；
光刻形成电极图形，沉积P面金属电极，采用剥离或刻蚀的方法制备第一电流隔离区和第二电流隔离区；
衬底减薄抛光，在衬底背面制作背电极；
退火，解理成矩形芯片，完成制备。
10.根据权利要求9所述的片上集成半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述在外延结构上光刻刻蚀波导结构及电流注入槽包括：
光刻并刻蚀形成第一激光器的波导结构；
光刻并刻蚀形成第二激光器的第一电流注入槽；
光刻并在第一电流注入槽内刻蚀形成第二激光器的波导结构；
光刻并刻蚀形成第二电流注入槽；
在第二电流注入槽内部光刻刻蚀形成第三电流注入槽。
CN201910061317.9A 2019-01-22 2019-01-22 片上集成半导体激光器结构及其制备方法 Active CN109586159B (zh)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910061317.9A CN109586159B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 片上集成半导体激光器结构及其制备方法
US17/253,747 US11489315B2 (en) 2019-01-22 2019-10-31 On-chip integrated semiconductor laser structure and method for preparing the same
PCT/CN2019/114740 WO2020151290A1 (zh) 2019-01-22 2019-10-31 片上集成半导体激光器结构及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910061317.9A CN109586159B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 片上集成半导体激光器结构及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109586159A CN109586159A (zh) 2019-04-05
CN109586159B true CN109586159B (zh) 2020-05-12

Family

ID=65917017

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910061317.9A Active CN109586159B (zh) 2019-01-22 2019-01-22 片上集成半导体激光器结构及其制备方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11489315B2 (zh)
CN (1) CN109586159B (zh)
WO (1) WO2020151290A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109586159B (zh) * 2019-01-22 2020-05-12 中国科学院半导体研究所 片上集成半导体激光器结构及其制备方法
CN110854673B (zh) * 2019-11-15 2021-02-26 浙江大学 基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器
CN114976870B (zh) * 2022-08-03 2023-10-13 日照市艾锐光电科技有限公司 一种层叠式双波长集成半导体激光器及其制备方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0578012B1 (de) * 1992-07-08 1995-03-08 Siemens Aktiengesellschaft Modulierbare Laserdiode für hohe Frequenzen
US5585957A (en) * 1993-03-25 1996-12-17 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Method for producing various semiconductor optical devices of differing optical characteristics
US5436193A (en) * 1993-11-02 1995-07-25 Xerox Corporation Method of fabricating a stacked active region laser array
US6144683A (en) * 1998-01-07 2000-11-07 Xerox Corporation Red, infrared, and blue stacked laser diode array by wafer fusion
US20030034538A1 (en) * 2001-08-15 2003-02-20 Motorola, Inc. Tunable laser array in composite integrated circuitry
JP2006080307A (ja) * 2004-09-09 2006-03-23 Toshiba Corp 半導体レーザアレイ及びその製造方法、多波長半導体レーザ装置
JP2006310413A (ja) * 2005-04-26 2006-11-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ装置
DE102009054564A1 (de) * 2009-12-11 2011-06-16 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laserdiodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung
DE102010002966B4 (de) * 2010-03-17 2020-07-30 Osram Opto Semiconductors Gmbh Laserdiodenanordnung und Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung
CN104409966A (zh) * 2014-12-11 2015-03-11 北京工业大学 一种双波长镓氮基半导体激光芯片结构
CN104917052B (zh) * 2015-07-06 2017-10-24 中国科学院半导体研究所 变周期倾斜光栅激光器及制备方法
CN106953235A (zh) * 2016-03-17 2017-07-14 中国科学院半导体研究所 单模GaSb基半导体激光器及其制备方法
CN108832483A (zh) * 2018-06-27 2018-11-16 潍坊华光光电子有限公司 一种脊形半导体激光二极管的制备方法
CN109586159B (zh) * 2019-01-22 2020-05-12 中国科学院半导体研究所 片上集成半导体激光器结构及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11489315B2 (en) 2022-11-01
US20210296849A1 (en) 2021-09-23
CN109586159A (zh) 2019-04-05
WO2020151290A1 (zh) 2020-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1999827B1 (en) Red light laser
CN109586159B (zh) 片上集成半导体激光器结构及其制备方法
JP2959902B2 (ja) 半導体レーザとそれを有する装置とその製造方法
CN102684069B (zh) 基于倏逝场耦合及周期微结构选频的混合硅单模激光器
Liu et al. A thermally tunable III–V compound semiconductor microdisk laser integrated on silicon-on-insulator circuits
JPH11135893A (ja) エッジエミッティングレーザアレイ
CN105161976A (zh) 一种半导体激光器及其制备方法
CN103117510A (zh) 一种混合硅基回音壁模式微腔激光器
CN110880675A (zh) 侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法
KR100345452B1 (ko) 상부거울층 양단부에 확산영역을 구비하는 장파장표면방출 레이저 소자 및 그 제조 방법
CN107611776B (zh) 一种增益耦合分布反馈半导体激光器及其制作方法
CN108471046A (zh) 一种半导体激光器和控制方法
CN112038888B (zh) 一种集成波导光栅调制器的半导体激光器
US8168456B2 (en) Vertical cavity surface emitting laser with undoped top mirror
KR20140130936A (ko) 리지 도파로형 반도체 레이저 다이오드 및 그 제조방법
CN114122913B (zh) 一种高亮度高功率半导体发光器件及其制备方法
CN113422295A (zh) 一种多结分布反馈半导体激光器及其制备方法
CN212011600U (zh) 侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器
KR20180026385A (ko) 고차 측방향 모드 억제를 위한 안티-가이딩 영역들을 포함하는 광역 레이저
CN113745968B (zh) 一种半导体激光器及其制备方法
US20070127533A1 (en) Long-wavelength vertical cavity surface emitting lasers having oxide aperture and method for manufacturing the same
US20230006421A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser element, vertical cavity surface emitting laser element array, vertical cavity surface emitting laser module, and method of producing vertical cavity surface emitting laser element
CN111342341B (zh) 一种激光器结构及其制备方法和应用
JP2002057409A (ja) 半導体レーザ及びその製造方法
CN114188819A (zh) 一种1342纳米波长大功率微结构dfb激光器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant