CN110247301B - 一种宽温度范围的dfb激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽温度范围的DFB激光器，该DFB激光器的外延层结构包括非InP基板，所述非InP基板上依次层叠设置有N型连接层、光栅掩埋层、N型光栅层、N型限制层、下波导层、量子阱、上波导层、P型上限制层、P型腐蚀阻挡层、P型连接层、第一P型势垒渐变层、第二P型势垒渐变层和P型欧姆接触层。该激光器所采用的光栅为N型半导体材料，使得N光栅的DFB激光器具有更低的激射阈值和更小的寄生电阻，可在更宽的温度范围内工作；采用采用倒装式外延生长方式，先生长P型层，再生长N型光栅制作层，量子阱层在制备光栅层之前的处延过程中生长，材料界面平整，材料质量好，缺陷密度小。

Description

一种宽温度范围的DFB激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种DFB激光器，特别涉及一种宽温度范围的DFB激光器及其制备方法。
背景技术
5G移动网络具有峰值速率高、端口密集和低时延的特性，将带来互联网和物联网巨大的变革。5G移动网络要求作为信号传输的光模块具有更高的调制速率以及更宽的工作温度范围。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，在光通信领域特别是5G移动通信领域具有广泛的应用。
光通信用的DFB激光器波长一般为1310nm和1550nm，传统的DFB的外延结构如图1所示，包含一N-InP衬底01，在衬底上依次采用MOCVD沉积N型缓冲层02、N型限制层03、下波导层04、量子阱05、上波导层06、P型上限制层07、P型缓冲层08、P型腐蚀阻挡层09、P型包层10、P型光栅制作层11，以及在光栅制作层刻蚀后，在其上依次生长的P型二次外延层12、P型势垒渐变层13、14和P型欧姆接触层15等。
传统采用P光栅结构，即采用N型的InP为生长衬底，采用AlGaInAs或InGaAsP的量子阱作为有源层。传统DFB外延结构中光栅在P型层，这会导致寄生电阻和寄生电容增加，影响了DFB激光的调制速，P光栅由于激射阈值和寄生电阻的限制，其工作在温度范围较窄。
为了提高DFB激光器的温度范围，一个可行的办法是光栅位于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，可以弥补光栅过厚对激光器电性能的影响。然后在N型半导体材料中生长光栅，意味着有源区需要在光栅制作完毕后生长，而量子阱有源区与光栅的间距小于100nm，在如此小的厚度上，需要掩埋光栅并获得平整的量子阱界面，难度极大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光栅位于N型层，工作温度范围宽的DFB激光器。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种宽温度范围的DFB激光器，该DFB激光器的外延层结构包括非InP基板，非InP基板上依次层叠设置有N型连接层、光栅掩埋层、N型光栅层、N型限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、P型上限制层、P型腐蚀阻挡层、P型连接层、第一P型势垒渐变层、第二P型势垒渐变层和P型欧姆接触层。
作为一种具有实施方式，非InP基板的材料不限，满足所述基板具有较好的导热性即可，非InP基板可为硅基板或氮化铝基板。N型连接层为InP层；光栅掩埋层为N型InP层；N型限制层为N-AlInAs层；下波导层为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层；量子阱层为11个周期的AlGaInAs量子阱；上波导层为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层；P型上限制层为AlInAs层；P型腐蚀阻挡层为波长为1100nm的InGaAsP层；P型连接层为InP层；第一P型势垒渐变层为波长为1300nm的InGaAsP势垒渐变层；第二P型势垒渐变层为波长为1500nm的InGaAsP势垒渐变层；P型欧姆接触层为InGaAs层。
本专利还公开了一种宽温度范围的DFB激光器的制备方法，该DFB激光器外延结构的制备方法包括如下步骤：1)以N-InP基板作为生长衬底，在生长衬底上依次生长第一牺牲缓冲层、腐蚀截止层、第二牺牲缓冲层、P型欧姆接触层、第二P型势垒渐变层、第一P型势垒渐变层、P型连接层、P型腐蚀阻挡层、P型上限制层、上波导层、量子阱层、下波导层、N型限制层、N型缓冲层，N型缓冲层分为N型光栅制作层和N型帽层；2)采用蚀刻方法对N型帽层、N型光栅制作层进行蚀刻，使N型缓冲层形成N型光栅层；3)在N型光栅层上生长光栅掩埋层，使光栅掩埋层的上表面与N型光栅层的光栅深度平行，在光栅掩埋层上生长一定厚度的N型连接层；4)将N型连接层粘附在非InP基板上，去除生长衬底、第一牺牲缓冲层、腐蚀截止层、第二牺牲缓冲层。
优选的，步骤4)中采用研磨和湿法刻蚀的方法去除生长衬底、第一牺牲缓冲层、腐蚀截止层、第二牺牲缓冲层。
优选的，在步骤4)完成后把外延片反过来，利用光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构，并利用刻蚀工艺形成垂直的腔面，然后在脊波导结构上蒸镀P型电极，在新的基板背面蒸镀N型电极；然后切割形成bar条，在bar条的一端面蒸镀高反射薄膜，另一端蒸镀低反射膜，然后切割即完成DFB激光器芯片的制作。
优选的，高反射薄膜为90％反射率，低反射膜为0.3％反射率。
优选的，步骤2)中，在N型缓冲层采用全息或电子束曝光法形成光栅的胶纹，然后采用ICP干法刻蚀形成光栅，然后去除残余的光刻胶后形成N型光栅层。
优选的，在步骤3)中采用脉冲式气流法生长光栅掩埋层。
如上所述，本发明具有以下有益效果：该激光器所采用的光栅为N型半导体材料，使得N光栅的DFB激光器具有更低的激射阈值和更小的寄生电阻，可在更宽的温度范围内工作；采用采用倒装式外延生长方式，先生长P型层，再生长N型光栅制作层，量子阱层在制备光栅层之前的处延过程中生长，材料界面平整，材料质量好，缺陷密度小。
附图说明
图1是传统的DFB激光器外延层的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的DFB激光器外延层的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的在DFB激光器中形成光栅前的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的DFB激光器中形成的光栅的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2所示，本发明提供了一种宽温度范围的DFB激光器，该DFB激光器的外延层结构包括非InP基板17，非InP基板17上依次层叠设置有N型连接层16、光栅掩埋层024、N型光栅层021、N型限制层03、下波导层04、量子阱层05、上波导层06、P型上限制层07、P型腐蚀阻挡层09、P型连接层12、第一P型势垒渐变层13、第二P型势垒渐变层14和P型欧姆接触层15。
优选的，所述非InP基板为硅基板或氮化铝基板。
优选的，所述N型连接层16为InP连接层；所述光栅掩埋层024为N型InP层；所述N型限制层03为N-AlInAs限制层；所述下波导层04为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层；所述量子阱层05为11个周期的AlGaInAs量子阱；所述上波导层06为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层；所述P型上限制层07为AlInAs限制层；所述P型腐蚀阻挡层09为波长为1100nm的InGaAsP腐蚀阻挡层；所述P型连接层12为InP连接层；所述第一P型势垒渐变层13为波长为1300nm的InGaAsP势垒渐变层；所述第二P型势垒渐变层14为波长为1500nm的InGaAsP势垒渐变层；所述P型欧姆接触层15为InGaAs欧姆接触层。
本专利还公开了一种用于上述宽温度范围的DFB激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，以N-InP基板作为生长衬底，在生长衬底上依次生长第一牺牲缓冲层11、腐蚀截止层12、第二牺牲缓冲层13、P型欧姆接触层15、第二P型势垒渐变层14、第一P型势垒渐变层13、P型连接层12、P型腐蚀阻挡层09、P型上限制层07、上波导层06、量子阱层05、下波导层04、N型限制层03、N型缓冲层02，N型缓冲层02分为N型光栅制作层022和N型帽层023；
步骤2，采用蚀刻方法对N型帽层023、N型光栅制作层022进行蚀刻，使N型缓冲层02形成N型光栅层021；
步骤3，在N型光栅层021上生长光栅掩埋层024，使光栅掩埋层024的上表面与N型光栅层021的光栅深度平行，在光栅掩埋层024上生长一定厚度的N型连接层16；
步骤4，将N型连接层16粘附在非InP基板17上，去除生长衬底、第一牺牲缓冲层11、腐蚀截止层12、第二牺牲缓冲层13。
具体地，如图3所示，以电导率为2-8x1018cm-2的N-InP作为生长衬底01，将生长衬底01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。
在生长衬底01上依次生长第一牺牲缓冲层011、腐蚀截止层012、第二牺牲缓冲层013、P型欧姆接触层15、第二P型势垒渐变层14、第一P型势垒渐变层13、P型连接层12、P型腐蚀阻挡层09、P型上限制层07、上波导层06、量子阱层05、下波导层04、N型限制层03、N型缓冲层02，N型缓冲层02分为N型光栅制作层022和N型帽层023。第一牺牲缓冲层011为非掺杂InP、腐蚀截止层012为非掺杂InGaAsP层、第二牺牲缓冲层013为非掺杂InP，、N型光栅制作层22为波长为1100nm InGaAsP层和N型帽层22为InP层。
第一次外延生长完成后，取出外延片，采用公知的全息或电子束曝光法，在N型缓冲层02上形成光栅的胶纹，采用ICP干法刻蚀形成光栅，然后去除残余的光刻胶，这样原来的N型光栅制作层22就蚀刻成N型光栅层021，如图4所示。把外延片清洗干净，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024，当光栅掩埋层024厚度正好与N型光栅层021的深度平行时，提高生长速率，生长一定厚度的InP连接层16，即形成完整的DFB的外延结构。
外延层生长完成后，在外延片表面光刻形成图形，在特定的区域蒸镀金属，然后与相应的带有金属图形的非InP基板17键合，然后采用研磨和湿法法刻蚀的方法，去除原生长衬底01上依次生长第一牺牲缓冲层011、腐蚀截止层012、第二牺牲缓冲层013，再把外延片反过来，利用光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构并利用刻蚀工艺形成垂直的腔面，然后在脊波导结构上蒸镀P型电极，在新的基板背面蒸镀N型电极；然后切割形成bar条，在bar条的一端面蒸镀高反射薄膜(90％反射率)，另一端蒸镀低反射膜(0.3％反射率)，然后切割即完成DFB激光器芯片的制作。
本发明提供的基于N光栅的DFB激光器及其制备方法具有以下优点：一、光栅为N型半导体材料，使得N光栅的DFB激光器具有更低的激射阈值和更小的寄生电阻，可在更宽的温度范围内工作；二、采用采用倒装式外延生长方式，先生长P型层，再生长N型光栅制作层，量子阱层在制备光栅层之前的处延过程中生长，材料界面平整，材料质量好，缺陷密度小；三、在DFB激光器外延层结构中设置导热性好的基板，激光器工作时产生的热量可以快速耗散，使激光器发光区温度保持稳定，有利于激光器工作在更宽的温度范围；四、二次外延层采用低温脉冲式生长，有利于光栅保存完整，且获得高质量的光栅掩埋层。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种宽温度范围的DFB激光器，其特征在于，该DFB激光器的外延层结构包括非InP基板(17)，所述非InP基板(17)上依次层叠设置有N型连接层(16)、光栅掩埋层(024)、N型光栅层(021)、N型限制层(03)、下波导层(04)、量子阱(05)、上波导层(06)、P型上限制层(07)、P型腐蚀阻挡层(09)、P型连接层(12)、第一P型势垒渐变层(13)、第二P型势垒渐变层(14)和P型欧姆接触层(15)，所述非InP基板(17)为硅基板或氮化铝基板，所述N型连接层(16)为InP层；所述光栅掩埋层(024)为N型InP层；所述N型限制层(03)为N-AlInAs层；所述下波导层(04)为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层；所述量子阱(05)为11个周期的AlGaInAs量子阱；所述上波导层(06)为非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs层；所述P型上限制层(07)为AlInAs层；所述P型腐蚀阻挡层(09)为波长为1100nm的InGaAsP层；所述P型连接层(12)为InP层；所述第一P型势垒渐变层(13)为波长为1300nm的InGaAsP势垒渐变层；所述第二P型势垒渐变层(14)为波长为1500nm的InGaAsP势垒渐变层；所述P型欧姆接触层(15)为InGaAs层。
2.一种宽温度范围的DFB激光器的制备方法，其特征在于：该DFB激光器外延结构的制备方法包括如下步骤：
1) 以电导率为2-8x1018cm-2的N-InP作为生长衬底，放入到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)为反应源气体，在生长衬底上依次生长第一牺牲缓冲层(11)、腐蚀截止层(12)、第二牺牲缓冲层(13)、P型欧姆接触层(15)、第二P型势垒渐变层(14)、第一P型势垒渐变层(13)、P型连接层(12)、P型腐蚀阻挡层(09)、P型上限制层(07)、上波导层(06)、量子阱层(05)、下波导层(04)、N型限制层(03)、N型缓冲层(02)，N型缓冲层(02)分为N型光栅制作层(022)和N型帽层(023)；
2)采用蚀刻方法对N型帽层(023)、N型光栅制作层(022)进行蚀刻，在N型缓冲层(02)采用全息或电子束曝光法形成光栅的胶纹，然后采用ICP干法刻蚀形成光栅，然后去除残余的光刻胶后形成N型光栅层(021)；
3)在N型光栅层(021)上采用脉冲式气流法生长光栅掩埋层(024)，使光栅掩埋层(024)的上表面与N型光栅层(021)的光栅深度平行，在光栅掩埋层(024)上生长一定厚度的N型连接层(16)；
4)将N型连接层(16)粘附在非InP基板(17)上，采用研磨和湿法刻蚀的方法去除生长衬底、第一牺牲缓冲层(11)、腐蚀截止层(12)、第二牺牲缓冲层(13)，接着把外延片反过来，利用光刻与刻蚀工艺，形成脊波导结构，并利用刻蚀工艺形成垂直的腔面，然后在脊波导结构上蒸镀P型电极，在新的基板背面蒸镀N型电极；然后切割形成bar条，在bar条的一端面蒸镀高反射薄膜，另一端蒸镀低反射膜，然后切割即完成DFB激光器芯片的制作，高反射薄膜为90％反射率，低反射膜为0.3％反射率。
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