CN110535031A - 一种高速dfb激光器外延结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高速DFB激光器外延结构，包括InP衬底，在衬底InP衬底由下至上依次沉积有缓冲层、有源区限制层、下波导层、量子阱、上波导层、有源区上限制层、过渡层、光栅层、联接层、第一势垒渐变层、第二势垒渐变层和欧姆接触层，所述过渡层内插入应变的第一异质结超晶格层、第二异质结超晶格层。该DFB激光器外延结构在InP过渡层中，插入两组应变的异质结超晶格层，应变的异质结超晶格层兼顾腐蚀截止层的作用；并有利于二次外延生长时及InP原子的迁移，能提高光栅掩埋层的材料质量，提高DFB激光器的性能；该DFB激光器外延结构无腐蚀截止层，激光器电阻低，阈值低，无低频滚降现象，能提高高温带宽，使激光器能工作在‑40~85℃的宽的温度范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种高速DFB激光器结构以及这种激光器外延结构的制造方法。
背景技术
随着5G商用的日益临近，窄线宽、高边模抑制比和调制速率高的动态单模分布反馈激光器(DFB-LD)成为首选光源。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5G移动通信领域具有广泛的应用。DFB采用折射率周期性变化的光栅调制，具有良好的单纵模特性，边模抑制比可达35dB以上，调制速率可达50GHz以上，可以满足5G移动网络高速率/低时延的应用要求。
常用的激光器有脊波导弱折射率限制(RWG)和侧向掩埋异质结限制(BH)两种结构，其中，BH结构采用在有源区的两侧增加P-N-P的反向结限制载流子泄漏，可获得极低阈值的DFB激光器，但是，该方法需要刻蚀掉有源区，再进行侧向掩埋生长，一般采用InGaAsP材料作为有源区。但InGaAsP材料带阶差较小，作为激光器的有源区时，载流子易发生溢出现象，导致高温特性较差。所以应用于5G的高速工温DFB激光器芯片一般采用高温特性更好且微分增益更高的AlGaInAs有源区。但由于Al原子极易与氧原子形成氧化物AlxOy，恶化器件性能，因此制作含Al的BH难度极大。
所以目前高速DFB激光器一般采用RWG结构，包含一腐蚀截止层，在制作芯片工艺过程中，在腐蚀截止层上方形成脊波导结构，腐蚀截止层下方为量子阱有源区。腐蚀截止层一般为InGaAsP材料，其禁带宽度比InP连接层小，且折射率大，异质材料的引入增加了DFB激光器电阻，且在InP与InGaAsP异质界面处，载流子易于横向扩散，导致激光器阈值电流密度偏大。由于5G网络应用于户外，要求能在-40-85℃下均能达到高的调制速率，然而在高温下，激光器阈值电流密度偏大，会影响高温调制速率。
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阈值和串联电阻低，调制速率大，温度特性好，可靠性好的高速DFB激光器外延结构。
一种高速DFB激光器外延结构，包括InP衬底，在衬底InP衬底由下至上依次沉积有缓冲层、有源区限制层、下波导层、量子阱、上波导层、有源区上限制层、过渡层、光栅层、联接层、第一势垒渐变层、第二势垒渐变层和欧姆接触层，所述过渡层内插入应变的第一异质结超晶格层、第二异质结超晶格层。
优选的，所述InP衬底上依次沉积有N-InP缓冲层，N-AlInAs限制层、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层、AlGaInAs量子阱、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层、P型掺杂的AlInAs限制层、P-InP过渡层、InGaAsP光栅层、InP联接层、第一InGaAsP势垒渐变层、第二InGaAsP势垒过渡层及InGaAs欧姆接触层，所述P-InP过渡层中插入有张应变的第一InGaAsP异质结超晶格层和压应变的第二InGaAsP异质结超晶格层。
优选的，所述第一InGaAsP异质结超晶格层厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，所述第二InGaAsP异质结超晶格层厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，所述第一InGaAsP异质结超晶格层与所述第二InGaAsP异质结超晶格层之间设有5nm的InP层。
本发明还公开了一种上述高速DFB激光器外延结构的制备方法，包括如下步骤：1)第一次外延生长：在InP衬底上由下至上依次生长N-InP缓冲层，N-AlInAs限制层、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层、AlGaInAs量子阱、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层、P型掺杂的AlInAs限制层、P-InP过渡层、InGaAsP光栅制作层及InP保护层，所述P-InP过渡层中插入有张应变的第一InGaAsP异质结超晶格层和压应变的第二InGaAsP异质结超晶格层；2)制作光栅图形：在第一次外延生长的外延片上对光栅制作层及InP保护层进行光刻处理形成光栅图形，并根据光栅图形采用蚀刻法形成InGaAsP光栅层；3)二次外延生长：首先在光栅层上生长InP掩埋层，是InP掩埋层厚度覆盖光栅层，然后在该InP层上从下向上依次生长InP联接层、第一InGaAsP势垒渐变层、第二InGaAsP势垒过渡层及InGaAs欧姆接触层。
优选的，在步骤1)第一次外延生长过程中：将电导率为2-8x1018cm-2的InP衬底(01)作为生长衬底，放入到Aixtron公司的MOCVD系统中生长，MOCVD系统反应室压力为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，依次生长依次生长N-InP缓冲层，N-AlInAs限制层、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层、AlGaInAs量子阱、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层、P型掺杂的AlInAs限制层、P-InP过渡层、光栅制作层及InP保护层。
优选的，在步骤2)中，采用全息光刻或电子束光刻的方式在第一次外延生长的外延片形成光栅图形，光栅周期为205nm,深度为40nm。
优选的，在步骤3)二次外延生长时，先在PH3气体的保护下，使反应室缓慢升温至560℃，然后将TMIn、DEZn一起以脉冲的方式通入到MOCVD反应室内，在光栅层(11)上慢速生长InP掩埋层。
优选的，所述InP掩埋层的生长包括如下步骤：a)在第一周期时间t1内脉冲开，通入TMIn和DEZn，生长InP形核层；b)在第二周期时间t2内脉冲关，让形核层原子有足够的时间迁移到其能量最低点；c)在第三周期时间t3内脉冲关内脉冲开，再次通入TMIn和DEZn，生长一定厚度的InP掩埋层；d)在第四周期时间t4内脉冲关，形成稳定的InP掩埋层；e)重复步骤a至步骤d，直至形成规定厚度的InP掩埋层。
优选的，在步骤8)形成规定厚度的InP掩埋层后将反应室升温至670℃，继续生长InP掩埋层直至厚度能覆盖光栅层。
如上所述，本发明具有以下有益效果：该DFB激光器外延结构在InP过渡层中，插入两组应变的异质结超晶格层，应变的异质结超晶格层兼顾腐蚀截止层的作用；并有利于二次外延生长时及InP原子的迁移，能提高光栅掩埋层的材料质量，提高DFB激光器的性能；该DFB激光器外延结构无腐蚀截止层，激光器电阻低，阈值低，无低频滚降现象，能提高高温带宽，使激光器能工作在-40～85℃的宽的温度范围。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例一次外延生长后的外延片结构示意图。
图3为本发明实施例形成光栅层时的结构示意图。
图4为本发明脉冲气流法生长光栅掩埋层时反应室内的温度、气体脉冲通入方式与生长时间的关系图。
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。
本发明提供了一种高速DFB激光器外延结构，其激光器外延结构包括InP衬底，在衬底InP衬底由下至上依次沉积有缓冲层、有源区限制层、下波导层、量子阱、上波导层、有源区上限制层、过渡层、光栅层、联接层、第一势垒渐变层、第二势垒渐变层和欧姆接触层，所述过渡层内插入应变的第一异质结超晶格层、第二异质结超晶格层。
如图1所示，作为一种具体实施方式，InP衬底01上依次沉积有N-InP缓冲层02，N-AlInAs限制层03、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层04、AlGaInAs量子阱05、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层06、P型掺杂的AlInAs限制层07、P-InP过渡层08、InGaAsP光栅层11、InP联接层12、第一InGaAsP势垒渐变层13、第二InGaAsP势垒过渡层14及InGaAs欧姆接触层15，在P-InP过渡层08中插入有张应变的第一InGaAsP异质结超晶格层9a和压应变的第二InGaAsP异质结超晶格层9b。第一InGaAsP异质结超晶格层9a厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，第二InGaAsP异质结超晶格层9b厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，第一InGaAsP异质结超晶格层9a与第二InGaAsP异质结超晶格层9b之间设有5nm的InP层。
本专利还公开了一种上述高速DFB激光器外延结构的制造方法，其具体步骤为：
首先将电导率为2-8x1018cm-2的InP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，依次在InP衬底01生长N-InP缓冲层02，N-AlInAs限制层03、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层04、8个周期的AlGaInAs量子阱05、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层06、P型掺杂的AlInAs限制层07、P-InP过渡层08、InGaAsP光栅制作层10及InP保护层121。其中在P-InP过渡层08中插入应变的InGaAsP异质结超晶格层(如图2所示)。第一层InGaAsP异质结超晶格层9a为张应变的InGaAsP,厚度为2.5nm，波长为1100nm，应变为张应变7000-8000ppm；第一层InGaAsP异质结超晶格层9b为压应变的InGaAsP,厚度为2.5nm，波长为1100nm，应变为压应变9000-10000ppm。两层超晶格中，InP层厚度为5nm。
在一次外延生长完成后，然后取出外延片，旋涂光刻胶，利用全息光刻或电子束光刻的方法形成光栅图形，光栅周期为205nm,深度为40nm，并采用化学湿法腐蚀的方法同时刻穿InGaAsP光栅制作层10及InP保护层121，剩余部分作为nGaAsP光栅层11(如图3所示)。然后将形成nGaAsP光栅层11的外延片进行清洗，再次放入到MOCVD外延炉中，进行二次外延层生长。
在进行二次外延层生长时可先采用低温脉冲沉积法在InGaAsP光栅层11生长InP掩埋层，其具体步骤为：首先，在900sccm的PH3气体的保护下，反应室缓慢升温至560℃，然后将TMIn、DEZn一起以脉冲的方式通入到MOCVD反应室内慢速生长InPInP掩埋层，其中，TMIn的Source流量设定为10sccm，DEZn作为掺杂剂，以双稀释管路通入到反应室中，其Source/Dilute/inject流量分别为10/800/51，双稀释管路通入到反应室的气体浓度可通过以下公式计算：
其中，S是实际通入到反应室的气体流量，FSource、FDilute、FInject分别代表Source、Dilute、Injetct的流量。
InP掩埋层的生长速率与In的流量呈线性关系，一般可通过以下公式来计算：
其中，V是InP的生长速率，CInP为InP通入到反应室的浓度，其值可由MOCVD设备上连接与MFC与五二阀的Epison III气体浓度监测仪精确测量，当InP的Souce流量为10时，其浓度为87摩尔浓度。可以计算得到10sccm的In流量生长InP的速率为0.0028nm/s。当In流量增加为720sccn时，In浓度为7300摩尔浓度。InP的生长速率为0.2nm/s。
图4给出了反应室内的温度、气体脉冲通入方式与生长时间的关系。在t1＝2秒的时间内脉冲开，通入TMIn和DEZn，生长InP形核层；在t2＝2秒的时间内脉冲关，让形核层原子有足够的时间迁移到其能量最低点；在t3＝15秒时间内脉冲开，再次通入TMIn和DEZn，生长一定厚度的外延层；在t4＝2秒时间内脉冲关，形成稳定的外延层。t4时间后进入到下一个循环。脉冲式生长方法中，一直保护PH3的高分压比(900sccm)，有利于减少升温过程中P的挥发，先以短脉冲通入TMIn、DEZn，在衬底上形成一层非常薄的形核层并使之形成稳定态，减少堆垛层错和空位，然后在形核层基础上生长一定厚度的外延层，可显著降低半导体外延层缺陷密度。采用这种脉冲气流生长，每个循环耗时21秒，生长厚度约0.048nm。生长1500个循环，即t5＝525min，生长的InP掩埋层厚度为72nm,然后反应室温度升高到670℃，继续生长InP掩埋层层28nm，此时InP掩埋层的厚度完全覆盖P光栅层11，然后增加TMIn的流量，在光栅层11上快速生长1500nm的InP联接层12，1100nm的第一InGaAsP势垒过渡层13及第一二InGaAsP势垒过渡层14，InGaAs欧姆接触层15，即形成完整的DFB的外延结构。
外延层生长完成后，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(0.03％反射率)，即完成DFB激光器芯片的制作。
该DFB激光器外延结构在InP过渡层中，插入两组应变的异质结超晶格层，应变的异质结超晶格层兼顾腐蚀截止层的作用；并有利于二次外延生长时及InP原子的迁移，能提高光栅掩埋层的材料质量，提高DFB激光器的性能；该DFB激光器外延结构无腐蚀截止层，激光器电阻低，阈值低，无低频滚降现象，能提高高温带宽，使激光器能工作在-40～85℃的宽的温度范围。DFB二次外延层采用低温脉冲沉积方式，也能提高光栅掩埋层材料生长质量，提高DFB性能。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 (9)
1.一种高速DFB激光器外延结构，其特征在于，包括InP衬底，在衬底InP衬底由下至上依次沉积有缓冲层、有源区限制层、下波导层、量子阱、上波导层、有源区上限制层、过渡层、光栅层、联接层、第一势垒渐变层、第二势垒渐变层和欧姆接触层，所述过渡层内插入应变的第一异质结超晶格层、第二异质结超晶格层。
2.根据权利要求1所述的高速DFB激光器外延结构，其特征在于，所述InP衬底（01）上依次沉积有N-InP缓冲层（02），N-AlInAs限制层（03）、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层（04）、AlGaInAs量子阱（05）、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层（06）、P型掺杂的AlInAs限制层（07）、P-InP过渡层（08）、InGaAsP光栅层（11）、InP联接层（12）、第一InGaAsP势垒渐变层（13）、第二InGaAsP势垒过渡层（14）及InGaAs 欧姆接触层（15），所述P-InP过渡层（08）中插入有张应变的第一InGaAsP异质结超晶格层（9a）和压应变的第二InGaAsP异质结超晶格层（9b）。
3.根据权利要求2所述的高速DFB激光器外延结构，其特征在于，所述第一InGaAsP异质结超晶格层（9a）厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，所述第二InGaAsP异质结超晶格层（9b) 厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，所述第一InGaAsP异质结超晶格层（9a）与所述第二InGaAsP异质结超晶格层（9b）之间设有5nm的InP层。
4.一种高速DFB激光器外延结构制造方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1）第一次外延生长：在InP衬底上由下至上依次生长N-InP缓冲层（02），N-AlInAs限制层（03）、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层（04）、AlGaInAs量子阱（05）、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层（06）、P型掺杂的AlInAs限制层（07）、P-InP过渡层（08）、InGaAsP光栅制作层（10）及InP保护层（121），所述P-InP过渡层（08）中插入有张应变的第一InGaAsP异质结超晶格层（9a）和压应变的第二InGaAsP异质结超晶格层（9b）；
2）制作光栅图形：在第一次外延生长的外延片上对InGaAsP光栅制作层（10）及InP保护层（121）进行光刻处理形成光栅图形，并根据光栅图形采用蚀刻法形成InGaAsP光栅层（11）；
3）二次外延生长：首先在InGaAsP光栅层（11）上生长InP掩埋层，使InP掩埋层厚度覆盖InGaAsP光栅层（11），然后在该InP掩埋层上从下向上依次生长InP联接层（12）、第一InGaAsP势垒渐变层（13）、第二InGaAsP势垒过渡层（14）及InGaAs 欧姆接触层（15）。
5.根据权利要求4所述的高速DFB激光器外延结构制造方法，其特征在于，在步骤1）第一次外延生长过程中：将电导率为2-8x1018cm-2的InP衬底（01）作为生长衬底，放入到MOCVD 系统中生长，MOCVD 系统反应室压力为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，依次生长依次生长N-InP缓冲层（02），N-AlInAs限制层（03）、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层（04）、AlGaInAs量子阱（05）、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层（06）、P型掺杂的AlInAs限制层（07）、P-InP过渡层（08）、光栅制作层（10）及InP保护层（121）。
6.根据权利要求4所述的高速DFB激光器外延结构制造方法，其特征在于，在步骤2）中，采用全息光刻或电子束光刻的方式在第一次外延生长的外延片形成光栅图形，光栅周期为205nm,深度为40nm。
7.根据权利要求4所述的高速DFB激光器外延结构制造方法，其特征在于，在步骤3）二次外延生长时，先在PH3气体的保护下，使反应室缓慢升温至560℃，然后将TMIn、DEZn一起以脉冲的方式通入到MOCVD反应室内，在光栅层（11）上慢速生长InP掩埋层。
8.根据权利要求7所述的高速DFB激光器外延结构制造方法，其特征在于，所述InP掩埋层的生长包括如下步骤：
a) 在第一周期时间t1内脉冲开，通入TMIn和DEZn，生长InP形核层；
b）在第二周期时间t2内脉冲关，让形核层原子有足够的时间迁移到其能量最低点；
c)在第三周期时间t3内脉冲关内脉冲开，再次通入TMIn和DEZn，生长InP掩埋层；
d）在第四周期时间t4内脉冲关，形成稳定的InP掩埋层；
e）重复步骤a至步骤d，直至形成一定厚度的InP掩埋层。
9.根据权利要求8所述的高速DFB激光器外延结构制造方法，其特征在于，在步骤8）形成规定厚度的InP掩埋层后将反应室升温至670℃，继续生长InP掩埋层直至厚度能覆盖InGaAsP光栅层（11）。
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