CN110752508B - 一种宽温度工作dfb半导体激光器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法，在InP衬底上依次生长缓冲层、下波导结构、下电子阻挡层、InGaAsP和AlGaInAs混合量子阱、上电子阻挡层、上波导结构、间隔层、长波长光栅层及光栅保护层，完成一次外延片的制备。接着在一次外延片上制备均匀光栅和光栅再生长形成完整的外延片，采用常规脊型波导结构工艺制备DFB激光器，实现宽温度工作的DFB半导体激光器。发明采用InGaAsP和AlGaInAs混合量子阱，充分利用AlGaInAs高温载流子限制效率高，以及InGaAsP量子阱增益谱的温度漂移系数小的特点来实现激光器宽温度范围内的单模工作，同时引入具有吸收特性的长波长光栅层来增加光栅对FP模式增益的吸收，进一步抑制FP起振，从而实现宽温度工作的单模激光器芯片。

Description

一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别是一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法。
背景技术
随着光纤通信的迅速发展，无冷却宽温度单模激光器成为未来光通信领域里的主流光器件，是长距离和大容量光纤通信的关键器件。其广泛应用在接入网、数据中兴等领域。
通常DFB激光器采用InP/InGaAsP和InP/AlGaInAs材料系；由于InGaAsP量子阱的高温特性，通常InP/InGaAsP激光器采用掩埋异质结结构，这大幅增加了激光器制备的成本。InP/AlGaInAs一般采用脊型结构，然而由于AlGaInAs材料增益曲线随温度漂移系数大，是的制备宽温度的激光器成为一个难点。
通常InP基DFB激光器，需要在宽温度范围内、无冷却单模工作，来保证激光器在各种环境下的应用；对于脊型波导结构激光器来说DFB单模发光波长由于温度变化而产生的波长漂移在0.1nm/℃左右，AlGaInAs量子阱增益光谱随温度的漂移在0.4-0.5nm/℃，由于两者的波长漂移偏差大使得脊型波导结构DFB在宽温度下工作成为一个难点；而InGaAsP材料增益光谱随温度变化在0.3-0.4nm/℃左右，然而为了改善高温特性需要用到成本更高的掩埋结构工艺。
本发明采用InGaAsP和AlGaInAs混合量子阱，充分利用AlGaInAs高温载流子限制效率高，以及InGaAsP量子阱增益谱的温度漂移系数小的特点来实现激光器宽温度范围内的单模工作，同时引入具有吸收特性的长波长光栅层来增加光栅对FP模式增益的吸收，进一步抑制FP起振，从而实现宽温度工作的单模激光器芯片。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法，制备的激光器可以合理设置两种量子阱的发光波长从而实现激光器宽温度工作的特性。
本发明采用以下方案实现：一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过MOCVD技术（金属有机化学汽相沉积技术）在N-InP衬底片上依次生长N-InP缓冲层、3对N-InP/N-InAlAs电子阻挡层、N-InAlGaAs下波导层、交替生长5层AlGaInAs和4层InGaAsP应变量子阱、生长InAlGaAs上波导层、生长3对InAlAs/InP电子阻挡层、P-InP和P-InGaAsP腐蚀停止层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、光栅层PL波长为1285nm， P-InP保护层、完成一次基片生长；
步骤S2：采用全息曝光的方法，并采用HBr：HNO3：H2O溶液在0℃温度下进行搅拌腐蚀形成周期均匀光栅，去除样品表面残余光刻胶和氧化物，将样品放入MOCVD外延炉生长腔体内，完成外延生长；
步骤S3：在样品表面PECVD沉积200nm SiO2介质层，并进行光刻，采用RIE干法刻蚀工艺刻蚀掉样品表面的介质层和InGaAs层，然后采用H3PO4:HCl腐蚀液腐蚀至腐蚀停止层，形成激光器脊型结构；去除样品表面SiO2介质层，再通过PECVD沉积400nm SiO2钝化层。
步骤S4：进行脊型结构激光器的制备：依次进行解离区光刻、脊型开孔和蒸发P面金属Ti/Pt/Au；物理研磨减薄N型层至厚度在110um左右，下片进行背面处理，电子束蒸发N面金属Ti/Pt/Au，在420℃温度下合金55s，解离成bar条，夹条镀膜，采用Al2O3/Si高透膜实现反射率在1%左右，采用Si/Al2O3/Si/Al2O3高反膜实现反射率95%左右，完成激光器芯片制备。
进一步地，步骤S1中所述N-InP缓冲层的厚度为500nm，3对N-InP/N-InAlAs电子阻挡层的厚度为5nm/10nm，N-InAlGaAs下波导层的厚度为50nm，InAlGaAs上波导层的厚度为50nm，3对InAlAs/InP电子阻挡层的厚度分别为10nm/5nm，生长P-InP和P-InGaAsP腐蚀停止层的厚度分别为50nm和10nm，生长P-InP空间层的厚度为40nm，生长P-InGaAsP光栅层的厚度为30nm ，生长P-InP保护层的厚度为10nm。
进一步地，步骤S2中所述完成外延生长的过程为：将样品放入MOCVD外延炉生长腔体内，依次生长，生长1.6μm的P-InP光栅覆盖层，生长50nm 的P-InGaAsP过渡层，最后生长200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs欧姆接触层从而完成外延生长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明有源区量子阱采用AlGaInAs和InGaAsP两种量子阱，利用两种量子阱材料增益谱随温度的漂移速度不同来保证激光器在宽温度范围内单模具有足够的增益来工作。
（2）本发明在量子阱的两侧增加多层InAlAs电子阻挡结构，来有效改善高温下的载流子限制能力，改善高温特性。
（3）本发明调整光栅的PL波长，使得其吸收部分在低温下量子阱的增益，从而进一步抑制FP的激光器增益，实现单模。
（4）本发明制备的激光器可以合理设置两种量子阱的发光波长从而实现激光器宽温度工作的特性。
附图说明
图1为本发明实施例的完整的外延材料结构图，其中，沿着生长方向，从下往上依次为1为N-InP衬底、2为N-InP缓冲层、3为N-InP/N-InAlAs电子阻挡层、4为N-InAlGaAs下波导层、5为AlGaInAs和InGaAsP混合量子阱、6为InAlGaAs上波导层、7为InAlAs/InP电子阻挡层、8为P-InP、9为P-InGaAsP腐蚀停止层、10为P-InP空间层、11为P-InGaAsP光栅层和P-InP光栅覆盖层、12为P-InGaAsP过渡层、13为P-InGaAs欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过MOCVD技术（金属有机化学汽相沉积技术）在N-InP衬底1上依次生长N-InP缓冲层2、3对N-InP/N-InAlAs电子阻挡层3、N-InAlGaAs下波导层4、交替生长5层AlGaInAs和4层InGaAsP应变量子阱5、生长InAlGaAs上波导层6、生长3对InAlAs/InP电子阻挡层7、P-InP层8、P-InGaAsP腐蚀停止层9、P-InP空间层10、P-InGaAsP光栅层、光栅层PL波长为1285nm， P-InP保护层、完成一次基片生长；
步骤S2：采用全息曝光的方法，并采用HBr：HNO3：H2O溶液在0℃温度下进行搅拌腐蚀形成周期均匀光栅，去除样品表面残余光刻胶和氧化物，将样品放入MOCVD外延炉生长腔体内，完成外延生长；
步骤S3：在样品表面PECVD沉积200nm SiO2介质层，并进行光刻，采用RIE干法刻蚀工艺刻蚀掉样品表面的介质层和InGaAs层，然后采用H3PO4:HCl腐蚀液腐蚀至腐蚀停止层，形成激光器脊型结构；去除样品表面SiO2介质层，PECVD沉积400nm SiO2钝化层。
步骤S4：接着进行常规脊型结构激光器的制备：依次进行解离区光刻、脊型开孔和蒸发P面金属Ti/Pt/Au（500/500/3000Å）；物理研磨减薄N型层至厚度在110um左右，下片进行背面处理，电子束蒸发N面金属Ti/Pt/Au（500/1000/3000Å），在420℃温度下合金55s，解离成bar条，夹条镀膜，采用Al2O3/Si高透膜实现反射率在1%左右，采用Si/Al2O3/Si/Al2O3高反膜实现反射率95%左右，完成激光器芯片制备。
在本实施例中，步骤S1中所述N-InP缓冲层2的厚度为500nm，3对N-InP/N-InAlAs电子阻挡3层的厚度为5nm/10nm，N-InAlGaAs下波导层4的厚度为50nm，InAlGaAs上波导层6的厚度为50nm，3对InAlAs/InP电子阻挡层7的厚度分别为10nm/5nm，生长P-InP和P-InGaAsP腐蚀停止层的厚度分别为50nm和10nm，生长P-InP空间层10的厚度为40nm，生长P-InGaAsP光栅层的厚度为30nm ，生长P-InP保护层的厚度为10nm。
在本实施例中，步骤S2中所述完成外延生长的过程为：将样品放入MOCVD外延炉生长腔体内，依次生长1.6μm的P-InP光栅层覆盖层（光栅层和光栅覆盖层组成图中的11），生长50nm 的P-InGaAsP过渡层12，最后生长200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs欧姆接触13层从而完成外延生长。
较佳的，本实施例在InP衬底上依次生长缓冲层、下波导结构、下电子阻挡层、InGaAsP和AlGaInAs混合量子阱、上电子阻挡层、上波导结构、间隔层、长波长光栅层及光栅保护层，完成一次外延片的制备。接着在一次外延片上制备均匀光栅和光栅再生长形成完整的外延片，采用常规脊型波导结构工艺制备DFB激光器，实现宽温度工作的DFB半导体激光器。采用InGaAsP和AlGaInAs混合量子阱，利用两种材料优点特性，实现在宽温度范围内激光器的单模工作，并进一步采用长波长光栅层来吸收部分的FP增益，进一步抑制FP模式；采用多层阻挡层来改善高温的载流子限制特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种宽温度工作DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：通过金属有机化学气 相沉积技术在N-InP衬底片上依次生长N-InP缓冲层、3对N-InP/N-InAlAs电子阻挡层、N-InAlGaAs下波导层、交替生长5层AlGaInAs和4层InGaAsP应变量子阱、生长InAlGaAs上波导层、生长3对InAlAs/InP电子阻挡层、P-InP和P-InGaAsP腐蚀停止层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、光栅层PL波长为1285nm， P-InP保护层、完成一次基片生长；
步骤S2：采用全息曝光的方法，并采用HBr：HNO3：H2O溶液在0℃温度下进行搅拌腐蚀形成周期均匀光栅，去除样品表面残余光刻胶和氧化物，将样品放入MOCVD外延炉生长腔体内，完成外延生长；
步骤S3：在样品表面PECVD沉积200nm SiO2介质层，并进行光刻，采用RIE干法刻蚀工艺刻蚀掉样品表面的介质层和InGaAs层，然后采用H3PO4:HCl腐蚀液腐蚀至腐蚀停止层，形成激光器脊型结构；去除样品表面SiO2介质层，再通过PECVD沉积400nm SiO2钝化层；
步骤S4：进行脊型结构激光器的制备：依次进行解离区光刻、脊型开孔和蒸发P面金属Ti/Pt/Au；物理研磨减薄N型层至厚度在110um左右，下片进行背面处理，电子束蒸发N面金属Ti/Pt/Au，在420℃温度下合金55s，解离成bar条，夹条镀膜，采用Al2O3/Si高透膜实现反射率在1%左右，采用Si/Al2O3/Si/Al2O3高反膜实现反射率95%左右，完成激光器芯片制备；
其中，步骤S2中所述完成外延生长的过程为：将样品放入MOCVD外延炉生长腔体内，依次生长，生长1.6μm的P-InP光栅覆盖层，生长50nm 的P-InGaAsP过渡层，最后生长200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs欧姆接触层从而完成外延生长；
其中，步骤S1中所述N-InP缓冲层的厚度为500nm，3对N-InP/N-InAlAs电子阻挡层的厚度为5nm/10nm，N-InAlGaAs下波导层的厚度为50nm，InAlGaAs上波导层的厚度为50nm，3对InAlAs/InP电子阻挡层的厚度分别为10nm/5nm，生长P-InP和P-InGaAsP腐蚀停止层的厚度分别为50nm和10nm，生长P-InP空间层的厚度为40nm，生长P-InGaAsP光栅层的厚度为30nm，生长P-InP保护层的厚度为10nm。
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