CN111404027A - 一种dfb激光器外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种DFB激光器外延结构，包括InP基底，在所述InP基底依次采用MOCVD沉积的InP外延层、AlInAsP插入层、AlInAs外延层、N‑AlGaInAs波导层、AlGaInAs MQW、P‑AlGaInAs波导层、P‑AlInAs限制层、P‑InP限制层、腐蚀阻挡层、InP联接层、光栅层、InGaAsP势垒过度层、以及InGaAs欧姆接触层；本方案设计的DFB激光器外延结构在所述InP外延层中插入若干与InP晶格匹配的InGaAs薄层，一方面可以降低InP基底位错对MQW的影响，另一方面，可以抑制基底中杂质的脱出，从而获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，具体涉及一种DFB激光器外延结构及其生长方法。
背景技术
分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser,简称DFB激光器)，具有良好的单纵模特性，线宽小于1MHz，边模抑制比可达40 dB以上，在5G移动通信光纤通信网络和数据中心光互联领域有广泛的应用。制作DFB激光器的需要经过多次外延生长，以形成内置于外延层内的布拉格光栅，Ridge-DFB需要经过二次外延生长，BH-DFB需要经过四次外延生长，其中对DFB激光器性能特别是可靠性影响最大的是有源层MQW的材料质量；
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50dB以上，调制速率可达50Gb/s以上，可以满足5G移动网络高速率/低时延的应用要求，高速光通信用的DFB激光器波长一般为1310 nm和1550 nm，一般采用InP为生长基底，采用AlGaInAs的量子阱为有源层；由于非本征的基底材料具有一定的位错密度和杂质，如N-InP衬底一般以S作为掺杂质,P-InP衬底一般以Zn为掺杂质，SI-InP衬底一般以Fe作为掺杂质。在外延生长过程中，表层掺杂质会从衬底挥发出来并入到生长的外延层晶格中，若在MQW生长时，杂质含量较高，会恶化材料生长质量，从而恶化器件性能。
同时，通过MOCVD设备在InP基底上AlGaInAs系列材料难度较大，原因如下：（1）InP基底表面可能存在的氧化层，导致MQW材料质量较差；（2）非本征的InP基底中掺杂的杂质会在生长时脱出，影响材料的生长质量；（3）As-P切换界面会存在原子非线性混合。
因此，有必要设计一种DFB激光器外延结构来解决上述技术问题。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种DFB激光器外延结构。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种DFB激光器外延结构，包括InP基底，在所述InP基底依次采用MOCVD沉积的InP外延层、AlInAsP插入层、AlInAs外延层、N-AlGaInAs波导层、AlGaInAs MQW、P-AlGaInAs波导层、P-AlInAs 限制层、P-InP限制层、腐蚀阻挡层、InP联接层、光栅层、InGaAsP势垒过度层、以及InGaAs欧姆接触层；其特征在于：在所述InP外延层中插入若干与InP晶格匹配的InGaAs薄层。
优选的，在所述InP基底上，第一层先采用InGaAs外延层，然后再采用InP外延层。
优选的，所述InGaAs薄层的插入层数不少于6层。
优选的，所述InP基底电导率为2-8x1018cm-2。
本发明还公开一种DFB激光器外延结构的生长方法：包括如下步骤：
步骤一：以电导率为2-8x1018cm-2的InP基底作为生长衬底，先将InP基底放入到MOCVD系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以氢气为载气，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；
步骤二：在InP基底放入反应室后，在670℃，磷烷气氛下烘烤，磷烷的流量为1800sccm，10分钟以后，开始生长 InGaAs外延层，其中三甲基铟的流量为100sccm，三甲基镓的流量为8sccm；
步骤三：当InGaAs外延层生长完成后，再通入磷烷和三甲基铟开始生长InP外延层，其中三甲基铟的流量为300sccm，磷烷的流量为1800sccm；当InP外延层生长完成后，再次生长InGaAs外延层，然后再生长100nm InP外延层，如此循环；
步骤四：在步骤三的前提下，关闭三甲基铟和硅烷，开启砷烷，砷烷流量为600 sccm，同时把磷烷的流量降低为300sccm；3分钟后，通入三甲基铟和硅烷开始生长后生长10nm的AlInAsP外延层，此时，三甲基铟的Source流量为100sccm；
步骤五：在步骤四的前提下，过200秒后，关闭磷烷，并把三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的流量线性增加，开始生长AlInAs外延层；
步骤六：当AlInAs外延层生长完成后，然后依次生长N-AlGaInAs波导层，AlGaInAsMQW，P-AlGaInAs波导层，P-AlInAs 限制层，P-InP限制层、腐蚀阻挡层并制作光栅，采用脉冲式沉积法生长InP联接层，InGaAsP势垒过度层，InGaAs欧姆接触层。
优选的，所述步骤三中具体为5nm的外延层和100nm的InP外延层交替循环增长，循环次数为8次。
优选的，所述5nm的外延层与所述100nm的InP外延层交替循环生长的过程最终以100nm的InP外延层生长完成作为结尾。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点如下：本发明提出一种DFB激光器外延结构及其生长方法，在InP基底上生长InP外延层时，插入若干与InP晶格匹配的InGaAs薄层，且在InP基底上，第一层需先生长InGaAs外延层，然后再生长InP外延层；插入InGaAs薄层，一方面可以降低InP基底位错对MQW的影响，另一方面，可以抑制基底中杂质的脱出，从而获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性。
附图说明
图1为本发明DFB激光器外延结构示意图。
图2为不同外延材料中Zn原子的饱和浓度分析图。
图3为本发明外延层生长示意图。
以上附图中，InP基底001、InP外延层002、InGaAs薄层101、AlInAsP插入层102、AlInAs外延层003、N-AlGaInAs波导层004、AlGaInAs MQW005、P-AlGaInAs波导层006、P-AlInAs 限制层007、P-InP限制层008、腐蚀阻挡层009、InP联接层010、光栅层011、InGaAsP势垒过度层012、欧姆接触层013。
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~图3。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。
实施例：如图1 所示，一种DFB激光器外延结构，包括InP基底001，在InP基底001依次采用MOCVD沉积的InP外延层002、AlInAsP插入层102、AlInAs外延层003、N-AlGaInAs波导层004、AlGaInAs MQW005、P-AlGaInAs波导层006、P-AlInAs 限制层007、P-InP限制层008、腐蚀阻挡层009、InP联接层010、光栅层011、InGaAsP势垒过度层012、以及InGaAs欧姆接触层013；其特征在于：在InP外延层002中插入若干与InP晶格匹配的InGaAs薄层101；非本征的基底材料具有一定的位错密度和杂质，如N-InP衬底一般以S作为掺杂质，P-InP衬底一般以Zn为掺杂质，SI-InP衬底一般以Fe作为掺杂质；在InP基底001上生长AlGaInAs系列MQW，往往是直接在InP衬底上生长InP材料，表层掺杂质会从衬底挥发出来并入到生长的外延层晶格中，会恶化材料生长质量，从而恶化器件性能；Ga原子迁移速率比In快，易于弥补InP材料的位错，减小InP衬底位错向上延伸的几率，保证AlGaInAs MQW005外延层的生长质量；InGaAs材料相比InP材料，更易与杂质形成间隙固熔体，可阻止杂质挥发到MQW外延层中；以Zn为例，如图2所示，不同外延材料中Zn原子的饱和固溶度差别非常大，Zn在InGaAs材料中的饱和浓度是InP材料的25倍；因此，本方案在InP基底001上生长InP缓冲层时，插入若干InP晶格匹配的InGaAs薄层101，一方面可以降低InP基底001位错对MQW的影响，另一方面，可以抑制基底中杂质的脱出，从而获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性。
优选实施方式为：
在InP基底001上，第一层先采用InGaAs外延层，然后再采用InP外延层002。
InGaAs薄层101的插入层数不少于6层。
InP基底001电导率为2-8x1018cm-2 。
本发明还公开一种DFB激光器外延结构的生长方法：具体步骤为：
步骤一：以电导率为2-8x1018cm-2的InP基底001作为生长衬底，先将InP基底001放入到MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以氢气为载气，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；步骤二：在InP基底001放入反应室后，在670℃，磷烷气氛下烘烤，磷烷的流量为1800sccm，10分钟以后，开始生长 InGaAs外延层，其中三甲基铟的流量为100sccm，三甲基镓的流量为8sccm；步骤三：当InGaAs外延层生长完成后，再通入磷烷和三甲基铟开始生长InP外延层002，其中三甲基铟的流量为300sccm，磷烷的流量为1800sccm；当InP外延层002生长完成后，再次生长InGaAs外延层，然后再生长100nm InP外延层002，如此循环；步骤四：在步骤三的前提下，关闭三甲基铟和硅烷，开启砷烷，砷烷流量为600sccm，同时把磷烷的流量降低为300sccm；3分钟后，通入三甲基铟和硅烷开始生长后生长10nm的AlInAsP外延层，此时，三甲基铟的Source流量为100sccm；步骤五：在步骤四的前提下，过200秒后，关闭磷烷，并把三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的流量线性增加，开始生长AlInAs外延层003；步骤六：当AlInAs外延层003生长完成后，然后依次生长N-AlGaInAs波导层004，AlGaInAs MQW005，P-AlGaInAs波导层006，P-AlInAs 限制层007，P-InP限制层008、腐蚀阻挡层009并制作光栅，采用脉冲式沉积法生长InP联接层010，InGaAsP势垒过度层012，InGaAs欧姆接触层013。
把InP基底001放入到MOCVD设备中，长时间的高温烘烤后，开始生长一定厚度的InGaAs外延层，然后生长InP外延层002，若干厚度后，再重复生长InGaAs外延层；循环若干个周期，生长若干层InGaAs外延后，然后以InP外延层002结尾，采用低速长时间生长一定厚度的AlInAsP外延层，然后变速生长AlInAs外延层003及后续外延层，部分外延层的生长过程如图3所示。
优选的实施方式为：
步骤三中具体为5nm的外延层和100nm的InP外延层002交替循环增长，循环次数为8次。
5nm的外延层与100nm的InP外延层002交替循环生长的过程最终以100nm的InP外延层002生长完成作为结尾。
综上，本实施例相较于传统方案具备如下有益效果：
1、在非本征InP基底001先生长InGaAs外延层，Ga原子迁移速率比In快，易于弥补InP材料的位错，减小InP衬底位错向上延伸的几率，保证AlGaInAs MQW005外延层的生长质量；
2、在非本征InP基底001先生长InGaAs外延层，InGaAs材料相比InP材料，更易与杂质形成间隙固熔体，可阻止杂质挥发到MQW外延层中；以Zn为例，不同外延材料中Zn原子的饱和固溶度差别非非常大，Zn在InGaAs材料中的饱和浓度是InP材料的25倍。
3、插入至少6层InGaAs薄层101，薄层厚度较薄，不影响器件件性能，可降低InP基底001位错对MQW的影响，抑制基底中杂质的脱出，从而获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性。
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 (7)
1.一种DFB激光器外延结构，包括InP基底，在所述InP基底依次采用MOCVD沉积的InP外延层、AlInAsP插入层、AlInAs外延层、N-AlGaInAs波导层、AlGaInAs MQW、P-AlGaInAs波导层、P-AlInAs 限制层、P-InP限制层、腐蚀阻挡层、InP联接层、光栅层、InGaAsP势垒过度层、以及InGaAs欧姆接触层；其特征在于：在所述InP外延层中插入若干与InP晶格匹配的InGaAs薄层。
2.根据权利要求1所述的一种DFB激光器外延结构，其特征在于：在所述InP基底上，第一层先采用InGaAs外延层，然后再采用InP外延层。
3.根据权利要求1所述的一种DFB激光器外延结构，其特征在于：所述InGaAs薄层的插入层数不少于6层。
4. 根据权利要求1所述的一种DFB激光器外延结构，其特征在于：所述InP基底电导率为2-8x1018cm-2 。
5.一种DFB激光器外延结构的生长方法：其特征在于：其包括如下步骤：
步骤一：以电导率为2-8x1018cm-2的InP基底作为生长衬底，先将InP基底放入到MOCVD系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以氢气为载气，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；
步骤二：在InP基底放入反应室后，在670℃，磷烷气氛下烘烤，磷烷的流量为1800sccm，10分钟以后，开始生长 InGaAs外延层，其中三甲基铟的流量为100sccm，三甲基镓的流量为8sccm；
步骤三：当InGaAs外延层生长完成后，再通入磷烷和三甲基铟开始生长InP外延层，其中三甲基铟的流量为300sccm，磷烷的流量为1800sccm；当InP外延层生长完成后，再次生长InGaAs外延层，然后再生长100nm InP外延层，如此循环；
步骤四：在步骤三的前提下，关闭三甲基铟和硅烷，开启砷烷，砷烷流量为600 sccm，同时把磷烷的流量降低为300sccm；3分钟后，通入三甲基铟和硅烷开始生长后生长10nm的AlInAsP外延层，此时，三甲基铟的Source流量为100sccm；
步骤五：在步骤四的前提下，过200秒后，关闭磷烷，并把三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的流量线性增加，开始生长AlInAs外延层；
步骤六：当AlInAs外延层生长完成后，然后依次生长N-AlGaInAs波导层，AlGaInAsMQW，P-AlGaInAs波导层，P-AlInAs 限制层，P-InP限制层、腐蚀阻挡层并制作光栅，采用脉冲式沉积法生长InP联接层，InGaAsP势垒过度层，InGaAs欧姆接触层。
6.根据权利要求1所述的一种DFB激光器外延结构的生长方法，其特征在于：所述步骤三中具体为5nm的外延层和100nm的InP外延层交替循环增长，循环次数为8次。
7.根据权利要求6所述的一种DFB激光器外延结构的生长方法，其特征在于：所述5nm的外延层与所述100nm的InP外延层交替循环生长的过程最终以100nm的InP外延层生长完成作为结尾。
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