CN111478181A - 一种多波长激光器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多波长激光器的制备方法，在一次生长过程中制备出复合波长多量子阱结构，因此不需要对单一波长的多量子阱发光结构或器件进行键合，即可产生复合波长的光输出，因此不存在键合金属层对光的反射，可消除因结构引起的光效率降低，在LD器件的应用中提高了发光效率。由于AlGaAs或AlGaInP材料的晶格与GaAs衬底材料的晶格常数相匹配，因此无应力波导层生长后无应力，其会抵消生长AlGaInAs第一量子阱发光区时产生的应力，同时也会抵消在其之上继续生长GaAsP第二量子阱发光区时产生的应力。无应力的AlGaInAs第一量子阱和GaAsP第二量子阱的晶体质量会更好，其发光的波长更加可控。电子与空穴复合机率变大，提高发光效率。

Description

一种多波长激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及激光器制造技术领域，具体涉及一种多波长激光器的制备方法。
背景技术
为了进一步提高通信容量,现代光纤WDM通信系统正朝着信道数越来越多的方向发展。多波长激光器可以同时为多个信道提供所需光源,使光发射端的设计更为紧凑、经济,因而在密集波分复用系统中有很重要的用途。同时,性能优良的多波长光源在激光测距、光谱分析和分布光纤传感等领域中也有极大的应用价值。所以,多波长激光器的研制无疑具有重要的意义。
现有技术中制造具有复合波长特性的光输出器件一般均采用多个单波长激光器，最直接提供多路信号的方法就是采用多个单波长激光器。但如果单纯地增加光源数量,势必会增加成本,因此性能稳定的多波长激光器更为人们看好。
多波长激光器多采用多路光栅选频的半导体激光器或半导体激光器阵列来实现,但其工艺复杂,价格昂贵。经过多年的发展,光纤激光器正日趋成熟,它的出现,为WDM系统提供了一种重要意义的新光源。DWDM通信系统要求多波长光源具有输出波长密集(通道波长间隔小),带宽大,线宽窄,功率谱平坦等特性,掺饵光纤激光器比较适合制作用于DWDM系统的多波长光纤激光器。
但是传统工艺生长制备复合波长的多量子阱时，由于每个量子阱的材料不同，因此其相互叠加时会因与衬底的材料不同产生应力，从而影响晶体质量，使发出的波长不可控。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种在一次生长过程中制备不同组份的多量子阱，产生具有复合波长输出的复合量子阱结构，同时不会因材料不同导致应力产生影响波长可控性的多波长激光器的制备方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
一种多波长激光器的制备方法，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备的生长室内，在H2环境下升温到750±20℃烘烤，烘烤时通入AsH3，去除GaAs衬底表面水氧，完成GaAs衬底表面热处理；
b)将MOCVD设备的生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
c)将MOCVD设备的生长室内温度升至750±20℃，通入TMGa、TMAl和AsH3，在GaAs缓冲层上生长n型AlxGa1-xAs下限制层；
d)将MOCVD设备的生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa、TMAl和AsH3，在n型AlxGa1-xAs下限制层上生长AlxGa1-xAs下波导层；
e)保持MOCVD设备的生长室内温度为700±20℃，通入TMIn，在AlxGa1-xAs下波导层上生长AlGaInAs第一量子阱发光区；
f)将MOCVD设备的生长室内温度降低至500±50℃，在AlGaInAs第一量子阱发光区上生长N型GaAs帽层；
g)将制备的外延片从MOCVD设备的生长室内取出，将N型GaAs帽层腐蚀掉；
h)将外延片放入PECVD设备中在AlGaInAs第一量子阱发光区上蒸镀材料为AlGaAs或AlGaInP的无应力波导层；
i)将外延片从PECVD设备中取出后放入MOCVD设备的生长室内，在通入AsH3、PH3升温至700±20℃进行保护；
j)将MOCVD设备的生长室内温度保持700±20℃，停止通入TMGa、TMAl和AsH3，通入PH3n秒后通入TMGa，在无应力波导层上生长GaAsP第二量子阱发光区；
k)将MOCVD设备的生长室内温度保持700±20℃，停止通入PH3m秒后通入TMGa、TMAl和AsH3，在GaAsP第二量子阱发光区上生长AlGaAs波导层；
l)将MOCVD设备的生长室内温度提升至750±20℃，继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在AlGaAs波导层上生长n型AlxGa1-xAs上限制层；
m)将MOCVD设备的生长室内温度降低至500±50℃，在n型AlxGa1-xAs上限制层上生长p型GaAs帽层。
优选的，步骤a)中烘烤时间为30分钟。
优选的，步骤b)中GaAs缓冲层的厚度为100-500nm，生长GaAs缓冲层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3。
优选的，步骤c)中n型AlxGa1-xAs下限制层中x为0.1-0.9，n型AlxGa1-xAs下限制层的厚度为100-500nm，生长n型AlxGa1-xAs下限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为4E17-5E19个原子/cm3。
优选的，步骤d)中AlxGa1-xAs下波导层中x为0.1-0.9，AlxGa1-xAs下波导层的厚度为50-300nm，生长AlxGa1-xAs下波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为0-1E18个原子/cm3。
优选的，步骤e)中AlGaInAs第一量子阱发光区的厚度为5-10nm。
优选的，步骤f)中N型GaAs帽层厚度为100-500nm，生长N型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3。
优选的，步骤g)中先将外延片放置入磷酸、双氧水、水按体积比为1:1:5的溶液中腐蚀3-30秒，再将外延片放置入溴水中腐蚀60-300秒，腐蚀后将外延片在烘箱内在氮气保护下烘干300-3000秒。
优选的，步骤j)中n大于等于3，GaAsP第二量子阱发光区的厚度为5-10nm，步骤k)中m大于等于3，AlGaAs波导层的厚度为50-300nm，生长AlGaAs波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为0-1E18个原子/cm3。
优选的，步骤l)中n型AlxGa1-xAs上限制层中x为0.1-0.9，n型AlxGa1-xAs上限制层的厚度为100-500nm，生长n型AlxGa1-xAs上限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为4E17-5E19个原子/cm3，步骤m)中p型GaAs帽层的厚度为100-500nm，生长p型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3，MOCVD设备的生长室内的压力为50-200mbar。
本发明的有益效果是：在一次生长过程中制备出复合波长多量子阱结构，因此不需要对单一波长的多量子阱发光结构或器件进行键合，即可产生复合波长的光输出，因此不存在键合金属层对光的反射，可消除因结构引起的光效率降低，在LD器件的应用中提高了发光效率。由于AlGaAs或AlGaInP材料的晶格与GaAs衬底材料的晶格常数相匹配，因此无应力波导层生长后无应力，其会抵消生长AlGaInAs第一量子阱发光区时产生的应力，同时也会抵消在其之上继续生长GaAsP第二量子阱发光区时产生的应力。无应力的AlGaInAs第一量子阱和GaAsP第二量子阱的晶体质量会更好，其发光的波长更加可控。电子与空穴复合机率变大，提高发光效率。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种多波长激光器的制备方法，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备的生长室内，在H2环境下升温到750±20℃烘烤，烘烤时通入AsH3，去除GaAs衬底表面水氧，完成GaAs衬底表面热处理；
b)将MOCVD设备的生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
c)将MOCVD设备的生长室内温度升至750±20℃，通入TMGa、TMAl和AsH3，在GaAs缓冲层上生长n型AlxGa1-xAs下限制层；
d)将MOCVD设备的生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa、TMAl和AsH3，在n型AlxGa1-xAs下限制层上生长AlxGa1-xAs下波导层；
e)保持MOCVD设备的生长室内温度为700±20℃，通入TMIn，在AlxGa1-xAs下波导层上生长AlGaInAs第一量子阱发光区；
f)将MOCVD设备的生长室内温度降低至500±50℃，在AlGaInAs第一量子阱发光区上生长N型GaAs帽层；
g)将制备的外延片从MOCVD设备的生长室内取出，将N型GaAs帽层腐蚀掉；
h)将外延片放入PECVD设备中在AlGaInAs第一量子阱发光区上蒸镀材料为AlGaAs或AlGaInP的无应力波导层；
i)将外延片从PECVD设备中取出后放入MOCVD设备的生长室内，在通入AsH3、PH3升温至700±20℃进行保护；
j)将MOCVD设备的生长室内温度保持700±20℃，停止通入TMGa、TMAl和AsH3，通入PH3n秒后通入TMGa，在无应力波导层上生长GaAsP第二量子阱发光区；
k)将MOCVD设备的生长室内温度保持700±20℃，停止通入PH3m秒后通入TMGa、TMAl和AsH3，在GaAsP第二量子阱发光区上生长AlGaAs波导层；
l)将MOCVD设备的生长室内温度提升至750±20℃，继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在AlGaAs波导层上生长n型AlxGa1-xAs上限制层；
m)将MOCVD设备的生长室内温度降低至500±50℃，在n型AlxGa1-xAs上限制层上生长p型GaAs帽层。
步骤a)至步骤m)执行完毕后将外延片从MOCVD设备生长室内取出后进行甩胶、曝光、显影并光刻出图形，之后放入PECVD中蒸镀SiO2，再进行二次光刻制备脊条。制备脊条后再放入PECVD设备中进行二次蒸镀、剥离、减薄进行腔面镀膜、管芯解理操作，最后进行封装并老化通过后制备成激光器，上述步骤均是常规激光器制备的工序，这里不在赘述。
本发明的量子阱有两层，步骤e)中生长AlGaInAs第一量子阱发光区，步骤j)中生长GaAsP第二量子阱发光区。可在一次生长过程中制备出复合波长多量子阱结构，因此不需要对单一波长的多量子阱发光结构或器件进行键合，即可产生复合波长的光输出，因此不存在键合金属层对光的反射，可消除因结构引起的光效率降低，在LD器件的应用中提高了发光效率。
在生长AlGaInAs第一量子阱发光区后制备N型GaAs帽层的目的是为了防止外延片从MOCVD设备中取出时AlGaInAs第一量子阱发光区中的Al材料发生氧化，之后再将N型GaAs帽层腐蚀掉，在AlGaInAs第一量子阱发光区上制备材料为AlGaAs或AlGaInP的无应力波导层，由于AlGaAs或AlGaInP材料的晶格与GaAs衬底材料的晶格常数相匹配，因此无应力波导层生长后无应力，其会抵消生长AlGaInAs第一量子阱发光区时产生的应力，同时也会抵消在其之上继续生长GaAsP第二量子阱发光区时产生的应力。无应力的AlGaInAs第一量子阱和GaAsP第二量子阱的晶体质量会更好，其发光的波长更加可控。不会产生传统工艺中由于应力的作用影响波长的情况发生。电子与空穴复合机率变大，提高发光效率。通过生长AlGaInAs第一量子阱的势垒层时可以掺杂的Si，从而抑制势垒层的表面形成螺旋岛状结构，因此势垒层的表面特性好，晶体质量得到提高。
显著降低原材料的消耗，并简化生产流程，缩短生产周期，可较大地改善内量子效率，从而较大地提高产品光效，可大规模量产制成的产品，对生产效率和经济效益地提高具有显著价值。
实施例1：
步骤a)中烘烤时间为30分钟。
实施例2：
步骤b)中GaAs缓冲层的厚度为100-500nm，生长GaAs缓冲层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3。特别优选的，GaAs缓冲层的厚度为200nm，生长GaAs缓冲层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
实施例3：
步骤c)中n型AlxGa1-xAs下限制层中x为0.1-0.9，n型AlxGa1-xAs下限制层的厚度为100-500nm，生长n型AlxGa1-xAs下限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为4E17-5E19个原子/cm3。特别优选的，n型AlxGa1-xAs下限制层中x为0.5，n型AlxGa1-xAs下限制层的厚度为300nm，生长n型AlxGa1-xAs下限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18个原子/cm3。
实施例4：
步骤d)中AlxGa1-xAs下波导层中x为0.1-0.9，AlxGa1-xAs下波导层的厚度为50-300nm，生长AlxGa1-xAs下波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为0-1E18个原子/cm3。特别优选的，AlxGa1-xAs下波导层的厚度为100nm，生长AlxGa1-xAs下波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E17个原子/cm3。
实施例5：
步骤e)中AlGaInAs第一量子阱发光区的厚度为5-10nm。特别优选的AlGaInAs第一量子阱发光区的厚度为8nm。
实施例6：
步骤f)中N型GaAs帽层厚度为100-500nm，生长N型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3。特别优选的，N型GaAs帽层厚度为300nm，生长N型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为5E19个原子/cm3。
实施例7：
步骤g)中先将外延片放置入磷酸、双氧水、水按体积比为1:1:5的溶液中腐蚀3-30秒，再将外延片放置入溴水中腐蚀60-300秒，腐蚀后将外延片在烘箱内在氮气保护下烘干300-3000秒。
实施例8：
步骤j)中n大于等于3，GaAsP第二量子阱发光区的厚度为5-10nm，步骤k)中m大于等于3，AlGaAs波导层的厚度为50-300nm，生长AlGaAs波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为0-1E18个原子/cm3。特别优选的GaAsP第二量子阱发光区的厚度为10Nm，AlGaAs波导层的厚度为100nm，生长AlGaAs波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E17个原子/cm3。
实施例9：
步骤l)中n型AlxGa1-xAs上限制层中x为0.1-0.9，n型AlxGa1-xAs上限制层的厚度为100-500nm，生长n型AlxGa1-xAs上限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为4E17-5E19个原子/cm3，步骤m)中p型GaAs帽层的厚度为100-500nm，生长p型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3，MOCVD设备的生长室内的压力为50-200mbar。特别优选的，n型AlxGa1-xAs上限制层中x为0.5，n型AlxGa1-xAs上限制层的厚度为300nm，生长n型AlxGa1-xAs上限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18个原子/cm3。p型GaAs帽层的厚度为300nm，生长p型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为5E19个原子/cm3。

Claims (10)

1.一种多波长激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将GaAs衬底放入MOCVD设备的生长室内，在H2环境下升温到750±20℃烘烤，烘烤时通入AsH3，去除GaAs衬底表面水氧，完成GaAs衬底表面热处理；
b)将MOCVD设备的生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa和AsH3，在GaAs衬底上生长GaAs缓冲层；
c)将MOCVD设备的生长室内温度升至750±20℃，通入TMGa、TMAl和AsH3，在GaAs缓冲层上生长n型AlxGa1-xAs下限制层；
d)将MOCVD设备的生长室内温度降低至700±20℃，通入TMGa、TMAl和AsH3，在n型AlxGa1-xAs下限制层上生长AlxGa1-xAs下波导层；
e)保持MOCVD设备的生长室内温度为700±20℃，通入TMIn，在AlxGa1-xAs下波导层上生长AlGaInAs第一量子阱发光区；
f)将MOCVD设备的生长室内温度降低至500±50℃，在AlGaInAs第一量子阱发光区上生长N型GaAs帽层；
g)将制备的外延片从MOCVD设备的生长室内取出，将N型GaAs帽层腐蚀掉；
h)将外延片放入PECVD设备中在AlGaInAs第一量子阱发光区上蒸镀材料为AlGaAs或AlGaInP的无应力波导层；
i)将外延片从PECVD设备中取出后放入MOCVD设备的生长室内，在通入AsH3、PH3升温至700±20℃进行保护；
j)将MOCVD设备的生长室内温度保持700±20℃，停止通入TMGa、TMAl和AsH3，通入PH3n秒后通入TMGa，在无应力波导层上生长GaAsP第二量子阱发光区；
k)将MOCVD设备的生长室内温度保持700±20℃，停止通入PH3m秒后通入TMGa、TMAl和AsH3，在GaAsP第二量子阱发光区上生长AlGaAs波导层；
l)将MOCVD设备的生长室内温度提升至750±20℃，继续通入TMGa、TMAl和AsH3，在AlGaAs波导层上生长n型AlxGa1-xAs上限制层；
m)将MOCVD设备的生长室内温度降低至500±50℃，在n型AlxGa1-xAs上限制层上生长p型GaAs帽层。
2.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤a)中烘烤时间为30分钟。
3.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤b)中GaAs缓冲层的厚度为100-500nm，生长GaAs缓冲层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E17-5E18个原子/cm3。
4.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤c)中n型AlxGa1- xAs下限制层中x为0.1-0.9，n型AlxGa1-xAs下限制层的厚度为100-500nm，生长n型AlxGa1-xAs下限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为4E17-5E19个原子/cm3。
5.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤d)中AlxGa1-xAs下波导层中x为0.1-0.9，AlxGa1-xAs下波导层的厚度为50-300nm，生长AlxGa1-xAs下波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为0-1E18个原子/cm3。
6.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤e)中AlGaInAs第一量子阱发光区的厚度为5-10nm。
7.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤f)中N型GaAs帽层厚度为100-500nm，生长N型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3。
8.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤g)中先将外延片放置入磷酸、双氧水、水按体积比为1:1:5的溶液中腐蚀3-30秒，再将外延片放置入溴水中腐蚀60-300秒，腐蚀后将外延片在烘箱内在氮气保护下烘干300-3000秒。
9.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤j)中n大于等于3，GaAsP第二量子阱发光区的厚度为5-10nm，步骤k)中m大于等于3，AlGaAs波导层的厚度为50-300nm，生长AlGaAs波导层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为0-1E18个原子/cm3。
10.根据权利要求1所述的多波长激光器的制备方法，其特征在于：步骤l)中n型AlxGa1- xAs上限制层中x为0.1-0.9，n型AlxGa1-xAs上限制层的厚度为100-500nm，生长n型AlxGa1-xAs上限制层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为4E17-5E19个原子/cm3，步骤m)中p型GaAs帽层的厚度为100-500nm，生长p型GaAs帽层时MOCVD设备的生长室内的掺杂浓度为1E18-1E20个原子/cm3，MOCVD设备的生长室内的压力为50-200mbar。
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