CN112086856B - 一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：步骤1：选择一N型衬底；步骤2：在所述衬底上进行半导体双模量子点材料的外延生长；步骤3：采用标准半导体光电子芯片工艺进行激光器的光刻和刻蚀以形成脊形波导结构，随后进行衬底减薄和抛光；步骤4：通过磁控溅射或电子束蒸发进行P面金属层的淀积以及N面金属层的淀积，并进行高温退火形成金半接触；步骤5：对基片进行划片解理和腔面镀膜，形成半导体超短脉冲激光器，完成制备。本发明可实现单区注入的半导体超短脉冲激光器，有效降低成本。

Description

一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法。
背景技术
超短脉冲是持续时间仅有皮秒（10-12秒）甚至飞秒（10-15秒）量级的激光脉冲，主要通过增益开关（gain-switching）、Q开关（Q-switching）和锁模（mode-locking）等技术获得。自上世纪六十年代问世以来，超短脉冲激光一直备受关注，对众多科学技术领域产生了深远的影响，并成就了1999年诺贝尔化学奖和2005年诺贝尔物理学奖。在短短半个世纪内，超短脉冲光源经历了从染料激光器到掺钛蓝宝石激光器，再到光纤飞秒激光器、半导体超短脉冲激光器的发展历程。半导体超短脉冲激光器作为最新一代的超短脉冲光源，虽然目前其脉冲宽度为数百皮秒，大于掺钛蓝宝石激光器（数个皮秒）和光纤飞秒激光器（数十皮秒），但却具有非常高的重复频率，再加上低成本、低功耗、小体积、易集成等优势，在多个领域有着深远的应用前景。由于半导体激光器的腔长较短（0.1~10 mm），而超短脉冲的重复频率又与腔长成反比，因此半导体超短脉冲激光器的脉冲重复频率可以达到几十乃至上百GHz，可应用于时分复用、全光转换、时钟恢复等通信传输领域以及超精细微加工、生物医学诊疗等领域。
随着半导体光电子技术的不断发展，半导体超短脉冲激光器的有源区从体材料、量子阱逐步过渡到了量子点材料。基于量子点材料的超短脉冲激光器可以进一步发挥半导体超短脉冲光源的优势，是目前半导体超短脉冲光源的研究前沿和热点所在。针对半导体超短脉冲激光器性能的提升，量子点材料具有以下几个方面的优势：1）半导体量子点通常采用自组织方式生长，可以通过生长调控改变量子点尺寸、组分、应力的分布，获得较宽的增益谱，由于激光器有源区增益带宽决定了超短脉冲宽度的下限，因此有望实现脉宽小于100 fs的超短脉冲；2）量子点材料具有超快载流子动力学，带内弛豫时间为ps量级，在反向偏压下吸收恢复时间可以达到700 fs，有望实现THz重复频率的超短脉冲；3）量子点由于三维受限能级分立，具有显著的载流子填充效应，微分增益随注入电流的变化更为明显，更有利于被动锁模的自启动。
传统的半导体超短脉冲激光器通过在激光器的上电极部分刻蚀出电学隔离的增益区和可饱和吸收区来实现双区注入结构，两个区域仍共用一个完整的谐振腔。激光器的增益区注入正向电流形成辐射，而可饱和吸收区加反向偏置电压形成吸收损耗，在一定的双区注入条件范围内可以形成稳定的被动锁模），是目前半导体激光器实现超短脉冲激光输出的最常用手段。但是双区注入的超短脉冲激光器需要两路电流输入，而传统通信、工业加工用半导体激光器是单区注入，只需要一路电流输入。因此双区半导体超短脉冲激光器的制作工艺和封装测试比传统通信、工业加工用半导体激光器复杂，并且成本相对较高。
鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法，可实现单区注入的半导体超短脉冲激光器,有效降低成本。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种半导体超短脉冲激光器的制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：
步骤1：选择一N型衬底；
步骤2：在所述衬底上进行半导体双模量子点材料的外延生长；
步骤3：采用标准半导体光电子芯片工艺进行激光器的光刻和刻蚀以形成脊形波导结构，随后进行衬底减薄和抛光；
步骤4：通过磁控溅射或电子束蒸发进行P面金属层的淀积以及N面金属层的淀积，并进行高温退火形成金半接触；
步骤5：对基片进行划片解理和腔面镀膜，形成半导体超短脉冲激光器，完成制备。
按以上技术方案，所述步骤2包括以下子步骤：
步骤21：首先生长N型包层、下波导层；
步骤22：随后在所述下波导层上进行多周期量子点层的制备；
步骤23：继续生长上波导层、P型包层和P型接触层。
按以上技术方案，所述多周期量子点层的每个周期包括InAs量子点层和InGaAsP隔离层，通过调控生长温度、量子点成核时间、量子点熟化时间的手段形成双模分布的InAs/InGaAsP量子点材料。
一种根据以上技术方案制备的半导体超短脉冲激光器，其不同之处在于：其结构包括N型金属电极区、半导体双模量子点材料区、P型金属电极区。
按以上技术方案，所述半导体双模量子点材料区包括两种态密度分布模式的半导体量子点材料，所述态密度分布模式接近正态分布，态密度分布的波长范围为1000nm-2300nm，所述两种态密度分布模式的中心波长存在50nm-200nm的间隔。
按以上技术方案，所述两种态密度分布模式的半导体量子点材料，其中中心波长偏短的态密度分布模式的量子点材料作为激光增益区材料，中心波长偏长的态密度分布模式的量子点材料作为可饱和吸收区材料。
按以上技术方案，所述量子点材料与基底材料之间存在浸润层，且浸润层存在类似量子阱材料的态密度分布模式。
按以上技术方案，从激光增益区产生的激光能量大于作为可饱和吸收区的量子点材料浸润层能级的能级差。
按以上技术方案，所述P型金属电极区，为和GaAs或InP形成P型金半接触的金属材料，且整个电极区域为单一极性载流子输入，即对所述半导体双模量子点材料区进行空穴注入。
按以上技术方案，所述N型金属电极区，为和GaAs或InP形成N型金半接触的金属材料，并且整个电极区域为单一极性载流子输入，即对所述半导体双模量子点材料区进行电子注入。
由上述方案，本发明公开了一种半导体超短脉冲激光器及其制备方法，该激光器结构包含P型金属电极区、半导体双模量子点材料区、N型金属电极区，其中半导体双模量子点材料区是包含两种态密度分布模式的半导体量子点材料构成。半导体量子点同时起到超短脉冲激光产生所需的激光增益区和可饱和吸收区的作用，其中具有中心波长偏短的态密度分布模式的量子点材料作为激光增益区材料，具有中心波长偏长的态密度分布模式的量子点材料作为可饱和吸收区材料。这样，即可实现单区注入的半导体超短脉冲激光器，与传统通信、工业加工用半导体激光器的工艺制作和封装测试相兼容。
附图说明
图1为本发明实施例激光器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例量子点态密度分布示意图；
图3为本发明实施例量子点能级分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。
如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。
请参考图1至图3，本发明一种半导体超短脉冲激光器的制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：
步骤1：选择一2英寸N型InP衬底；
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）方法，在所述衬底上进行半导体双模量子点材料的外延生长；
步骤3：采用标准半导体光电子芯片工艺进行激光器的光刻和刻蚀以形成脊形波导结构，随后进行衬底减薄和抛光；
步骤4：通过磁控溅射进行P面TiPtAu金属层的淀积以及N面AuGeNi金属层的淀积，并进行400摄氏度60秒的快速退火形成金半接触；
步骤5：对基片进行划片解理和腔面镀膜，形成半导体超短脉冲激光器，完成制备。
具体的，所述步骤2包括以下子步骤：
步骤21：首先生长500nm N型InP包层、200nm InGaAsP下波导层；
步骤22：随后在所述下波导层上进行多周期InAs量子点层的制备；
步骤23：继续生长200nm的InGaAsP上波导层、1700nmP型InP包层和200nm P型InGaAs接触层。
优选的，所述多周期量子点层的每个周期包括2ML（monolayer）淀积量的InAs量子点层和30nm的InGaAsP隔离层，通过调控生长温度、量子点成核时间、量子点熟化时间等手段形成双模分布的InAs/InGaAsP量子点材料。
本实施方案中，半导体双模量子点通过先进外延手段如分子束外延（MolecularBeam Epitaxy, MBE）和金属有机物化学气相沉积（Metal-Organic Chemical VapourDeposition, MOCVD），利用InAs与GaAs的晶格失配或InAs与InP的晶格失配，在合适的生长温度控制或生长停顿等反应动力学控制手段下，以依靠晶格失配应力驱动的Stranski–Krastanov生长模式制备。
一种根据以上技术方案制备的半导体超短脉冲激光器，其不同之处在于：其结构包括N型金属电极区、半导体双模量子点材料区、P型金属电极区。
优选的，所述半导体双模量子点材料区包括两种态密度分布模式的半导体量子点材料，所述态密度分布模式接近正态分布（高斯分布），态密度分布的波长范围为1000nm-2300nm，所述两种态密度分布模式的中心波长存在50nm-200nm的间隔。
具体的，所述半导体双模量子点材料区的两种态密度分布模式的半导体量子点材料，同时起到超短脉冲激光产生所需的激光增益区和可饱和吸收区的作用，其中中心波长偏短的态密度分布模式的量子点材料作为激光增益区材料，中心波长偏长的态密度分布模式的量子点材料作为可饱和吸收区材料。
具体的，所述量子点材料与基底材料之间存在浸润层，且浸润层存在类似量子阱材料的态密度分布模式。
具体的，从激光增益区产生的激光能量EgQD1大于作为可饱和吸收区的量子点材料浸润层能级的能级差EgWL2。
优选的，所述P型金属电极区，为和GaAs或InP形成P型金半接触的金属材料，且整个电极区域为单一极性载流子输入，即对所述半导体双模量子点材料区进行空穴注入。
本实施方案中，P型金属电极为TiPtAu或TiAu合金金属，通过磁控溅射或者电子束蒸发在P型半导体表面形成金属镀层，随后通过高温退火形成P型金半接触。
优选的，所述N型金属电极区，为和GaAs或InP形成N型金半接触的金属材料，并且整个电极区域为单一极性载流子输入，即对所述半导体双模量子点材料区进行电子注入。
本实施方案中，N型金属电极为AuGeNi合金金属，通过磁控溅射或者电子束蒸发在N型半导体表面形成金属镀层，随后通过高温退火形成N型金半接触。
本发明实施例中，激光器产生超短脉冲的工作模式是：从激光增益区产生的激光光子被作为可饱和吸收区量子点材料的浸润层能级所吸收，只有在时域上各激光模式同步锁定时，才能克服可饱和吸收区量子点材料浸润层能级的吸收，从而产生超短脉冲激光输出。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体超短脉冲激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择一N型衬底；
步骤2：在所述衬底上进行半导体双模量子点材料的外延生长；所述半导体双模量子点材料包括两种态密度分布模式，所述态密度分布模式接近正态分布；
步骤3：采用标准半导体光电子芯片工艺进行激光器的光刻和刻蚀以形成脊形波导结构，随后进行衬底减薄和抛光；
步骤4：通过磁控溅射或电子束蒸发进行P面金属层的淀积以及N面金属层的淀积，并进行高温退火形成金半接触；
步骤5：对基片进行划片解理和腔面镀膜，形成半导体超短脉冲激光器，完成制备。
2.根据权利要求1所述的半导体超短脉冲激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤2包括以下子步骤：
步骤21：首先生长N型包层、下波导层；
步骤22：随后在所述下波导层上进行多周期量子点层的制备；
步骤23：继续生长上波导层、P型包层和P型接触层。
3.根据权利要求2所述的半导体超短脉冲激光器的制备方法，其特征在于：所述多周期量子点层的每个周期包括InAs量子点层和InGaAsP隔离层，通过调控生长温度、量子点成核时间、量子点熟化时间的手段形成双模分布的InAs/InGaAsP量子点材料。
4.一种根据权利要求1至3任一权利要求所述方法制备的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：其结构包括N型金属电极区、半导体双模量子点材料区、P型金属电极区，所述半导体双模量子点材料区包括两种态密度分布模式的半导体量子点材料，所述态密度分布模式接近正态分布。
5.根据权利要求4所述的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：态密度分布的波长范围为1000nm-2300nm，两种态密度分布模式的中心波长存在50nm-200nm的间隔。
6.根据权利要求5所述的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：所述两种态密度分布模式的半导体量子点材料，其中中心波长偏短的态密度分布模式的量子点材料作为激光增益区材料，中心波长偏长的态密度分布模式的量子点材料作为可饱和吸收区材料。
7.根据权利要求6所述的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：所述量子点材料与基底材料之间存在浸润层，且浸润层存在类似量子阱材料的态密度分布模式。
8.根据权利要求7所述的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：从激光增益区产生的激光能量大于作为可饱和吸收区的量子点材料浸润层能级的能级差。
9.根据权利要求4所述的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：所述P型金属电极区，为和GaAs或InP形成P型金半接触的金属材料，且整个电极区域为单一极性载流子输入，即对所述半导体双模量子点材料区进行空穴注入。
10.根据权利要求4所述的半导体超短脉冲激光器，其特征在于：所述N型金属电极区，为和GaAs或InP形成N型金半接触的金属材料，并且整个电极区域为单一极性载流子输入，即对所述半导体双模量子点材料区进行电子注入。
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