CN112531460B - 一种高温工作的dfb激光器及外延结构生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善激光器高温特性的DFB激光器，DFB激光器的外延结构包括InP衬底，在InP衬底由下向上依次设置有缓冲层、光栅层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、电子阻挡层、腐蚀阻挡层、脊波导层、势垒渐变层和欧姆接触层，电子阻挡层为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料形成超晶格。该DFB激光器的外延结构利用能带工程设计了宽禁带的超晶格电子阻挡层限制载流子，一方面利用高的势垒减小高温下载流子溢出量子阱有源区的几率，另一方面利用超晶格降低价带势垒，有利于空穴注入到有源区，可有效改善激光器的高温特性，本发明的DFB激光器能工作在‑40~115℃的温度范围正常工作。

Description

一种高温工作的DFB激光器及外延结构生长方法
技术领域
本发明涉及DFB激光器技术领域，特别涉及一种可在高温状态下工作的DFB激光器及其生长方法。
背景技术
随着光通信的迅速发展，无冷却宽温度单模DFB激光器成为长距离和大容量光纤通信的关键器件，广泛应用在接入网、数据中心、5G移动通信等领域。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。DFB激光器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50Gb/s以上，然而在高温下，激光器有源区的载流子泄露严重，且过量的热的声子易把载流子踢出量子阱区，导致DFB激光器在高温下功率下降。
为了防止DFB激光器在高温下功率下降，需要提高DFB激光器高温特性，现有的方法主要包括：1)采用AlGaInAs MQW代替InGaAsP MQW，提高垒与阱的带阶差，减小电子溢出阱的概率；2)采用侧向掩埋异质结减小电流和载流子泄露；3)电子阻挡层采用带隙材料，减小高温下载流子从MQW中跃迁到P型层的概率；4)合理设计光栅的kappa值；5)减小激光器的欧姆接触电阻，减小结区热量累积。
以上方法可以获得高温特性较好的DFB激光器，如发明专利CN110752508A提出采用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。发明专利CN110535032A在芯片表面蒸镀高热导率材料，芯片散热佳，高温特性好，有利于工作在宽温度范围。
上述方法DFB激光器工作在正向偏压下，电子和空穴分别从N型层和P型层沿着电场方向注入到MQW中复合形成光子。随着温度升高，量子阱中的载流子获得更高的能量，相比于常温工作更容易跃迁出阱，从而导致高温时载流子浓度下降，高温功率下降。为了提升激光器的高温工作功率，一般会在激光器P型侧采用宽禁带的AlInAs材料作为电子阻挡层。与InP匹配的AlInAs材料的禁带宽度约为1.45eV，AlGaInAs限制层材料的禁带宽度约为1.2eV，AlInAs电子阻挡层与AlGaInAs MQW之间具有较高的导带带阶，限制载流子跃迁出阱，极大的改善了激光器的高温特性，但高温电子依然有较大的概率跃迁出MQW，导致高温下激光器功率下降。
发明内容
为克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于设计一种改善激光器高温特性的DFB激光器，所述DFB激光器的外延结构包括InP衬底，在InP衬底由下向上依次设置有缓冲层、光栅层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、电子阻挡层、腐蚀阻挡层、脊波导层、势垒渐变层和欧姆接触层，所述电子阻挡层为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料形成超晶格，其中As组分满足下述公式：
Figure BDA0002819658400000021
且0.7<x<0.9。
优选的，电子阻挡层中AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料采用MBE生长。
优选的，由三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料形成超晶格为三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料层与AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料层依次交替生长形成。
优选的，所述三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料层、AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料层的厚度不大于3nm。
优选的，所述腐蚀截止层采用AlGaInAs，其波长范围为1250-1280nm。
优选的，所述DFB激光器的外延结构包括InP衬底，在InP衬底由下向上依次设置为N-InP缓冲层、N-InGaAsP光栅层、N-AlInAs下限制层、N-AlGaInAs下波导层、AlGaInAs量子阱、P-AlGaInAs上波导层、AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格电子阻挡层、AlGaInAs腐蚀阻挡层、脊波导层、InGaAsP势垒渐变层和InGaAs欧姆接触层。
本专利还公开了一种上述DFB激光器的生长方法，其包括如下步骤：
1)以InP作为生长衬底，放入到的MOCVD系统中生长依次生长缓冲层、光栅层，生长完的外延片随后取出，采用全息光刻或电子束光刻的方式形成光栅；
2)对外延片清洗后，放入到MBE外延炉中，生长MQW有源层，首先沉积InP层直到完全覆盖光栅层，并生长InP层至所需厚度，然后依次生长下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、腐蚀阻挡层；
3)从MBE外延炉取出的外延片立即再放入到MOCVD腔体中，先升温脱氧，然后降温到生长InP二次外延层，以及InGaAsP势垒过渡层，InGaAs欧姆接触层等，即形成完整的DFB的外延结构。
优选的，在步骤2)中，MBE外延炉真空度小于1×10-6Torr，在进行生长时，首先升高温度到约500℃沉积InP层到完全覆盖光栅层，然后升温到620度生长InP层至所需厚度，然后依次生长下限制层N-AlInAs、下波导层N-AlGaInAs、量子阱AlGaInAs、上波导层P-AlGaInAs，接着温度降至550度生长电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、腐蚀阻挡层AlGaInAs。
优选的，步骤2)中电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格通过AlAs0.56Sb0.44材料层与2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层依次交替生长。
优选的，电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格采用550℃低温生长先生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料，再生长2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料，再交替生长3nm的AlAs0.56Sb0.44和2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料，循环6次，总厚度约30nm。
上述技术方案具有如下有益效果：该DFB激光器的外延结构利用能带工程设计了宽禁带的超晶格电子阻挡层限制载流子，一方面利用高的势垒减小高温下载流子溢出量子阱有源区的几率，另一方面利用超晶格降低价带势垒，有利于空穴注入到有源区，可有效改善激光器的高温特性，本发明的DFB激光器能工作在-40～115℃的温度范围正常工作。
附图说明
图1为DFB激光器的外延结构示意图。
图2为光栅制作完成后DFB结构示意图。
图3为MBE生长完成后DFB结构示意图。
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。
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。
如图1所示，本专利公开了一种高温工作的DFB激光器，该DFB激光器的外延结构包括InP衬底000，在InP衬底000由下向上依次设置有缓冲层001、光栅层002、下限制层003、下波导层004、量子阱005、上波导层006、电子阻挡层007、腐蚀阻挡层008、脊波导层009、势垒渐变层010、011和欧姆接触层012。
电子阻挡层007采用的是电子阻挡层007采用AlxGa(1-x)AsySb(1-y)体系材料，为了使所述的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料与与InP衬底匹配，要求As组分满足下述公式：
Figure BDA0002819658400000041
当x＝1时，即为三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料，其与InP晶格匹配，容易生长，其直接带隙在2.5eV。但是，其相对于AlGaInAs材料具有较高的价带带隙，阻碍了空穴的注入。因此本专利中电子阻挡层007为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料形成超晶格。四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料中0.7<x<0.9。由于三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料性质比较稳定，但四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料具有一定的不互溶隙(miscibility gap)，在不互溶隙内的材料处于亚稳态，容易发生分解，形成稳定的两相或三相结构，造成材料质量严重下降。因此，本发明中电子阻挡层007应采用MBE生长。
作为一种具体实施方式，该DFB激光器的外延结构包括InP衬底000，在InP衬底000由下向上依次设置为N-InP缓冲层001、N-InGaAsP光栅层002、N-AlInAs下限制层003、N-AlGaInAs下波导层004、AlGaInAs量子阱005、P-AlGaInAs上波导层006、AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格电子阻挡层007、AlGaInAs腐蚀阻挡层008、脊波导层009、InGaAsP势垒渐变层010、011和InGaAs欧姆接触层012。其中电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格通过AlAs0.56Sb0.44材料层与2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层依次交替生长，每层AlAs0.56Sb0.44材料层或2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层的厚度不答应3nm，腐蚀截止层008采用AlGaInAs材料，其波长范围为1250-1280nm。
如图2、3所示，本专利还公开了一种上述DFB激光器的外延结构的生长方法，在进行生长时先把InP衬底放入到MOCVD设备中，第一次外延仅生长缓冲层001和光栅层002，然后在取出外延片，旋涂光刻胶，利用全息光刻或电子束光刻的方法形成图形，并采用化学湿法腐蚀的方法形成光栅。
接着把制作完光栅的外延片放入到MBE腔体中进行外延生长，要求真空度小于1×10-6Torr。升高温度到约550℃，沉积InP层直到完全覆盖光栅层，然后升温到620℃生长InP缓冲层001至所需厚度，然后依次生长下限制层003、下波导层004、量子阱005、上波导层006、电子阻挡层007、腐蚀阻挡层008。把腐蚀截止层008生长完成的外延片再次放入到MOCVD设备中，先采用低温约550℃生长InP脊波导层009层，约200nm后再620℃生长至所需厚度，然后依次生长势垒渐变010、011和欧姆接触层012。即形成本发明结构的DFB激光器外延片。外延片生长完成后，采用公知的光刻、刻蚀、镀膜、解理工艺，即形成本发明结构的DFB激光器芯片。
下面结合具体实施例对本专利生长方式做进一步的详细说明：
以电导率为2-8x1018cm-2的InP作为生长衬底，放入到的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，依次生长N-InP缓冲层001，N-InGaAsP光栅层002。InGaAsP光栅层002的厚度为40nm。生长完的外延片随后取出，采用全息光刻或电子束光刻的方式形成光栅，光栅周期为203nm,深度为40nm。
外延片清洗后，放入到真空度小于1×10-6Torr的MBE外延炉中，生长MQW有源层。首先升高温度到约500℃沉积InP层40nm直到完全覆盖光栅层002，然后升温到620度生长InP层至所需厚度，然后依次生长N-AlInAs下限制层003、N-AlGaInAs下波导层004、AlGaInAs量子阱005、P-AlGaInAs上波导层006，然后温度降至550度生长电子阻挡层007的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、AlGaInAs腐蚀阻挡层008。
超晶格电子阻挡层采用MBE的外延生长，其优势是可以采用低温高真空度生长。本发明实施例AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44电子阻挡层采用550℃低温生长。在生长完P-AlGaInAs上波导层006，直接降温到550℃，先生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料层，再生长2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层，再交替生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料层和2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层，循环6次，总厚度约30nm。腐蚀截止层采用AlGaInAs，其波长范围为1250-1280nm。
由于含Al的材料暴露于空气中易于氧化，在MBE腔体中生长完成后，要立即转移到MOCVD腔体中进行生长后续外延层。从MBE腔体取出的外延片立即再放入到MOCVD腔体中，先升温到680℃脱氧，然后降温到620℃生长InP二次外延层，以及波长为1300nm和1500nm的InGaAsP势垒渐变层010、011，InGaAs欧姆接触层012等，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(0.1％反射率)，即完成DFB激光器芯片的制作。
经测试，在115℃时，按本实施例制造的DFB激光器依然工作正常。
该DFB激光器的外延结构利用能带工程设计了宽禁带的超晶格电子阻挡层限制载流子，一方面利用高的势垒减小高温下载流子溢出量子阱有源区的几率，另一方面利用超晶格降低价带势垒，有利于空穴注入到有源区，可有效改善激光器的高温特性，本发明的DFB激光器能工作在-40～115℃的温度范围正常工作。
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 (10)

1.一种高温工作的DFB激光器，所述DFB激光器的外延结构包括InP衬底（000），在InP衬底（000）由下向上依次设置有缓冲层（001）、光栅层（002）、下限制层（003）、下波导层（004）、量子阱（005）、上波导层（006）、电子阻挡层（007）、腐蚀阻挡层（008）、脊波导层（009）、势垒渐变层（010）、（011）和欧姆接触层（012），其特征在于，所述腐蚀阻挡层（008）为AlGaInAs腐蚀阻挡层，所述电子阻挡层（007）为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料形成超晶格，其中As组分满足下述公式：
Figure 620144DEST_PATH_IMAGE001
，且0.7<x<0.9。
2.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器，其特征在于：电子阻挡层（007）中AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料采用MBE生长。
3.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器，其特征在于：由三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料形成超晶格为三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料层与AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料层依次交替生长形成。
4.根据权利要求3所述的一种高温工作的DFB激光器，其特征在于：所述三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料层、AlxGa(1-x)AsySb(1-y)材料层的厚度不大于3nm。
5.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器，其特征在于：所述腐蚀阻挡层（008）采用AlGaInAs，其波长范围为1250-1280nm。
6.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器，其特征在于：所述DFB激光器的外延结构包括InP衬底（000），在InP衬底（000）由下向上依次设置为N-InP缓冲层（001）、N-InGaAsP光栅层（002）、N-AlInAs下限制层（003）、N-AlGaInAs下波导层（004）、AlGaInAs量子阱（005）、P-AlGaInAs上波导层（006）、AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格电子阻挡层（007）、AlGaInAs腐蚀阻挡层（008）、脊波导层（009）、InGaAsP势垒渐变层（010）、（011）和InGaAs欧姆接触层（012）。
7.一种高温工作的DFB激光器外延结构生长方法，其特征在于，其包括如下步骤：
1）以InP作为生长衬底，放入到的MOCVD 系统中生长依次生长缓冲层、光栅层，生长完的外延片随后取出，采用全息光刻或电子束光刻的方式形成光栅；
2）对外延片清洗后，放入到MBE外延炉中，生长MQW有源层，首先沉积InP层直到完全覆盖光栅层，并生长InP层至所需厚度，然后依次生长下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、AlGaInAs腐蚀阻挡层；
3）从MBE外延炉取出的外延片立即再放入到MOCVD腔体中，先升温脱氧，然后降温到生长InP二次外延层，以及InGaAsP势垒过渡层，InGaAs欧姆接触层等，即形成完整的DFB的外延结构。
8.根据权利要求7所述的高温工作的DFB激光器外延结构生长方法，其特征在于，在步骤2）中，MBE外延炉真空度小于1×10-6Torr，在进行生长时，首先升高温度到约500℃沉积InP层到完全覆盖光栅层，然后升温到620度生长InP层至所需厚度，然后依次生长下限制层N-AlInAs、下波导层N-AlGaInAs、量子阱AlGaInAs、上波导层P-AlGaInAs，接着温度降至550度生长电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、腐蚀阻挡层AlGaInAs。
9.根据权利要求7所述的高温工作的DFB激光器外延结构生长方法，其特征在于，步骤2）中电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格通过AlAs0.56Sb0.44材料层与2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层依次交替生长。
10.根据权利要求9所述的高温工作的DFB激光器外延结构生长方法，其特征在于，电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格采用550℃低温生长先生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料，再生长2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料，再交替生长3nm的AlAs0.56Sb0.44和2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料，循环6次，总厚度约30nm。
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