CN112864802A - 一种分布式反馈激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式反馈激光器及其制备方法，分布式反馈激光器包括：激光器外延结构，激光器外延结构包括衬底以及位于衬底一侧的多层外延层；位于上接触层远离衬底一侧的第一电极层；其中，第一电极层、上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，光栅结构组位于脊形结构两侧；光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式；第一方向与衬底所在平面平行；位于衬底远离外延层一侧的第二电极层。本发明有效降低器件制备难度和制备成本，降低器件的光损耗，增加光栅制备精度，显著提升器件的性能。

Description

一种分布式反馈激光器及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及激光器技术领域，尤其涉及一种分布式反馈激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料，如砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)等作为工作物质的激光器，具有体积小、效率高和寿命长等优点。其中分布式反馈(DFB)半导体激光器具有单模特性好、光谱半高宽窄、调制速率高等特点，在激光通信、激光测距和激光雷达等领域都有重要应用，受到产业界和学术界的广泛关注。
分布式反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)，分布式反馈半导体激光器需要制备光栅对模式进行选择。通常为了实现高的选择性，常采用低阶光栅，如一阶光栅，即光栅周期L满足光栅方程：λ＝2nL，由于激光器的工作波长较短，使得光栅周期L较小，这就对光刻技术提出了很高的要求，因此通常只能采用成本高且价格昂贵的电子束曝光机或全息光刻技术，导致器件制备成本较高。更为重要的是，由于光栅周期很小而光栅刻蚀较深使得刻蚀深宽比很大，后期干法刻蚀过程中很难形成陡直且光滑的光栅，严重影响了光栅的性能，最终影响了DFB激光器的输出波长稳定性。
为了解决上述问题，有学者提出采用高阶光栅对模式进行选择，由于高阶光栅内部存在多个模式，DFB激光器工作时模式不稳定，容易发生跳模，即DFB激光器的输出波长容易随着注入电流、工作环境的变化而发生变化，严重影响了DFB激光器的实际应用。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种分布式反馈激光器及其制备方法，以解决现有技术中采用低阶光栅结构导致的刻蚀成本高、刻蚀光栅深宽比大难以在后期干法刻蚀过程中形成陡直且光滑的光栅结构以及采用高阶光栅结构存在多个波长模式，导致工作时模式不稳定，易发生跳模，易随注入电流和工作环境的变化而发生变化，严重影响激光器的性能和实际应用的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种分布式反馈激光器，包括：
激光器外延结构，所述激光器外延结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的多层外延层，多层所述外延层包括中间外延层以及依次位于所述中间外延层远离所述衬底一侧的上光场限制层和上接触层；
位于所述上接触层远离所述衬底一侧的第一电极层；其中，所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，所述光栅结构组位于脊形结构两侧；所述光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个所述子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个所述子光栅结构包括至少一个公共激射模式；所述第一方向与所述衬底所在平面平行；
位于所述衬底远离所述外延层一侧的第二电极层。
可选的，所述光栅结构组包括沿所述第一方向依次连接的第一子光栅结构、第i子光栅结构和第N子光栅结构；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；
所述第一子光栅结构的光栅方程满足：mλ＝2n L1，L1为第一子光栅结构的光栅周期，n为有效折射率，λ为激光波长，m≥2且m为正整数；
所述第i子光栅结构的光栅方程满足：gλ＝2n Li，Li为第i子光栅结构的光栅周期，g≥2且g为正整数；
所述第N子光栅结构的光栅方程满足：kλ＝2n LN，LN为第N子光栅结构的光栅周期，k≥2且k为正整数；
其中，m、g和k均不相等，且最小公因数为1。
可选的，所述光栅结构组包括多个公共激射模式，多个所述公共激射模式包括参考激射模式和非参考激射模式；
任一所述非参考激射模式与所述参考激射模式的波长差为δλ，满足δλ＞10nm。
可选的，所述分布式反馈激光器还包括连接电极；
所述连接电极覆盖所述脊形结构和所述光栅结构组，所述连接电极在所述衬底所在平面上的垂直投影覆盖所述脊形结构和所述光栅结构组在所述衬底所在平面上的垂直投影，且所述连接电极的厚度大于所述第一电极层的厚度。
可选的，所述激光器外延结构还包括介质层；
所述介质层覆盖所述脊形结构的侧壁和所述光栅结构组的侧壁以及部分所述上光场限制层的上表面。
可选的，所述中间外延层包括依次设置于所述衬底一侧的缓冲层、下光场限制层、下波导层、有源区以及上波导层。
第二方面，本发明实施例还提供了一种分布式反馈激光器的制备方法，用于制备第一方面提供的分布式反馈激光器，包括：
制备激光器外延结构，所述激光器外延结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的多层外延层，多层所述外延层包括中间外延层以及依次位于所述中间外延层远离所述衬底一侧的上光场限制层和上接触层；
在所述上接触层远离所述衬底一侧制备第一电极层；
刻蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，所述光栅结构组位于脊形结构两侧；所述光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个所述子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个所述子光栅结构包括至少一个公共激射模式；所述第一方向与所述衬底所在平面平行；
在所述衬底远离所述外延层的一侧制备第二电极层；
对所述外延结构进行划片、解理、镀膜以及裂片工艺，形成分布式反馈激光器。
可选的，刻蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，包括：
采用干法刻蚀工艺刻蚀或湿法腐蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组。
可选的，刻蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组之后，还包括：
在所述第一电极层远离所述衬底的一侧沉积介质层，所述介质层覆盖所述脊形结构和所述光栅结构组的上表面以及所述脊形结构的侧壁、所述光栅结构组的侧壁和部分所述上光场限制层的上表面；
采用光刻和刻蚀技术，去除所述脊形结构和所述光栅结构组的上表面的所述介质层，暴露出所述第一电极层；
在所述介质层远离所述衬底一侧制备连接电极，所述连接电极至少覆盖暴露出的所述第一电极层。
可选的，制备激光器外延结构，包括：
提供衬底；
在所述衬底一侧制备缓冲层；
在所述缓冲层远离所述衬底的一侧制备下光场限制层；
在所述下光场限制层远离所述衬底的一侧制备下波导层；
在所述下波导层远离所述衬底的一侧制备有源区；
在所述有源区远离所述衬底的一侧制备上波导层；
在所述上波导层远离所述衬底的一侧制备上光场限制层；
在所述上光场限制层远离所述衬底的一侧制备上接触层。
本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器，通过在第一电极层、上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，光栅结构组位于脊形结构两侧，设置光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，进一步设置存在两个子光栅结构的光栅周期L不同，根据光栅光程中激光波长与光栅周期L的关系，通过采用多段不同光栅周期L的高阶光栅，在确定DFB激光器的激光发射模式即激光波长λ的情况下，使至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式并，由于光栅周期L不同，在采用高阶光栅的情况下，也可以实现一阶光栅高选择性的作用，实现对DFB激光器一个激射模式的锁定。采用多段高阶光栅结构，一方面，增加了光栅周期，采用常规的低成本曝光技术即可制备，因此有效降低了器件制备难度和制备成本；进一步，采用高阶光栅结构，显著降低了光栅制备过程中的刻蚀选择比，从而大幅提升光栅制备的精度，实现对DFB激光器输出波长的精确控制；更进一步的，采用多段高阶光栅结构代替传统的低阶光栅，有效降低了光在光栅界面处的散射和吸收损耗，从而显著降低了DFB激光器的光损耗，可有效提升器件性能；另一方面，确保在采用高阶光栅结构时即使存在多个激射模式，有且只有一个公共激射模式被挑选出射，有效阻止器件的工作模式发生跳模，保证激光器工作模式的稳定，提升器件实际应用的性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器的外延结构的截面示意图；
图2刻蚀完脊形结构和光栅结构组后外延结构的表面示意图；
图3为图2中沿AA’方向的脊形结构的截面示意图；
图4为图2中沿BB’方向的光栅结构组的截面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器沉积完介质层后半导体激光器结构的截面示意图；
图6为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器剥离介质层后半导体激光器结构的截面示意图；
图7为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器制备完第二电极后半导体激光器结构的截面示意图；
图8本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器的制备方法流程示意图；
图9本发明实施例提供的另一种分布式反馈激光器的制备方法流程示意图。
以下为附图标记说明：
图中：101为衬底，102为缓冲层，103为下光场限制层，104为下波导层，105为有源区，106为上波导层，107为上光场限制层，108为上接触层，109为第一电极层，110为介质层，111为连接电极，112为第二电极层。
图2中：201为第一子光栅结构，202为第二子光栅结构，203为第三子光栅结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
实施例
本发明实施例提供一种分布式反馈激光器。图1为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器的外延结构的截面示意图；图2为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器刻蚀完脊形结构和光栅结构组后外延结构的表面示意图；图3为图2中沿AA’方向的脊形结构的截面示意图；图4为图2中沿BB’方向的光栅结构组的截面示意图。如图1-4所示，分布式反馈激光器包括：激光器外延结构，激光器外延结构包括衬底101以及位于衬底101一侧的多层外延层，多层外延层包括中间外延层以及依次位于中间外延层远离衬底一侧的上光场限制层107和上接触层108；
位于上接触层108远离衬底101一侧的第一电极层109；其中，第一电极层109、上接触层108和部分上光场限制层107形成脊形结构10和光栅结构组20，光栅结构组20位于脊形结构10两侧；光栅结构组20包括至少两个沿第一方向(如图中X方向所示)排列的子光栅结构，存在两个子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式；第一方向与衬底101所在平面平行；
位于衬底101远离外延层一侧的第二电极层112。
示例性的，如图1-4所示，本发明实施例提供的分布式反馈激光器包括激光器外延结构，外延结构作为激光器的主要发光结构，激光器外延结构包括衬底101以及在衬底101一侧生长的多层外延层，其中，衬底材料可以选用III族氮化物材料，如：GaAs、InP、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si和SOI中的任意一种或两种以上的组合，采用III族氮化物做衬底可以制备III族氮化物半导体DFB激光器。
多层外延层包括中间外延层，如图1所示，可选的，中间外延层包括依次设置于衬底101一侧的缓冲层102、下光场限制层103、下波导层104、有源区105以及上波导层106。进一步的，依次位于中间外延层远离衬底101一侧的上光场限制层107和上接触层108。其中，上接触层108、上光场限制层107、下光场限制层103、上波导层106和有源区105的材料包括Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asx2Py2N1-x2-y2，满足，0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤x2≤1、0≤y2≤1、0≤(x1+y1)≤1、0≤(x2+y2)≤1。例如，材料GaN，根据分布式反馈激光器的特性，选择不同的外延层材料，使其外延层具有多种材料可选择，这里不做具体的限定。
继续参照图1，第一电极层109位于上接触层108远离衬底101的一侧，第一电极层109包括材料Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、TiN、ITO、AuGe、AuGeNi、ITO、ZnO、IGZO和石墨烯中的任意一种或两种以上的组合，具有较好的欧姆接触金属导电的功能。
由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅(Grating)。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅称为反射光栅。优选的，本发明实施例选用反射式光栅结构组。
在第一电极层109、上接触层108和部分上光场限制层107制备形成脊形结构10和光栅结构组20，如图2所示，光栅结构组20位于进行结构10的两侧，需要说明的是，脊形结构10和光栅结构组20的材料结构相同一体制备得到，如图3和图4所示。根据光栅光程中激光波长与光栅周期L的关系，当仅仅采用一阶光栅确认光栅结构的光栅周期L，通常光栅周期L的刻写精度比较高，而本申请通过设置光栅结构组20包括至少两个沿第一方向(如图中X方向所示)排列的子光栅结构，存在至少两个子光栅结构的光栅周期L不同，通过采用多段不同光栅周期L的高阶光栅，在确定DFB激光器的激光发射模式即激光波长λ的情况下，合理设置至少两个子光栅结构的光栅周期L，使至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式，其中，公共激射模式包括激光波长λ，由于不同的光栅周期L满足至少一个公共激射模式，在采用高阶光栅的情况下，也可以实现一阶光栅对激光发射模式即激光波长λ的高选择性的作用，实现对DFB激光器的激光发射模式即激光波长λ的锁定。
在采用多段高阶光栅结构时，一方面，增加了光栅周期，采用常规的低成本曝光技术即可制备，因此有效降低了器件制备难度和制备成本；进一步，采用高阶光栅结构，显著降低了光栅制备过程中的刻蚀选择比，从而大幅提升光栅制备的精度，实现对DFB激光器输出波长的精确控制；更进一步的，采用多段高阶光栅结构代替传统的低阶光栅，有效降低了光在光栅界面处的散射和吸收损耗，从而显著降低了DFB激光器的光损耗，可有效提升器件性能；另一方面，确保在采用高阶光栅结构时即使存在多个激射模式，有且只有一个公共激射模式被挑选出射，有效阻止器件的工作模式发生跳模，保证激光器工作模式的稳定，提升器件实际应用的性能。
在位于衬底101远离外延层一侧为第二电极层112，其中，第二电极层112的材料包括Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、TiN、ITO、AuGe、AuGeNi、ITO、ZnO、IGZO和石墨烯中的任意一种或两种以上的组合。第二电极层112与第一电极层109形成相对的欧姆接触电极，为后续激光器外接电连接制备做准备。
综上所述，本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器，通过在第一电极层、上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，光栅结构组位于脊形结构两侧，设置光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，进一步设置存在两个子光栅结构的光栅周期L不同，根据光栅光程中激光波长与光栅周期L的关系，在不局限于一阶光栅的情况下，在采用高阶光栅组合的情况下，使至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式。在采用多段高阶光栅结构时，一方面，增加了光栅周期，采用常规的低成本曝光技术即可制备，因此有效降低了器件制备难度和制备成本；进一步，采用高阶光栅结构，显著降低了光栅制备过程中的刻蚀选择比，从而大幅提升光栅制备的精度，实现对DFB激光器输出波长的精确控制；更进一步的，采用多段高阶光栅结构代替传统的低阶光栅，有效降低了光在光栅界面处的散射和吸收损耗，从而显著降低了DFB激光器的光损耗，可有效提升器件性能；另一方面，确保在采用高阶光栅结构时即使存在多个激射模式，有且只有一个公共激射模式被挑选出射，有效阻止器件的工作模式发生跳模，保证激光器工作模式的稳定，提升器件实际应用的性能。
可选的，继续参考图2，光栅结构组20包括沿第一方向依次连接的第一子光栅结构、第i子光栅结构和第N子光栅结构；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；
第一子光栅结构的光栅方程满足：mλ＝2n L1，L1为第一子光栅结构的光栅周期，n为有效折射率，λ为激光波长，m≥2且m为正整数；
第i子光栅结构的光栅方程满足：gλ＝2n Li，Li为第i子光栅结构的光栅周期，g≥2且g为正整数；
第N子光栅结构的光栅方程满足：kλ＝2n LN，LN为第N子光栅结构的光栅周期，k≥2且k为正整数；
其中，m、g和k均不相等，且最小公因数为1。
示例性的，继续参考图2，以光栅结构组20包括沿第一方向(如图2中X方向所示)依次连接的第一子光栅结构201、第二子光栅结构202和第三子光栅结构203为例进行所说明。其中，沿图中X方向所示，第一子光栅结构201的光栅周期L1包括刻蚀区宽度a1和未刻蚀区宽度b1，第二子光栅结构202的光栅周期L2包括刻蚀区宽度a2和未刻蚀区宽度b2，第三子光栅结构203的光栅周期L3包括刻蚀区宽度a3和未刻蚀区宽度b3，通过调整刻蚀区宽度a1、a2和a3的大小可以实现每个光栅周期的改变。
其中，第一子光栅结构201的光栅方程满足：mλ＝2n L1，即在第一子光栅结构的光栅周期为L1时，满足激光波长为λ的m阶高阶光栅，其中，n为有效折射率，m≥2且m为正整数；第二子光栅结构的光栅方程满足：gλ＝2n L2，即在第二子光栅结构的光栅周期为L2时，满足激光波长为λ的g阶高阶光栅，其中，g≥2且g为正整数；第三子光栅结构的光栅方程满足：kλ＝2n L3，即在第三子光栅结构的光栅周期为L3时，满足激光波长为λ的k阶高阶光栅，其中，k≥2且k为正整数；通过设置光栅的阶数m、g和k均不相等，且最小公因数为1，满足多段子光栅结构有且只有一个公共激光激射模式。
示例性的，根据光栅应用的激光波长λ不同以及对刻写精度的要求，优选的，选择m、g和k均大于等于20，即选择激光波长λ的20阶高阶光栅及以上的高阶光栅。以光栅结构组应用于DFB激光器的激光发射模式即激光波长λ为450nm为例进行说明，其中，有效折射率n为2.5，如表1所示。例如，选择m为20，第一子光栅结构201的光栅周期满足20λ＝2nL1，光栅周期L1为1800nm，选择g为24，第二子光栅结构202的光栅周期满足24λ＝2nL1，光栅周期L2为2160nm，选择k为27，第三子光栅结构203光栅周期满足27λ＝2nL3，光栅周期L3为2430nm，在确定激光波长λ的情况下，相对激光波长λ的一阶光栅λ＝2nL，光栅周期L为90nm，光栅周期为L1、光栅周期为L2和光栅周期为L3均不同且均被扩大了20倍以上，即光栅制备图形被放大了20倍以上，采用常规的低成本曝光技术即可制备，因此有效降低了器件制备难度和制备成本。并且，根据光栅的对激光波长λ的选择特性，第一子光栅结构201、和第三子光栅结构203有且仅有一阶光栅λ＝2nL为共同的激光激射工作模式，因此可以在采用三段高阶光栅组合的情况下，实现一阶光栅对激光波长λ高选择性的作用，实现对DFB激光器激光激射工作模式的锁定。需要说明的是，也可以选择激光波长λ更大的高阶光栅，如51阶光栅，此时光栅周期为4590nm，如表1所示，显著增大光栅周期，降低刻写精度，普通的光刻设备即可满足要求，降低生产成本。更多的高阶光栅组合，这里不做一一展开列举。
表1光栅方程
Figure BDA0002984941080000121
Figure BDA0002984941080000131
需要说明的是，本发明实施例提供的DFB激光器的激光发射模式即激光波长λ满足市面上激光器发射的激光波长应用，优选的，激光波长λ范围满足200nm≤λ≤2μm。本实施例仅以激光波长450nm为例进行说明，更多的波长应用这里不再做详尽列举。
综上，根据激光波长λ和光栅周期L满足的高阶光栅方程，采用多段高阶光栅结构的设计，大幅增加了光栅周期L，显著降低了光栅制备过程中的刻蚀选择比，从而大幅提升光栅制备的精度，实现对DFB激光器输出波长的精确控制；采用多段高阶光栅结构代替了传统的低阶光栅，有效降低了光在光栅界面处的散射和吸收损耗，从而显著降低了DFB激光器的光损耗，可有效提升器件性能。
作为一种可行的实施方式，光栅结构组包括多个公共激射模式，多个公共激射模式包括参考激射模式和非参考激射模式；任一非参考激射模式与参考激射模式的波长差为δλ，满足δλ＞10nm。
示例性的，根据光栅结构的特性，在同一个光栅周期L固定的情况下，可以同时满足多个激光波长λ的光栅方程，即光栅结构组包括多个公共激射模式，多个公共激射模式包括参考激射模式和非参考激射模式，任一非参考激射模式与参考激射模式的波长差为δλ，满足δλ＞10nm，由于制造工艺的不同，激光器发射的激光光谱的半高全宽FWHM(Full WidthHalf Maximum，FWHM)通常满足FWHM≤15nm，有且只有一个公共激射模式被光栅结构组挑选出射，满足DFB激光器单模输出的激光特定，优选的，只出射参考激射模式，即激光波长λ的激光发射模式。示例性的，继续参照表1和图2所示，以光栅结构组包括二个子光栅结构为例进行说明，参考激射模式的波长为450nm为例，当选用第一子光栅结构201满足波长为450nm的40阶光栅方程，且光栅周期L1为3600nm；第二子光栅结构202满足波长为450nm的80阶光栅方程，且光栅周期L2为7200nm。需要注意的是，光栅周期L1同时满足激光波长为439nm的41阶光栅方程，光栅周期L2同时满足激光波长为439nm的82阶光栅方程，在光栅结构组中存在至少两个公共激射模式被锁。非参考激射模式的波长为439nm，与参考激射模式的波长得波长差δλ为11nm，满足δλ＞10nm，通常参考激射模式位于光栅结构组光谱曲线的中心位置，能量最高，此时非参考激射模式的波长439nm与450nm的波长差δλ为11nm，不满足光栅选择激光模式出射的条件，因此，有且仅有一个公共激射模式即激光波长450nm被光栅结构组挑选出射。通过此参数设置，有效阻止了器件的工作模式发生跳模，保证激光器工作模式的稳定，提升器件实际应用的性能。
图5为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器沉积完介质层后半导体激光器结构的截面示意图；图6为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器剥离介质层后半导体激光器结构的截面示意图；图7为本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器制备完第二电极后半导体激光器结构的截面示意图。
如图5-7所示，可选的，分布式反馈激光器还包括连接电极112；连接电极112覆盖脊形结构10和光栅结构组20，连接电极112在衬底101所在平面上的垂直投影覆盖脊形结构10和光栅结构组20在衬底101所在平面上的垂直投影，且连接电极112的厚度大于第一电极层110的厚度。
示例性的，如图7所示，由于脊形结构10和光栅结构组20的宽度在μm量级以及第一电极层109的欧姆接触金属相对较薄，不利于实际的生产电连接，通过增加导电性较好的欧姆接触金属，使连接电极112在衬底101所在平面上的垂直投影覆盖脊形结构10和光栅结构组20在衬底101所在平面上的垂直投影，保证连接电极112与第二电极113形成稳定电场，且设置连接电极112的厚度大于第一电极层110的厚度，形成加厚电极，一方面增加连接稳定性，另一方面降低激光器制备外接电源的难度。
在上述实施例的基础上，激光器外延结构还包括介质层111；介质层111覆盖脊形结构10的侧壁和光栅结构组20的侧壁以及部分上光场限制层107的上表面。
具体的，继续参照图6和图7，为了保证连接电极114仅与第一电极层109发生有效电连接，避免脊形结构10的侧壁和光栅结构组20的侧壁以及部分上光场限制层107的上表面引入电极，影响激光器外延结构的电场分布，在脊形结构10的侧壁和光栅结构组20的侧壁以及部分上光场限制层107的上表面覆盖介质层111，形成电绝缘。其中，第介质层111材料包括HfO2、Si、SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、MgO和多晶硅等材料中的任意一种或两种以上的组合。
综上，本发明提出的一种分布式反馈半导体激光器结构及其制备方法有效降低了器件制备难度，大幅增加了光栅制备精度，降低了器件的光损耗，最终显著提升了器件性能并降低了器件成本。
本发明实施例提供一种分布式反馈激光器的制备方法，用于制备上述实施例所示的分布式反馈激光器。图8本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器的制备方法流程示意图，如图8所示，分布式反馈激光器的制备方法包括：
S101、制备激光器外延结构，激光器外延结构包括衬底以及位于衬底一侧的多层外延层，多层外延层包括中间外延层以及依次位于中间外延层远离衬底一侧的上光场限制层和上接触层。
具体的，制备激光器外延结构，如图1所示，在衬底101材料一侧依次生长制备多层外延层，包括缓冲层102、下光场限制层103、下波导层104、有源区105、上波导层106、上光场限制层107和上接触层108。其中，上接触层108、上光场限制层107、下光场限制层103、上波导层106和有源区105的材料包括
Alx1Iny1Ga1-x1-y1Asx2Py2N1-x2-y2，满足，0≤x1≤1、0≤y1≤1、0≤x2≤1、0≤y2≤1、0≤(x1+y1)≤1、0≤(x2+y2)≤1。例如，材料GaN，根据分布式反馈激光器的特性，选择不同的外延层材料，使其外延层具有多种材料可选择，这里不做具体的限定。
S102、在上接触层远离衬底一侧制备第一电极层。
具体的，清洗外延结构，如图3所示，在外延片结构的上接触层107远离衬底101一侧沉积第一电极层109，第一电极层109包括材料Ni、Ti、Pd、Pt、Au、Al、Cr、TiN、ITO、AuGe、AuGeNi和IGZO中的任意一种或两种以上的组合。示例性的，可以选用Pt/Au，并进行空气气氛中的快速热退火，以使Pt/Au与上接触层108形成较好的欧姆接触，最终在上接触层108远离衬底101一侧制备得到第一电极层109，形成外延结构的欧姆接触电极。
S103、刻蚀第一电极层、上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组；光栅结构组位于脊形结构两侧；光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式；第一方向与衬底所在平面平行。
具体的，根据DFB激光器的激射模式，确认需要制备的高阶光栅结构组的子光栅结构数量，以及每个子光栅结构的光栅周期L。以刻蚀周期L不同的三段子光栅结构为例，其中，沿图中X方向所示，第一子光栅结构201的光栅周期L1包括刻蚀区宽度a1和未刻蚀区宽度b1，第二子光栅结构202的光栅周期L2包括刻蚀区宽度a2和未刻蚀区宽度b2，第三子光栅结构203的光栅周期L3包括刻蚀区宽度a3和未刻蚀区宽度b3，通过控制刻蚀区宽度a1、a2和a3的大小实现子光栅结构的光栅周期L不同。具体的，对激光器外延结构进行涂胶等方法，采用常规光刻技术光刻出脊形结构和光栅结构组的图形，随后刻蚀第一电极层109、上接触层108和部分上光场限制层107形成脊形结构10和光栅结构组20，如图2和图3所示，光栅结构组20位于脊形结构10两侧，刻蚀得到的光栅周期L满足激光波长λ的高阶光栅方程。
S104、在衬底远离外延层的一侧制备第二电极层。
示例性的，如图7所示，进一步，对制备得到的外延机构进行减薄、研磨和抛光，在衬底101远离外延层的一侧沉积欧姆接触金属制备得到第二电极层113，使其与第一电极层109相对设置，制备成欧姆接触电极对。
S105、对外延结构进行划片、解理、镀膜以及裂片工艺，形成分布式反馈激光器。
具体的，根据激光器生产的需要，进一步对外延结构进行合理的划片、解理、镀膜以及裂片工艺，制备得到需要的分布式反馈激光器。
综上所述，本发明实施例提供的一种分布式反馈激光器的制备方法，通过采用常规光刻技术光刻制备得到多段高阶光栅组合的形式，使至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式。采用多段高阶光栅结构，增加了光栅周期，有效降低了器件制备难度和制备成本；显著降低了光栅制备过程中的刻蚀选择比，从而大幅提升光栅制备的精度，实现对DFB激光器输出波长的精确控制；进一步的，采用多段高阶光栅结构代替传统的低阶光栅，有效降低了光在光栅界面处的散射和吸收损耗，从而显著降低了DFB激光器的光损耗，可有效提升器件性能。
在上述实施例的基础上，可选的，刻蚀第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，包括：
采用干法刻蚀工艺刻蚀或湿法腐蚀第一电极层、上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组。
具体的，参照图2，采用干法刻蚀工艺刻蚀第一电极层109、上接触层108和部分上光场限制层107形成脊形结构10和光栅结构组20，进一可以采用湿法腐蚀方式效提高脊形结构10和光栅结构组20的侧壁表面的腐蚀光滑度，可以去除干法刻蚀损伤引起的非辐射复合和漏电等问题，减小激光器中的非辐射复合和漏电等，进而有效减少器件的阈值电流，提升器件性能和可靠性。
可选的，图9本发明实施例提供的另一种分布式反馈激光器的制备方法流程示意图，如图9所示，分布式反馈激光器的制备方法包括：
S201、制备激光器外延结构，激光器外延结构包括衬底以及位于衬底一侧的多层外延层，多层外延层包括中间外延层以及依次位于中间外延层远离衬底一侧的上光场限制层和上接触层。
S202、在上接触层远离衬底一侧制备第一电极层。
S203、刻蚀第一电极层、上接触层和部分上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组；光栅结构组位于脊形结构两侧；光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个子光栅结构包括至少一个公共激射模式；第一方向与衬底所在平面平行。
S204、在第一电极层远离衬底的一侧沉积介质层，介质层覆盖脊形结构和光栅结构组的上表面以及脊形结构的侧壁、光栅结构组的侧壁和部分上光场限制层的上表面。
具体的，如图5所示，在第一电极层远离衬底的一侧沉积介质层，介质层采用绝缘介质膜材料，包括SiO2、SiNx、SiON、Al2O3、AlON、SiAlON、TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Si和多晶硅等材料中的任意一种或两种以上的组合，介质层覆盖脊形结构和光栅结构组的上表面以及脊形结构的侧壁、光栅结构组的侧壁和部分上光场限制层的上表面。
S205、采用光刻和刻蚀技术，去除脊形结构和光栅结构组的上表面的介质层，暴露出第一电极层。
S206、在介质层远离衬底一侧制备连接电极，连接电极至少覆盖暴露出的第一电极层。
具体的，采用光刻和刻蚀技术，去除脊形结构和光栅结构组的上表面的介质层，暴露出第一电极层，如图6所示，进一步，在介质层111远离衬底一侧沉积连接电极112，连接电极112至少覆盖暴露出的第一电极层109，如图7所示。由于脊形结构10和光栅结构组20的宽度在μm量级以及第一电极层109的欧姆接触金属相对较薄，不利于实际的生产电连接，通过增加导电性较好的欧姆接触金属，使连接电极112在衬底101所在平面上的垂直投影覆盖脊形结构10和光栅结构组20在衬底101所在平面上的垂直投影，保证连接电极112与第二电极113形成稳定电场，且设置连接电极112的厚度大于第一电极层110的厚度，形成加厚电极，一方面增加连接稳定性，另一方面降低激光器制备外接电源的难度。
S207、在衬底远离外延层的一侧制备第二电极层。
S208、对外延结构进行划片、解理、镀膜以及裂片工艺，形成分布式反馈激光器。
可选的，参照图1，制备激光器外延结构包括：
提供衬101.
在衬底一侧制备缓冲层102。
在缓冲层102远离衬底101的一侧制备下光场限制层103。
在下光场限制层103远离衬底101的一侧制备下波导层104。
在下波导层104远离衬底101的一侧制备有源区105。
在有源区105远离衬底101的一侧制备上波导层106。
在上波导层106远离衬底101的一侧制备上光场限制层107。
在上光场限制层107远离衬底101的一侧制备上接触层108。
示例性的，提供衬底材料，包括GaAs、InP、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、蓝宝石、SiC、Si和SOI中的任意一种或两种以上的组合，沿远离衬底101一侧的方向，制备外延结构。具体的，在缓冲层102远离衬底101的一侧制备下光场限制层103，在下光场限制层103远离衬底101的一侧制备下波导层104，在下波导层104远离衬底101的一侧制备有源区105，在有源区105远离衬底101的一侧制备上波导层106，在上波导层106远离衬底101的一侧制备上光场限制层107，在上光场限制层107远离衬底101的一侧制备上接触层109。
作为一个可行的实施方案，列举一个具体的实施例，基于上述实施例提供的制备方法制备磷化铟(InP)基半导体激光器，如图1-7所示，具体的制备方法如下所示：
提供n-InP衬底101材料，采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备在n-InP衬底1上外延生长1μm的n-InP缓冲层，1μm的n-InP下光场限制层，100nm的AlGaAs下波导层，8对周期厚度为15nm的AlGaInAs应变多量子阱，100nm的InAlGaAs上波导层，1.5μm的p-InP上光场限制层，50nm的p-InGaAs接触层，如图1所示。
清洗外延片，在外延片表面第一电极Ti/Au并进行空气气氛中的快速热退火，与上接触层p-InGaAs欧姆接触以形成第一电极层109。
进行涂胶，在外延片表面旋涂光刻胶，采用常规光刻技术，光刻出脊形结构和光栅结构组的图形，随后进行电感耦合等离子(ICP)刻蚀，或硫酸双氧水和水的混合溶液进行湿法腐蚀，形成脊形结构和光栅结构组，如图2、图3和图4所示。
沉积介质层，在外延片表面低温沉积介质膜200nm的SiO2，钝化器件侧壁，以形成介质层，如图5所示；随后采用脊形结构和光栅结构组上方的光刻胶进行剥离，暴露出第一电极层109，如图6所示。
增加连接电极，在外延片表面旋涂光刻胶进行光刻，随后结合镀膜和剥离技术等，在激光器外延片上表面制备第一电极的加厚电极Cr/Au，以形成欧姆接触较好的连接电极，如图7所示。
对外延片进行减薄、研磨和抛光，随后在n-InP衬底101背面制备第二电极112，欧姆金属材料可以为为Cr/Pt/Au，如图7所示。
进行划片、解理、镀膜和裂片，形成激光器管芯。
本发明实施例提出分布式反馈半导体激光器结构的制备方法，制备得到的通过采用常规光刻技术光刻制备得到多段高阶光栅组合的形式，可以实现一阶光栅高选择性的特性，实现对化铟(InP)基半导体激光器的激光发射模式即激光波长λ的锁定，有效降低了器件制备难度，大幅增加了光栅制备精度，降低了器件的光损耗，最终显著提升了器件性能并降低了器件成本，满足高要求的实际应用需求。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种分布式反馈激光器，其特征在于，包括：
激光器外延结构，所述激光器外延结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的多层外延层，多层所述外延层包括中间外延层以及依次位于所述中间外延层远离所述衬底一侧的上光场限制层和上接触层；
位于所述上接触层远离所述衬底一侧的第一电极层；其中，所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，所述光栅结构组位于脊形结构两侧；所述光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个所述子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个所述子光栅结构包括至少一个公共激射模式；所述第一方向与所述衬底所在平面平行；
位于所述衬底远离所述外延层一侧的第二电极层。
2.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述光栅结构组包括沿所述第一方向依次连接的第一子光栅结构、第i子光栅结构和第N子光栅结构；N≥2且N为整数，1<i≤N且i为整数；
所述第一子光栅结构的光栅方程满足：mλ＝2n L1，L1为第一子光栅结构的光栅周期，n为有效折射率，λ为激光波长，m≥2且m为正整数；
所述第i子光栅结构的光栅方程满足：gλ＝2n Li，Li为第i子光栅结构的光栅周期，g≥2且g为正整数；
所述第N子光栅结构的光栅方程满足：kλ＝2n LN，LN为第N子光栅结构的光栅周期，k≥2且k为正整数；
其中，m、g和k均不相等，且最小公因数为1。
3.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述光栅结构组包括多个公共激射模式，多个所述公共激射模式包括参考激射模式和非参考激射模式；
任一所述非参考激射模式与所述参考激射模式的波长差为δλ，满足δλ＞10nm。
4.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述分布式反馈激光器还包括连接电极；
所述连接电极覆盖所述脊形结构和所述光栅结构组，所述连接电极在所述衬底所在平面上的垂直投影覆盖所述脊形结构和所述光栅结构组在所述衬底所在平面上的垂直投影，且所述连接电极的厚度大于所述第一电极层的厚度。
5.根据权利要求4所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述激光器外延结构还包括介质层；
所述介质层覆盖所述脊形结构的侧壁和所述光栅结构组的侧壁以及部分所述上光场限制层的上表面。
6.根据权利要求1所述的分布式反馈激光器，其特征在于，所述中间外延层包括依次设置于所述衬底一侧的缓冲层、下光场限制层、下波导层、有源区以及上波导层。
7.一种分布式反馈激光器的制备方法，用于制备权利要求1-6任一项所述的分布式反馈激光器，其特征在于，包括：
制备激光器外延结构，所述激光器外延结构包括衬底以及位于所述衬底一侧的多层外延层，多层所述外延层包括中间外延层以及依次位于所述中间外延层远离所述衬底一侧的上光场限制层和上接触层；
在所述上接触层远离所述衬底一侧制备第一电极层；
刻蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，所述光栅结构组位于脊形结构两侧；所述光栅结构组包括至少两个沿第一方向排列的子光栅结构，存在两个所述子光栅结构的光栅周期L不同；至少两个所述子光栅结构包括至少一个公共激射模式；所述第一方向与所述衬底所在平面平行；
在所述衬底远离所述外延层的一侧制备第二电极层；
对所述外延结构进行划片、解理、镀膜以及裂片工艺，形成分布式反馈激光器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，刻蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组，包括：
采用干法刻蚀工艺刻蚀或湿法腐蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，刻蚀所述第一电极层、所述上接触层和部分所述上光场限制层形成脊形结构和光栅结构组之后，还包括：
在所述第一电极层远离所述衬底的一侧沉积介质层，所述介质层覆盖所述脊形结构和所述光栅结构组的上表面以及所述脊形结构的侧壁、所述光栅结构组的侧壁和部分所述上光场限制层的上表面；
采用光刻和刻蚀技术，去除所述脊形结构和所述光栅结构组的上表面的所述介质层，暴露出所述第一电极层；
在所述介质层远离所述衬底一侧制备连接电极，所述连接电极至少覆盖暴露出的所述第一电极层。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，制备激光器外延结构，包括：
提供衬底；
在所述衬底一侧制备缓冲层；
在所述缓冲层远离所述衬底的一侧制备下光场限制层；
在所述下光场限制层远离所述衬底的一侧制备下波导层；
在所述下波导层远离所述衬底的一侧制备有源区；
在所述有源区远离所述衬底的一侧制备上波导层；
在所述上波导层远离所述衬底的一侧制备上光场限制层；
在所述上光场限制层远离所述衬底的一侧制备上接触层。
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