CN113300214B - 一种高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铝铟镓砷分布反馈式激光器，其包括InP衬底，在InP衬底上依次沉积有缓冲层、光栅层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、限制层、腐蚀阻挡层、InP联接层、第一势垒渐变层、第二势垒渐变层和欧姆接触层，所述欧姆接触层中Zn的掺杂浓度大于等于1E20cm‑3。激光器的激光器InGaAs欧姆接触层中Zn的掺杂浓度为1E20cm‑3以上，可大幅提升高速非制冷半导体激光器的可靠性。

Description

一种高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种高速铝铟镓砷分布反馈式激光器以及这种激光器外延结构的生长方法。

背景技术

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，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。早前光芯片一般采用带ETC制冷封装，但随着光通信产业的发展，为了降低光通信模块的成本，一般需要非制冷的高速分布反馈式激光器光源。

非制冷的半导体激光器一般采用增益更高的铝铟镓砷（AlGaInAs）系列材料作为有源层，采用Zn掺杂的铟镓砷（InGaAs）作为欧姆接触层。然而，由于Zn在InGaAs材料中极易挥发脱出，难以获得较高的P型掺杂浓度，导致半导体激光器欧姆接触电阻过大。为了降低半导体激光器的欧姆接触电阻，文献《Influence of Sb surfactant on carrierconcentration in heavily Zn-doped InGaAs grown bymetalorganic vapor phaseepitaxy》提出一种采用三二甲氨基锑（TDMASb)作为表面活性剂辅助提升欧姆接触层InGaAs中Zn掺杂浓度的方法，使Zn掺杂浓度由2E19cm-3提升到6E19cm-3，可以有效降低欧姆接触电阻。然而，对于高速DFB激光器，其谐振腔长一般为150um或更短，其欧姆接触电阻依然较大，因此有必要对现有技术进行改进来进一步降低欧姆接触电阻。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种半导体激光器及其外延生长方法，以有效提升DFB激光器的欧姆接触层的掺杂，降低激光器的电阻，从而满足非制冷半导体激光器的应用要求。

一种高速铝铟镓砷分布反馈式激光器，其包括InP衬底，在InP衬底上依次沉积有缓冲层、光栅层、限制层、下波导层、量子阱、上波导层、限制层、腐蚀阻挡层、InP联接层、第一势垒渐变层、第二势垒渐变层和欧姆接触层，所述欧姆接触层中Zn的掺杂浓度大于等于1E20cm-3。

优选的，在InP衬底上依次沉积有InP缓冲层、InGaAsP光栅层、AlGaInAs限制层、下波导层、量子阱、上波导层、AlGaInAs限制层、InGaAsP腐蚀阻挡层、InP联接层、第一InGaAsP势垒过渡层、第二InGaAsP势垒过渡层和InGaAs接触层。

优选的，所述InP缓冲层厚度为100nm、InGaAsP光栅层厚度为50nm。

优选的，所述InP联接层厚度为1.5 um。

本专利还公开了一种上述铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构的生长方法，其包括如下步骤：1）首先将InP基底放置在MOCVD设备中，生长InP缓冲层、InGaAsP光栅层及InP覆盖层，生长完成后的外延片采用电子束曝光的方法，形成非对称相移光栅；2）把带有光栅图形的外延片继续放入MOCVD设备中，依次生长InP掩埋层、AlGaInAs限制层、下波导层、量子阱、上波导层、AlGaInAs限制层、InGaAsP腐蚀阻挡层；3）在InGaAsP腐蚀阻挡层上继续生长InP联接层，InGaAsP势垒过渡层和InGaAs接触层，在生长InP联接层末端时，在源气体中增加表面活性剂材料三乙基锑直到生长结束。

优选的，在步骤3）中，当生长完InP联接层，开始生长InGaAsP势垒过渡层时，In和Zn的MO源关闭，P和Sb的源气体持续通入到MOCVD腔体。

优选的，生长InGaAs欧姆接触层时，TESb有效量为25sccm。

优选的，步骤3）中InP联接层末端厚度占InP联接层总厚度三分一。

优选的，在生长InP联接层末端时，在源气体中增加表面活性剂材料三乙基锑的有效量为10sccm。

优选的，InP掩埋层的生长步骤为：给MOCVD 系统反应室通入PH 3气体以保护外延片结构，让反应室升温至 530℃-570℃，然后在t 1时间段内往反应室通入TMIn反应源气体在光栅层上面生长InP掩埋层的形核层，接着在t 2时间段内关闭进入反应室的 TMIn反应源气体，给已生长IInP掩埋层的形核层中的原子迁移提供时间，稳定已生长 InP掩埋层的形核层，再接着在t 3时间段内往反应室通入TMIn反应源气体在已生长的InP掩埋层的形核层上继续生长InP掩埋层的基体层，再接着在t 4时间段内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，稳定后面生长InP掩埋层的基体层，如此以t 1+t 2+t 3+t 3= t 5作为一个生长周期循环生长InP掩埋层将外延片上的光栅图形掩埋平。

上述技术方案具有如下有益效果：采用本专利激光器外延结构生长方法可使激光器InGaAs欧姆接触层中Zn的掺杂浓度从常规的2E19cm-3提升到1E20cm-3以上，增加幅度为500%，可大幅提升高速非制冷半导体激光器的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例TESb源气体生长过程示意图。

图3为本发明实施例激光器与普通激光器中Zn的掺杂浓度对比示意图。

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速铝铟镓砷分布反馈式激光器，其包括InP衬底001，在InP衬底上依次沉积有缓冲层002、光栅层003、限制层004、下波导层005、量子（006、上波导层007、限制层008、腐蚀阻挡层009、InP联接层010、第一势垒渐变层011、第二势垒渐变层012和欧姆接触层013，其中欧姆接触层013中Zn的掺杂浓度大于等于1E20cm-3。

作为一种具体实施例，InP衬底001上依次沉积有InP缓冲层002、InGaAsP光栅层003、AlGaInAs限制层004、下波导层005、量子阱006、上波导层007、AlGaInAs限制层008、InGaAsP腐蚀阻挡层009、InP联接层010、第一InGaAsP势垒过渡层011、第二InGaAsP势垒过渡层012和InGaAs接触层013。其中InP缓冲层010厚度为100nm、InGaAsP光栅层011厚度为50nm，InP联接层厚度为1.5 um。

本专利还公开了一种上述铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构的生长方法，其具体包括如下步骤：

以电导率为2-8x10¹⁸cm^-2的InP作为生长衬底，放入到Aixtron公司的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。当InP衬底01放入到MOCVD反应室后，先在670℃，PH3气氛下烘烤10min,PH3的流量为1800sccm。然后生长100nm的InP缓冲层002，50nm的InGaAsP光栅层003和10nm的InP覆盖层。生长完成后，取出外延片，采用电子束曝光的方法，形成非对称相移光栅。

然后把带有光栅图形的外延片继续放入MOCVD设备中，生长InP掩埋层，首先给反应室通入流量为850sccm -950 sccm 的PH 3气体以保护半成品外延片，让反应室升温至530℃-570℃，然后在t 1=1秒-8秒内往反应室通入流量为8 sccm -15 sccm的TMIn反应源气 体在光栅层上面生长InP掩埋层的形核层，接着在t 2=2秒-5秒内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，给已生长InP掩埋层的形核层中的原子迁移提供时间，稳定已生长 InP掩埋层的形核层，再接着在t 3=12秒-24秒内往反应室通入流量为8 sccm -15 sccm 的TMIn反应源气体在已生长的InP掩埋层的形核层上继续生长InP掩埋层的基体 层，再接着在t 4=2秒-5秒内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，稳定后面生长InP掩埋层的基体层，如此以t 1+t 2+t 3+t 3= t 5作为一个生长周期循环生长InP掩埋层至InP掩埋层的总厚度大于光栅层003厚度2nm-6nm后停止InP掩埋层的生长。

接着继续在掩埋好的光栅层003上再依次生长AlGaInAs限制层004、波导层005、量子阱006、上波导层007、AlGaInAs限制层008、InGaAsP腐蚀截止层009、InP联接层10、第一InGaAsP势垒过渡层011、第二InGaAsP势垒过渡层012和InGaAs接触层013。其中在生长InP联接层010的过程中，当生长至InP联接层末端位置时，源气体中需要增加表面活性剂材料三乙基锑（TESb）直到生长结束。在本实施例中，InP联接层整体厚度约1.5um，当InP联接层生长厚度约1um时剩余厚度0.5um厚度为末端位置，开始不间断的通入TESb源气体，TESb有效量为10sccm。当生长完InP联接层，开始生长InGaAsP势垒过渡层时，In和Zn的MO源关闭，P和Sb的源气体持续通入到MOCVD腔体。生长InGaAs欧姆接触层时，TESb有效量为25sccm。TESb生长过程如图2所示。

采用本专利高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法InGaAs欧姆接触层中Zn的掺杂浓度从常规的2E19cm-3提升到1E20cm-3以上（如图3所示），增加幅度为500%，可大幅提升高速非制冷半导体激光器的可靠性。

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 (6)

1.一种高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法，其特征在于，其包括如步骤：

1）首先将InP基底放置在MOCVD设备中，以H₂为载气， TMIn、TMGa、TMAl、DeZn、SiH4、AsH3、 PH3、In、Zn、P和Sb为反应源气体，生长InP缓冲层、InGaAsP光栅层及InP覆盖层，生长完成后的外延片采用电子束曝光的方法，形成非对称相移光栅；

2）把带有光栅图形的外延片继续放入MOCVD设备中，依次生长InP掩埋层、AlGaInAs限制层、下波导层、量子阱、上波导层、AlGaInAs限制层、InGaAsP腐蚀阻挡层；

3）在InGaAsP腐蚀阻挡层上继续生长InP联接层，InGaAsP势垒过渡层和InGaAs接触层，在生长InP联接层末端时，在源气体中增加表面活性剂材料三乙基锑直到生长结束，使InGaAs欧姆接触层中Zn的掺杂浓度大于1E20cm-3。

2.根据权利要求1所述的高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法，其特征在于，在步骤3）中，当生长完InP联接层，开始生长InGaAsP势垒过渡层时，In和Zn的MO源关闭，P和Sb的源气体持续通入到MOCVD腔体。

3.根据权利要求1所述的高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法，其特征在于，步骤3）中InP联接层末端厚度占InP联接层总厚度三分一。

4.根据权利要求1所述的高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法，其特征在于，生长InGaAs欧姆接触层时，TESb有效量为25sccm。

5.根据权利要求1所述的高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法，其特征在于，在生长InP联接层末端时，在源气体中增加表面活性剂材料三乙基锑的有效量为10sccm。

6.根据权利要求1所述的高速铝铟镓砷分布反馈式激光器外延结构生长方法，其特征在于，InP掩埋层的生长步骤为：给MOCVD 系统反应室通入PH 3气体以保护外延片结构，让反应室升温至 530℃-570℃，然后在t 1时间段内往反应室通入TMIn反应源气体在光栅层上面生长InP掩埋层的形核层，接着在t 2时间段内关闭进入反应室的 TMIn反应源气体，给已生长IInP掩埋层的形核层中的原子迁移提供时间，稳定已生长 InP掩埋层的形核层，再接着在t 3时间段内往反应室通入TMIn反应源气体在已生长的InP掩埋层的形核层上继续生长InP掩埋层的基体层，再接着在t 4时间段内关闭进入反应室的TMIn反应源气体，稳定后面生长InP掩埋层的基体层，如此以t 1+t 2+t 3+t 4= t 5作为一个生长周期循环生长InP掩埋层将外延片上的光栅层掩埋平。

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