CN114498295B - 一种带增益耦合光栅的dfb激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带增益耦合光栅的DFB激光器及其制备方法，其中激光器包括：依次层叠设置的衬底、第一半导体层、有源层、第二半导体层、隧道结光栅以及第三半导体层；隧道结光栅包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部和填充部；其中，第二半导体层和第三半导体层通过隧道结部电连接，隧道结光栅可形成有源层的周期性分段式载流子注入，形成增益耦合光栅的效果；第一半导体层的掺杂离子的类型与第三半导体层的掺杂离子的类型相同，与第二半导体层的掺杂离子的类型相反。本发明提供的技术方案提高了DFB激光器单模良率的同时，保证了单结激光器的量子效率和可靠性。

Description

一种带增益耦合光栅的DFB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，尤其涉及一种带增益耦合光栅的DFB激光器及其制备方法。
背景技术
分布式反馈（Distributed Feedback Laser，DFB）激光器，属于侧面发射的半导体激光器，具有较好的单色性，以及较高的边模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio ，SMSR)，广泛应用于光通信、光互连、光存储高功率的应用、工业切割、测距、Lidar、医疗等领域。
目前，DFB 激光器的光栅通常有两种耦合方式，一种是折射率耦合光栅， 一种是增益耦合光栅。折射率耦合光栅和发光区之间可以插入间隔层，形成掩埋光栅结构，从而减少光栅刻蚀对发光区的破坏，进而可获得高的量子效率和可靠性。但是折射率耦合均匀光栅会有双模激射的问题，进而降低了DFB激光器的单模良率。增益耦合均匀光栅可以获得稳定的单模激射，但一般需要将光栅制作在发光区，这样会造成对发光区的破坏，进而影响激光器的量子效率和可靠性。另外，DFB激光器上下注入层通常一侧为N型半导体材料，另一侧为P型半导体材料，而P型半导体材料具有阻抗高的特点，会影响激光器的量子效率；因此如何解决DFB激光器单模良率低的同时，保证单结激光器的量子效率和可靠性的问题，成为亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种带增益耦合光栅的DFB激光器及其制备方法，以提高DFB激光器单模良率的同时，保证单结激光器的量子效率和可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种带增益耦合光栅的DFB激光器，包括：
衬底；
第一半导体层，位于所述衬底的一侧；
有源层，位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
第二半导体层，位于所述有源层远离所述第一半导体层的一侧；
隧道结光栅，位于所述第二半导体层远离所述有源层的一侧；所述隧道结光栅包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部和填充部；
第三半导体层，所述第三半导体层位于所述隧道结光栅远离所述第二半导体层的一侧；
其中，位于所述隧道结光栅两侧的第二半导体层和第三半导体层通过所述隧道结部电连接，所述隧道结光栅可形成有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅；所述第一半导体层的掺杂离子的类型与所述第三半导体层的掺杂离子的类型相同，与所述第二半导体层的掺杂离子的类型相反。
可选的，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率相同。
可选的，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率不同，所述隧道结光栅还复用为折射率耦合光栅。
可选的，所述隧道结部包括：
沿垂直于有源层的方向层叠设置的第一隧道结子层和第二隧道结子层；相对于所述第二隧道结子层，所述第一隧道结子层较靠近于所述衬底；
其中，所述第一隧道结子层的掺杂离子的类型和第二隧道结子层的掺杂离子的类型相反；每一隧道结子层的掺杂离子的类型和与其接触的半导体层的掺杂离子的类型相同；
所述填充部的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层或第三半导体层的掺杂离子的类型相同。
可选的，所述隧道结部的掺杂离子的浓度大于填充部的掺杂离子的浓度。
可选的，所述衬底的材料包括N型InP；
所述第一半导体层的材料包括 N型InP，有源层的材料包括InGaAsP 或AlGaInAs，所述第二半导体层的材料包括 P型InP；
所述隧道结光栅中的填充部的材料包括N型InP；所述隧道结光栅中的隧道结部包括P型InGaAsP的第一隧道结子层和N型InGaAsP 的第二隧道结子层，或者，P型InP的第一隧道结子层和N型InP 的第二隧道结子层。
可选的，带增益耦合光栅的DFB激光器还包括：
缓冲层，所述缓冲层与所述有源层位于所述衬底的同一侧；所述缓冲层覆盖所述衬底，所述缓冲层的材料与所述衬底的材料相同；
盖层，所述盖层位于所述隧道结光栅远离所述衬底的一侧，并覆盖所述隧道结光栅远离所述衬底一侧的表面；所述盖层的材料与所述填充部的材料以及所述第二隧道结子层的材料相同。
可选的，带增益耦合光栅的DFB激光器还包括：
脊波导结构，所述脊波导结构位于所述第三半导体层远离所述衬底的一侧，并覆盖部分的第三半导体层。
可选的，带增益耦合光栅的DFB激光器还包括：
介电层，所述介电层覆盖所述脊波导结构的侧壁以及所述脊波导结构暴露的第三半导体层；
第一电极层，所述第一电极层位于所述脊波导结构远离所述衬底的一侧；
第二电极层，所述第二电极层位于所述衬底远离所述有源层的一侧。
可选的，所述有源层包括：
量子阱层以及位于所述量子阱层相对两侧的上限制层和下限制层；相对于所述上限制层，所述下限制层较靠近于所述衬底。
可选的，所述第一半导体层的厚度范围包括50nm ~200nm；所述第二半导体层的厚度范围包括50nm ~200nm；所述第三半导体层的厚度大于或等于2um。
第二方面，本发明实施例提供了一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法，包括：
提供衬底；
形成第一半导体层，所述第一半导体层位于所述衬底的一侧；
形成有源层，所述有源层位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
形成第二半导体层，所述第二半导体层位于所述有源层远离所述第一半导体层的一侧；
形成隧道结光栅，所述隧道结光栅位于所述第二半导体层远离所述有源层的一侧；所述隧道结光栅包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部和填充部；
形成第三半导体层，所述第三半导体层位于所述隧道结光栅远离所述第二半导体层的一侧；其中，所述第二半导体层和第三半导体层通过所述隧道结部电连接，所述隧道结光栅可形成有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅；所述第一半导体层的掺杂离子的类型与所述第三半导体层的掺杂离子的类型相同，与所述第二半导体层的掺杂离子的类型相反。
本发明实施例提供的技术方案将隧道结由半导体材料填充隔离，形成隧道结光栅；采用隧道结光栅作为电流注入通道，使电流只能从隧道结部流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果，使得DFB激光器可获得较高的单模良率，无需将光栅制作在发光区的有源层处，避免造成对发光区的破坏，进而保证了激光器的量子效率和可靠性；同时因为隧道结的引入，可使第一半导体层的掺杂离子的类型与第三半导体层的掺杂离子的类型相同，而由于P型半导体的空穴迁移率远小于N型半导体的电子迁移率，可将DFB激光器的上下电流注入区均设为N型半导体材料，整个器件中只有在有源区和隧道结光栅之间有厚度较薄的P型半导体材料，因此该结构可降低器件的串联电阻，进一步提高激光器的量子效率和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的结构剖面图；
图2是本发明实施例提供的一种具有增益耦合效果的隧道结光栅的结构剖面图；
图3是本发明实施例提供的一种具有增益耦合效果和折射耦合效果的隧道结光栅的结构剖面图；
图4是本发明实施例提供的另一种带增益耦合光栅的DFB激光器的结构剖面图；
图5是图4所示结构的YZ截面的结构剖面图；
图6是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法的流程图；
图7是本发明实施例提供的另一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法的流程图；
图8是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法中步骤S210对应的结构剖面图；
图9是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法中步骤S220对应的结构剖面图；
图10是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法中步骤S230对应的结构剖面图；
图11是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法中步骤S240对应的结构剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的结构剖面图，参考图1，带增益耦合光栅的DFB激光器包括：
衬底10；
第一半导体层20，位于衬底10的一侧；
有源层30，位于第一半导体层20远离衬底10的一侧；
第二半导体层40，位于有源层30远离第一半导体层20的一侧；
隧道结光栅50，位于第二半导体层40远离有源层30的一侧；隧道结光栅50包括沿平行于有源层30的方向依次交替设置的隧道结部51和填充部52；
第三半导体层60，第三半导体层60位于隧道结光栅50远离第二半导体层40的一侧；
其中，位于隧道结光栅50两侧的第二半导体层40和第三半导体层60通过隧道结部51电连接，隧道结光栅50可形成有源层30的周期性分段式载流子注入，形成增益耦合光栅的效果；第一半导体层20的掺杂离子的类型与第三半导体层60的掺杂离子的类型相同，与第二半导体层40的掺杂离子的类型相反。
具体的，该衬底10可以是任意适于形成边发射半导体激光器的材料，例如为磷化铟（InP）。衬底10可以具有导电性或者具有绝缘性。若给用于产生激光的有源层30供电的两个金属电极层位于衬底10的相对两侧，此时衬底10需起电流导通作用来导通两个电极层，衬底10可以具有导电性，可以通过重掺杂的方式将衬底10降低其阻抗。若给有源层30供电的两个电极层位于衬底10的同一侧，相对于两个电极层形成在衬底10的相对两侧的情况，衬底10无需起电流导通作用导通两个电极层，此时衬底10的导电性较弱或者无导电性。本发明实施例中，给用于产生激光的有源层30供电的两个金属电极层位于衬底10的相对两侧，衬底10具有导电性。
有源层30用以将电能转换为光能，从而产生激光。有源层30的相对两侧设置有第一半导体层20和第二半导体层40。其中第一半导体层20位于衬底10与有源层30之间。第一半导体层20的掺杂离子的类型与第二半导体层40的掺杂离子的类型相反。若第一半导体层20掺杂的为N型掺杂离子时，则第二半导体层40掺杂的为P型掺杂离子；若第一半导体层20掺杂的为P型掺杂离子时，则第二半导体层40掺杂的为N型掺杂离子。通常半导体激光器由带隙能量较高的P型和N型半导体材料和一层很薄的有源层30构成。在 PN结加上正向偏置电压后，电子从N区向P区流动，空穴从P区向N区流动，在有源区内，电子和空穴复合产生光子。
为了获得高量子效率，将光子和电子同时限制在有源层30的发光区，可以使得限制在其内的电子和空穴充分进行复合发光。因此，相对于激光器的其它膜层结构，可将有源层30的折射率设定在最大，能带宽度设定在最小。沿垂直于衬底10的方向上，有源层30所在的区域中光场强度达到最大。有源层30可以包括量子阱层以及位于量子阱层相对两侧的上限制层和下限制层。相对于上限制层，下限制层较靠近于衬底10。其中量子阱层可以为单层也可以为多层。将量子阱区域的折射率设定在最大，能带宽度设定在最小，上限制层和下限制层的折射率相对量子阱层的折射率较小。可以使得将光子和电子同时限制在量子阱发光区，获得高的量子效率。其中，量子阱层以及位于量子阱层相对两侧的上限制层和下限制层的材料可以均为无掺杂的AlGaInAs。
隧道结光栅50位于第二半导体层40远离有源层30的一侧。隧道结光栅50可以理解为由隧道结经过刻蚀再填充半导体材料后形成的光栅。隧道结包括两层掺杂类型相反的材料层，隧道结用于将两个相邻的有源层30串联。在刻蚀时需要将隧道结刻穿，形成多个沿平行于有源层30的方向依次交替设置的暴露出第二半导体层40的开口，然后在暴露出第二半导体层40的开口中填充半导体材料。即隧道结光栅50包括沿平行于有源层30的方向依次交替设置的隧道结部51和填充部52。需要说明的是，相对于隧道结部51，在开口中填充的半导体材料需要无法形成电流注入的特性，例如填充部52与第二半导体层40或第三半导体层60在反向P-N结的作用下，无法形成电流注入。也可以为其它的方式，满足在填充部52无法注入电流即可。位于隧道结光栅50两侧的第二半导体层40和第三半导体层60只通过隧道结部51电连接，使电流只能从隧道结处流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果。增益耦合光栅可以使DFB激光器获得较高的单模良率，而且无需将光栅制作在发光区的有源层30处，避免造成对发光区的破坏，进而保证了激光器的量子效率和可靠性。
另外，因为隧道结包括两层掺杂类型相反的材料层（下文中隧道结部的第一隧道结子层511和第二隧道结子层512在未刻蚀前为整层的膜层），可使得第二半导体层40的掺杂离子的类型与第三半导体层60的掺杂离子的类型相反。而位于有源层30两侧的第二半导体层40的掺杂离子的类型与第一半导体层20的掺杂离子的类型需相反，基于此，第一半导体层20的掺杂离子的类型与第三半导体层60的掺杂离子的类型相同。由于P型半导体的空穴迁移率远小于N型半导体的电子迁移率，可将DFB激光器的上、下电流注入层（第一半导体层20与第三半导体层60）均设为N型半导体材料，整个器件中只有在有源区和隧道结光栅50之间有厚度较薄的P型半导体材料的电流注入层（第二半导体层40），因此该结构可降低器件的串联电阻，进一步提高激光器的量子效率和可靠性。
在本发明的一个实施例中，参考图1，隧道结部51包括：
沿垂直于有源层30的方向层叠设置的第一隧道结子层511和第二隧道结子层512；相对于第二隧道结子层512，第一隧道结子层511较靠近于衬底10；
其中，第一隧道结子层511的掺杂离子的类型和第二隧道结子层512的掺杂离子的类型相反。每一隧道结子层的掺杂离子的类型和与其接触的半导体层的掺杂离子的类型相同。
填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层40或第三半导体层60的掺杂离子的类型相同。
可以理解为，隧道结中，第一隧道结子层511的掺杂离子的类型和第二隧道结子层512的掺杂离子的类型相反。而第一隧道结子层511的掺杂离子的类型可以与第二半导体层40的掺杂离子的类型相同，第二隧道结子层512的掺杂离子的类型可以与第三半导体层60的掺杂离子的类型相同。因此，隧道结的引入，可以使得位于隧道结相对两侧的第三半导体层60和第二半导体层40的掺杂离子的类型相反。
现在有技术中，DFB激光器由有源层30和位于有源层30下侧的N型半导体层和位于有源层30上侧的P型半导体层构成，注入的电路依次经过P型半导体层、有源层30和N型半导体层形成回路后，有源层30将电能转化为光能，产生激光。P型半导体材料的阻抗大于N型半导体材料，通过隧道结的引入，可以将位于有源层30上侧的P型半导体层分成两部分，一部分保留为P型半导体材料（第二半导体层40）满足有源层30发光的条件，一部分可以替换为N型半导体材料（第三半导体层60），从而减小位于有源层30上侧的膜层的阻抗，达到提高激光器的量子效率的效果。
另外，填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层40或第三半导体层60的掺杂离子的类型相同。即当填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层40的类型相同时，填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第三半导体层60的类型掺杂离子的类型相反，填充部52（P型）与第三半导体层60（N型）之间可以形成反向P-N结，在反向P-N结的作用下，在填充部52无法形成电流注入。当填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第三半导体层60的类型相同时，填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层40的类型掺杂离子的类型相反，填充部52（N型）与第二半导体层40（P型）之间可以形成反向P-N结，在反向P-N结的作用下，在填充部52无法形成电流注入。
在本发明的一个实施例中，参考图1，衬底10的材料包括N型InP；
第一半导体层20的材料包括 N型InP，有源层30的材料包括InGaAsP 或AlGaInAs，第二半导体层40的材料包括 P型InP。
隧道结光栅50中的填充部52的材料包括N型InP。隧道结光栅50中的隧道结部51包括P型InGaAsP的第一隧道结子层511和N型InGaAsP 的第二隧道结子层512，或者，P型InP的第一隧道结子层511和N型InP 的第二隧道结子层512。
第三半导体层60的材料包括 N型InP。
可以理解为，填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第三半导体层60的类型相同时，填充部52的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层40的类型掺杂离子的类型相反，填充部52（N型）与第二半导体层40（P型）之间形成反向P-N结，在反向P-N结的作用下，在填充部52无法形成电流注入。并且设置填充部52的材料与第三半导体层60的材料相同，在刻蚀隧道结后于隧道结部51之间填充半导体材料形成填充部52，与形成第三半导体层60可以在同一工艺流程中形成，提高了激光器的制备效率。利用工艺简单的掩埋式均匀光栅结构，来形成增益耦合效果，同时不会对有源区造成破坏，可起到保证DFB激光器量子效率的情况下，提高单模良率的效果。
在本发明的一个实施例中，隧道结部51的掺杂离子的浓度大于填充部52的掺杂离子的浓度。隧道结部51的N型和P型掺杂浓度均大于或等于3.0×1019atom/cm3。进而提高隧道结部51的导电性，防止隧道结部51的反向P-N结影响电流的注入。
在本发明的一个实施例中，参考图2，结合图1，隧道结部51的折射率和填充部52的折射率相同。
示例性的，以1310nm波段的DFB激光器为例。隧道结采用InP材料，与填充部52的材料相同，隧道结部51的折射率和填充部52的折射率相同。隧道结的InP材料分别进行N型和P型掺杂，分别形成N++ InP型和P++ InP型。N型和P型掺杂浓度大于3.0×1019atom/cm3，N型InP 厚度10nm ~20nm，P型InP 厚度10nm ~20nm。有源层30和隧道结光栅50之间的P型第二半导体层40厚度可设定在50nm ~200nm。可采用1阶或多阶光栅，光栅周期根据有效折射率进行计算，其中1阶光栅的周期范围包括200nm ~250nm。隧道结光栅50上的N型第三半导体层60 厚度可以设置在2um以上，以减少表面金属对光场的干扰和吸收。
在本发明的另一个实施例中，参考图3，结合图1，隧道结部51的折射率和填充部52的折射率不同，隧道结光栅50还作为有源层30的折射率耦合光栅。可以理解为，隧道结光栅50为兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅。
示例性的，1310nm波段的DFB激光器为例。隧道结可采用1150nm~1200nm波段的InGaAsP材料，与填充部52的材料（InP材料）不同，隧道结部51的折射率和填充部52的折射率不同。隧道结的InGaAsP材料分别进行N型和P型掺杂，分别形成N++ InGaAsP型和P++InGaAsP型。N型和P型掺杂浓度大于3.0×1019atom/cm3。N型InGaAsP 厚度10~12nm，P型InGaAsP 厚度10nm ~20nm。有源层30和隧道结光栅50之间的P型第二半导体层40的厚度可设定在50nm ~200nm。可采用1阶或多阶光栅，光栅周期根据有效折射率进行计算，其中1阶光栅的周期范围包括200nm ~250nm。光栅层上的N型第三半导体层60厚度可以设置在2um以上，以减少表面金属（金属电极层）对光场的干扰和吸收。
也就是说，给DFB激光器施加的电流经N型半导体层(第三半导体层60)注入，经隧道结隧穿到P型半导体层(第二半导体层40)，然后注入到发光区，形成发光，最终经过发光区下方的N型半导体层(第一半导体层20)形成电流回路。其中隧道结被N型半导体层（第三半导体层60）的材料隔离成光栅结构，使电流只能从隧道结部51流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果。本发明实施例具备的主要优势是将隧道结制作成DFB激光器的光栅，可形成单纯的增益耦合光栅，或兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅，进而可使用简单的均匀光栅工艺来提高DFB激光器的单模良率。优选的，将隧道结光栅50制成单纯的增益耦合光栅，相对于复合光栅，可以进一步的提高单模良率。
在本发明的一个实施例中（图1未示出），带增益耦合光栅的DFB激光器还包括：
缓冲层，缓冲层与有源层30位于衬底10的同一侧；缓冲层覆盖衬底10，缓冲层的材料与衬底10的材料相同；
盖层，盖层位于隧道结光栅50远离衬底10的一侧，并覆盖隧道结光栅50远离所述衬底10一侧的表面；盖层的材料与填充部52的材料以及第二隧道结子层512的材料相同。
可以理解为，在形成第一半导体层20之前，可以先在衬底10上形成一层缓冲层，缓冲层的材料与衬底10的材料相同。例如缓冲层的材料与衬底10的材料均为N型InP，通过在衬底10上形成一层缓冲层可以减少衬底10表面上的缺陷，以避免对激光器后续的制备产生影响。在刻蚀隧道结之前，可以在隧道结远离衬底10一侧的表面覆盖盖层，盖层用于避免对隧道结进行刻蚀时对隧道结的表面形成缺陷，以避免对激光器性能的影响。其中盖层的材料与填充部52的材料以及第二隧道结子层512的材料相同，即在刻蚀后，直接进而二次外延层的生长，经过一次N 型InP的沉积即可形成填充部52和第三半导体层60，并且无需对隧道结部51上方遗留的盖层去除。在保护了隧道结的同时，简化了DFB激光器的制备流程。
在本发明的一个实施例中，参考图4（XZ方向的截面图）和图5（YZ方向的截面图），带增益耦合光栅的DFB激光器还包括：
脊波导结构80，脊波导结构80位于第三半导体层60远离衬底10的一侧，并覆盖部分的第三半导体层60。
可以理解为，脊波导结构80为注入电子的通道，脊波导结构80包括导电层82和电极接触层81。本发明实施例中第一半导体层20和第三半导体层60均为N型的电流注入层，因此，导电层82的材料可以为N型InP，电极接触层81的材料可以为N型InGaAs。可以通过掺杂的方式将其导体化。其中N型InGaAs电极接触层81与注入电子的电极层接触，为重掺杂的半导体膜层。在平行于衬底10的方向上，脊波导结构80的宽度限定了注入电子通道的宽度。设置脊波导结构80距离有源层30的距离较小，可以使得电子进入有源层30区域范围近似等于脊波导结构80的宽度。可以通过调节脊波导结构80的宽度，可以调节激光的横向光场的分布范围，进而可以调节远场中在横向上的发散角。
脊波导结构80在形成时可以在形成预设厚度的第三半导体材料层后，在第三半导体材料层远离衬底10一侧的表面形成一层电极接触层81；通过刻蚀的方式依次刻蚀部分的电极接触层81和部分的第三半导体材料层，使得第三半导体材料层形成具有凸起部的半导体层。其中第三半导体材料层的凸起部作为脊波导结构80的导电层82，凸起部与其表面的电极接触层81构成脊波导结构80。凸起部以外的半导体层作为上述实施例中的第三半导体层60，厚度在2um以上，以减少表面金属（金属电极层）对光场的干扰和吸收。
在本发明的一个实施例中，参考图4和图5，带增益耦合光栅的DFB激光器还包括：
介电层110，介电层覆盖脊波导结构80的侧壁以及脊波导结构80暴露的第三半导体层60；
第一电极层90，第一电极层90位于脊波导结构80远离衬底10的一侧；
第二电极层100，第二电极层100位于衬底10远离有源层30的一侧。
其中，介电层110可以为氧化硅，第一电极层90与第二电极层100的材料可以为金属材料。
综上，本发明实施例提供的了一种上下电极均为N型电极的DFB的激光器，其特点是通过第一电极层注入的电流，经过N型半导体层注入后，经隧道结光栅隧穿到P型半导体层，然后注入到发光区，形成发光，最终经过发光区下方的N型半导体层到第二电极层形成电流回路。其中隧道结被N型半导体材料隔离成隧道结光栅，在隧道结光栅的N型InP填充部因为反向P-N结的作用，无法形成电流注入，使电流只能从隧道结处流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果。将隧道结制作成DFB激光器的光栅，可形成单纯的增益耦合光栅，或兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅，进而可使用简单的均匀光栅工艺来提高DFB激光器的单模良率。同时因为隧道结的引入，可使DFB激光器的上下电流注入区均为N型半导体层，整个器件中只有在有源层和隧道结光栅之间有厚度较薄的P型半导体层，因为P型半导体的空穴迁移率远小于N型半导体的电子迁移率，因此该结构可降低器件的串联电阻。
本发明实施例还提供了一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法，用于形成上述任意实施例所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，图6是本发明实施例提供的一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法的流程图，参考图6，制备方法包括：
S110、提供衬底。
S120、形成第一半导体层，第一半导体层位于衬底的一侧。
S130、形成有源层，有源层位于第一半导体层远离衬底的一侧。
S140、形成第二半导体层，第二半导体层位于有源层远离第一半导体层的一侧。
S150、形成隧道结光栅，隧道结光栅位于第二半导体层远离有源层的一侧；隧道结光栅包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部和填充部。
S160、形成第三半导体层，第三半导体层位于隧道结光栅远离第二半导体层的一侧；其中，第二半导体层和第三半导体层通过隧道结部电连接，隧道结光栅可形成有源层的周期性分段式注入，用为增益耦合光栅；第一半导体层的掺杂离子的类型与第三半导体层的掺杂离子的类型相同，与第二半导体层的掺杂离子的类型相反。
本发明实施例提供的技术方案将隧道结由半导体材料填充隔离，形成隧道结光栅；采用隧道结光栅作为电流注入通道，使电流只能从隧道结部流通，进而对发光区形成分段的载流子注入，形成增益耦合效果，使得DFB激光器可获得较高的单模良率，无需将光栅制作在发光区的有源层处，避免造成对发光区的破坏，进而保证了激光器的量子效率和可靠性；同时因为隧道结的引入，可使第一半导体层的掺杂离子的类型与第三半导体层的掺杂离子的类型相同，而由于P型半导体的空穴迁移率远小于N型半导体的电子迁移率，可将DFB激光器的上下电流注入区均设为N型半导体材料，整个器件中只有在有源区和隧道结光栅之间有厚度较薄的P型半导体材料，因此该结构可降低器件的串联电阻，进一步提高激光器的量子效率和可靠性。
图7是本发明实施例提供的另一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法的流程图，参考图7，制备方法包括以下步骤：
S210、提供N型的衬底，在N型衬底上外延生长N型缓冲层、N型第一半导体层、有源层、P型第二半导体层、隧道结、N型盖层。
参考图8，在N型衬底10上外延生长N型缓冲层、N型第一半导体层20、有源层30、P型第二半导体层40、隧道结(包括第一隧道结子层511和第二隧道结子层512)、N型盖层70。
S220、依次刻蚀N型盖层和隧道结形成均匀间隔设置的多个开口，开口暴露P型第二半导体层。
参考图9，基于光刻技术，依次刻蚀N型盖层70和隧道结形成均匀间隔设置的多个开口，开口暴露P型第二半导体层40。
S230、进行二次外延生长，采用N型半导体材料将隧道结光栅掩埋形成隧道结光栅的填充部，并继续生长N型第三半导体材料层和N型浓掺杂的电极接触层。
参考图10，采用N型半导体材料将隧道结光栅掩埋形成隧道结光栅50的填充部52，并继续生长N型第三半导体材料层601和N型浓掺杂的电极接触层81。
S240、依次刻蚀部分的电极接触层和第三半导体材料层，形成DFB激光器的条形脊波导结构；其中，刻蚀后的第三半导体材料层具有凸起部，凸起部与其表面的电极接触层构成脊波导结构；凸起部以外的第三半导体材料层作为第三半导体层。
参考图11，结合图5，通过刻蚀的方式依次刻蚀部分的电极接触层81和部分的第三半导体材料层601，使得第三半导体材料层601形成具有凸起部的半导体层。其中第三半导体材料层601的凸起部作为脊波导结构80的导电层82，凸起部与其表面的电极接触层81构成脊波导结构80，凸起部以外的半导体层作为第三半导体层60。
S250、形成介电层，并在脊波导结构上方的介电层去除，暴露出接触层。（如图5中的介电层110）
S260、在暴露出的接触层远离衬底的一侧制作第一电极层，第一电极层作为正面的金属电极。（如图4中的第一电极层90）
S270、将衬底减薄，并在衬底远离有源层的一侧形成第二电极层，第二电极层作为背面电极。（如图4中的第二电极层100）
可选的，在衬底远离有源层的一侧形成第二电极层之后还包括：
根据预设的激光器谐振腔长度，将晶圆切割成Bar条；
对激光器的前/后出光面镀增透膜或反射膜；
将镀膜后的Bar 条切割成单颗的激光器芯片。
在本发明的一个实施例中，隧道结部的折射率和填充部的折射率相同，隧道结光栅为纯增益耦合光栅。
其中，隧道结采用InP材料，与填充部的材料相同。衬底、缓冲层以及第一半导体层的材料均可以为 N型InP；有源层的材料包括InGaAsP 或 AlGaInAs，第二半导体层的材料包括 P型InP。隧道结光栅中的填充部的材料包括N型InP；隧道结光栅中的隧道结部包括P型InP的第一隧道结子层和N型InP 的第二隧道结子层，N型和P型掺杂浓度大于3.0×1019atom/cm3。盖层和第三半导体层的材料可以为 N型InP。脊波导结构中导电层的材料可以为N型InP，电极接触层的材料可以为N型InGaAs。介电层的材料可以为SiNx或SiO2。第一电极层和第二电极层可以为金属材料。
有源层和隧道结光栅之间的P型第二半导体层厚度可设定在50~200nm。可采用1阶或多阶光栅，光栅周期根据有效折射率进行计算，其中1阶光栅的周期范围包括200nm ~250nm。隧道结光栅上的N型第三半导体层厚度可以设置在2um以上，以减少表面金属对光场的干扰和吸收。
在本发明的另一个实施例中，隧道结部的折射率和填充部的折射率不同，隧道结光栅还作为有源层的折射率耦合光栅。可以理解为，隧道结光栅为兼具了载流子分段注入和折射率光栅效果的复合耦合光栅。
其中，隧道结可采用InGaAsP材料，与填充部的材料（InP材料）不同。其余膜层材料的选取和膜层厚度的设置可以与上述实施例相同，这里不再赘述。
隧道结部的折射率和填充部的折射率不同。隧道结的InGaAsP材料分别进行
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，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 (12)

1.一种带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，包括：
衬底；
第一半导体层，位于所述衬底的一侧；
有源层，位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
第二半导体层，位于所述有源层远离所述第一半导体层的一侧；
隧道结光栅，位于所述第二半导体层远离所述有源层的一侧；所述隧道结光栅包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部和填充部；
第三半导体层，所述第三半导体层位于所述隧道结光栅远离所述第二半导体层的一侧；
其中，位于所述隧道结光栅两侧的第二半导体层和第三半导体层通过所述隧道结部电连接，所述隧道结光栅可形成有源层的周期性分段式注入，以用为增益耦合光栅；所述第一半导体层的掺杂离子的类型与所述第三半导体层的掺杂离子的类型相同，与所述第二半导体层的掺杂离子的类型相反。
2.根据权利要求1所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率相同。
3.根据权利要求1所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，所述隧道结部的折射率和所述填充部的折射率不同，所述隧道结光栅还复用为折射率耦合光栅。
4.根据权利要求1所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，所述隧道结部包括：
沿垂直于有源层的方向层叠设置的第一隧道结子层和第二隧道结子层；相对于所述第二隧道结子层，所述第一隧道结子层较靠近于所述衬底；
其中，所述第一隧道结子层的掺杂离子的类型和第二隧道结子层的掺杂离子的类型相反；每一隧道结子层的掺杂离子的类型和与其接触的半导体层的掺杂离子的类型相同；
所述填充部的掺杂离子的类型和与其接触的第二半导体层或第三半导体层的掺杂离子的类型相同。
5.根据权利要求4所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，所述隧道结部的掺杂离子的浓度大于填充部的掺杂离子的浓度。
6.根据权利要求4所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，
所述衬底的材料包括N型InP；
所述第一半导体层的材料包括 N型InP，所述有源层的材料包括InGaAsP 或AlGaInAs，所述第二半导体层的材料包括 P型InP；
所述隧道结光栅中的填充部的材料包括N型InP；所述隧道结光栅中的隧道结部包括P型InGaAsP的第一隧道结子层和N型InGaAsP 的第二隧道结子层，或者，P型InP的第一隧道结子层和N型InP 的第二隧道结子层。
7.根据权利要求4所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，还包括：
缓冲层，所述缓冲层与所述有源层位于所述衬底的同一侧；所述缓冲层覆盖所述衬底，所述缓冲层的材料与所述衬底的材料相同；
盖层，所述盖层位于所述隧道结光栅远离所述衬底的一侧，并覆盖所述隧道结光栅远离所述衬底一侧的表面；所述盖层的材料与所述填充部的材料以及所述第二隧道结子层的材料相同。
8.根据权利要求1所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，还包括：
脊波导结构，所述脊波导结构位于所述第三半导体层远离所述衬底的一侧，并覆盖部分的第三半导体层。
9.根据权利要求8所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，还包括：
介电层，所述介电层覆盖所述脊波导结构的侧壁以及所述脊波导结构暴露的第三半导体层；
第一电极层，所述第一电极层位于所述脊波导结构远离所述衬底的一侧；
第二电极层，所述第二电极层位于所述衬底远离所述有源层的一侧。
10.根据权利要求1所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，所述有源层包括：
量子阱层以及位于所述量子阱层相对两侧的上限制层和下限制层；相对于所述上限制层，所述下限制层较靠近于所述衬底。
11.根据权利要求1所述的带增益耦合光栅的DFB激光器，其特征在于，所述第一半导体层的厚度范围包括50nm ~200nm；所述第二半导体层的厚度范围包括50 nm ~200nm；所述第三半导体层的厚度大于或等于2um。
12.一种带增益耦合光栅的DFB激光器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
形成第一半导体层，所述第一半导体层位于所述衬底的一侧；
形成有源层，所述有源层位于所述第一半导体层远离所述衬底的一侧；
形成第二半导体层，所述第二半导体层位于所述有源层远离所述第一半导体层的一侧；
形成隧道结光栅，所述隧道结光栅位于所述第二半导体层远离所述有源层的一侧；所述隧道结光栅包括沿平行于有源层的方向依次交替设置的隧道结部和填充部；
形成第三半导体层，所述第三半导体层位于所述隧道结光栅远离所述第二半导体层的一侧；其中，所述第二半导体层和第三半导体层通过所述隧道结部电连接，所述隧道结光栅可形成有源层的周期性分段式载流子注入，以用为增益耦合光栅；所述第一半导体层的掺杂离子的类型与所述第三半导体层的掺杂离子的类型相同，与所述第二半导体层的掺杂离子的类型相反。
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