CN116454728A - 分布式反馈激光二极管、应用及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了分布式反馈激光二极管、应用及制备方法，包括：一个半导体基材衬底，沉积在所述半导体基材衬底上的半导体有源层，沉积在所述半导体有源层上的半导体隔离层，生长在半导体隔离层上的半导体光栅层，沉积在半导体光栅层上的半导体覆盖层，以及沉积在半导体覆盖层上、具有非金属化区域的导电层；所述非金属化区域为无导电能力的无电流注入区。通过上述方案，本发明具有结构简单、可靠提高单模良率等优点，在半导体技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是分布式反馈激光二极管、应用及制备方法。
背景技术
按照目前行业内的器件设计来说，为了提高晶圆的单模良率就必须提高光栅耦合系数k，但是，在增大光栅耦合系数的同时也将导致较高的弛豫振荡频率，其导致器件性能下降。例如，当光栅强度（kL)增大到3的时候，传统的均匀光栅DFB激光器的单模良率会降到20-30%，具体仿真测试结果如图1所示，其含有五条曲线，其分别是2倍、3倍、4倍、5倍和6倍的阈值电流。通过该仿真试验可以看出，这个良率对于光通行业的大规模量产是无法接受的。
另外，现有的技术也可以通过改进光栅设计来提高单模良率。比如，将传统的均匀光栅重新设计为啁啾相移光栅，那么在同样的kL值下，单模良率可以增加到80%左右，具体仿真测试结果如图2所示。由此可见，该方法的单模良率还需要进一步地提升。
因此，急需要一种结构简单、可靠提分布式反馈激光二极管、应用及制备方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供分布式反馈激光二极管、应用及制备方法，本发明采用的技术方案如下：
第一部分，本技术提供了分布式反馈激光二极管，其包括：一个半导体基材衬底，沉积在所述半导体基材衬底上的半导体有源层，沉积在所述半导体有源层上的半导体隔离层，生长在半导体隔离层上的半导体光栅层，沉积在半导体光栅层上的半导体覆盖层，以及沉积在半导体覆盖层上、具有非金属化区域的导电层；所述非金属化区域为无导电能力的无电流注入区。
第二部分，本技术提供了一种分布式反馈激光二极管的应用，所述分布式反馈激光二极管为埋层式异质结构或脊波导结构。
第三部分，本技术提供了一种分布式反馈激光二极管的制备方法，其包括以下步骤：
提供一半导体基材衬底;
在所述半导体基材衬底上沉积同导电类型的下包覆层；
在所述下包覆层上沉积一半导体有源层；
在所述半导体有源层上沉积一半导体隔离层；
在所述半导体隔离层上生长一半导体光栅层；
在所述半导体光栅层上沉积一上包覆层；
在所述上包覆层上沉积一半导体覆盖层；
在所述半导体覆盖层上沉积一导电层；所述导电层具有非金属化区域；所述非金属化区域为无导电能力的无电流注入区。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过研究模态损失和沿着谐振腔方向的纵向光膜强度差别，确定单模良率剩余20%的失效原因为低边模抑制比（SMSR），并且本发明通过在谐振腔特定位置（近前端面7.5微米、对应相移区域的60微米及近后端面7.5微米，共计三处）引入无电流注入区，通过提高谐振腔内边模强度最大处的损耗，可以平抑这些光模态，从而提高单模良率至接近100%。
综上所述，本发明具有结构简单、可靠提高单模良率等优点，在半导体技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为现有技术中当kL值为3时均匀光栅的单模良率的仿真曲线图。
图2为现有技术中当kL值为3时相移啁啾光栅的单模良率的仿真曲线图。
图3为本发明中器件中在阈值电流以上的4个最低损耗模态的光谱仿真曲线图。
图4为本发明中阈值电流以上的基础模态的仿真曲线图。
图5为本发明中阈值电流以上的主要边模的光强分布图。
图6为本发明中在前后端面均具备7.5微米无电流注入区的同类激光器在阈值电流以上的4个最低损耗模态的光谱的仿真曲线图。
图7为本发明的结构示意图。
图8为本发明中未设置无电流注入区的DFB器件的瞬态响应的仿真曲线图以证明引入无电流注入区不会过多的降低输出光功率。
上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：
1、半导体基材衬底；2、下包覆层；3、半导体有源层；4、半导体隔离层；5、相移区域；6、上包覆层；7、半导体覆盖层；8、导电层；9、第一非金属化区域；10、第二非金属化区域；11、第三非金属化区域；12、通透膜；13、衍射光栅；14、高反镀膜。
实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本实施例中，术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
本实施例的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一目标对象和第二目标对象等是用于区别不同的目标对象，而不是用于描述目标对象的特定顺序。
在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个处理单元是指两个或两个以上的处理单元；多个系统是指两个或两个以上的系统。
如图3至图8所示，本实施例提供了一种分布式反馈激光二极管，既能提高激光器对光反馈的容差，又能保证均匀光栅DFB激光器的单模良率，解决现有技术中存在的增大光栅耦合系数k的同时也将导致高的弛豫振荡频率的技术问题，彻底克服本领域的设计偏见。
具体来说分布式反馈激光二极管包括一个半导体基材衬底1，沉积在半导体基材衬底上、且与半导体基材衬底同导电类型的下包覆层2，沉积在下包覆层上的半导体有源层3，沉积在所述半导体有源层上的半导体隔离层4，生长在半导体隔离层上的半导体光栅层，沉积在半导体光栅层上的上包覆层6，沉积在上包覆层上的半导体覆盖层7，以及沉积在半导体覆盖层上、具有非金属化区域的导电层8。其中，该非金属化区域形成三个无导电能力的无电流注入区。在本实施例中，半导体基材衬底和下包覆层为同类的参杂质半导体类型；半导体隔离层、半导体光栅层、半导体覆盖层和上包覆层为同类参杂质半导体类型，且半导体基材衬底与半导体隔离层为异类参杂质半导体类型。以半导体基材衬底和下包覆层为N型为例，那么，半导体隔离层、半导体光栅层、半导体覆盖层和上包覆层就是P型。反之，半导体基材衬底和下包覆层为P型，则半导体隔离层、半导体光栅层、半导体覆盖层和上包覆层就是N型。另外，当半导体基材衬底为N型时，在下包覆层和上包覆层内扩散有锌元素。
在本实施例中，该半导体有源层为AlGaInAsP合金，并且在半导体有源层内设置衍射光栅13，在衍射光栅设有长度为60微米的相移区域5。本实施实例中的激光二极管在前端面沉积有通透膜12，后端面沉积有高反膜14。第一非金属化区域9（第一个无电流注入区）位于60微米相移区域的正上方，第二非金属化区域10（第二个无电流注入区）从前端面处起始长度为7.5微米，第三非金属化区域11（第三个无电流注入区）从后端面处起始长度为7.5微米。
如图7所示，在本实施例的DFB激光二极管谐振腔长为175um，在衍射光栅（半导体光栅层）设置一处60um长、7/10 Pi的相移结构，此结构的中心距离前端面的距离为110um，该结构为无电流注入区，在器件工作时不会有电流注入。如图3至图5所示，本实施例通过研究模态损失和沿着谐振腔方向的纵向光膜强度差别，可以发现剩余20%单模良率的失效原因为低边模抑制比（SMSR）。如图6和图7所示，本实施例通过在谐振腔特定位置引入无电流注入区，并且提高谐振腔内边模强度最大处的损耗，可以有效地平抑这些光模态，从而提高单模良率至接近100%。从图8可以看出，引入三处无电流注入区后仿真结果没有明显区别，证明本方案对光输出功率没有不良影响。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.分布式反馈激光二极管，其特征在于，包括：一个半导体基材衬底，沉积在所述半导体基材衬底上的半导体有源层，沉积在所述半导体有源层上的半导体隔离层，生长在半导体隔离层上的半导体光栅层，沉积在半导体光栅层上的半导体覆盖层，以及沉积在半导体覆盖层上、具有非金属化区域的导电层；所述非金属化区域为无导电能力的无电流注入区。
2.根据权利要求1所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述半导体基材衬底上沉积有一下包覆层；所述半导体有源层沉积在下包覆层上。
3.根据权利要求2所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述半导体光栅层上沉积有一第二导电类型的上包覆层；所述半导体覆盖层沉积在上包覆层上。
4.根据权利要求1或2或3所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述半导体基材衬底与半导体隔离层为异类参杂质半导体类型；所述半导体隔离层、半导体光栅层、半导体覆盖层为同类参杂质半导体类型。
5.根据权利要求3所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述半导体基材衬底为N类型半导体；所述下包覆层和上包覆层内扩散有锌元素。
6.根据权利要求1所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述半导体有源层为AlGaInAsP合金。
7.根据权利要求6所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述半导体有源层内设置衍射光栅。
8.根据权利要求7所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述衍射光栅设有相移区域。
9.根据权利要求7所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，还包括：沉积在半导体基材衬底、半导体有源层、半导体隔离层、半导体光栅层和半导体覆盖层的后端面的高反镀膜。
10.根据权利要求9所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述非金属化区域包括设置在高反镀膜的上部的第三非金属化区域；所述第三非金属化区域的长度为7.5微米。
11.根据权利要求7所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，还包括：沉积在半导体基材衬底、半导体有源层、半导体隔离层、半导体光栅层和半导体覆盖层的前端面的通透膜。
12.根据权利要求11所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述非金属化区域包括设置在通透膜的上部的第二非金属化区域；所述第二非金属化区域的长度为7.5微米。
13.根据权利要求10或12所述的分布式反馈激光二极管，其特征在于，所述非金属化区域还包括：镶嵌在导电层内的第一非金属化区域；所述第一非金属化区域置于相移区域上部。
14.一种根据权利要求1~13任一项所述的分布式反馈激光二极管的应用，其特征在于，所述分布式反馈激光二极管为埋层式异质结构或脊波导结构。
15.一种分布式反馈激光二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一半导体基材衬底;
在所述半导体基材衬底上沉积同导电类型的下包覆层；
在所述下包覆层上沉积一半导体有源层；
在所述半导体有源层上沉积一半导体隔离层；
在所述半导体隔离层上生长一半导体光栅层；
在所述半导体光栅层上沉积一上包覆层；
在所述上包覆层上沉积一半导体覆盖层；
在所述半导体覆盖层上沉积一导电层；所述导电层具有非金属化区域；所述非金属化区域为无导电能力的无电流注入区。
16.根据权利要求15所述的一种分布式反馈激光二极管的制备方法，其特征在于，还包括：在所述半导体有源层内布设一衍射光栅，并在衍射光栅内布设一相移区域。
17.根据权利要求16所述的一种分布式反馈激光二极管的制备方法，其特征在于，还包括：在半导体基材衬底、半导体有源层、半导体隔离层、半导体光栅层和半导体覆盖层的后端面的沉积一层高反镀膜；所述非金属化区域包括设置在高反镀膜的上部的第三非金属化区域；所述第三非金属化区域的长度为7.5微米。
18.根据权利要求17所述的一种分布式反馈激光二极管的制备方法，其特征在于，还包括：在半导体基材衬底、半导体有源层、半导体隔离层、半导体光栅层和半导体覆盖层的前端面沉积一层通透膜；所述非金属化区域还包括设置在通透膜的上部的第二非金属化区域；所述第二非金属化区域的长度为7.5微米。
19.根据权利要求18所述的一种分布式反馈激光二极管的制备方法，其特征在于，还包括：在导电层内镶嵌一第一非金属化区域所述第一非金属化区域置于相移区域上部。
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