CN117134192B - 一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及激光器技术领域，特别涉及一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器及其制备方法。本申请提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，通过在GaAs基激光器上二次外延生长具有周期性的复合光栅结构，使光栅的折射率差增加的同时保持电流的均匀分布，不会影响光栅的导电性，提高了光栅型DFB激光器的模式选择以及单模特性。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，特别涉及一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器及其制备方法。
背景技术
GaAs基大功率半导体激光器现已被广泛应用于生产加工、激光通信、医疗美容、自动控制以及军事武器等众多领域。在进一步提高大功率GaAs激光器的性能方面，主要从两方面提升，一是尽可能的提高激光器的功率，另外就是提高激光器的光学质量如实现单模，改善光斑质量等。一个很好的方法能实现单模激射是通过分布式光栅对DFB激光器里存在的光学模式进行调控，此种激光器也称之为DFB(Distribute Feedback，分布式反馈)激光器。DFB激光器可以实现单纵模工作,使其具有较好的时间相干性。而为了提高DFB激光器的单纵模的特性，一个关键点是需要提高DFB激光器中光栅的作用，这需要严格控制光栅的结构及两种材料的折射率差。但是由于考虑到晶格生长质量问题，而需要进行同质外延 ，这严格限制了光栅中的材料折射率差。这就导致光栅的耦合系数很小，影响了DFB的单模特性，并且会增加激光器的损耗和功率。
现有技术解决上述问题的方式普遍是通过二次外延的技术增加低折射率材料，从而提高光栅的折射率差，提高光栅的耦合系数，使激光器的输出损耗变小，阈值电流变小，进而增加激光器的效率。然而，本申请的发明人发现，这类方法会严重影响激光器中的电流分布，从而导致增益分布不均匀，产生局部过热效应。
发明内容
有鉴于此，本申请的第一个目的在于提供一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，通过在GaAs基激光器上二次外延生长具有周期性的复合光栅结构，使光栅的折射率差增加的同时保持电流的均匀分布，不会影响光栅的导电性，提高了光栅型DFB激光器的模式选择以及单模特性。
基于同样的发明构思，本申请的第二个目的在于提供一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法；
本申请的第一个目的可以通过如下技术方案达到：
一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，包括衬底、下限制层、光栅、第一下波导层、第二下波导层、量子阱有源区、上波导层、上限制层和脊波导层；所述下限制层设置于所述衬底上。所述光栅设置于所述下限制层上，所述光栅内部以柱阵列形式设置有低折射率材料。所述第一下波导层设置于所述下限制层，并位于所述光栅内。所述第二下波导层设置于所述第一下波导层及所述光栅上。所述量子阱有源区设置于所述第二下波导层上。所述上波导层设置于所述量子阱有源区上。所述上限制层设置于所述上波导层上。所述脊波导层设置于所述上限制层上。
进一步的，所述低折射率材料为空气，并以空气柱阵列形式设置在所述光栅内部。
进一步的，所述光栅由GaAs化合物组成。
进一步的，所述光栅内部的空气柱具有相同的高度、间距以及周期。
进一步的，所述第一下波导层的掺杂浓度大于所述第二下波导层的掺杂浓度。
本申请的第二个目的可以通过如下技术方案达到：
一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法，包括以下步骤：
设置一衬底；
在所述衬底上生长下限制层；
在所述下限制层上生长GaAs化合物层；
在所述GaAs化合物层上刻蚀光栅；
在所述下限制层上生长第一下波导层，所述第一下波导层位于所述光栅内，在所述光栅内部刻蚀低折射率材料，所述低折射率材料以柱阵列形式设置；
在所述第一下波导层上生长第二下波导层；
在第二下波导层上生长量子阱有源区；
在量子阱有源区上生长上波导层；
在上波导层上生长上限制层；
在上限制层上生长脊波导层。
进一步的，所述低折射率材料为空气，并以空气柱阵列形式设置在所述光栅内部。
进一步的，在所述GaAs化合物层上生长第一下波导层，在所述光栅内部刻蚀低折射率材料，具体包括以下步骤：
在所述光栅上沉积生长SiO2层；
在所述SiO2层表面旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法形成光刻胶掩膜，利用湿法刻蚀技术刻蚀无光刻胶掩膜遮盖的SiO2层，随后去除光刻胶掩膜，从而在光栅内部获得氧化硅柱阵列；
在所述GaAs化合物层上二次外延生长第一下波导层；
在第一下波导层表面旋涂光刻胶，利用普通光刻技术形成光刻胶掩膜，利用湿法腐蚀工艺，使用刻蚀液腐蚀无光刻胶遮挡的第一下波导层，随后利用湿法腐蚀横向刻蚀氧化硅柱阵列以及所述光栅上的氧化硅，并去除光刻胶掩膜，从而获得空气柱阵列。
进一步的，所述光栅由GaAs化合物组成，所述光栅内部的空气柱具有相同的高度、间距以及周期。
进一步的，所述第一下波导层的掺杂浓度大于所述第二下波导层的掺杂浓度。
本申请相对于现有技术具有如下的有益效果：
（1）本申请提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器通过在下波导层附近刻蚀光栅，并在光栅区域中形成空气柱结构，使光栅的折射率差增加的同时保持电流的较均匀分布，不会影响光栅的导电性，提高了光栅型DFB激光器的模式选择以及单模特性。
（2）本申请提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器利用掺杂补尝低折射率材料复合光栅结构的电阻率不匹配，进一步提高提高电流均匀性，提高器件可靠性。
（3）本申请提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员所具备的，其所涉及的原材料均可通过一般性途径获得，工艺简单可靠，可重复性强，生产成本低。
附图说明
图1是本申请实施例1的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的截面图；
图2是本申请实施例2的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的制备方法中光刻胶掩膜遮盖在GaAs化合物层的截面图；
图3是本申请实施例2的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的制备方法中刻蚀GaAs化合物层以形成光栅的截面图；
图4是图3的俯视图；
图5是本申请实施例2的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的制备方法中氧化硅层生长在下限制层及光栅的截面图；
图6是本申请实施例2的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的制备方法中蚀刻氧化硅层形成氧化硅柱阵列的截面图；
图7是图6的俯视图；
图8是本申请实施例2的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的制备方法中生长第一下波导层的截面图；
图9是图8的俯视图；
图10是本申请实施例2的具有复合光栅结构的GaAs FP激光器的制备方法中蚀刻掉氧化硅层及氧化硅柱的截面图；
图11是图10的俯视图。
主要元件符号说明：101、衬底；102、下限制层；103、GaAs化合物层；104、第一下波导层；105、第二下波导层；106、量子阱有源区；107、上波导层；108、上限制层；109、脊波导层；110、光栅；111、光刻胶掩膜；112、氧化硅层；113、空气柱。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例，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。
需要说明的是，本申请中的“-”、“~”应理解为包括其端点的数值，例如某值在1-10之间，应理解为该数值大于或等于1且小于或等于10，在1~10之间，应理解为该数值大于或等于1且小于或等于10。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，包括衬底101、下限制层102、光栅110、第一下波导层104、第二下波导层105、量子阱有源区106、上波导层107、上限制层108和脊波导层109。
下限制层102设置于衬底101上，光栅110设置于下限制层102上，光栅110内部以柱阵列形式设置低折射率材料。第一下波导层104设置于衬底101，并位于光栅110内，第二下波导层105设置于第一下波导层104以及光栅110上。量子阱有源层106设置于第二下波导层105上，上波导层107设置于量子阱有源层106上，上限制层108设置于上波导层107上，脊波导层109设置于上限制层108上。
其中，所述光栅110由GaAs化合物组成，光栅110的周期为0.5-2μm，占空比可以为0.8-1.25，高度可以为0.1-0.2μm。可选地，在本实施例中，光栅110的周期为0.1μm，占空比为1.0，高度为0.15μm。
可选地，光栅110内部的所述低折射率材料为空气，并通过第一下波导层104形成空气柱113，以空气柱113阵列形式设置在所述光栅110内部；本实施例中，所述光栅110内部的空气柱113具有相同的高度、间距以及周期，具体的，空气柱113的高度约为20nm，间距为20nm，周期为50nm。
本实施例中，所述第一下波导层104的掺杂浓度大于所述第二下波导层105的掺杂浓度。
具体的，本实施例的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器中，所述衬底层101采用GaAs组成，厚度为200nm；
所述下限制层102采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
所述GaAs化合物层103厚度为0.1-0.2μm；
所述第一下波导层104采用AlGaAs组成，掺杂浓度为1×1019/cm3，厚度为0.1-0.2μm；
所述第二下波导层105采用AlGaAs组成，掺杂浓度为1×1018/cm3，厚度为0.5-3μm；
所述量子阱有源区106包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层，厚度为0.1μm；
所述上波导层107采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；
所述上限制层108采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
所述的脊波导层109的采用GaAs组成，厚度为0.3μm。
实施例2：
如图2-11所示，本实施例提供一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法，包括以下步骤：
请参阅图2，S1、设置一衬底101；
步骤S1中，将衬底101放在MOCVD设备生长室内，在H2环境升温到750~810℃烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除衬底101表面的水氧，完成表面热处理，所述衬底101采用GaAs组成，厚度为200nm。
S2、在所述衬底101上生长下限制层102；
步骤S2中，MOCVD设备生长室内温度保持在680~720℃，通入TMGa、TMAl、和AsH3，在步骤S1的衬底101上生长下限制层102，所述下限制层102采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
S3、在所述下限制层102上生长GaAs化合物层103；
步骤S3中，MOCVD设备生长室内温度降至630~670℃，在步骤二的所述下限制层上生长GaAs化合物层103，厚度为0.5-2μm；
请参阅图2和图3，S4、在所述GaAs化合物层103上刻蚀光栅110，包括以下步骤：
S41、在步骤S3得到的所述GaAs化合物层103表面旋涂光刻胶，利用全息光刻的方法形成光刻胶掩膜111；
S42、在温度为-20~-10℃下，利用湿法腐蚀工艺，使用的刻蚀液为体积比为1:8:300~1:8:800的饱和溴水：HBr:H2O刻蚀液，对GaAs化合物层103进行腐蚀，并去除光刻胶掩膜111，从而在光栅区形成光栅110，光栅110的高度为0.1-0.2μm；光栅110包括多个沿光传播方向间隔设置的光栅单元（如图3和图4所示）。
S5、在所述下限制层102上生长第一下波导层104，在所述光栅110内部刻蚀低折射率材料，所述低折射率材料以柱阵列形式设置，包括以下步骤：
S51、请参阅图5，采用原子层沉积技术，在下限制层102以及光栅110上沉积生长氧化硅层112，其中生长在下限制层102的氧化硅层112位于光栅110内，氧化硅层112的厚度为20nm；可以理解的是，光栅110内可以理解为位于相邻的两个光栅单元之间的间隙中。
S52、请参阅图6和图7，在整个氧化硅层112表面旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法形成光刻胶掩膜，其中，位于下限制层102上的氧化硅层112有光刻胶掩膜遮盖和无光刻胶掩膜遮盖的位置交替设置。在温度为-20~-10℃下，利用湿法刻蚀技术刻蚀在下限制层102上，且无光刻胶掩膜遮盖的氧化硅层112，随后去除光刻胶掩膜，从而在光栅110内部获得出氧化硅柱阵列，厚度为20nm，间距为20nm，周期为50nm；
S53、请参阅图8，MOCVD设备生长室内保持温度在630~670℃，在下限制层102二次外延生长第一下波导层104，第一下波导层104位于光栅110内。所述生长第一下波导层104采用AlGaAs组成，掺杂浓度为1×1019/cm3，厚度为0.1-0.2μm。可选地，下波导层104外延生长的厚度大于氧化硅柱的厚度，以使位于两个光栅单元之间的第一下波导层104的上端能够盖住氧化硅柱（如图8所示）。
S54、在步骤S53得到的第一下波导层104表面旋涂光刻胶，利用普通光刻技术形成光刻胶掩膜，在温度为-20~-10℃下，利用湿法腐蚀工艺，使用的刻蚀液为体积比为1:8:300~1:8:800的饱和溴水:HBr:H2O刻蚀液，腐蚀无光刻胶遮挡的第一下波导层104的相对两端（如图9所示），随后利用湿法腐蚀横向刻蚀掉氧化硅柱以及光栅110上的氧化硅层112，并去除光刻胶掩膜，从而获得空气柱（如图10和图11所示）；其中，蚀刻第一下波导层104的相对两端能够让氧化硅柱的上端无遮挡，以便于利用湿法腐蚀刻蚀掉上端无遮挡的氧化硅柱，并从侧向刻蚀掉上端有第一下波导层104遮挡的氧化硅柱。
S6、生长第二下波导层105；
请参阅图1，在步骤S6中，MOCVD设备生长室内保持温度在630~670℃，在步骤S5的第一下波导层104以及光栅110上第三次外延生长第二下波导层105，所述第二下波导层105采用AlGaAs组成，掺杂浓度为1×1018/cm3，厚度为0.5-3μm；
S7、在第二下波导层105上生长量子阱有源区106；
步骤S7中，MOCVD设备生长室内保持温度在630~670℃，在步骤S6得到的第二下波导层105上生长量子阱有源区106，量子阱有源区106包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层；
S8、在量子阱有源区106上生长上波导层107；
步骤S8中，MOCVD设备生长室内保持温度在630~670℃，在步骤S7得到的量子阱有源区上生长上波导层107，所述上波导层107采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；
S9、在上波导层107上生长上限制层108；
步骤S9中，将MOCVD设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤S8得到的的上波导层107上生长上限制层108，所述上限制层108采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；
S10、在上限制层108上生长脊波导层109。
步骤S10中，将MOCVD设备生长室内温度降低到530~570℃，在步骤S9得到的的上限制层108上生长脊波导层109，所述脊波导层109由GaAs组成，且厚度为0.3μm；
综上所述，本申请实施例通过在GaAs基激光器的外延片上二次外延生长具有周期结构的光栅，并在光栅侧壁刻蚀出厚度约为20nm的空气柱陈列，从而整体加大光栅的折射率差，空气柱阵列可以使电流保持均匀分布，且利用下波导部分重掺杂层补尝由于低折射率材料引入引起的电阻不匹配，达到空气柱引入不会影响光栅的导电性，因此提高了光栅型DFB激光器的模式选择以及单模特性。
因此，本申请实施例提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器通过在下波导层附近刻蚀光栅，并在光栅区域中形成空气柱结构，使光栅的折射率差增加的同时保持电流的较均匀分布，不会影响光栅的导电性，提高了光栅型DFB激光器的模式选择以及单模特性；本申请实施例提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器利用掺杂补尝低折射率材料复合光栅结构的电阻率不匹配，进一步提高电流均匀性，提高器件可靠性；本申请实施例提供的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员所具备的，其所涉及的原材料均可通过一般性途径获得，工艺简单可靠，可重复性强，生产成本低。
此外，一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法的作用效果会受到激光器中复合光栅制备过程中的工艺和尺寸变化的影响，因此需要依据不同的器件结构、工艺方法做适当的优化，从而使具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器起到最佳效果。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
显然，上述所述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，本申请不限于上述实施例的细节，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆视为不脱离本申请的专利范畴。
Claims (8)
1.一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，其特征在于，包括：
衬底；
下限制层，所述下限制层设置于所述衬底上；
光栅，所述光栅设置于所述下限制层上，所述光栅内部以柱阵列形式设置有低折射率材料，所述低折射率材料为空气，并以空气柱阵列形式设置在所述光栅内部；
第一下波导层，所述第一下波导层设置于所述下限制层，并位于所述光栅内；
第二下波导层，所述第二下波导层设置于所述第一下波导层及所述光栅上；
量子阱有源区，所述量子阱有源区设置于所述第二下波导层上；
上波导层，所述上波导层设置于所述量子阱有源区上；
上限制层，所述上限制层设置于所述上波导层上；和
脊波导层，所述脊波导层设置于所述上限制层上。
2.根据权利要求1所述的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，其特征在于，所述光栅由GaAs化合物组成。
3.根据权利要求1所述的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，其特征在于，所述光栅内部的空气柱具有相同的高度、间距以及周期。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器，其特征在于，所述第一下波导层的掺杂浓度大于所述第二下波导层的掺杂浓度。
5.一种具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置一衬底；
在所述衬底上生长下限制层；
在所述下限制层上生长GaAs化合物层；
在所述GaAs化合物层上刻蚀光栅；
在所述下限制层上生长第一下波导层，所述第一下波导层位于所述光栅内，在所述光栅内部刻蚀低折射率材料，所述低折射率材料以柱阵列形式设置，所述低折射率材料为空气，并以空气柱阵列形式设置在所述光栅内部；
在所述第一下波导层上生长第二下波导层；
在第二下波导层上生长量子阱有源区；
在量子阱有源区上生长上波导层；
在上波导层上生长上限制层；
在上限制层上生长脊波导层。
6.根据权利要求5所述的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法，其特征在于，在所述下限制层上生长第一下波导层，所述第一下波导层位于所述光栅内，在所述光栅内部刻蚀低折射率材料，具体包括以下步骤：
在所述下限制层以及所述光栅上沉积生长氧化硅层；
在所述氧化硅层表面旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法形成光刻胶掩膜，利用湿法刻蚀技术刻蚀无光刻胶掩膜遮盖的氧化硅层，随后去除光刻胶掩膜，从而在光栅内部获得氧化硅柱阵列；
在所述下限制层以及所述氧化硅柱阵列上二次外延生长第一下波导层；
在第一下波导层表面旋涂光刻胶，利用普通光刻技术形成光刻胶掩膜，利用湿法腐蚀工艺，使用刻蚀液腐蚀无光刻胶遮挡的第一下波导层，随后利用湿法腐蚀横向刻蚀氧化硅柱阵列以及所述光栅上的氧化硅层，并去除光刻胶掩膜，从而获得空气柱阵列。
7.根据权利要求5所述的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法，其特征在于，所述光栅由GaAs化合物组成，所述光栅内部的空气柱具有相同的高度、间距以及周期。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的具有复合光栅结构的GaAs DFB激光器的制备方法，其特征在于，所述第一下波导层的掺杂浓度大于所述第二下波导层的掺杂浓度。
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2023
- 2023-10-25 CN CN202311391294.0A patent/CN117134192B/zh active Active
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