CN210838445U - 一种高性能dfb激光器外延结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高性能DFB激光器外延结构，InP衬底上从下至上依次沉积有N‑InP缓冲层，N‑AlInAs限制层、非掺杂AlGaInAs下波导层、非掺杂AlGaInAs量子阱、非掺杂AlGaInAs上波导层、非掺杂P型掺杂的AlInAs限制层、非掺杂P‑InP过渡层、非掺杂InGaAsP光栅层、非掺杂InP联接层、非掺杂第一InGaAsP势垒渐变层、非掺杂第二InGaAsP势垒过渡层及非掺杂InGaAs欧姆接触层，非掺杂P‑InP过渡层中插入第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层和第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层。该DFB激光器外延结构调制速率大，温度特性好，可靠性好。

Description

一种高性能DFB激光器外延结构

技术领域

本实用新型涉及DFB激光器技术领域，特别涉及一种高性能DFB激光器外延结构。

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35dB以上，调制速率可达50GHz以上，可以满足5G移动网络高速率/低时延的应用要求。但由于5G网络应用于户外，要求能在-40～85℃下均能达到高的调制速率，然而在高温下，激光器的载流子侧向泄露严重，且过量的热的声子易把载流子踢出量子阱区，这样会严重影响高温调制速率。为了解决DFB激光器电流侧向泄漏严重的问题，本实用新型提出一种DFB激光器外延结构，减小DFB激光器载流子的侧向泄漏，同时，改善DFB激光器的跳模现象，获得高性能的DFB激光器。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种能减小DFB激光器载流子的侧向泄漏，改善DFB激光器的跳模现象，获得高性能的DFB激光器外延结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种高性能DFB激光器外延结构，其特征在于：包括InP衬底，所述InP衬底上从下至上依次沉积有N-InP缓冲层，N-AlInAs限制层、非掺杂AlGaInAs下波导层、非掺杂AlGaInAs量子阱、非掺杂AlGaInAs上波导层、非掺杂P型掺杂的AlInAs限制层、非掺杂P-InP过渡层、非掺杂InGaAsP光栅层、非掺杂InP联接层、非掺杂第一InGaAsP势垒渐变层、非掺杂第二InGaAsP势垒过渡层及非掺杂InGaAs欧姆接触层，所述非掺杂P-InP过渡层中插入有张应变的第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层和压应变的第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层。

优选的，所述第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，所述第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层与所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层之间设有5nm的InP层。

如上所述，本实用新型具有以下有益效果：该高性能DFB激光器外延结构的P型外延层均不掺杂，而是在制作脊波后通过MOCVD进行Zn的扩散，可以限制载流子仅在脊波导下方注入，这样能解决激光器的载流子侧向泄露严重的问题。在InP过渡层中插入两组应变的异质结超晶格层，应变的异质结超晶格层兼顾腐蚀截止层的作用，有利于二次外延生长时及InP原子的迁移，能提高光栅掩埋层的材料质量，提高DFB激光器的性能；采用后扩散工艺形成激光器P型外延层，严格定义载流子注入区，获得的DFB激光器阈值和串联电阻低，调制速率大，温度特性好，可靠性好。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例一次外延生长后的外延片结构示意图。

图3为本实用新型实施例形成光栅层时的结构示意图。

图4为本实用新型脉冲气流法生长光栅掩埋层时反应室内的温度、气体脉冲通入方式与生长时间的关系图。

图5为本实用新型实施例外延扩散时的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1所示，本实用新型提供了一种高性能DFB激光器外延结构，其包括InP衬底01，InP衬底01上从下至上依次沉积有N-InP缓冲层02，N-AlInAs限制层03、非掺杂AlGaInAs下波导层04、非掺杂AlGaInAs量子阱05、非掺杂AlGaInAs上波导层06、非掺杂P型掺杂的AlInAs限制层07、非掺杂P-InP过渡层08、非掺杂InGaAsP光栅层11、非掺杂InP联接层12、非掺杂第一InGaAsP势垒渐变层13、非掺杂第二InGaAsP势垒过渡层14及非掺杂InGaAs欧姆接触层15，在非掺杂P-InP过渡层08中插入有张应变的第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9a和压应变的第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9b。其中第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9a厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9b厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9a与所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9b之间设有5nm的非掺杂InP层。

本实用新型还公开一种上述高性能DFB激光器外延结构的制造方法，其具体包括如下步骤：

首先以电导率为2-8x10¹⁸cm^-2的InP衬底01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，依次生长N-InP缓冲层02，N-AlInAs限制层03、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs下波导层04、8个周期的非掺杂AlGaInAs量子阱05、非掺杂的折射率渐变的AlGaInAs上波导层06、非掺杂的AlInAs限制层07、非掺杂的InP过渡层08、波长为1150nm的非掺杂InGaAsP光栅制作层及非掺杂InP保护层121。在非掺杂的InP过渡层08中插入应变的插入有张应变的第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9a和压应变的第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9b。其中第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9a厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9b厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9a与所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层9b之间设有5nm的非掺杂InP层(如图2所示)。

在一次外延生长完成后，然后取出外延片，旋涂光刻胶，利用全息光刻或电子束光刻的方法形成光栅图形，光栅周期为205nm,深度为40nm，并采用化学湿法腐蚀的方法同时刻穿非掺杂InGaAsP光栅制作层10及非掺杂InP保护层121，剩余部分作为非掺杂nGaAsP光栅层11(如图3所示)。然后将形成非掺杂nGaAsP光栅层11的外延片进行清洗，再次放入到MOCVD外延炉中，进行二次外延层生长。

本实用新型采用低温脉冲沉积法生长InP二次外延层。首先，在900sccm的PH₃气体的保护下，反应室缓慢升温至560℃，然后将TMIn以脉冲的方式通入到MOCVD反应室内慢速生长InP非掺杂InP掩盖层，其中，TMIn的Source流量设定为10sccm，InP二次外延层的生长速率与In的流量呈线性关系，一般可通过以下公式来计算：

其中，V是InP的生长速率，C_InP为InP通入到反应室的浓度，其值可由MOCVD设备上连接与MFC与五二阀的Epison III气体浓度监测仪精确测量，当InP的Souce流量为10时，其浓度为87摩尔浓度。可以计算得到10sccm的In流量生长InP的速率为0.0028nm/s。当In流量增加为720sccn时，In浓度为7300摩尔浓度。InP的生长速率为0.2nm/s。

图4给出了反应室内的温度、气体脉冲通入方式与生长时间的关系。在t₁＝2秒的时间内脉冲开，通入TMIn，生长非掺杂InP形核层；在t₂＝2秒的时间内脉冲关，让形核层原子有足够的时间迁移到其能量最低点；在t₃＝15秒时间内脉冲开，再次通入TMIn，生长一定厚度的非掺杂InP层；在t₄＝2秒时间内脉冲关，形成稳定的非掺杂InP层。t₄时间后进入到下一个循环。脉冲式生长方法中，一直保护PH₃的高分压比(900sccm)，有利于减少升温过程中磷的挥发，先以短脉冲通入TMIn，在衬底上形成一层非常薄的形核层并使之形成稳定态，减少堆垛层错和空位，然后在形核层基础上生长一定厚度的外延层，可显著降低半导体外延层缺陷密度。采用这种脉冲气流生长，每个循环耗时21秒，生长厚度约0.048nm。生长1500个循环，即t₅＝525min，生长的InP外延层厚度为72nm,然后反应室温度升高到670℃，继续生长InP过度层28nm，然后1500nm厚度非掺杂的InP联接层，以及波长为1100nm的非掺杂的InGaAsP势垒过渡层，非掺杂的InGaAs欧姆接触层等，即形成完整的DFB的外延结构。

如图5所示，该DFB激光器外延结构二次生长完成后，可采用光学光刻的方式，在外延片20定入出脊波导区域，并刻蚀形成2-3um宽的脊波导结构21，然后沉积一定厚度的SiO2层22，并采用光学光刻的方式，在脊波导区域上方去除部分SiO2，去除的SiO2宽度小于脊波导的宽度各0.1um，然后将外延片清洗干净，放入到MOCVD设备中，通入DEZn和PH3，扩散一定深度的Zn。由于Zn在InGaAsP和InAlGaAs材料中的扩散系数远小于在InP材料中的扩散系数，因此，可以精确控制DEZn的扩散截止在InAlAs上限制层07。

扩散完成后，利用光刻显影和刻蚀，去除部分SiO2，并蒸镀P面金属，然后把InP衬底减薄，在减薄的InP衬底背面蒸镀背面电极；然后解理成bar条，在管芯一端蒸镀高反射薄膜(90％反射率)，另一端蒸镀低反射膜(0.03％反射率)，即完成DFB激光器芯片的制作。

该激光器外延机构在外延片生长结构中，P型外延层均不掺杂，而是在制作脊波后，通过MOCVD进行Zn的扩散形成P型掺杂，整体P型掺杂通过脊波导的宽度控制，可以限制载流子仅在脊波导下方注入，减小了电流和载流子的侧向扩散，有利于获得低阈值高性能的DFB激光器；由于Zn在InGaAsP和InAlGaAs材料中的扩散系数远小于在InP材料中的扩散系数，因此，可以精确控制DEZn的扩散截止在InAlAs上限制层。避免了Zn扩散到量子阱有源区，器件可靠性好；且由于光栅层不掺杂且扩散系数低，光栅层通过的电流密度较小，由于载流子浓度变化引起的光栅折射率变化导致的DFB激光器的跳模现象少，因而，可获得高性能的DFB激光器。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种高性能DFB激光器外延结构，其特征在于：包括InP衬底（01），所述InP衬底（01）上从下至上依次沉积有N-InP缓冲层（02），N-AlInAs限制层（03）、非掺杂AlGaInAs下波导层（04）、非掺杂AlGaInAs量子阱（05）、非掺杂AlGaInAs上波导层（06）、非掺杂P型掺杂的AlInAs限制层（07）、非掺杂P-InP过渡层（08）、非掺杂InGaAsP光栅层（11）、非掺杂InP联接层（12）、非掺杂第一InGaAsP势垒渐变层（13）、非掺杂第二InGaAsP势垒过渡层（14）及非掺杂InGaAs 欧姆接触层（15），所述非掺杂P-InP过渡层（08）中插入有张应变的第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层（9a)和压应变的第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层（9b）。

2.根据权利要求1所述的高性能DFB激光器外延结构，其特征在于：所述第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层（9a) 厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为张应变7000-8000ppm，所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层（9b）厚度为2.5nm、波长为1100nm、应变为压应变9000-10000ppm，所述第一非掺杂InGaAsP异质结超晶格层（9a）与所述第二非掺杂InGaAsP异质结超晶格层（9b）之间设有5nm的非掺杂InP层。

Images