專利名稱：雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)和制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙區(qū)分布布拉格反
射鏡(DBR)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還涉及上述半導(dǎo)體激光器的制備方法。
io
背景技術(shù)：
852nrn單模半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于銫原子鐘的光泵浦和冷卻系統(tǒng)、 光纖通訊、遙感測量、原子物理學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等方面。使半導(dǎo)體激光 器實(shí)現(xiàn)單縱模工作最常用的方法有外腔結(jié)構(gòu)和分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激 光器/分布布拉格反射鏡(DBR)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，這兩種方式都可以在—定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光二極管(LD)激射波長的連續(xù)調(diào)節(jié)。對于外腔結(jié)構(gòu)的 LD，通過微調(diào)光柵角度可以達(dá)到目的，但是其缺點(diǎn)是體積大而且光學(xué)耦合 復(fù)雜。DBR激光器是通過向增益區(qū)、相位調(diào)節(jié)區(qū)和光柵區(qū)分別注入電流進(jìn) 行光增益、相位匹配和選擇反射，調(diào)節(jié)相位區(qū)和光柵區(qū)的注入電流就可以 達(dá)到微調(diào)激射波長的目的。注入載流子導(dǎo)致無源波導(dǎo)區(qū)的有效折射率變化，使Bragg反射光柵的峰值波長移動，從而引起器件輸出的波長改變。 DBR-LD —般通過改變注入電流的方法可以得到 10-12nm的波長連續(xù)調(diào) 節(jié)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙區(qū)分布布拉格反射鏡(DBR)半導(dǎo)體激 光器的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一目的在于提供制備上述半導(dǎo)體激光器的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器
的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為
一N型電極，該N型電極上依次為
N型GaAs襯底；
N型GaAs緩沖層；
io N型AlGaAs下蓋層；
非摻AlGaAs下波導(dǎo)層；
非摻AlGaAs下壘層；
非摻AlGalnAs有源層；
非摻AlGaAs上壘層；
is 非摻AlGaAs上波導(dǎo)層；
非摻GalnP光柵層；
非摻AlGaAs上蓋層；
P型AlGaAs上蓋層；
P型GaAs帽層；
Si02層，在P型GaAs帽層兩側(cè)的上面；
P型電極，在Si02層和P型GaAs帽層上；
絕緣溝，在P型電極上。
所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，N型
AlGaAs下蓋層和P型AlGaAs上蓋層中AlAs的組分可在0.3 0.6范圍內(nèi) 選擇。
所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，非摻 5AlGaAs下波導(dǎo)層和非摻AlGaAs上波導(dǎo)層采用普通的分離限制結(jié)構(gòu)或線 性漸變的分離限制結(jié)構(gòu)，該兩層中的AlAs組分變化范圍為0.2-0.3 0.6。
所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，非摻 AlGalnAs有源層可釆用0.65 2%的壓應(yīng)變。
所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，非摻光柵 io 層采用與N型GaAs襯底晶格匹配的GalnP材料。
本發(fā)明提供的制備雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的方法，其步 驟如下
A) 在N型GaAs襯底依次外延生長N型GaAs緩沖層、N型AlGaAs 下蓋層、非摻AlGaAs下波導(dǎo)層、非摻AlGaAs下壘層、非摻AlGalnAs有
15源層、非摻AlGaAs上壘層、非摻AlGaAs上波導(dǎo)層和非摻GalnP光柵層；
B) 生長Si02，使用掩膜版，在Si02上刻出光柵區(qū)窗口；
C) 進(jìn)行量子阱混雜；
D) 在所開窗口處露出的非摻GalnP光柵層上通過全息曝光加濕法腐
蝕的方法制備光柵； 20 E)去除Si02;
F)在非摻GalnP光柵層上二次外延依次生長非摻AlGaAs上蓋層、P 型AlGaAs上蓋層和P型GaAs帽層；
G) 在P型GaAs帽層上光刻并濕法腐蝕出脊形條，保留脊形條上面 的光刻膠；
H) 生長Si02層，帶膠剝離Si02層暴露出脊形條，而在脊形條外則覆
蓋著Si02;
5 I)制作P型電極，蒸Ti/Au;
J)使用光刻版，刻出絕緣溝；腐蝕Au、 Ti;去掉p+摻雜GaAs歐姆接 觸層；
K)減薄N型GaAs襯底，制作N型電極，蒸Au-Ge-Ni/Au; L)劃片，解理成條，鍍膜，解理管芯，燒結(jié)完成激光器的制作。 io 所述的制備方法，其中，步驟D中光柵的濕法腐蝕采用HBr-HN03-H20
或Br2-HBr -&0腐蝕液。
所述的制備方法，其中，步驟G中脊形條的濕法腐蝕采用 H2S04-H20rH20或H3P04-H2CVCH30H腐蝕液。
所述的制備方法，其中，N型AlGaAs下蓋層和P型AlGaAs上蓋層 15中AlAs的組分在0.3 0.6范圍內(nèi)選擇。
所述的制備方法，其中，非摻AlGaAs下波導(dǎo)層和非摻AlGaAs上波 導(dǎo)層采用分離限制結(jié)構(gòu)或線性漸變的分離限制結(jié)構(gòu)，AlAs組分變化范圍 為0.2曙0.3 0.6。
所述的制備方法，其中，非摻AlGalnAs有源層采用0.65% 2%的壓
20 應(yīng)變。
所述的制備方法，其中，非摻光柵層采用與N型GaAs襯底晶格匹配 的GalnP材料。
本發(fā)明使用了工藝相對三區(qū)DBR-LD簡單一些的雙區(qū)結(jié)構(gòu)，即只有增 益區(qū)和光柵區(qū)，舍去了相位區(qū)。
本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是
1)采用雙區(qū)結(jié)構(gòu)，簡化了制作工藝；
2)改變光柵區(qū)電流可以實(shí)現(xiàn)波長的調(diào)節(jié)。


圖1是本發(fā)明雙區(qū)分布布拉格反射鏡(DBR)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示
意圖；其中圖la為激光器的截面視圖，圖lb為激光圖的縱向視圖2是該器件的P-I-V曲線。
圖3是該器件的激射光譜圖；其中圖3a為器件激射后(150mA)的 光譜圖；圖3b為光柵區(qū)加電流的光譜圖。
具體實(shí)施例方式
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說
明如后。
如圖la和圖lb所示，本發(fā)明雙區(qū)分布布拉格反射鏡(DBR)半導(dǎo)體 激光器的結(jié)構(gòu)為
一N型電極1，該N型電極1上依次為 20 N型GaAs襯底2;
N型GaAs緩沖層3; N型AlGaAs下蓋層4;非摻AlGaAs下波導(dǎo)層5;
非摻AlGaAs下壘層6;
非摻AlGalnAs有源層7;
非摻AlGaAs上壘層8; 5 非摻AlGaAs上波導(dǎo)層9;
非摻GalnP光柵層10;
非摻AlGaAs上蓋層11;
P型AlGaAs上蓋層12;
P型GaAs帽層13; io Si02層14，在P型GaAs帽層13兩側(cè)的上面；
P型電極15，在Si02層14和P型GaAs帽層13上；
絕緣溝16，在P型電極15上。
本實(shí)施例的分布布拉格反射鏡(DBR)半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)包括由蒸 Ti/Pt/Au制作的N型電極1，由蒸Aii"Ge-Ni/Au制作的P型電極15， 二者的
15 功能在于使外加電流注入到器件中；N型GaAs襯底2; N型GaAs緩沖層3， 其作用在于減少由于直接將結(jié)構(gòu)生長在襯底2上所產(chǎn)生的缺陷，從而提高 器件的質(zhì)量；N型AlGaAs下蓋層4禾QP型AlGaAs上蓋層12，其中AlAs的組 分選擇為0.4(即AlGaAs中AlAs組分和GaAs組分比為40。/。，以下相同)， 是考慮到一方面可以提供足夠的光和載流子限制的功效，另一方面避免過
20 高的AlAs的組分易于氧化，從而給材料生長帶來困難；非摻AlGaAs下波 導(dǎo)層5和非摻AlGaAs上波導(dǎo)層9， 二者構(gòu)成線性漸變分離限制結(jié)構(gòu)，其中 非摻AlGaAs下波導(dǎo)層5中AlAs組分由0.4線性漸變到0.2，非摻AlGaAs下
壘層6中AlAs組分由0.2線性漸變到0.4，線性漸變分離限制結(jié)構(gòu)相較于 普通的分離限制結(jié)構(gòu)來說能夠?qū)夂洼d流子提供更好的限制，從而可以更 好的減少光損耗和降低閾值電流；非摻AlGaAs下壘層6和非摻AlGaAs上 壘層8， AlAs的組分選擇為0.2，其效果在于將載流子限制在有源區(qū)內(nèi)，
5若AlAs的組分過低，則對載流子的限制作用變差，從而會使載流子更容易 泄漏到相應(yīng)的少子區(qū)，使器件性能變差，這種情況在溫度升高時更嚴(yán)重； 非摻AlGalnAs有源層7，采用0.65%的壓應(yīng)變(該壓應(yīng)變是AlGalnAs和襯 底GaAs的晶格常數(shù)的差值與襯底GaAs的晶格常數(shù)的比值)，PL譜峰在 845-855nm范圍內(nèi)。其功效是用來形成光增益，AlGalnAs有源層相較于無
io 應(yīng)變的GaAs有源層來說具有如微分增益高，厚度和A1/In組分可獨(dú)立調(diào)節(jié) 等特點(diǎn)，之所以沒有采用更高的壓應(yīng)變，是為了降低材料生長的難度；非 摻GalnP光柵層10，采用與N型GaAs襯底2晶格匹配的GalnP材料，光柵 層采用無鋁的GalnP材料作用在于克服了含鋁光柵易氧化帶來的問題；非 摻AlGaAs蓋層11, AlAs的組分選擇為0.2，與非摻GalnP光柵層10形成折
15 射率的差異，從而達(dá)到對產(chǎn)生的光反饋的目的；P型GaAs帽層13; Si0214 用于限制電流；絕緣溝16用于限制電流。
本實(shí)施例的分布布拉格反射鏡(DBR)半導(dǎo)體激光器制作方法包括 A)采用外延工藝金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在N型GaAs襯底2上 依次外延生長N型GaAs緩沖層3，其作用在于減少由于直接將結(jié)構(gòu)生長
20 在N型GaAs襯底2上所產(chǎn)生的缺陷，從而提高器件的質(zhì)量；N型AlGaAs 下蓋層4， AlAs的組分選擇為0.4;非摻AlGaAs下波導(dǎo)層5， AlAs組分 由0.4線性漸變到0.2;非摻AlGaAs下壘層6， AlAs的組分選擇為0.2;非摻AlGalnAs有源層7，采用0.65%的壓應(yīng)變，PL譜峰在845-855nm范 圍內(nèi)。其功效是用來形成光增益，AlGalnAs有源層相較于無應(yīng)變的GaAs 有源層來說具有如微分增益高，厚度和Al/In組分可獨(dú)立調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，之 所以沒有采用更高的壓應(yīng)變，是為了降低材料生長的難度；非摻AlGaAs
上壘層8， AlAs的組分選擇為0.2，其與非摻AlGaAs下壘層6的作用在 于將載流子限制在有源區(qū)內(nèi)，若AlAs的組分過低，則對載流子的限制作 用變差，從而會使載流子更容易泄漏到相應(yīng)的少子區(qū)，使器件性能變差， 這種情況在溫度升高時更嚴(yán)重；非摻AlGaAs上波導(dǎo)層9， AlAs組分由0.2 線性漸變到0.4，其與非摻AlGaAs下波導(dǎo)層5 二者構(gòu)成線性漸變分離限制
結(jié)構(gòu)，線性漸變分離限制結(jié)構(gòu)相較于普通的分離限制結(jié)構(gòu)來說能夠?qū)夂?載流子提供更好的限制，從而可以更好的減少光損耗和降低閾值電流的作 用；非摻GalnP光柵層10，采用與N型GaAs襯底2晶格匹配的GalnP 材料，光柵層采用無鋁的GalnP材料作用在于克服了含鋁光柵易氧化帶來 的問題；
B)生長100nmSiO2，使用掩膜版，在非摻GalnP光柵層10上刻出光
柵區(qū)窗口；
C) Si離子注入，進(jìn)行量子阱混雜；
D) 在所開窗口處露出的非摻GalnP光柵層10上通過全息曝光加濕法 腐蝕的方法制備光柵，其中光柵的濕法腐蝕采用體積比為HBr-HNCb-H20
腐蝕液，腐蝕得到周期為252nm的光柵，如圖2所示；
E) 去除Si02;
F) 在非摻GalnP光柵層10上二次外延依次生長非摻AlGaAs上蓋層11， AlAs的組分選擇為0.2，與非摻GalnP光柵層IO形成折射率的差異， 從而達(dá)到對產(chǎn)生的光反饋的目的；P型AlGaAs上蓋層12， AlAs的組分選 擇為0.4，其與N型AlGaAs下蓋層4的功能是提供足夠的光和載流子限 制；P型GaAs帽層13;
G)在P型GaAs帽層13上光刻并濕法腐蝕出脊形條，其作用在于保證器件單側(cè)模工作，脊形條的濕法腐蝕采用體積比為112504:11202:1120=1:8:40 腐蝕液。保留脊形條上面的光刻膠；
H)生長200nm SiCb層14，帶膠剝離Si02層14暴露出脊形條，而在 脊形條外則覆蓋著Si02，其作用在于限制電流；
I)制作P型電極15，蒸Ti/Au;
J)使用光刻版，刻出20nm絕緣溝；KI溶液腐蝕Au; H2S04:H20=1:1 溶液，9(TC腐蝕Ti;腐蝕去掉200nm厚的p+摻雜GaAs歐姆接觸層13;
K)減薄N型GaAs襯底2，制作N型電極1 ，蒸Au-Ge-Ni/Au;
L)劃片，解理成條，鍍膜，解理管芯，燒結(jié)完成激光器的制作。
本實(shí)施例制備的器件P-I-V曲線如圖2所示。在室溫脈沖激勵下激射，閾值電流150mA，脈沖峰值光功率達(dá)到6mW (如圖3a所示)。在光柵區(qū) 加20mA正向電流時其峰值模式有0.65nm移動(如圖3b所示)。激射后的 光譜雖然不是單縱模，隨著所制備的光柵質(zhì)量的提高此問題能夠得到解 決。
權(quán)利要求
1、一種雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為一N型電極，該N型電極上依次為N型GaAs襯底；N型GaAs緩沖層；N型AlGaAs下蓋層；非摻AlGaAs下波導(dǎo)層；非摻AlGaAs下壘層；非摻AlGaInAs有源層；非摻AlGaAs上壘層；非摻AlGaAs上波導(dǎo)層；非摻GaInP光柵層；非摻AlGaAs上蓋層；P型AlGaAs上蓋層；P型GaAs帽層；SiO2層，在P型GaAs帽層兩側(cè)的上面；P型電極，在SiO2層和P型GaAs帽層上；絕緣溝，在P型電極上。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，N型AlGaAs下蓋層和P型AlGaAs上蓋層中AlAs的組分可在 0.3 0.6范圍內(nèi)選擇。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，非摻AlGaAs下波導(dǎo)層和非摻AlGaAs上波導(dǎo)層釆用普通的分 離限制結(jié)構(gòu)或線性漸變的分離限制結(jié)構(gòu)，該兩層中的AlAs組分變化范圍 為0.2-0.3 0.6。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，其中，非摻AlGalnAs有源層可采用0.65 2%的壓應(yīng)變。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié) 構(gòu)，其中，非摻光柵層采用與N型GaAs襯底晶格匹配的GalnP材料。
6、 制備權(quán)利要求1所述雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的方法， 其步驟如下A) 在N型GaAs襯底依次外延生長N型GaAs緩沖層、N型AlGaAs 下蓋層、非摻AlGaAs下波導(dǎo)層、非摻AlGaAs下壘層、非摻AlGalnAs有 源層、非摻AlGaAs上壘層、非摻AlGaAs上波導(dǎo)層和非摻GalnP光柵層；B) 生長Si02，使用掩膜版，在Si02上刻出光柵區(qū)窗口； C)進(jìn)行量子阱混雜；D) 在所開窗口處露出的非摻GalnP光柵層上通過全息曝光加濕法腐 蝕的方法制備光柵；E) 去除SiOr，F(xiàn)) 在非摻GalnP光柵層上二次外延依次生長非摻AlGaAs上蓋層、P型AlGaAs上蓋層和P型GaAs帽層；G) 在P型GaAs帽層上光刻并濕法腐蝕出脊形條，保留脊形條上面 的光刻膠；H) 生長SiCb層，帶膠剝離Si02層暴露出脊形條，而在脊形條外則覆 蓋著Si02;I) 制作P型電極，蒸Ti/Au;J)使用光刻版，刻出絕緣溝；腐蝕Au、 Ti;去掉p+摻雜GaAs歐姆接5 觸層；K)減薄N型GaAs襯底，制作N型電極，蒸Au-Ge-Ni/Au; L)劃片，解理成條，鍍膜，解理管芯，燒結(jié)完成激光器的制作。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，步驟D中光柵的濕法腐蝕采用HBr-HN03-H20或Br2-HBr -1120腐蝕液。 io
8、根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，步驟G中脊形條的濕法腐蝕采用H2SCVH20rH20或H3P04-H202-CH30H腐蝕液。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，N型AlGaAs下蓋層和P 型AlGaAs上蓋層中AlAs的組分在0.3 0.6范圍內(nèi)選擇。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，非摻AlGaAs下波導(dǎo)層 15和非摻AlGaAs上波導(dǎo)層采用分離限制結(jié)構(gòu)或線性漸變的分離限制結(jié)構(gòu)，AlAs組分變化范圍為0.2-0.3 0.6。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，非摻AlGalnAs有源層 采用0.65% 2%的壓應(yīng)變。
12、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，非摻光柵層采用與N型 20GaAs襯底晶格匹配的GalnP材料。
全文摘要
一種雙區(qū)分布布拉格反射鏡半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和制備方法，使用了工藝相對三區(qū)DBR-LD簡單一些的雙區(qū)結(jié)構(gòu)，即只有增益區(qū)和光柵區(qū)，舍去了相位區(qū)，其結(jié)構(gòu)由N型電極、N型GaAs襯底、N型GaAs緩沖層、N型AlGaAs下蓋層、非摻AlGaAs下波導(dǎo)層、非摻AlGaAs下壘層、非摻AlGaInAs有源層、非摻AlGaAs上壘層、非摻AlGaAs上波導(dǎo)層、非摻GaInP光柵層、非摻AlGaAs上蓋層、P型AlGaAs上蓋層、P型GaAs帽層、SiO₂層、P型電極、絕緣溝組成。本發(fā)明的制備方法包括材料生長和后工藝制作。
文檔編號H01S5/125GK101197490SQ20061016488
公開日2008年6月11日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
發(fā)明者付生輝, 宋國鋒, 源 鐘, 陳良惠 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所