專利名稱：雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器結構和制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器技術領域，特別涉及一種雙區分布布拉格反
射鏡(DBR)半導體激光器的結構。
本發明還涉及上述半導體激光器的制備方法。
io
背景技術：
852nrn單模半導體激光器廣泛應用于銫原子鐘的光泵浦和冷卻系統、 光纖通訊、遙感測量、原子物理學和光學實驗研究等方面。使半導體激光 器實現單縱模工作最常用的方法有外腔結構和分布反饋(DFB)半導體激 光器/分布布拉格反射鏡(DBR)半導體激光器結構，這兩種方式都可以在—定范圍內實現激光二極管(LD)激射波長的連續調節。對于外腔結構的 LD，通過微調光柵角度可以達到目的，但是其缺點是體積大而且光學耦合 復雜。DBR激光器是通過向增益區、相位調節區和光柵區分別注入電流進 行光增益、相位匹配和選擇反射，調節相位區和光柵區的注入電流就可以 達到微調激射波長的目的。注入載流子導致無源波導區的有效折射率變化，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的波長連續調 節范圍。

發明內容
本發明的目的在于提供一種雙區分布布拉格反射鏡(DBR)半導體激 光器的結構。
本發明的又一目的在于提供制備上述半導體激光器的方法。
為實現上述目的，本發明提供的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器
的結構，其結構為
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。
所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，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 選擇。
所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，其中，非摻 5AlGaAs下波導層和非摻AlGaAs上波導層采用普通的分離限制結構或線 性漸變的分離限制結構，該兩層中的AlAs組分變化范圍為0.2-0.3 0.6。
所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，其中，非摻 AlGalnAs有源層可釆用0.65 2%的壓應變。
所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，其中，非摻光柵 io 層采用與N型GaAs襯底晶格匹配的GalnP材料。
本發明提供的制備雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的方法，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上刻出光柵區窗口；
C) 進行量子阱混雜；
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范圍內選擇。
所述的制備方法，其中，非摻AlGaAs下波導層和非摻AlGaAs上波 導層采用分離限制結構或線性漸變的分離限制結構，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。
本發明使用了工藝相對三區DBR-LD簡單一些的雙區結構，即只有增 益區和光柵區，舍去了相位區。
本發明技術方案的有益效果是
1)采用雙區結構，簡化了制作工藝；
2)改變光柵區電流可以實現波長的調節。


圖1是本發明雙區分布布拉格反射鏡(DBR)半導體激光器的結構示
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為光柵區加電流的光譜圖。
具體實施例方式
為進一步說明本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說
明如后。
如圖la和圖lb所示，本發明雙區分布布拉格反射鏡(DBR)半導體 激光器的結構為
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。
本實施例的分布布拉格反射鏡(DBR)半導體激光器結構包括由蒸 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構生長在襯底2上所產生的缺陷，從而提高 器件的質量；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 導層5和非摻AlGaAs上波導層9， 二者構成線性漸變分離限制結構，其中 非摻AlGaAs下波導層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構相較于 普通的分離限制結構來說能夠對光和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；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內，
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 泄漏到相應的少子區，使器件性能變差，這種情況在溫度升高時更嚴重； 非摻AlGalnAs有源層7，采用0.65%的壓應變(該壓應變是AlGalnAs和襯 底GaAs的晶格常數的差值與襯底GaAs的晶格常數的比值)，PL譜峰在 845-855nm范圍內。其功效是用來形成光增益，AlGalnAs有源層相較于無
io 應變的GaAs有源層來說具有如微分增益高，厚度和A1/In組分可獨立調節 等特點，之所以沒有采用更高的壓應變，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，從而達到對產生的光反饋的目的；P型GaAs帽層13; Si0214 用于限制電流；絕緣溝16用于限制電流。
本實施例的分布布拉格反射鏡(DBR)半導體激光器制作方法包括 A)采用外延工藝金屬有機化學氣相沉積方法在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構生長
20 在N型GaAs襯底2上所產生的缺陷，從而提高器件的質量；N型AlGaAs 下蓋層4， AlAs的組分選擇為0.4;非摻AlGaAs下波導層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%的壓應變，PL譜峰在845-855nm范 圍內。其功效是用來形成光增益，AlGalnAs有源層相較于無應變的GaAs 有源層來說具有如微分增益高，厚度和Al/In組分可獨立調節等特點，之 所以沒有采用更高的壓應變，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內，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的少子區，使器件性能變差， 這種情況在溫度升高時更嚴重；非摻AlGaAs上波導層9， AlAs組分由0.2 線性漸變到0.4，其與非摻AlGaAs下波導層5 二者構成線性漸變分離限制
結構，線性漸變分離限制結構相較于普通的分離限制結構來說能夠對光和 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
柵區窗口；
C) Si離子注入，進行量子阱混雜；
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， 從而達到對產生的光反饋的目的；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，燒結完成激光器的制作。
本實施例制備的器件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，脈沖峰值光功率達到6mW (如圖3a所示)。在光柵區 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量的提高此問題能夠得到解 決。
權利要求
1、一種雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，其結構為一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、根據權利要求1所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，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范圍內選擇。
3、根據權利要求1所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，其中，非摻AlGaAs下波導層和非摻AlGaAs上波導層釆用普通的分 離限制結構或線性漸變的分離限制結構，該兩層中的AlAs組分變化范圍 為0.2-0.3 0.6。
4、根據權利要求1所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構，其中，非摻AlGalnAs有源層可采用0.65 2%的壓應變。
5、 根據權利要求1所述的雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結 構，其中，非摻光柵層采用與N型GaAs襯底晶格匹配的GalnP材料。
6、 制備權利要求1所述雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的方法， 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上刻出光柵區窗口； C)進行量子阱混雜；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) 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，燒結完成激光器的制作。
7、根據權利要求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、根據權利要求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、 根據權利要求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范圍內選擇。
10、 根據權利要求6所述的制備方法，其中，非摻AlGaAs下波導層 15和非摻AlGaAs上波導層采用分離限制結構或線性漸變的分離限制結構，AlAs組分變化范圍為0.2-0.3 0.6。
11、 根據權利要求6所述的制備方法，其中，非摻AlGalnAs有源層 采用0.65% 2%的壓應變。
12、 根據權利要求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
一種雙區分布布拉格反射鏡半導體激光器的結構和制備方法，使用了工藝相對三區DBR-LD簡單一些的雙區結構，即只有增益區和光柵區，舍去了相位區，其結構由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 優先權日2006年12月7日
發明者付生輝, 宋國鋒, 源 鐘, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所