专利名称：双区分布布拉格反射镜半导体激光器结构和制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种双区分布布拉格反
射镜(DBR)半导体激光器的结构。
本发明还涉及上述半导体激光器的制备方法。
io
背景技术：
852nrn单模半导体激光器广泛应用于铯原子钟的光泵浦和冷却系统、 光纤通讯、遥感测量、原子物理学和光学实验研究等方面。使半导体激光 器实现单纵模工作最常用的方法有外腔结构和分布反馈(DFB)半导体激 光器/分布布拉格反射镜(DBR)半导体激光器结构，这两种方式都可以在—定范围内实现激光二极管(LD)激射波长的连续调节。对于外腔结构的 LD，通过微调光栅角度可以达到目的，但是其缺点是体积大而且光学耦合 复杂。DBR激光器是通过向增益区、相位调节区和光栅区分别注入电流进 行光增益、相位匹配和选择反射，调节相位区和光栅区的注入电流就可以 达到微调激射波长的目的。注入载流子导致无源波导区的有效折射率变化，使Bragg反射光栅的峰值波长移动，从而引起器件输出的波长改变。 DBR-LD —般通过改变注入电流的方法可以得到 10-12nm的波长连续调 节范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双区分布布拉格反射镜(DBR)半导体激 光器的结构。
本发明的又一目的在于提供制备上述半导体激光器的方法。
为实现上述目的，本发明提供的双区分布布拉格反射镜半导体激光器
的结构，其结构为
一N型电极，该N型电极上依次为
N型GaAs衬底；
N型GaAs缓冲层；
io N型AlGaAs下盖层；
非掺AlGaAs下波导层；
非掺AlGaAs下垒层；
非掺AlGalnAs有源层；
非掺AlGaAs上垒层；
is 非掺AlGaAs上波导层；
非掺GalnP光栅层；
非掺AlGaAs上盖层；
P型AlGaAs上盖层；
P型GaAs帽层；
Si02层，在P型GaAs帽层两侧的上面；
P型电极，在Si02层和P型GaAs帽层上；
绝缘沟，在P型电极上。
所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，N型
AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层中AlAs的组分可在0.3 0.6范围内 选择。
所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，非掺 5AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波导层采用普通的分离限制结构或线 性渐变的分离限制结构，该两层中的AlAs组分变化范围为0.2-0.3 0.6。
所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，非掺 AlGalnAs有源层可釆用0.65 2%的压应变。
所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，非掺光栅 io 层采用与N型GaAs衬底晶格匹配的GalnP材料。
本发明提供的制备双区分布布拉格反射镜半导体激光器的方法，其步 骤如下
A) 在N型GaAs衬底依次外延生长N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs 下盖层、非掺AlGaAs下波导层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGalnAs有
15源层、非掺AlGaAs上垒层、非掺AlGaAs上波导层和非掺GalnP光栅层；
B) 生长Si02，使用掩膜版，在Si02上刻出光栅区窗口；
C) 进行量子阱混杂；
D) 在所开窗口处露出的非掺GalnP光栅层上通过全息曝光加湿法腐
蚀的方法制备光栅； 20 E)去除Si02;
F)在非掺GalnP光栅层上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层、P 型AlGaAs上盖层和P型GaAs帽层；
G) 在P型GaAs帽层上光刻并湿法腐蚀出脊形条，保留脊形条上面 的光刻胶；
H) 生长Si02层，带胶剥离Si02层暴露出脊形条，而在脊形条外则覆
盖着Si02;
5 I)制作P型电极，蒸Ti/Au;
J)使用光刻版，刻出绝缘沟；腐蚀Au、 Ti;去掉p+掺杂GaAs欧姆接 触层；
K)减薄N型GaAs衬底，制作N型电极，蒸Au-Ge-Ni/Au; L)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。 io 所述的制备方法，其中，步骤D中光栅的湿法腐蚀采用HBr-HN03-H20
或Br2-HBr -&0腐蚀液。
所述的制备方法，其中，步骤G中脊形条的湿法腐蚀采用 H2S04-H20rH20或H3P04-H2CVCH30H腐蚀液。
所述的制备方法，其中，N型AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层 15中AlAs的组分在0.3 0.6范围内选择。
所述的制备方法，其中，非掺AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波 导层采用分离限制结构或线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围 为0.2曙0.3 0.6。
所述的制备方法，其中，非掺AlGalnAs有源层采用0.65% 2%的压
20 应变。
所述的制备方法，其中，非掺光栅层采用与N型GaAs衬底晶格匹配 的GalnP材料。
本发明使用了工艺相对三区DBR-LD简单一些的双区结构，即只有增 益区和光栅区，舍去了相位区。
本发明技术方案的有益效果是
1)采用双区结构，简化了制作工艺；
2)改变光栅区电流可以实现波长的调节。
图1是本发明双区分布布拉格反射镜(DBR)半导体激光器的结构示
意图；其中图la为激光器的截面视图，图lb为激光图的纵向视图2是该器件的P-I-V曲线。
图3是该器件的激射光谱图；其中图3a为器件激射后(150mA)的 光谱图；图3b为光栅区加电流的光谱图。
具体实施例方式
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说
明如后。
如图la和图lb所示，本发明双区分布布拉格反射镜(DBR)半导体 激光器的结构为
一N型电极1，该N型电极1上依次为 20 N型GaAs衬底2;
N型GaAs缓冲层3; N型AlGaAs下盖层4;非掺AlGaAs下波导层5;
非掺AlGaAs下垒层6;
非掺AlGalnAs有源层7;
非掺AlGaAs上垒层8; 5 非掺AlGaAs上波导层9;
非掺GalnP光栅层10;
非掺AlGaAs上盖层11;
P型AlGaAs上盖层12;
P型GaAs帽层13; io Si02层14，在P型GaAs帽层13两侧的上面；
P型电极15，在Si02层14和P型GaAs帽层13上；
绝缘沟16，在P型电极15上。
本实施例的分布布拉格反射镜(DBR)半导体激光器结构包括由蒸 Ti/Pt/Au制作的N型电极1，由蒸Aii"Ge-Ni/Au制作的P型电极15， 二者的
15 功能在于使外加电流注入到器件中；N型GaAs衬底2; N型GaAs缓冲层3， 其作用在于减少由于直接将结构生长在衬底2上所产生的缺陷，从而提高 器件的质量；N型AlGaAs下盖层4禾QP型AlGaAs上盖层12，其中AlAs的组 分选择为0.4(即AlGaAs中AlAs组分和GaAs组分比为40。/。，以下相同)， 是考虑到一方面可以提供足够的光和载流子限制的功效，另一方面避免过
20 高的AlAs的组分易于氧化，从而给材料生长带来困难；非掺AlGaAs下波 导层5和非掺AlGaAs上波导层9， 二者构成线性渐变分离限制结构，其中 非掺AlGaAs下波导层5中AlAs组分由0.4线性渐变到0.2，非掺AlGaAs下
垒层6中AlAs组分由0.2线性渐变到0.4，线性渐变分离限制结构相较于 普通的分离限制结构来说能够对光和载流子提供更好的限制，从而可以更 好的减少光损耗和降低阈值电流；非掺AlGaAs下垒层6和非掺AlGaAs上 垒层8， AlAs的组分选择为0.2，其效果在于将载流子限制在有源区内，
5若AlAs的组分过低，则对载流子的限制作用变差，从而会使载流子更容易 泄漏到相应的少子区，使器件性能变差，这种情况在温度升高时更严重； 非掺AlGalnAs有源层7，采用0.65%的压应变(该压应变是AlGalnAs和衬 底GaAs的晶格常数的差值与衬底GaAs的晶格常数的比值)，PL谱峰在 845-855nm范围内。其功效是用来形成光增益，AlGalnAs有源层相较于无
io 应变的GaAs有源层来说具有如微分增益高，厚度和A1/In组分可独立调节 等特点，之所以没有采用更高的压应变，是为了降低材料生长的难度；非 掺GalnP光栅层10，采用与N型GaAs衬底2晶格匹配的GalnP材料，光栅 层采用无铝的GalnP材料作用在于克服了含铝光栅易氧化带来的问题；非 掺AlGaAs盖层11, AlAs的组分选择为0.2，与非掺GalnP光栅层10形成折
15 射率的差异，从而达到对产生的光反馈的目的；P型GaAs帽层13; Si0214 用于限制电流；绝缘沟16用于限制电流。
本实施例的分布布拉格反射镜(DBR)半导体激光器制作方法包括 A)采用外延工艺金属有机化学气相沉积方法在N型GaAs衬底2上 依次外延生长N型GaAs缓冲层3，其作用在于减少由于直接将结构生长
20 在N型GaAs衬底2上所产生的缺陷，从而提高器件的质量；N型AlGaAs 下盖层4， AlAs的组分选择为0.4;非掺AlGaAs下波导层5， AlAs组分 由0.4线性渐变到0.2;非掺AlGaAs下垒层6， AlAs的组分选择为0.2;非掺AlGalnAs有源层7，采用0.65%的压应变，PL谱峰在845-855nm范 围内。其功效是用来形成光增益，AlGalnAs有源层相较于无应变的GaAs 有源层来说具有如微分增益高，厚度和Al/In组分可独立调节等特点，之 所以没有采用更高的压应变，是为了降低材料生长的难度；非掺AlGaAs
上垒层8， AlAs的组分选择为0.2，其与非掺AlGaAs下垒层6的作用在 于将载流子限制在有源区内，若AlAs的组分过低，则对载流子的限制作 用变差，从而会使载流子更容易泄漏到相应的少子区，使器件性能变差， 这种情况在温度升高时更严重；非掺AlGaAs上波导层9， AlAs组分由0.2 线性渐变到0.4，其与非掺AlGaAs下波导层5 二者构成线性渐变分离限制
结构，线性渐变分离限制结构相较于普通的分离限制结构来说能够对光和 载流子提供更好的限制，从而可以更好的减少光损耗和降低阈值电流的作 用；非掺GalnP光栅层10，采用与N型GaAs衬底2晶格匹配的GalnP 材料，光栅层采用无铝的GalnP材料作用在于克服了含铝光栅易氧化带来 的问题；
B)生长100nmSiO2，使用掩膜版，在非掺GalnP光栅层10上刻出光
栅区窗口；
C) Si离子注入，进行量子阱混杂；
D) 在所开窗口处露出的非掺GalnP光栅层10上通过全息曝光加湿法 腐蚀的方法制备光栅，其中光栅的湿法腐蚀采用体积比为HBr-HNCb-H20
腐蚀液，腐蚀得到周期为252nm的光栅，如图2所示；
E) 去除Si02;
F) 在非掺GalnP光栅层10上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层11， AlAs的组分选择为0.2，与非掺GalnP光栅层IO形成折射率的差异， 从而达到对产生的光反馈的目的；P型AlGaAs上盖层12， AlAs的组分选 择为0.4，其与N型AlGaAs下盖层4的功能是提供足够的光和载流子限 制；P型GaAs帽层13;
G)在P型GaAs帽层13上光刻并湿法腐蚀出脊形条，其作用在于保证器件单侧模工作，脊形条的湿法腐蚀采用体积比为112504:11202:1120=1:8:40 腐蚀液。保留脊形条上面的光刻胶；
H)生长200nm SiCb层14，带胶剥离Si02层14暴露出脊形条，而在 脊形条外则覆盖着Si02，其作用在于限制电流；
I)制作P型电极15，蒸Ti/Au;
J)使用光刻版，刻出20nm绝缘沟；KI溶液腐蚀Au; H2S04:H20=1:1 溶液，9(TC腐蚀Ti;腐蚀去掉200nm厚的p+掺杂GaAs欧姆接触层13;
K)减薄N型GaAs衬底2，制作N型电极1 ，蒸Au-Ge-Ni/Au;
L)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。
本实施例制备的器件P-I-V曲线如图2所示。在室温脉冲激励下激射，阈值电流150mA，脉冲峰值光功率达到6mW (如图3a所示)。在光栅区 加20mA正向电流时其峰值模式有0.65nm移动(如图3b所示)。激射后的 光谱虽然不是单纵模，随着所制备的光栅质量的提高此问题能够得到解 决。
权利要求
1、一种双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其结构为一N型电极，该N型电极上依次为N型GaAs衬底；N型GaAs缓冲层；N型AlGaAs下盖层；非掺AlGaAs下波导层；非掺AlGaAs下垒层；非掺AlGaInAs有源层；非掺AlGaAs上垒层；非掺AlGaAs上波导层；非掺GaInP光栅层；非掺AlGaAs上盖层；P型AlGaAs上盖层；P型GaAs帽层；SiO2层，在P型GaAs帽层两侧的上面；P型电极，在SiO2层和P型GaAs帽层上；绝缘沟，在P型电极上。
2、根据权利要求1所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，N型AlGaAs下盖层和P型AlGaAs上盖层中AlAs的组分可在 0.3 0.6范围内选择。
3、根据权利要求1所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，非掺AlGaAs下波导层和非掺AlGaAs上波导层釆用普通的分 离限制结构或线性渐变的分离限制结构，该两层中的AlAs组分变化范围 为0.2-0.3 0.6。
4、根据权利要求1所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构，其中，非掺AlGalnAs有源层可采用0.65 2%的压应变。
5、 根据权利要求1所述的双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结 构，其中，非掺光栅层采用与N型GaAs衬底晶格匹配的GalnP材料。
6、 制备权利要求1所述双区分布布拉格反射镜半导体激光器的方法， 其步骤如下A) 在N型GaAs衬底依次外延生长N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs 下盖层、非掺AlGaAs下波导层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGalnAs有 源层、非掺AlGaAs上垒层、非掺AlGaAs上波导层和非掺GalnP光栅层；B) 生长Si02，使用掩膜版，在Si02上刻出光栅区窗口； C)进行量子阱混杂；D) 在所开窗口处露出的非掺GalnP光栅层上通过全息曝光加湿法腐 蚀的方法制备光栅；E) 去除SiOr，F) 在非掺GalnP光栅层上二次外延依次生长非掺AlGaAs上盖层、P型AlGaAs上盖层和P型GaAs帽层；G) 在P型GaAs帽层上光刻并湿法腐蚀出脊形条，保留脊形条上面 的光刻胶；H) 生长SiCb层，带胶剥离Si02层暴露出脊形条，而在脊形条外则覆 盖着Si02;I) 制作P型电极，蒸Ti/Au;J)使用光刻版，刻出绝缘沟；腐蚀Au、 Ti;去掉p+掺杂GaAs欧姆接5 触层；K)减薄N型GaAs衬底，制作N型电极，蒸Au-Ge-Ni/Au; L)划片，解理成条，镀膜，解理管芯，烧结完成激光器的制作。
7、根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤D中光栅的湿法腐蚀采用HBr-HN03-H20或Br2-HBr -1120腐蚀液。 io
8、根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤G中脊形条的湿法腐蚀采用H2SCVH20rH20或H3P04-H202-CH30H腐蚀液。
9、 根据权利要求6所述的制备方法，其中，N型AlGaAs下盖层和P 型AlGaAs上盖层中AlAs的组分在0.3 0.6范围内选择。
10、 根据权利要求6所述的制备方法，其中，非掺AlGaAs下波导层 15和非掺AlGaAs上波导层采用分离限制结构或线性渐变的分离限制结构，AlAs组分变化范围为0.2-0.3 0.6。
11、 根据权利要求6所述的制备方法，其中，非掺AlGalnAs有源层 采用0.65% 2%的压应变。
12、 根据权利要求6所述的制备方法，其中，非掺光栅层采用与N型 20GaAs衬底晶格匹配的GalnP材料。
全文摘要
一种双区分布布拉格反射镜半导体激光器的结构和制备方法，使用了工艺相对三区DBR-LD简单一些的双区结构，即只有增益区和光栅区，舍去了相位区，其结构由N型电极、N型GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、N型AlGaAs下盖层、非掺AlGaAs下波导层、非掺AlGaAs下垒层、非掺AlGaInAs有源层、非掺AlGaAs上垒层、非掺AlGaAs上波导层、非掺GaInP光栅层、非掺AlGaAs上盖层、P型AlGaAs上盖层、P型GaAs帽层、SiO<sub>2</sub>层、P型电极、绝缘沟组成。本发明的制备方法包括材料生长和后工艺制作。
文档编号H01S5/125GK101197490SQ20061016488
公开日2008年6月11日 申请日期2006年12月7日 优先权日2006年12月7日
发明者付生辉, 宋国锋, 源 钟, 陈良惠 申请人:中国科学院半导体研究所