一种高温工作的DFB激光器及外延结构生长方法转让专利
申请号 : CN202011414249.9
文献号 : CN112531460B
文献日 : 2021-11-02
发明人 : 单智发 , 张永 , 姜伟 , 陈阳华
申请人 : 全磊光电股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种高温工作的DFB激光器,所述DFB激光器的外延结构包括InP衬底(000),在InP衬底(000)由下向上依次设置有缓冲层(001)、光栅层(002)、下限制层(003)、下波导层(004)、量子阱(005)、上波导层(006)、电子阻挡层(007)、腐蚀阻挡层(008)、脊波导层(009)、势垒渐变层(010)、(011)和欧姆接触层(012),其特征在于,所述腐蚀阻挡层(008)为AlGaInAs腐蚀阻挡层,所述电子阻挡层(007)为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料形成超晶格,其中As组分满足下述公式:,且0.7
2.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器,其特征在于:电子阻挡层(007)中AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料采用MBE生长。
3.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器,其特征在于:由三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料形成超晶格为三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料层与AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料层依次交替生长形成。
4.根据权利要求3所述的一种高温工作的DFB激光器,其特征在于:所述三元组分的AlAs0.56Sb0.44材料层、AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料层的厚度不大于3nm。
5.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器,其特征在于:所述腐蚀阻挡层(008)采用AlGaInAs,其波长范围为1250‑1280nm。
6.根据权利要求1所述的一种高温工作的DFB激光器,其特征在于:所述DFB激光器的外延结构包括InP衬底(000),在InP衬底(000)由下向上依次设置为N‑InP缓冲层(001)、N‑InGaAsP光栅层(002)、N‑AlInAs下限制层(003)、N‑AlGaInAs下波导层(004)、AlGaInAs量子阱(005)、P‑AlGaInAs上波导层(006)、AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格电子阻挡层(007)、AlGaInAs腐蚀阻挡层(008)、脊波导层(009)、InGaAsP势垒渐变层(010)、(011)和InGaAs欧姆接触层(012)。
7.一种高温工作的DFB激光器外延结构生长方法,其特征在于,其包括如下步骤:
1)以InP作为生长衬底,放入到的MOCVD 系统中生长依次生长缓冲层、光栅层,生长完的外延片随后取出,采用全息光刻或电子束光刻的方式形成光栅;
2)对外延片清洗后,放入到MBE外延炉中,生长MQW有源层,首先沉积InP层直到完全覆盖光栅层,并生长InP层至所需厚度,然后依次生长下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、AlGaInAs腐蚀阻挡层;
3)从MBE外延炉取出的外延片立即再放入到MOCVD腔体中,先升温脱氧,然后降温到生长InP二次外延层,以及InGaAsP势垒过渡层,InGaAs欧姆接触层等,即形成完整的DFB的外延结构。
8.根据权利要求7所述的高温工作的DFB激光器外延结构生长方法,其特征在于,在步‑6
骤2)中,MBE外延炉真空度小于1×10 Torr,在进行生长时,首先升高温度到约500℃沉积InP层到完全覆盖光栅层,然后升温到620度生长InP层至所需厚度,然后依次生长下限制层N‑AlInAs、下波导层N‑AlGaInAs、量子阱AlGaInAs、上波导层P‑AlGaInAs,接着温度降至550度生长电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、腐蚀阻挡层AlGaInAs。
9.根据权利要求7所述的高温工作的DFB激光器外延结构生长方法,其特征在于,步骤
2)中电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格通过AlAs0.56Sb0.44材料层与
2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层依次交替生长。
10.根据权利要求9所述的高温工作的DFB激光器外延结构生长方法,其特征在于,电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格采用550℃低温生长先生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料,再生长2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料,再交替生长3nm的AlAs0.56Sb0.44和
2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料,循环6次,总厚度约30nm。
说明书 :
一种高温工作的DFB激光器及外延结构生长方法
技术领域
背景技术
部建立起布拉格光栅,依靠光的分布反馈实现单纵模的选择,具有高速、窄线宽及动态单纵
模工作特性,且DFB激光器能在更宽的工作温度与工作电流范围内抑制普通FP激光器的模
式跳变,极大地改善器件的噪声特性。DFB激光器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50Gb/s以上,然而在高温下,
激光器有源区的载流子泄露严重,且过量的热的声子易把载流子踢出量子阱区,导致DFB激
光器在高温下功率下降。
阱的概率;2)采用侧向掩埋异质结减小电流和载流子泄露;3)电子阻挡层采用带隙材料,减
小高温下载流子从MQW中跃迁到P型层的概率;4)合理设计光栅的kappa值;5)减小激光器的
欧姆接触电阻,减小结区热量累积。
InGaAsP量子阱增益谱的温度漂移系数小的特点来实现激光器宽温度范围内的单模工作,
同时引入具有吸收特性的长波长光栅层来增加光栅对FP模式增益的吸收,进一步抑制FP起
振,从而实现宽温度工作的单模激光器芯片。发明专利CN110535032A在芯片表面蒸镀高热
导率材料,芯片散热佳,高温特性好,有利于工作在宽温度范围。
比于常温工作更容易跃迁出阱,从而导致高温时载流子浓度下降,高温功率下降。为了提升
激光器的高温工作功率,一般会在激光器P型侧采用宽禁带的AlInAs材料作为电子阻挡层。
与InP匹配的AlInAs材料的禁带宽度约为1.45eV,AlGaInAs限制层材料的禁带宽度约为
1.2eV,AlInAs电子阻挡层与AlGaInAs MQW之间具有较高的导带带阶,限制载流子跃迁出
阱,极大的改善了激光器的高温特性,但高温电子依然有较大的概率跃迁出MQW,导致高温
下激光器功率下降。
发明内容
冲层、光栅层、下限制层、下波导层、量子阱、上波导层、电子阻挡层、腐蚀阻挡层、脊波导层、
势垒渐变层和欧姆接触层,所述电子阻挡层为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分
的AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料形成超晶格,其中As组分满足下述公式:
替生长形成。
阱、P‑AlGaInAs上波导层、AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格电子阻挡
层、AlGaInAs腐蚀阻挡层、脊波导层、InGaAsP势垒渐变层和InGaAs欧姆接触层。
导层、电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、腐蚀阻挡层;
的外延结构。
后依次生长下限制层N‑AlInAs、下波导层N‑AlGaInAs、量子阱AlGaInAs、上波导层P‑
AlGaInAs,接着温度降至550度生长电子阻挡层的AlAs0.56Sb0.44/
Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、腐蚀阻挡层AlGaInAs。
的AlAs0.56Sb0.44和2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料,循环6次,总厚度约30nm。
阱有源区的几率,另一方面利用超晶格降低价带势垒,有利于空穴注入到有源区,可有效改
善激光器的高温特性,本发明的DFB激光器能工作在‑40~115℃的温度范围正常工作。
附图说明
具体实施方式
全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结
构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中,提供许
多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而,本领域技术人员将意识到,可
以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多,或者可以采用其它的方
法、组元、装置、步骤等。在其它情况下,不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而
使得本发明的各方面变得模糊。
波导层004、量子阱005、上波导层006、电子阻挡层007、腐蚀阻挡层008、脊波导层009、势垒
渐变层010、011和欧姆接触层012。
此本专利中电子阻挡层007为采用三元组分的AlAs0.56Sb0.44与四元组分的AlxGa(1‑x)
AsySb(1‑y)材料形成超晶格。四元组分的AlxGa(1‑x)AsySb(1‑y)材料中0.7
的不互溶隙(miscibility gap),在不互溶隙内的材料处于亚稳态,容易发生分解,形成稳
定的两相或三相结构,造成材料质量严重下降。因此,本发明中电子阻挡层007应采用MBE生
长。
AlGaInAs下波导层004、AlGaInAs量子阱005、P‑AlGaInAs上波导层006、AlAs0.56Sb0.44/
Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格电子阻挡层007、AlGaInAs腐蚀阻挡层008、脊波导层
009、InGaAsP势垒渐变层010、011和InGaAs欧姆接触层012。其中电子阻挡层的
AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格通过AlAs0.56Sb0.44材料层与
2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层依次交替生长,每层AlAs0.56Sb0.44材料层或
2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层的厚度不答应3nm,腐蚀截止层008采用AlGaInAs材料,其
波长范围为1250‑1280nm。
后在取出外延片,旋涂光刻胶,利用全息光刻或电子束光刻的方法形成图形,并采用化学湿
法腐蚀的方法形成光栅。
10 Torr。升高温度到约550℃,沉积InP层直到完全覆盖光栅层,然后升温到620℃生长InP
缓冲层001至所需厚度,然后依次生长下限制层003、下波导层004、量子阱005、上波导层
006、电子阻挡层007、腐蚀阻挡层008。把腐蚀截止层008生长完成的外延片再次放入到
MOCVD设备中,先采用低温约550℃生长InP脊波导层009层,约200nm后再620℃生长至所需
厚度,然后依次生长势垒渐变010、011和欧姆接触层012。即形成本发明结构的DFB激光器外
延片。外延片生长完成后,采用公知的光刻、刻蚀、镀膜、解理工艺,即形成本发明结构的DFB
激光器芯片。
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001,N‑InGaAsP光栅层002。InGaAsP光栅层002的厚度为40nm。生长完的外
延片随后取出,采用全息光刻或电子束光刻的方式形成光栅,光栅周期为203nm,深度为
40nm。
InP层至所需厚度,然后依次生长N‑AlInAs下限制层003、N‑AlGaInAs下波导层004、
AlGaInAs量子阱005、P‑AlGaInAs上波导层006,然后温度降至550度生长电子阻挡层007的
AlAs0.56Sb0.44/Al0.75Ga0.25As0.56Sb0.44超晶格、AlGaInAs腐蚀阻挡层008。
在生长完P‑AlGaInAs上波导层006,直接降温到550℃,先生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料
层,再生长2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层,再交替生长3nm的AlAs0.56Sb0.44材料层和
2nmAl0.75Ga0.25As0.56Sb0.44材料层,循环6次,总厚度约30nm。腐蚀截止层采用AlGaInAs,其波
长范围为1250‑1280nm。
升温到680℃脱氧,然后降温到620℃生长InP二次外延层,以及波长为1300nm和1500nm的
InGaAsP势垒渐变层010、011,InGaAs欧姆接触层012等,即形成完整的DFB的外延结构。
高反射薄膜(90%反射率),另一端蒸镀低反射膜(0.1%反射率),即完成DFB激光器芯片的
制作。
晶格降低价带势垒,有利于空穴注入到有源区,可有效改善激光器的高温特性,本发明的
DFB激光器能工作在‑40~115℃的温度范围正常工作。
此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明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,仍应由本发明的权利要求所涵盖。