专利名称：低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的外延片的制作方法
技术领域：
低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的外延片技术领域[0001]本实用新型涉及半导体激光器领域，尤其是发射980nm波长的低线宽F-P腔应变量子阱激光器。
背景技术：
[0002]980nm半导体激光器在通信和医疗领域有非常广泛的应用，它是掺铒光纤放大器泵浦源的窗口，也是于激光手术刀的首选波长。量子阱激光器是近些年来新发展的一种新型半导体激光器。由于其有源层厚度小于电子平均自由程，使载流子只能在有源层运动，提高了激光器的转换效率。[0003]线宽展 宽因 子(Linewidth Enhancement Factor, €1 factor)是影响半导体激光器谱线宽度的重要因素。它不仅直接影响半导体激光器的谱线宽度，而且会对激光器的模式稳定，电流调制下的啁啾，注入锁定范围、光放大系数以及光反馈效应等均会产生影响。目前文献报道的量子阱激光器线宽展宽因子测量值一般为 1-3，为了降低谱线展宽给激光器动态特性带来的影响，实现激光器窄线宽输出，需要一种低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器。[0004]目前窄线宽半导体激光器主要有分布反馈激光器(DFB)、分布布拉格反馈激光器 (DBR)和光栅外腔激光器，这三种激光器确实实现了低线宽的输出，但是这三种激光器有着共同的难点就是腔面加工工艺复杂[王丽丽、任建华、赵同刚、徐大雄、饶岚、吴炜、郭永新 2005激光技术29 4][江剑平2000半导体激光器(北京电子工业出版社)第125页 ]。而对于F-P腔应变量子阱激光器，其制作方法已经较为成熟，但普通的980nm F-P腔应变量子阱激光器线宽较宽，普通的980nm F-P腔应变量子阱激光器的结构如图I所示21为衬底层，材料为GaAs ；22为缓冲层，厚度为300nm，材料为N型GaAs ；23为η型下限制层， 厚度为1400nm，材料为Ala5Gaa5As ；24为渐变层，厚度为200nm，材料为AltlIa5Gam5 As ； 25为垒层，厚度为20nm，材料为GaAs ；26为有源层，厚度为7nm，材料为Ina2Gaa8As ；27为垒层，厚度为20nm，材料为GaAs ；28渐变层，厚度为200nm，材料为Al0.5_0.2Ga0.5_0.8 As ；29为限制层，厚度为1400nm，材料为Ala5Gaa5As ；30为欧姆接触层，厚度为200nm，材料为GaAs。根据公式==Δα为线宽，^为中心波长，为对应的频率宽2~c/"度，C为光速，经过计算此激光器角频率对应线宽为=2155GHz，线宽较宽。发明内容[0005]为了解决现有980nm F-P腔应变量子阱激光器线宽存在的问题，本实用新型提供了一种低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的外延片。[0006]本实用新型包括顺序连接的GaAs衬底层、缓冲层、过渡层、η型下限制层、下波导层、下势垒层、有源层、上势垒层、上波导层、P型上限制层和欧姆接触层。[0007]本实用新型以InxGa7_xAs材料作为量子阱结构的有源层，以GaAs材料作为势垒层， 通过优化设计有源层7厚度以及材料组分，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子降到最低。参见图6，线宽展宽因子大小约为 0，从而使线宽从一般的量子阱激光器的2155GHz降到了 2GHz。有效降低了 980nm F-P腔量子阱激光器的光谱宽度，改善了量子阱激光器光束的质量。[0008]本实用新型衬底层的材料为GaAs ;缓冲层的厚度为lOOnm，材料为掺杂Si浓度为lX1018cm-3的GaAs。过渡层的厚度为300nm，材料为掺杂Si浓度为lX1018cm_3的 AlxGal-xAs,其中x为O. 3 O. 7。η型下限制层的厚度为1500nm,材料为掺杂Si浓度为 lX1018cm-3的A10. 7GaO. 3As。下波导层的厚度为lOOnm，材料为A10. 3GaO. 7As。下势垒层的厚度为20nm，材料为GaAs。有源层，厚度为8nm，采用InxGal-xAs应变材料，χ=0· 196。 上势垒层的厚度为20nm，材料为GaAs。上波导层的厚度为lOOnm，材料为A10. 3GaO. 7As. p 型上限制层的厚度为1500nm，材料为掺杂Zn浓度为IX 1018cm_3的A10. 7GaO. 3As。欧姆接触层的厚度为300nm，材料为掺杂Zn浓度为I X 1019cm-3的GaAs。[0009]本实用新型可采用AIXTR0N公司生产的金属有机化物气相外延(MOCVD)设备，完成上述工艺步骤后，通过等离子体增强化学气相外延技术生长IOOnm的Si02介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P-型电极窗口(宽度为JOCkmi)，再热蒸镀Au/Zn/Au，形成P-型欧姆接触电极。N面化学减薄至约IOOum厚度后蒸发AuGeNi,形成N-型欧姆接触层。合金温度为420+sC ,合金气氛为氢气。经过解理形成腔长为Imm的激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，完成一种低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器。[0010]本实用新型可应用于光学测量、固体激光器泵浦、激光光谱学、医疗研究等领域。[0011]本实用新型的有益效果以InrGahAs材料作为量子阱结构的有源层，以GaAs材料作为势垒层，通过优化设计有源层7厚度以及材料组分，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子降到最低，实现了低线宽因子，进而降低线宽。有效降低了量子阱激光器的光谱宽度，改善了量子阱激光器光束的质量。本实用新型低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的有源层为InxGa7_xAs材料， x=0. 196，阱宽厚度为8nm,中心波长/. =980nm, a =-0. 00027，经计算得到线宽2GHz，线宽较已有的的量子阱激光器线宽(2155GHz)降低了 3个数量级。本实用新型是从激光器外延结构和材料着手进行窄线宽设计的，所以，以上只是针对F-P腔半导体激光器的比对，不与具有光栅结构的分布反馈激光器(DFB)、分布布拉格反馈激光器(DBR)和外腔激光器比较。
[0012]图I为普通的980nm F-P腔应变量子阱激光器结构示意图。图2为本实用新型的低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器结构示意图。[0014]图 3为InGaAs/GaAs量子讲能带结构示意图。[0015]图4为980nm量子阱激光器阱宽和In组分的关系图。图5为a因子随980nm量子阱激光器阱宽变化趋势图。图6为a因子随980nm量子阱激光器In组分变化趋势图。[0018]图7为〃因子随随980nm量子阱激光器阱宽和In组分三维变化趋势图。
具体实施方式
[0019]一、制备外延片[0020]本实用新型采用AIXTR0N公司生产的金属有机化物气相外延(MOCVD)设备，加工步骤如下[0021]I)以(100)偏向〈111〉方向15度的GaAs为衬底，通入SiH4，生长GaAs缓冲层的厚度达到IOOnm ；[0022]2)在GaAs缓冲层上生长过渡层，材料为AlxGahAs,其中，为O. 3 O. 7，过渡层的生长厚度为300nm，生长时通入SiH4，本外延层的Si掺杂浓度为I X IO18CnT3 ；[0023]3)在过渡层上，以Ala7Gaa3As为材料,生长η型下限制层，生长厚度为1500nm,生长时通入SiH4，本外延层的Si掺杂浓度为IX IO18CnT3 ；[0024]4)在η型下限制层上生长厚度为IOOnm的下波导层,材料为Ala3Gaa7As,生长时通入SiH4，本外延层的Si掺杂浓度为IX IO18CnT3 ；[0025]5)在下波导层上，以GaAs材料生长厚度为20nm的下势垒层；[0026]6)在下势垒层上，采用InxGahAs应变材料，其中z=0. 196，设定InGaAs生长温度为610。。，V /III比为100，厚度为8nm的有源层；[0027]7)在有源层上，以GaAs材料生长厚度为20nm的上势垒层；[0028]8)在上势垒层上，生长厚度为IOOnm的上波导层，材料为Ala3Gaa7As ；[0029]9)在上波导层上，以Ala7Gaa3As为材料，生长厚度为1500nm的p型上限制层，生长时通入DEZn，本外延层的Zn掺杂浓度为IX IO18CnT3 ；[0030]10)在P型上限制层上，以GaAs为材料，生长厚度为300nm的欧姆接触层，生长时通入DEZn，本外延层的Zn掺杂浓度为IX 1019cnT3。[0031]二、制备低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器[0032]通过等离子体增强化学气相外延技术生长IOOnm的SiO2介质膜，再经过常规的光刻、腐蚀工艺形成P-型电极窗口(宽度为200urn)-再热蒸镀Au/Zn/Au，形成P-型欧姆接触电极。N面化学减薄至约I00uni厚度后蒸发AuGeNi，形成N-型欧姆接触层。合金温度为，合金气氛为氢气。经过解理形成腔长为Imm的激光器芯片，再将芯片烧结到热沉上，经过引线，完成低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器。[0033]三、外延片结构特点[0034]如图2所示顺序连接的GaAs衬底层I、缓冲层2、过渡层3、η型下限制层4、下波导层5、下势垒层6、有源层7、上势垒层8、上波导层9、P型上限制层10和欧姆接触层11。[0035]衬底层I的材料为GaAs ;缓冲层2的厚度为lOOnm，材料为掺杂Si浓度为 I X IO18CnT3的GaAs。过渡层3的厚度为300nm，材料为掺杂Si浓度为I X IO18CnT3的 AlrGanAs,其中z为O. 3 O. 7。η型下限制层4的厚度为1500nm，材料为掺杂Si浓度为 IX IO18CnT3的Al0 7Ga0 3Aso下波导层5的厚度为lOOnm，材料为Al。.3GaQ.7As。下势鱼层6的厚度为20nm，材料为GaAs。有源层7的厚度为8nm，为InxGahAs应变材料，ζ=0· 196。上势垒层8的厚度为20nm，材料为GaAs。上波导层9的厚度为lOOnm，材料为AlQ.3GaQ.7AS。p型5上限制层10的厚度为1500nm，材料为掺杂Zn浓度为IX IO18CnT3的Ala7Gaa3As15欧姆接触层11的厚度为300nm，材料为掺杂Zn浓度为I X IO19CnT3的GaAs。[0036]衬底I采用η型GaAs材料，用于在其上进行激光器各个层的外延生长。[0037]缓冲层2采用η型GaAs材料，制作在衬底层I上。该层作用是生长出缺陷少的外延层，减小衬底与其他层之间的应力，以生长出高质量的外延层表面，其中掺入了 Si杂质， 掺杂浓度为I X 1018cm_3。(此处“掺杂浓度为I X 1018cm_3”是指在Si与GaAs材料形成的混合体中，Si作为杂质，Si的含量占混合体总量的lX1018cnT3。以下所有对于掺杂浓度的描述都与此类同。)[0038]过渡层3采用的材料为AlxGahAs, Al组分z从O. 3变化到O. 7，制作在缓冲层2 上，其目的是降低缓冲层2和η型下限制层4之间的应力，减少生长材料的缺陷，其中掺杂浓度为I X IO18CnT3，掺入Si杂质。[0039]N型下限制层4采用Ala 7Ga0.3As材料，制作在过渡层3上，其目的是抑制激光器横模向衬底层I和缓冲层2的传播，减少光能损耗，同时也起到了限制载流子扩散的作用，降低了阈值电流。其中掺杂浓度为lX1018cm_3，掺入Si杂质。[0040]下波导层5采用Ala3Gaa7As材料，制作在下限制层4上，其作用是限制光的传播， 提高激光器的光束质量。[0041 ] 下势垒层6采用GaAs材料，制作在下波导层5上，其作用是为有源层提供势垒，使载流子限制在有源层之中，实现量子化效应。[0042]有源层7使用的是InGaAs材料，制作在下势垒层6上，其作用是为量子阱激光器提供有源区，产生光子，实现光增益。所述的有源层采用InxGa7_xAs应变材料，Z=O. 196。[0043]上势垒层8采用GaAs材料，制作在下有源层7上，其作用是为有源层提供势垒，使载流子限制在有源层之中，实现量子化效应。[0044]上波导层9采用Ala3Gaa7As材料，制作在上势垒层8上，其作用是限制光的传播， 提高激光器的光束质量。[0045]P型上限制层10采用Ala7Gaa3As材料，制作在上波导层9上，其目的是抑制激光器横模向欧姆接触层的传播，减少光能损耗，同时也起到了限制载流子扩散的作用，降低了阈值电流。其中掺杂浓度为I X IO18CnT3，掺入Zn杂质。[0046]欧姆接触层11采用P型GaAs材料，制作在p型上限制层10上，其目的是实现欧姆接触，提高转换效率和输出功率。其中掺杂浓度为I X IO19CnT3，掺入Zn杂质。[0047]本实用新型以InxGa7_xAs材料作为量子阱结构的有源层，以GaAs材料作为势垒层， 通过优化设计有源层7厚度以及材料组分，使量子阱带间跃迁产生的线宽展宽因子与自由载流子吸收和带隙收缩产生的线宽展宽因子降到最低。参见图6，线宽展宽因子大小约为 0，从而使线宽从一般的量子阱激光器的2155GHz降到了 2GHz。有效降低了 980nm F-P腔量子阱激光器的光谱宽度，改善了量子阱激光器光束的质量。[0048]由图3可见[0049]在线宽展宽因子的优化过程中，可以通过设计InxGa7_xAS/GaAS量子阱的阱宽和In 组分，调节能带结构中导带第一子带和重空穴第一子带^hhl，得到线宽展宽因子最小的结构。[0050]由图4可见[0051]在设计980nm InxGa7_xAs/GaAs半导体激光器时，随着量子讲讲宽的增加，In组分 JT不断减小。[0052]由图5可见[0053]随着讲宽的增加，980nm InxGa7_xAs/GaAs半导体激光器的线宽展宽因子大小总体呈增加趋势，在阱宽为8nm处线宽展宽因子最接近O。[0054]由图6可见[0055]与980nm半导体激光器阱宽对应的In组分z不断增加，线宽展宽因子大小呈减小趋势，在2左右最接近O。[0056]由图7是图5和图6综合后的立体显示，可以清晰的看出在阱宽为8nm，对应In 组分196处的线宽展宽因子最接近0，即这种激光器将具有更好的线宽特性。
权利要求1.一种低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于包括顺序连接的GaAs衬底层、缓冲层、过渡层、n型下限制层、下波导层、下势垒层、有源层、上势垒层、上波导层、P型上限制层和欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述缓冲层的厚度为lOOnm。
3.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述过渡层的厚度为300nm。
4.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述n型下限制层的厚度为1500nm。
5.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述下波导层的厚度为1OOnm,材料为Ala3Gaa7Astj
6.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述下势垒层的厚度为20nm，材料为GaAs。
7.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述有源层的厚度为8nm，采用InxGahAs应变材料，z=0. 196。
8.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述上势垒层的厚度为20nm，材料为GaAs。
9.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述上波导层的厚度为1OOnm,材料为Ala3Gaa7Asc
10.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述P型上限制层的厚度为1500nm。
11.根据权利要求1所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片，其特征在于所述欧姆接触层的厚度为300nm。
专利摘要低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的外延片，涉及半导体激光器领域，本实用新型通过在GaAs衬底层上顺序生长缓冲层、过渡层、n型下限制层、下波导层、下势垒层、有源层、上势垒层、上波导层、p型上限制层和欧姆接触层，以此加工成低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器，可应用于光学测量、固体激光器泵浦、激光光谱学、医疗研究等领域。
文档编号H01S5/343GK202817486SQ201220367669
公开日2013年3月20日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者张帆, 韩效亚, 杜石磊, 林晓珊, 叶培飞, 占荣, 耿松涛, 张双翔 申请人:扬州乾照光电有限公司