通讯波段GaN基量子级联高速激光器的制造方法
【专利摘要】一种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，包括：一衬底；一半导体材料缓冲层；一下半导体材料接触层；一下光学限制层，为圆形、环形或矩形，其制作在下半导体材料接触层上面的一侧，该下半导体材料接触层上面的另一侧形成一台面；一半导体材料有源层，其制作在下光学限制层上；一上光学限制层，其制作在半导体材料有源层上；一上半导体材料接触层，其制作在上光学限制层上；一第一金属电极，为圆形、环形或矩形，其制作在台面上；一第二金属电极，其制作在上半导体材料接触层上。本发明利用子带跃迁速率快与激光器腔模小体积优势，实现高速直接调制激光器，将调制速率增加到百G水平。
【专利说明】 通讯波段GaN基量子级联高速激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光技术、半导体光电子器件技术和高速光通信【技术领域】，特别涉及一种通讯波段GaN基量子级联高速激光器。
【背景技术】
[0002]半导体激光器由于其小体积，低功耗，高速调制等特性，很早就吸引了许多科研工作者的关注。随着半导体激光器的发展，为了提高激光器的调制速度，人们在材料的选择上，经历了从InP，GaAs材料向InGaAsP和AlGaInAs等材料转变，特别是含Al组分的AlGaInAs材料。它有更好的载流子限制和更大的微分增益系数，对于半导体激光器的高速性能有很大的提高(Sato, T., et al.2012Internat 1nal Conference on IndiumPhosphide and Related Materials:143-146.(2013).)。半导体激光器有源区最初为体材料结构，之后人们发现利用量子阱材料可以获得更好的载流子限制，由此制造的半导体激光器有更低的阈值和更好的高温稳定性，因此也就有更好的高速调制特性。随着量子点材料的研究，人们发现在载流子空间限制上，量子点材料比量子阱材料有更优异的性能。同时量子点在激光器制作过程中，不像量子阱材料会暴露在空气中发生氧化，因此量子点材料有较小的非辐射复合效应，更有利于量子点激光器实现低阈值和高速调制，同时温度稳定性要优于量子阱材料(Ishida, M.，et al.(2012).2012CLE0 CMl1.2)。
[0003]但上述所有激光器都是基于半导体材料导带与价带的带间跃迁方式辐射复合产生光子，调制速率受限于带间跃迁速率和其他慢速的复合过程，调制速率只能为几十GHz，无法突破百GHz水平。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，通过AlGaN/GaN多层超薄量子阱及构建的微腔结构，实现激光器导带内子带跃迁，形成量子级联激射，利用子带跃迁速率快与激光器腔模小体积优势，实现高速直接调制激光器，将调制速率增加到百G水平。
[0005]为达到上述目的，本发明提供一种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，包括:
[0006]一衬底；
[0007]—半导体材料缓冲层，其制作在衬底上；
[0008]—下半导体材料接触层，其制作在半导体材料缓冲层上；
[0009]一下光学限制层，为圆形、环形或矩形，其制作在下半导体材料接触层上面的一侦牝该下半导体材料接触层上面的另一侧形成一台面；
[0010]一半导体材料有源层，形状与下光学限制层相同，其制作在下光学限制层上；
[0011]一上光学限制层，形状与下光学限制层相同，其制作在半导体材料有源层上；
[0012]一上半导体材料接触层，形状与下光学限制层相同，其制作在上光学限制层上；
[0013]一第一金属电极，为圆形、环形或矩形，其制作在下半导体材料接触层上面另一侧的台面上；
[0014]一第二金属电极，形状与下光学限制层相同，其制作在上半导体材料接触层上。
[0015]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0016]1、本发明提供的这种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，可以通过改变量子阱阱层和垒层生长厚度，实现光通信波段全覆盖，对激射波长的调节非常简单方便，不依赖于有源材料的能带间隙。
[0017]2、本发明提供的这种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，从激光的根本原理上对高速调制性能进行改进。通过使用GaN基材料形成量子级联激光器，利用载流子跃迁速度fs量级的子带间跃迁形成激光，将激光直接调制速率向百G以上推进。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0019]图1为本发明一实施例的结构示意图。
[0020]图2为本发明另一实施例的结构示意图。
[0021]图3为本发明再一实施例的结构示意图。
[0022]图4为带间跃迁方式半导体激光器调制速率的3dB带宽理论模拟图。
[0023]图5为量子级联激光子带内跃迁方式调制速率的3dB带宽理论模拟图。
【具体实施方式】
[0024]请参阅图1所示，本发明提供一种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，包括:
[0025]一衬底11，该衬底11的材料是蓝宝石；
[0026]一半导体材料缓冲层12，其制作在衬底11上，该缓冲层12的材料是GaN、AlGaN或A1N，厚度为1-2微米；
[0027]—下半导体材料接触层13，其制作在半导体材料缓冲层12上，该下半导体材料接触层13的材料是η型重掺杂的AlGaN，掺杂浓度在I X 1018_3 X 11W3,厚度为1_2微米；
[0028]—下光学限制层14,该下光学限制层14的材料为AlGaN,掺杂浓度为2 X 1016-4 X 11W3,厚度为 0.3-1 微米；
[0029]一半导体材料有源层15，其制作在下光学限制层14上，所述的半导体材料有源层15为多周期量子阱结构，周期数为100-500，每一量子阱的材料为GaN/AlGaN，每一量子阱的厚度为0.2纳米20纳米，具体量子阱厚度与量子阱结构周期数依据所需激射波长和量子阱各材料组分而定。该多周期量子阱结构为量子级联发光；
[0030]—上光学限制层16,其制作在半导体材料有源层15上,该上光学限制层16的材料为GaN材料，掺杂浓度为2X10164 X 1016Cm_3，厚度为0.31微米；
[0031]一上半导体材料接触层17，其制作在上光学限制层16上，该上半导体材料接触层17的材料是η型重掺杂的AlGaN，掺杂浓度在I X 1018-3 X 1018cm_3，厚度12微米；
[0032]MBE生长结束后，通过普通光刻及套刻技术和湿法腐蚀或干法刻蚀技术制作出圆形(参阅图1)、环形(参阅图2)或矩形(参阅图3)的下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16、上半导体材料接触层17和台面131结构。湿法腐蚀或干法刻蚀深度为下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16和上半导体材料接触层17的总厚度。下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16和上半导体材料接触层17的尺寸大小和形状完全相同。当下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16和上半导体材料接触层17为圆形时，圆形直径在I微米至50微米之间；当下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16和上半导体材料接触层17为环形时，圆环外径为I微米至50微米之间，内径为外径的10% -90% ;当下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16和上半导体材料接触层17为矩形时，矩形一边长度为I微米至50微米，另一边长度为I微米至50微米。
[0033]通过套刻及溅射技术溅射或蒸镀技术蒸镀的第一金属电极18，该第一金属电极18制作在下半导体材料接触层13上面的另一侧的台面131上，所述第一金属电极18为共面电极，其材料为Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金，厚度为300纳米到3微米。第一金属电极18为圆形(参阅图1)、环形(参阅图2)或矩形(参阅图3)，第一金属电极18中轴线与下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16和上半导体材料接触层17中轴线距离为3微米至150微米。
[0034]通过套刻及溅射技术溅射或蒸镀技术蒸镀第二金属电极19，形状大小与下光学限制层14相同，其制作在上半导体材料接触层17上，所述第二金属电极19为共面电极，其材料为Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金，厚度为300纳米到3微米。第二金属电极18为圆形(参阅图1)、环形(参阅图2)或矩形(参阅图3)。
[0035]所述的下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16、上半导体材料接触层17和第二金属电极19的形状为圆形(参阅图1)、环形(参阅图2)或矩形(参阅图3)，当下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16、上半导体材料接触层17和第二金属电极19的形状为圆形时，台面131上的金属电极可以分别为圆形、环形或矩形；当下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16、上半导体材料接触层17和第二金属电极19的形状为环形时，台面131上的金属电极可以分别为圆形、环形或矩形；当下光学限制层14、半导体材料有源层15、上光学限制层16、上半导体材料接触层17和第二金属电极19的形状为矩形时，台面131上的金属电极可以分别为圆形、环形或矩形。
[0036]图4是利用速率方程理论计算的利用带间跃迁激射的普通激光器的小信号调制3dB带宽图。其中Q值选取1000，体积选取I体积单位(材料中半波长的立方)。激射波长为1550时光子寿命为822fs。由于带间跃迁载流子寿命大约为1ns，此时载流子寿命是高速调制的限制因素。此时的3dB带宽为4.8GHz。
[0037]图5是利用速率方程理论计算的本专利所描述的利用导带内子带跃迁激射的GaN基量子级联高速激光器的小信号调制3dB带宽图。其他参数与图四选取的一样，只有载流子寿命与普通激光器不同。GaN基量子级联激光器的载流子寿命一般在几十到几百飞秒之间。图中分别计算了载流子寿命为Ips和400fs的小信号调制3dB带宽图。由图中可以看出，在载流子寿命为Ips时3dB带宽为191.9GHz，载流子寿命为400fs时3dB带宽为193.2GHz。由此可知，GaN基量子级联激光器由于载流子寿命在几十到几百飞秒之间，远小于带间跃迁形式的Ins载流子寿命，因此利用GaN基量子级联高速激光器作为高速直接调制激光光源，可以显著提高高速调制性能，将高速激光器向百G水平推进。
[0038]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，其中一些参数也是具体实施例中的参数，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种通讯波段GaN基量子级联高速激光器，包括: 一衬底； 一半导体材料缓冲层，其制作在衬底上； 一下半导体材料接触层，其制作在半导体材料缓冲层上； 一下光学限制层，为圆形、环形或矩形，其制作在下半导体材料接触层上面的一侧，该下半导体材料接触层上面的另一侧形成一台面； 一半导体材料有源层，形状与下光学限制层相同，其制作在下光学限制层上； 一上光学限制层，形状与下光学限制层相同，其制作在半导体材料有源层上； 一上半导体材料接触层，形状与下光学限制层相同，其制作在上光学限制层上； 一第一金属电极，为圆形、环形或矩形，其制作在下半导体材料接触层上面另一侧的台面上； 一第二金属电极，形状与下光学限制层相同，其制作在上半导体材料接触层上。
2.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中该衬底的材料是蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中该缓冲层的材料是 GaN、AlGaN 或 A1N。
4.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中该下半导体材料接触层的材料是η型重掺杂的AlGaN，掺杂浓度在I X 1018_3 X 1018cm_3，厚度为1_2微米。
5.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中下光学限制层的材料为AlGaN，掺杂浓度为2X 1016-4X 116CnT3 ;上光学限制层的材料为GaN材料，掺杂浓度为 2X 1016-4 X 116CnT3。
6.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中所述的半导体材料有源层为多周期量子阱结构，周期数为100-500，每一量子阱的材料为GaN/AlGaN，每一量子阱的厚度为0.2纳米-20纳米。
7.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中该上半导体材料接触层17的材料是η型重掺杂的AlGaN，掺杂浓度在lX1018-3X1018cm_3，厚度为1_2微米。
8.根据权利要求6所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中多周期量子阱结构为量子级联发光。
9.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中第一金属电极为共面电极，其材料为Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金。
10.根据权利要求1所述的通讯波段GaN基量子级联高速激光器，其中第二金属电极为共面电极，其材料为Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金。
【文档编号】H01S5/06GK104332820SQ201410617322
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月5日 优先权日:2014年11月5日
【发明者】郑婉华, 赵鹏超, 齐爱谊, 渠红伟 申请人:中国科学院半导体研究所