一种外延结构及其光栅结构制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光技术领域，特别是一种无需二次外延，具有光栅结构的外延结构及其光栅结构制备方法。
【背景技术】
[0002]目前，半导体激光已经广泛用于国计民生的各个方面，包括日用电子产品、工业加工、光纤通讯、医疗、科学研究与国防应用等。
[0003]半导体激光器按照其是否有波长锁定功能通常可分为DFB/DBR激光器和F-P腔(法布里一珀罗腔)激光器。F-P腔激光由于光场在其纵向自由震荡，因而输出波长会随工作电流、环境温度等变化而变化。DFB/DBR激光器内具有布拉格光栅结构，可以进行波长选择，因而输出光的波长可以被锁定在设定的位置上。目前大多数DFB激光中的DFB结构(DFB:分布式反馈布拉格)采用二次外延来实现。其工艺流程:1)在衬底上形成一次外延结构;2)第一次外延完成后，利用全息曝光或者电子束曝光来定义光栅结构;3)通过刻蚀工艺形成光栅结构;4) 二次外延完成材料生长。
[0004]目前所面临的问题是:二次外延工艺需要经过曝光和刻蚀等前期工艺流程，工艺复杂，制造成本高、器件的可靠性以及性能也会因多次工艺而受到影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种外延结构及其光栅结构制备方法，能够控制生长在外延层内的波导层材料的光学性质，使得波导层的折射率在波导方向上产生周期性的变化，从而形成光栅结构。
[0006]本发明提供了一种外延结构，所述外延结构包括衬底以及沿第一方向叠层设置于所述衬底上的波导层，其中在垂直于所述第一方向的第二方向上，所述波导层划分为量子阱混杂增强区以及量子阱混杂抑制区，其中所述量子阱混杂增强区和量子阱混杂抑制区在所述第二方向上的一定区域交替排列，以利用所述量子阱混杂增强区和量子阱混杂抑制区的折射率在所述第二方向上周期性变化形成光栅结构。
[0007]其中，所述波导层为由至少两种不同折射率的材料交替形成的超晶格叠层结构，所述超晶格叠层结构经量子阱混杂工艺处理形成所述量子阱混杂抑制区和所述量子阱混杂增强区，其中所述量子阱混杂抑制区内的所述至少两种不同的材料的混杂程度小于所述量子阱混杂增强区内的所述至少两种不同的材料的混杂程度。
[0008]其中，所述波导层为由AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs两种材料交替形成的超晶格叠层结构;其中0<叉<1，04<1，7<叉。
[0009]其中，所述外延结构进一步包括依次设置于所述波导层一侧的第一P型包层，以及依次设置于所述波导层另一侧的第二 P型包层、第一限制层、量子阱层、第二限制层和N型包层，所述第一 P型包层和第二 P型包层分别与所述波导层相邻设置。
[0010]其中，所述第一限制层的折射率与所述第二限制层的折射率相同，且所述第一限制层和第二限制层的折射率介于所述至少两种不同折射率的材料的最高折射率和最低折射率之间，所述第一限制层和第二限制层的折射率为对应层的平均折射率。
[0011]其中，所述第一限制层和所述第二限制层分别为由单一折射率材料形成的分别限制异质结结构。
[0012]其中，所述量子阱混杂增强区和量子阱混杂抑制区的交替排列的区域靠近所述外延结构的腔面设置，所述交替排列的区域以外的其他区域远离所述外延结构的腔面设置。
[0013]本发明提供了一种光栅结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤:
[0014]提供衬底；
[0015]在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的波导层，其中所述波导层为由至少两种不同折射率的材料交替形成的超晶格叠层结构；
[0016]对所述超晶格叠层结构经量子阱混杂工艺处理，以在垂直于所述第一方向的第二方向上，将所述波导层划分为交替排列的量子阱混杂增强区以及量子阱混杂抑制区，其中所述量子阱混杂抑制区内的所述至少两种不同的材料的混杂程度小于所述量子阱混杂增强区内的所述至少两种不同的材料的混杂程度，以利用所述量子阱混杂增强区和量子阱混杂抑制区的折射率在所述第二方向上周期性变化形成光栅结构。
[0017]其中所述的制造方法，所述在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的波导层的步骤之前进一步包括:
[0018]所述在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的波导层的步骤之前进一步包括:
[0019]在所述衬底上依次形成N型包层、第二限制层、量子阱层、第一限制层和第二P型包层；
[0020]所述在所述衬底上形成沿第一方向叠层设置的波导层的步骤之后且所述对所述超晶格叠层结构经量子阱混杂工艺处理之前进一步包括:
[0021]在所述波导层叠层结构上形成第一P型包层，其中所述第一 P型包层和第二 P型包层分别与所述波导层相邻设置。
[0022]其中，所述量子阱混杂工艺包括以下步骤:
[0023]在所述波导层上方形成一层绝缘介质膜，然后通过半导体曝光工艺，在所述绝缘介质膜上表面形成对应图案分布的光刻胶；
[0024]采用离子注入工艺，以所述光刻胶为掩膜将诱导混杂材料注入所述波导层，其中所述光刻胶的分布图案设置成使得所述诱导混杂材料在所述量子阱混杂增强区的对应位置的注入量大于在所述量子阱混杂抑制区的对应位置的注入量，其中所述诱导混杂材料能够诱导其所在区域内的量子阱混杂；
[0025]将所述诱导混杂材料注入后的所述波导层在氮气保护下在退火炉中进行循环退火。
[0026]本发明的有益效果是:利用由两种不同组分形成的超晶格结构构成该外延结构的波导层，并通过量子阱混杂工艺，实现在光波传导方向上，控制生长在外延层内的波导层材料的光学性质，使得波导层的折射率在波导方向上产生周期性的变化，从而形成光栅结构；这种外延结构设计从效益上来讲，首先，避免采用复杂的二次外延工艺，降低制造成本;其次，其工艺流程不会对器件的可靠性及性能造成影响;再次，实现了对光栅周期结构的方便有效的调控。
【附图说明】
[0027]图1是本发明外延结构的第一实施例的结构示意图；
[0028]图2是本发明超晶格置层结构及对应的折射率不意图；
[0029]图3是激光器腔面附近形成光栅结构及其光谱分布的示意图；
[0030]图4是本发明光栅结构制备方法的第一步骤形成的结构示意图；
[0031]图5是本发明光栅结构制备方法的第二步骤形成的结构示意图；
[0032]图6是本发明光栅结构制备方法的第三步骤形成的结构示意图；
[0033]图7是本发明光栅结构制备方法的第四步骤形成的结构示意图
【具体实施方式】
[0034]如图1所示，本发明外延结构的第一实施例的结构示意图，其外延结构包括衬底I以及沿第一方向Y叠层设置于衬底I上的波导层7，其中在垂直于第一方向Y的第二方向X上，波导层7划分为量子阱混杂增强区9以及量子阱混杂抑制区10，其中量子阱混杂增强区9和量子阱混杂抑制区10在第二方向X上的一定区域交替排列，量子阱混杂增强区9和量子阱混杂抑制区10的交替排列用于使一定区域的光的折射率在第二方向X上周期性地变化。
[0035]其中波导层7为由至少两种不同折射率的材料交替形成的超晶格叠层结构，图2所示为超晶格叠层结构及对应的折射率示意图；此超晶格叠层结构经量子阱混杂工艺处理形成量子阱混杂抑制区10和量子阱混杂增强区9，其中量子阱混杂抑制区10内的至少两种不同的材料的混杂程度小于量子阱混杂增强区10内的至少两种不同的材料的混杂程度。
[0036]其中，波导层7为由AlxGaiiAs和AlyGa1-yAs两种材料交替形成的超晶格叠层结构；其中O < X < 1,0 < y < I，y<x，其中超晶格叠层结构中两种交替材料的厚度分别为几纳米到几十纳米。
[0037]除上述组成层外，该外延结构进一步包括依次设置于波导层7—侧的第一P型包层8，以及依次设置于波导层7另一侧的第二P型包层6、第一限制层5、量子阱层4、第二限制层3和N型包层2，第一 P型包层8和第二 P型包层6分别与波导层7相邻设置。
[0038]其中，第一限制层5的折射率与第二限制层3的折射率相同，且第一限制层5和第二限制层3的折射率介于至少两种不同折射率的材料的最高折射率和最低折射率之间，第一限制层5和第二限制层3的折射率为对应层的平均折射率，即为折射率曲线对厚度的积分与对应层厚度的比值。
[0039]其中，第一限制层5和第二限制层3分别为由单一折射率材料形成的分别限制异质结结构。第一限制层5和第二限制层3将空穴和电子限制在两者之间，因此空穴和电子复合产生的光波可以有效地限制在量子阱层4中，大大提高外量子效率。
[0040]本发明第二实施例是在第一实施例的基础上，保持外延结构不变的情况下，对其中的材料组分和厚度进行了具体定义。
[0041]参照图1，其中量子阱混杂抑制区1的波导层7，分别由5个周期的AI ο.5 G a ο.5 A s /GaAs相间堆叠而成，其中单层Al0.5Ga0.5As的厚度为6nm，单层GaAs的厚度为6nm。
[0042]其中量子阱混杂增强区9的波导层7中两种材料Al0.5Ga0.5As/GaAs的混杂程度大于量子阱混杂抑制区，其厚度分别与量子阱混杂抑制区相同，即波导层7为62nm。
[0043 ] 其中量子阱层4由In0.16GaAs组成，厚度为8nm ；
[0044]其中第一限制层5和第二限制层3均由AlQ.2GaQ.8AS组成，厚度分别为lOOnm;
[0045]其中N型包层2由Al0.35Ga0.65As组成，厚度为2000nm;
[0046]其中第一 P型包层8和第二 P型包层6均由AlQ.35GaQ.65As组成，厚度分别为2000nm和ΙΟΟηπ?ο
[0047]其中，在该外延结构中进行量子阱混杂工艺