专利名称：分布反馈半导体激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及分布反馈半导体激光器，更具体地，涉及一种以单模振荡的分布反馈半导体激光器及其制造方法。
背景技术：
分布反馈(DB)半导体激光器用作光通信的光源。分布反馈半导体激光器包括设置在产生激光的有源层上的衍射光栅。由于波选择性，其工作于单模状态。分布反馈半导体激光器广泛用于长距离高速通信领域。
根据实现分布反馈半导体激光器的传统方法，利用激光器谐振长度的衍射光栅，可以周期性地获得增益或者可以周期性地检测到折射率的差。根据这些方法制造的器件分别称作折射率耦合DFB激光器和增益耦合DFB激光器。因为几乎在所有的增益耦合DFB激光器中折射率也都周期性地改变，所以增益耦合DFB激光器也称作“复耦合DFB激光器”。
在折射率耦合DFB激光器的情形中，通过周期性地检测衍射光栅中的折射率差，并减少可能的振荡模式数，可以生成单波的振荡。一般地，DFB激光器存在这样的问题光发射表面的衍射光栅被任意切断，单波的振荡被限制在30％以内。
相反，在复耦合DFB激光器的情形中，因为在谐振长度中可以周期性地检测到有源层自身的增益，所以复耦合DFB激光器受衍射光栅在光发射表面上被不规则地切断这一事实的影响较小。因为起振模式的线宽增强因子小，所以复耦合DFB具有优异的传输特性。
用于实现复耦合DFB激光器的常规方法包括日本专利未审公开No.11-150339中所公开的方法。在这种方法中，周期性地刻蚀有源层，并且周期性地调节有源层的增益。然而，所公开的这种方法具有如下缺点。首先，因为有源层的刻蚀程度严重影响增益差，所以必须精确地调节刻蚀深度。然而，因为MQW中每一层的厚度都100以下，所以刻蚀深度非常难以调节。其次，因为直接刻蚀有源层，所以在刻蚀过程中可能会损坏有源层，并且内部损耗变大。第三，当在周期性刻蚀的有源层上进行再生长时，再生长的温度使有源层崩塌。因此，难以维持精确的衍射光栅。
与周期性刻蚀有源层的工艺相关，提出了这样一种方法形成的衍射光栅能够阻隔有源层上的电流。电流的引入在局部不同，并且增益在局部不同。然而，根据这种方法，n型的衍射光栅通常形成在p型的覆盖层中。因为根据每一层的掺杂程度，耗尽程度不同，所以电流阻隔特性变为不同。因此，如果施加强的偏置，则可能不能阻隔电流，并且总体的增益差可能消失。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种分布反馈半导体激光器，其包括非导电的衍射光栅，从而在空间上改变引入到有源层的电流，由此改变增益系数的分布。
本发明的另一方面涉及一种用于制造包括非导电衍射光栅的分布反馈半导体激光器的方法，通过这种方法，可以容易地制造这种分布反馈半导体激光器。
本发明的一个实施例涉及一种分布反馈半导体激光器，包括有源层；与有源层相邻形成的覆盖层；和在覆盖层中形成并且以预定间隔周期性排列的衍射光栅。衍射光栅由氧化的半导体材料构成的非导体形成，这种非导体局部阻隔注入到有源层的电流，由此改变增益系数的分布。
非导体可以包括III族元素、V族元素、Se、Te、Zn、Ti、Cd、和Mg中的至少一种以及Al2O3。
可以在有源层之上或之下形成非导体，或者在有源层上下都形成非导体。
本发明的另一实施例涉及一种用于制造分布反馈半导体激光器的方法，其中分布反馈半导体激光器包括有源层、与有源层相邻形成的覆盖层、和在覆盖层中周期性地形成并且彼此之间分隔预定距离的衍射光栅。该方法包括如下步骤在覆盖层中形成衍射光栅图案，衍射光栅图案由包括易氧化材料的半导体层形成；以及通过氧化衍射光栅图案，形成非导电的衍射光栅。
第一形成步骤可以包括如下子步骤将覆盖层生长至预定的完整厚度中的部分厚度；在覆盖层上形成包括易氧化材料的半导体层，并且使半导体层形成图案，以具有与预定衍射光栅相同的图案；以及再生长覆盖层，至预定的剩余厚度，以完全覆盖衍射光栅图案。
第二形成步骤可以包括如下子步骤刻蚀覆盖层、衍射光栅图案、有源层、以及半导体衬底，以具有台面结构，从而暴露出衍射光栅图案；以及氧化衍射光栅图案，由此使衍射光栅图案变为非导体。
结合附图，从下面的详细描述中，将更加清楚本发明的上述以及其他方面、特征和实施例，附图中图1是示出了根据本发明第一实施例的分布反馈半导体激光器的透视图；图2a至2f是示出了图1的分布反馈半导体激光器的制造工艺的示例的视图；图3是示出了根据本发明第二实施例的分布反馈半导体激光器的透视图；图4是示出了根据本发明第三实施例的分布反馈半导体激光器的透视图。
具体实施例方式
下面，将参考附图描述本发明的实施例。注意，即使在不同的附图中，也对相同的元件使用相同的标号。为了清楚和简洁的目的，省略了对这里所结合的已知功能和配置的详细描述，以避免模糊本发明的主题。
图1是示出了根据本发明第一实施例的分布反馈半导体激光器100的透视图。
分布反馈半导体激光器100包括衬底101、在衬底101上形成的有源层102、以及在有源层102上形成的覆盖层103，覆盖层103的导电类型与衬底101不同。激光器100还包括在覆盖层103中周期性形成并且彼此之间分隔预定距离的衍射光栅104、在覆盖层103上部形成的接触层105，接触层105的导电类型与衬底101不同。
衬底101是n型化合物半导体衬底。有源层102具有MQW(多量子阱)结构，其中堆叠了数层n型化合物半导体层。p型的覆盖层103形成在有源层102上。上述结构不会与一般的分布反馈半导体激光器的材料和厚度的应用范围偏离太多。因此，在该实施例的解释中，将详细描述作为特征结构的衍射光栅104。
衍射光栅104由半导体材料的氧化所形成的非导体构成。衍射光栅104彼此之间分隔预定距离，并且放置在有源层102上部的覆盖层103中。衍射光栅104充当电流支持层，用于空间调节有源层102的电流引入。有源层102中的增益系数被非导体的衍射光栅104周期性地改变。这样，产生光的分布反馈，并且获得所需的单模振荡。通过利用由半导体材料的氧化所形成的非导体来制作衍射光栅，覆盖层103易于在衍射光栅104上生长，并且可以完全包围衍射光栅104，而不会导致生成孔隙。
在图1的分布反馈半导体激光器中，假设接触层105是p型并且衬底101是n型，如果在接触层105与衬底101之间施加正的偏置，则电流可以注入到有源层102中。因为衍射光栅104以某一间隔周期性地放置在覆盖层103中靠近有源层102的区域中，所以注入有源层102的电流分布在空间上不同，并且产生增益系数的变化。增益系数的变化产生光的分布反馈，并且可以获得所需的单模振荡。
现在描述该分布反馈半导体激光器的制造方法。
图2a至2f是示出了图1的分布反馈半导体激光器100的制造工艺的示例的视图。图2a至2c是沿着图1的A-A’线所取的横截面视图，并且图2d至2f是沿着图1的B-B’线所取的横截面视图。
首先，如图2a所示，在n型衬底101上生长MQW结构的有源层102，其中堆叠了数层n型化合物半导体层。在有源层102上生长p型覆盖层103。此后，在覆盖层103上生长AlAs与AlInAs交替堆叠的结构，作为包括易氧化材料的半导体层106。包括可氧化材料的半导体层106通过后面将提到的氧化工艺变为非导体。易氧化材料包括III族元素、V族元素、Se、Te、Zn、Mg、Cd等。
参考图2b，在AlAs与AlInAs交替堆叠的结构上，通过使用电子束或全息方法，形成预定周期的衍射光栅图案107。
参考图2c，使用MOCVD、MBE之类的方法，可以在衍射光栅图案107上生长p型覆盖层103。
参考图2d，当在覆盖层103上形成用于台面刻蚀(mesa-etching)的掩模图案108之后，通过使用掩模图案作为刻蚀掩模来进行刻蚀工艺，暴露出AlAs和AlInAs层的堆叠结构的衍射光栅图案的横截面。
参考图2e，通过氧化工艺使AlAs和AlInAs层的堆叠结构的衍射光栅图案(其横截面已经由图2d的工艺暴露出来)氧化。通过氧化工艺，AlAs和AlInAs层的堆叠结构的衍射光栅图案转化为包括Al2O3的非导电体104。通过利用半导体层的氧化形成非导电的衍射光栅，在衍射光栅上部再生长覆盖层时，可以防止孔隙的产生。
参考图2f，在氧化工艺之后，在台面结构的侧壁形成由p型和n型覆盖层形成的电流阻隔层109。此后(但是图中没有示出)，在去除掩模图案108之后，在覆盖层103上形成接触层。
图3是示出了根据本发明第二实施例的分布反馈半导体激光器200的透视图。
分布反馈半导体激光器200包括衬底201、在衬底201上形成并且导电类型与衬底201相同的覆盖层202、以及在覆盖层202中周期性地形成并且彼此之间分隔预定距离的非导电衍射光栅203。激光器200还包括在覆盖层202上形成的有源层204、在覆盖层205的上部形成并且导电类型与衬底201不同的接触层205。在第二实施例中，非导电衍射光栅203形成在有源层204之下。通过在空间上改变从衬底方向注入的电子载流子(在n型衬底的情形中)，获得了增益系数的局部差别。因为除了它们的位置之外，非导电衍射光栅203的结构和操作与第一实施例相同，所以省略对它们的详细描述。
图4是示出了根据本发明第三实施例的分布反馈半导体激光器300的透视图。
分布反馈半导体激光器300包括衬底301、在衬底301上形成并且导电类型与衬底301相同的覆盖层302、以及在覆盖层302中周期性地形成并且彼此之间分隔预定距离的非导电衍射光栅303。激光器300还包括在覆盖层302上形成的有源层304、在有源层304上形成并且导电类型与衬底301不同的覆盖层305、在覆盖层305中周期性地形成并且彼此之间分隔预定距离的非导电上衍射光栅303、以及在覆盖层305上形成并且导电类型与衬底301不同的接触层306。在第三实施例中，在有源层304的上下都形成了非导电衍射光栅303。通过在空间上改变从n和p侧注入的空穴和电子载流子，可以获得增益系数的更大的局部差。因为除了它们的位置之外，非导电衍射光栅303的结构和操作与第一实施例相同，所以省略对它们的详细描述。
如上所述，通过在有源层周围、利用由半导体材料的氧化所形成的非导体来形成衍射光栅，从而在空间上改变注入到有源层中的电流分布，可以防止在再生长覆盖层时产生孔隙，并且衍射光栅可以完全被覆盖层覆盖。因此，可以获得单模振荡，这种单模振荡能够防止由于孔隙引起的应力以及不规则反射，并且可以用于长距离高速通信中。
虽然参考本发明的一些实施例来图示并解释了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，可以对其做出各种形式和细节的变化，而不会脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种分布反馈半导体激光器，包括有源层；与所述有源层相邻形成的覆盖层；和在所述覆盖层中形成并且以预定间隔周期性排列的衍射光栅，其中所述衍射光栅由氧化的半导体材料构成的非导体形成，这种非导体局部阻隔注入到所述有源层的电流。
2.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其中所述非导体包括III族元素、V族元素、Se、Te、Zn、Ti、Cd、以及Mg中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其中所述非导体包括Al2O3。
4.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其中在所述有源层之上或之下形成所述非导体。
5.根据权利要求1所述的分布反馈半导体激光器，其中在所述有源层上下都形成所述非导体。
6.一种分布反馈半导体激光器，包括衬底；在所述衬底上形成的有源层；与所述有源层相邻形成的覆盖层；和在所述覆盖层中以预定间隔周期性排列的非导电衍射光栅，所述非导电衍射光栅是通过氧化半导体材料形成的，从而局部阻隔注入到所述有源层的电流。
7.根据权利要求6所述的分布反馈半导体激光器，其中在所述有源层之上或之下形成所述非导体。
8.根据权利要求6所述的分布反馈半导体激光器，其中在所述有源层上下都形成所述非导体。
9.一种用于制造分布反馈半导体激光器的方法，其中所述分布反馈半导体激光器包括有源层、与所述有源层相邻形成的覆盖层、和在所述覆盖层中周期性地形成并且彼此之间分隔预定距离的衍射光栅，所述方法包括如下步骤(1)在所述覆盖层中形成所述衍射光栅图案，所述衍射光栅图案由包括易氧化材料的半导体层形成；以及(2)通过氧化所述衍射光栅图案，形成非导电的衍射光栅。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述易氧化材料包括III族元素、V族元素、Se、Te、Zn、Ti、Cd以及Mg中的至少一种。
11.根据权利要求9所述的方法，其中通过多次交替堆叠AlAs层和AlInAs层，形成包括所述易氧化材料的所述半导体材料。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述非导电衍射光栅包括Al2O3。
13.根据权利要求9所述的方法，其中步骤(1)包括如下子步骤将所述覆盖层生长至预定的完整厚度中的部分厚度；在所述覆盖层上形成包括所述易氧化材料的所述半导体层，并且使所述半导体层形成图案，以具有与所述预定衍射光栅相同的图案；以及再生长所述覆盖层，至所述预定的剩余厚度，以完全覆盖所述衍射光栅图案。
14.根据权利要求9所述的方法，其中步骤(2)包括如下子步骤刻蚀所述覆盖层、所述衍射光栅图案、所述有源层、以及所述半导体衬底，以具有台面结构，从而暴露出所述衍射光栅图案；以及氧化所述衍射光栅图案，并且使所述衍射光栅图案变为非导体。
15.一种用于制造分布反馈半导体激光器的方法，所述方法包括如下步骤(a)在半导体衬底上形成有源层；(b)在所述有源层上形成覆盖层，所述覆盖层的类型与所述衬底不同；(c)在所述覆盖层上形成半导体层，所述半导体层包括易氧化材料；(d)通过刻蚀所述半导体层，形成预定周期的衍射光栅图案；(e)形成类型与所述衬底不同的覆盖层，从而所述覆盖层完全覆盖所述衍射光栅图案；(f)刻蚀所述覆盖层、所述衍射光栅图案、所述有源层、以及所述半导体衬底，以具有台面结构，从而暴露出所述衍射光栅图案；(g)氧化所述衍射光栅图案，并且使所述衍射光栅图案变为非导体；以及(f)在所述台面结构的侧壁形成电流阻隔层。
全文摘要
公开了一种以单模振荡的分布反馈半导体激光器及其制造方法。该分布反馈半导体激光器包括有源层；与有源层相邻形成的覆盖层；以及在覆盖层中周期性地形成并且彼此之间分隔预定距离的衍射光栅。衍射光栅由非导体形成，从而局部阻隔注入到有源层的电流，并且改变增益系数的分布。非导体是氧化的半导体材料。
文档编号H01S5/00GK1797876SQ20051012863
公开日2006年7月5日 申请日期2005年11月24日 优先权日2004年11月24日
发明者金映铉, 李重基, 金仁, 朴晟秀 申请人:三星电子株式会社