专利名称：低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的外延片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器领域，尤其是发射980nm波长的低线宽F-P腔应变量子讲激光器。
背景技术：
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。线宽展 宽因 子(Linewidth Enhancement Factor, a 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。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=.为线宽，为中心波长， 为对应的频率宽
2,tc/' Δ/:.Acy
度，C为光速，经过计算此激光器角频率对应线宽为Δ =2155GHz，线宽较宽。
发明内容
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，本发明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。本发明包括顺序连接的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。本发明以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。本发明衬底层的材料为GaAs ;缓冲层的厚度为lOOnm，材料为掺杂Si浓度为I X IO18CnT3的GaAs。过渡层的厚度为300nm，材料为掺杂Si浓度为I X 1018cm_3的AlxGa^As,其中z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I X IO18CnT3的Al0 7Ga0 3Aso下波导层的厚度为IOOnm,材料为Ala3Gaa7As。下势鱼层的厚度为20nm,材料为GaAs0有源层，厚度为8nm，采用InxGahAs应变材料，z=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Ala3Gaa7As15 ρ型上限制层的厚度为1500nm，材料为掺杂Zn浓度为IXlO18cnT3的Ala7Gaa3As15欧姆接触层的厚度为300nm，材料为掺杂 Zn 浓度为 I X IO19Cm 3 的 GaAs0本发明还提供了一种低线宽的980nm F_P腔应变量子阱激光器外延片的制备方法
步骤如下
1)以(100)偏向〈111〉方向15度的GaAs为衬底，通入SiH4，生长GaAs缓冲层的厚度达至Ij IOOnm ；
2)在GaAs缓冲层上生长过渡层，材料为AlxGahAs,其中，Z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 ；
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 ；
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 ；
5)在下波导层上，以GaAs材料生长厚度为20nm的下势垒层；
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；
7)在有源层上，以GaAs材料生长厚度为20nm的上势垒层；
8)在上势垒层上，生长厚度为IOOnm的上波导层，材料为Ala3Gaa7As；
9)在上波导层上，以Ala7Gaa3As为材料，生长厚度为1500nm的ρ型上限制层，生长时通入DEZn，本外延层的Zn掺杂浓度为I X IO18cnT3 ；
10)在ρ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 1019Cm_3。本发明可采用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)，再热蒸镀如/况/如，形成P-型欧姆接触电极。N面化学减薄至约IOOuill厚度后蒸发AuGeNi，形成N-型欧姆接触层。合金温度为42CPC ,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。本发明可应用于光学测量、固体激光器泵浦、激光光谱学、医疗研究等领域。本发明的有益效果以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，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。本发明低线宽的980nm F-P腔应变量子阱激光器的有源层为InxGa7Js材料，x=0. 196，阱宽
厚度为8nm，中心波长=980nm, Cf =-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。本发明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。 本发明依据的科学原理如下
影响半导体激光器线宽展宽因子的主要因素有三个方面，分别是带间跃迁、自由载流子吸收和带隙收缩三者对线宽展宽因子的影响。带间跃迁对线宽展宽因子产生的影响是正值，而后两者对线宽展宽因子的影响的产生是负值。具体的计算方法如下
向激光器注入电流后，注入到有源区的载流子使激光器发生自发发射，而自发发射会引起载流子浓度变化，它使激射场的位相和强度不连续的变化，在这个过程中折射率实部和虚部发生了变化。α因子就是由于有源区载流子浓度变化引起激光器折射率实部和虚部变化产生的[1，2]。线宽展宽因子可表示为
a =--11 >
>广.
其中Λ/ '为折射率实部变化量，Νη”为折射率虚部变化量，对上式进行转换
Ar;' IV Ci =-=-
Λ, 1 V ΛΧ
Λ#为载流子浓度的变化量
又有·上n” =Ngc八2ω)(3)
其中Ag为增益变化量，ω为角频率，c为真空中光速；
根据文献[3]有H I ΚΙ:(η/λ) ΚΛ/Μ,η为折射率，Δζ为波长的变化量，Al
为电流的变化量。为方便计算，可取如下近似
Δ/ ，= η Δ ω/ω(4)
Δω为角频率变化量，将(3)和(4)式带入(2)式，整理得到Cf因子的近似计算公
式
2 dXρ
=--- =----ι、 I
c AT rr .￡% dX.ife/oW即为各载流子浓度下增益峰值变化拟合曲线的斜率，微分增益直接反映带边载流子浓度增加的快慢，不仅与半导体激光器Cf因子有关，还与很多其它重要性能有关。D /洲为各载流子浓度下增益峰值对应光子能量变化拟合曲线的斜率。所以，得到材料增益和对应光子能量随载流子浓度的变化后，通过(5)式我们就可以对《因子进行计算。
在计算过程中我们选择各载流子浓度下增益曲线的峰值以及其对应的光子能量进行计算。折射率虚部的变化是由带间跃迁、自由载流子效应和带隙收缩共同引起的，而后两者引起的变化量很小[2]，所以在计算三因素对折射率虚部影响时，近似使用带间跃迁对虚部的影响，即
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、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。
2.根据权利要求I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，材料为掺杂Si浓度为IX IO18CnT3的GaAs。
3.根据权利要求I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，材料为掺杂Si浓度为I X IO18CnT3的AlxGai_xAs，其中x为O.3 O. 7 ο
4.根据权利要求I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η型下限制层的厚度为1500nm,材料为掺杂Si浓度为lX1018cm_3的Ala7Gaa3As。
5.根据权利要求I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IOOnm,材料为Ala3Gaa7As15
6.根据权利要求I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I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，x = O. 196。
8.根据权利要求I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I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IOOnm,材料为Ala3Gaa7Asn
10.根据权利要求I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,材料为掺杂Zn浓度为IX 1018cm_3的Ala7Gaa3As。
11.根据权利要求I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,材料为掺杂Zn浓度为IX 1019cm_3的GaAs。
12.如权利要求I所述低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片的制备方法，其特征在于包括以下步骤 1)以(100)偏向〈111〉方向15度的GaAs为衬底，通入SiH4，生长GaAs缓冲层的厚度达至Ij IOOnm ； 2)在GaAs缓冲层上生长过渡层，材料为AlxGai_xAs，其中，X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 ； 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 ； 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 ； 5)在下波导层上，以GaAs材料生长厚度为20nm的下势垒层； 6)在下势垒层上，采用InxGahAs应变材料，其中x= O. 196，设定InGaAs生长温度为610。。，V/III比为100，厚度为8nm的有源层； 7)在有源层上，以GaAs材料生长厚度为20nm的上势垒层； 8)在上势垒层上，生长厚度为IOOnm的上波导层，材料为Ala3Gaa7As；9)在上波导层上，以Ala7Gaa3As为材料，生长厚度为1500nm的ρ型上限制层，生长时通入DEZn，本外延层的Zn掺杂浓度为I X IO18cnT3 ； 10)在ρ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 1019Cm_3。
全文摘要
低线宽的980nmF-P腔应变量子阱激光器的外延片及其制备方法，涉及半导体激光器领域，本发明通过在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980nmF-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H01S5/343GK102780159SQ201210263198
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者占荣, 叶培飞, 张双翔, 张帆, 杜石磊, 林晓珊, 耿松涛, 韩效亚 申请人:扬州乾照光电有限公司