内嵌布拉格光栅的GaN基DFB激光器及其制备方法与流程

本发明属于半导体光电器件领域，涉及GaN基DFB半导体激光器，具体涉及一种内嵌布拉格光栅的GaN基DFB半导体激光器及其制备方法。

背景技术：

半导体激光器自上世纪六十年代发明以来就因其小尺寸、高效率、低成本易调制等优点得到了广泛关注和长足发展。半导体激光器在用作通信系统的光源时，若具有色散，则光谱展宽会使传输带宽减小，从而限制了传输速率。分布反馈（DFB）半导体激光器是光通讯系统中发射端的核心器件，其单模输出能有效降低光在传输过程中的色散展宽，适合应用于高速调制等应用。

DFB激光器关键技术之一是短周期光栅制备。针对GaN基DFB激光器，其光栅周期约为百纳米，通常方法为采用电子束曝光或者深紫外激光器双光束干涉曝光等方式制备短周期光栅结构。这样的方式制备的光栅面积小，若制备大面积的光栅，电子束曝光耗时很长，成本过高。这些原因是限制GaN基激光器大量使用的瓶颈问题之一。

技术实现要素：

为降低GaN基DFB激光器制备成本，本发明提出了一种内嵌布拉格光栅的GaN基DFB半导体激光器及其制备方法，该方法采用纳米压印技术制备DFB激光器所需要的布拉格光栅，再通过MOCVD二次外延填埋光栅结构，完成完整外延片的制作。区别于电子束曝光的方式制备内嵌布拉格光栅，纳米压印能大面积制备高精度光栅结构，使得光栅结构能在完整外延片上实现，能简化工艺、缩短时间和技术成本，有利于GaN基DFB激光器的制备和应用。

本发明的技术方案如下：

内嵌布拉格光栅的GaN基DFB半导体激光器，其特征在于：至少包括位于N型GaN自支撑衬底、下限制层和布拉格光栅结构层，所述N型GaN自支撑衬底位于最底层，下限制层位于N型GaN自支撑衬底上面，布拉格光栅结构层位于下限制层上面。在所述布拉格光栅结构层上还依次设置有下波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上波导层、上限制层、P型掺杂层。

上述内嵌布拉格光栅的GaN基DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1) 外延片基片制备

外延片使用衬底为N型GaN自支撑衬底，利用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）在该衬底上外延过渡层及下限制层，所述下限制层的厚度为2um，制成基片；

2) 制备布拉格光栅结构层

使用纳米压印技术配合ICP刻蚀技术制备经过计算的布拉格光栅结构层，符合GaN基激光器的波长特征，周期性光栅结构完整、刻蚀损伤小，下限制层表面经过刻蚀形成布拉格光栅结构层；

3) 基于光栅结构的二次外延

将制备好带有布拉格光栅结构层的基片清洁之后放入MOCVD中进行二次外延，在光栅结构上完成纳米异质外延，即GaN光栅结构上通过外延获得AlGaN薄膜材料，并依次完成下波导层、量子阱有源区、电子阻挡层、上波导层、上限制层、P型掺杂层；

4) 激光器制备

二次外延生长完成之后，对其进行光刻和刻蚀制作脊型台面，除去刻蚀掩膜之后二次刻蚀出电极窗口、金属蒸镀电极、N面减薄且电极蒸镀、划片、解理、镀膜等工艺完成激光器制备。

本发明的有益效果如下：

本发明以SiO₂为掩膜采用纳米压印制备布拉格光栅结构层，并用MOCVD二次外延制备GaN基DFB激光器，最后经过脊型系列工艺制作DFB激光器芯片；相比于电子束曝光、深紫外双光束刻蚀等制作光栅结构的传统工艺，采用纳米压印技术制备布拉格光栅具有快速、低成本、高重复性等优势。

本发明制备得到的光栅结构纳米异质外延，由于光栅结构上的外延合拢成薄膜能通过镜像力弯曲MOCVD生长中界面产生的位错，阻止位错向外延片表面延展，有利于进一步提升GaN基激光器外延片晶体质量。

附图说明

图1为本发明的制备流程图。

图2为本发明的所用基片的结构示意图。

图3为本发明制备布拉格光栅结构层的截面结构图。

图4为本发明制备布拉格光栅结构层的侧面结构图。

图5为本发明的外延片结构示意图。

附图标记说明：

L1：N型GaN自支撑衬底；L2：下限制层；L3：布拉格光栅结构层；L4：下波导层；L5：量子阱有源区；L6：电子阻挡层；L7：上波导层；L8：上限制层；L9：P型掺杂层。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采用的技术手段及功效，以下结合图例阐述本发明的具体实施方式。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提出的GaN基DFB半导体激光器的制备方法如图1所示，包含以下步骤：

步骤P1，制备基片：在N型GaN自支撑衬底上用MOCVD外延过渡层和下限制层，如图2所示；

步骤P2，制备布拉格光栅：利用纳米压印技术在P1所得基片上制作布拉格光栅结构层，如图3和图4所示；

步骤P3，二次外延激光器结构：在布拉格光栅结构层上利用MOCVD实现二次外延完成激光器外延结构；

步骤P4，脊型工艺：在外延片基础上通过脊型工艺制备GaN基DFB激光器芯片。

其中：

步骤P1包括以下步骤：

在N型GaN自支撑衬底L1上，通过MOCVD先原位处理高温烘烤、短时间的过渡层外延后生长2um下限制层L2；

步骤P2包含以下步骤：

从MOCVD设备取出外延片，在外延片上利用PECVD沉积SiO₂掩膜层，SiO₂掩膜层厚为70nm；将专用压印胶旋涂于表面，光刻胶厚度为200nm，并在热板上烘烤2分钟，利用纳米压印机实现从模板到基片上的图形转移制作布拉格光栅，利用ICP刻蚀制作布拉格光栅结构层，如图2、3所示，在基片上实现周期性的均匀光栅结构L3，然后清洗片子为二次外延作准备，包含利用O₂等离子体去除纳米压印残胶和刻蚀过程中在表面的聚合物，丙酮、酒精、去离子水清洁，并用氮气枪吹干备用；

步骤P3包含以下步骤：

如图5所示，将带有布拉格光栅结构层的外延片放入MOCVD中进行二次外延，依次为下波导层L4、量子阱有源区L5、电子阻挡层L6、上波导层L7、上限制层L8、P型掺杂层L9；其中，量子阱有源区L5的周期数为4，P型掺杂层分为一般掺杂和重掺杂两层；

步骤P4 激光器制备工艺包含以下步骤：

二次外延生长完成后，对其进行光刻和刻蚀。对脊型波导的刻蚀采用的是ICP 干法刻蚀，外延片使用二氧化硅作为掩膜，提高刻蚀选择比，制备脊型台面。接下来，使用氢氟酸去除二氧化硅掩膜，然后通过二次刻蚀，在脊型台面上套刻出一个电极窗口；利用磁控溅射在外延片P 面溅射Ti/Pt/Au；对N 面进行减薄，减至120μm，然后在N 面真空蒸镀一层Au/Ge/Ni，将样品放入快速退火炉中进行合金、再长一层厚金层方便封装；划片、解理成Bar条；最后镀制前后腔面膜；将Bar 条解理成单个管芯，经过烧结、金丝压焊、引线焊接等，将管芯封装，完成制备。

以上，对本发明的实施方案进行了说明。本发明不限于上述实施方式，凡在本发明的精神与原则范围内，所做的等同替、改进，均应包含在本发明的保护范围内。