专利名称:复合腔波导互补激光器的制作方法
本发明为一种半导体激光器随着光纤通讯、激光传感计测，激光视频唱盘，激光印刷，信息处理等事业的发展，给半导体激光器提出了一系列应解决的课题。其中研制低阈值具有良好线性的光功率曲线，能保持较大功率范围基横模和单纵模激射的半导体激光器，就是一个重大课题。为了保持稳定的较大功率的基横模振荡必须解决模式的稳定性和模式的选择性这样两个大问题。
1970年半导体激光器实现室温连续激射以来，世界各国开展了大量的研究工作。早期的器件多数是通常条形结构，如氧化物隔离条形(OS)，质子轰击条形(PBS)，平面条形(PS)，全面扩散，异质隔离条形，内条形平面双异质结构，低台条形等等。这些器件的共同点是有源区是平的，厚度无变化的。在有源区平行于P-n结的方向(即侧向)无内建的实折射率差(或内建的增益差)，其不同点只是制造条形电极方法和对电流进行限制的形式不同。这些激光器的工艺较简单易于制造，同时一般电极条较宽，(如0.85μm器件10μm条宽，1.3μm器件15μm条宽)仍能呈现基侧向横模(以下称侧模或侧向模式)振荡。这些激光器在平行n-p结平面上的模式导引机制是靠载流子的注入引起的增益差来实现的，因此称通常条形激光器为增益导引激光器(也有称为自由载流子波导的)。由于这种导引机制随着载流子分布的变化而变化，不是一个稳定的导引机制，因而侧向模式的稳定性不好。在较低功率输出下，产生近场光斑的侧向移动，输出光功率曲线出现扭曲现象。这对光纤通信等实际应用是一个极大的障碍。
为了克服光功率曲线扭曲现象，稳定模式，必须在平行于P-n结的侧向形成内建的实波导机制。如用异质结构形成矩形波导的掩埋条形(BH)结构，可以在垂直水平两个方向都对光和载流子实行很好的限制。但是由于异质材料折射率差比较大，根据激光器波导模式截止条件，可以计算出其高阶横模的截止厚度和宽度一般只有十分之几微米。这在垂直结平面方向用多层外延技术不难实现。但是在平行结平面方向不但工艺上较困难，而且也限制了激光输出功率(这样的激光器输出功率不能超过1mw)。为了增加高阶侧向横模的截止宽度或单模允许宽度，同时保证模式的稳定性，必须寻求在平行结平面方向能形成自建弱波导。而且工艺上也不太难实现的结构。目前研究较多较为成熟的是非平面衬底上进行液相外延，用有源区厚度差或衬底吸收作用来控制侧向横模如沟道衬底条形(CS)，沟道衬底平面条形(CSP)，沟道衬底窄条形(CNS)，梯形衬底条形(TS)，压缩双异质结构(CDH)等等。但是这种非平面衬底激光器由于有源区有薄厚变化，引起载流子内扩散，同时有电流向衬底肩角的集中效应。这样一般有源区中间厚两边薄的非平面衬底激光器的载流子浓度分布中心区都比较平坦，甚至出现凹陷，如图1中曲线b给出的压缩形(CDH)激光器实测的 1/2 Ith时载流子浓度曲线那样。根据模式增益公式(见公式(1));这样的载流△Gm=∫-∞∞g( y)T( y)｜Em( y)｜2d y∫-∞∞｜Em( y)｜2d y]]>(1)其中g(y)＝An(y)-B (2)
子浓度分布易于和高阶侧向横模耦合，高阶侧向横模的模式增益较高，高阶侧向横模易激射。有源区无厚度变化的增益导引激光器的载流子浓度分布一般中心位置比较高，呈“钟型”分布。如图1中曲线a所示。这样的分布易于和基侧向横模耦合，高阶侧向横模的模式增益较低因而基侧向横模输出的功率范围较大。
由于上述原因大多数折射率导引激光器基侧模功率范围都比较小，如条宽较宽(10μm)的脊背波导CDH结构只能保持3～7mW。为了保持条中心为峰值且均匀对称的载流子浓度分布，有些结构采用了较窄的电极条宽。如沟道衬底窄条形(CNS)结构，条宽仅为2～3μm，基侧向横模也只保持4～5mW。而且增加了工艺难度和接触电阻，影响器件的可靠性。这就是说一般三层波导的折射率导引激光器，波导较强，侧向模式的选择性较差。为了减弱波导，提高基侧模输出功率，有些结构做成大光腔结构(如CDH大光腔结构)，但要求处延生长五层，不但工艺难度增大，而且 值要提高许多。还有沟道衬底平面条形要求第一层(AlGa)As层严格控制在0.35±0.05μm范围之内，工艺实现之难是可以想象的。
本发明正是为了解决上述难点而提出来的。经过大量的实验和仔细的理论分析，我们认识到了增益导引激光器侧向模式稳定性差但选择性较好。与此相反，折射率导引激光器侧向模式稳定性好，而选择性差。因而我们提出了将两大类激光器结构沿着激光的传播方向做在一个谐振腔内，使其优点互相补充的设计思想。根据这一设计思想把不同结构的增益导引激光器和不同结构的折射率导引激光器结构组合起来可以设计出许多种分段折射率导引和增益导引复合腔结构的激光器来，这种激光器我们统称为复合腔波导互补激光器。这种激光器可以做成两种结构结合的两段式结构，也可以做成多段式结构，同时也可以做成三种和多种结构组合的三段式和多段式的结构，也可以做成大光腔结构。
但是不论结构怎样组合，怎样变化，其基本点是在激光器的谐振腔内必须有一段或两段(或几段)是折射率导引机制的，这部分起着稳定侧向模式，克服光功率曲线扭曲的作用;同时在激光器谐振腔内还必须有一段或两段(几段)是增益导引机制的(即通常条形结构的)，这部分起着调节折射率导引机制的强弱，增加基侧向横模和高阶侧向横模值差，扩大基侧向横模输出功率范围的作用。这两种导引区段作用的强弱和其腔长比例有关。为进一步说明复合腔波导互补激光器波导的强弱和两种导引区段腔长比例的关系。我们定义一个全腔等价有效折射率这样一个物理量来描述这种激光器的波导强弱。全腔等价有效折射率定义见公式(3)。
ηd·e(y)＝ (Ld)/(L) ηd·e(y)+ (Lg)/(L) ηg·e(y) (3)式中L为整个激光器的腔长，Ld为折射率区段腔长，ηd、(e(y)为折射率区段的有效折射率。它是有源区厚度的函数。
ηd ·e(y)=η1+D2(y)4［9+4D2( y )-12+D2( y)］2(η2-η1)]]>(4)其中D(y)=2πλta(y)n22-η21]]>(5)
(5)式中η2为有源区材料折射率，η1为限制层折射率。ta(y)为有源区厚度。(3)式中Lg为增益区段的腔长，ηg·e(y)为增益段的有效折射率。由于增益区段ta(y)＝常数，所以ηg·e(y)＝常数＝ηg·e(0)。这样由(3)式可以看出增加Lg;ηa·e(y)随y的变化就会被减缓，从而增加模式截止尺寸。但是Lg不能太长，因要有稳定的导引机制必须△ηa·e＞3×103，如果Lg太长使△ηa·e＜3×10-3，就会在低功率点产生光功率曲线扭曲现象。这就有一个最佳腔长比例需要选择的问题。由于不同的结构有效折射率变化情况不一样。最佳腔长比例要根据具体的结构进行具体计算。
目前我们已经实施了0.90～0.80μm波长的分段压缩平面复合腔激光器。这种激光器是把压缩形(CDH)和氧化物条形(OS)两种结构分段做在一个谐振腔内，我们用英文字头缩写把这种激光器命名为(SCP)结构激光器，其结构如图2。选用适当的腔长比例对于压缩形段结构两沟间距为30～40μm时，经过电子计算机理论计算和实验考查，最佳腔长比例为压缩形段占整个腔长的 1/3 ～ 1/4 。这种激光器的制造工艺可完全采用压缩形结构制造工艺一次外延完成生长，其不同点只在于把原来在衬底上光刻腐蚀成通长双沟槽改为光刻腐蚀成分段沟槽。工艺过程是GaAs衬底制备→衬底沟道腐蚀→液相外延双异质结构→淀积SiO2(Si3N4)掩膜→光刻→浅Zn高浓度扩散→P面蒸CrAu→N面GaAs衬底减薄→N面蒸Au-Ge-Ni→微合金→解理管芯→管芯中测→键合→测试及筛选→光纤耦合及组件装配→末测。
衬底片是选择n型掺Si2～3×1018Cm-3的GaAs单晶片。生长平面和(100)面要偏差0.5°～1°角，沿〔011〕方向分段腐蚀出深4～5μm的倒梯形横沟。腐蚀时用SiO2、Si3N4或正性胶做掩膜均可，光刻出窗口后，用1∶8∶8(H2SO4∶H2O2∶H2O)腐蚀液腐蚀4～5分钟(0℃)。两沟间的距离为30～40μm。去除掩膜后，整个片子再用NaOH∶H2O2水溶液轻轻腐蚀一分钟。外延是用改进的挤压舟进行的，第一层生长时要控制一定的过冷度，以保持两沟间小平台的肩角不致被全部回熔掉。生长是在840～830℃开始，用0.5℃～1℃/分的降温速度。为了减少电流的侧向扩展效应，降低激光器的阈值电流，经过理论分析和反复实验，我们找到了每层最佳厚度和掺杂浓度参数。第一层AlxGa1-xAs层生长的厚度约为2μm，n型掺Sn，杂质浓度控制在1～2×1017Cm-3(IgGa熔体掺Sn20～25mg)。第二层有源区不掺杂，平面部分厚度约0.1～0.15μm。第三层AlxGa1-xAs层厚度约为1μm，掺Ge，浓度控制在1～2×1017Cm-3(IgGa熔体掺Ge3.5～5mg)。第四层GaAs层厚度为0.2～0.5μm，掺Ge，浓度控制在1～2×1017Cm-3(IgGa熔体掺Ge0.1～0.3mg)。限制层的X值0.3～0.45均可。外延片制备好后即进行掩膜淀积、光刻、扩散、欧姆接触，解理组装等。接触电极条宽为8～10μm，解理时可根据此外延片压缩形段有源区厚度变化情况适当调整氧化物条形段和压缩形段两段腔长的比例，以使结构参数最佳化。这种结构也可以做成中间是一种结构两边是另一种结构的三段式结构，同时也可以把制做条形电极限制电流的形式制成平面条形结构，质子轰击结构，全面扩散和异质隔离结构等。这种结构我们还实施研制了带波导层的大光腔结构。大光腔结构是在下限制层和有源区中间生长一层n型AlzGa1-zAs波导层，Al含量Z值控制在0.1～0.2之间，层厚为1.5～2.5μm。
这种结构可以制成波长0.80～0.68μm的可见光半导体激光器。只要把有源区生长成含Al的AlyGa1-yAs材料，y值可在0.05～0.3之间变化，同时适当提高上下限制层Al含量X值，调到0.4～0.7就可以了。各层的生长层厚度和杂质浓度可同上所述，但为了保持同上一样的杂质浓度，熔体中杂质含量要适当调整提高或用Zn、Mg、Te等杂质代替Ge和Sn。这种结构也可以制成大光腔可见光半导体激光器，只要在下限制层和有源区之间加一层n型AlzGa1-zAs波导层即可，Al含量Z值要比有源层y值大0.1～0.2。
从设计思想中知道，折射率导引和增益导引这两大类激光器不同结构的组合会产生许多种结构，除了我们已经实施的分段压缩平面复合腔激光器之外，再举几个有代表性的一次外延能完成生长的例子对结构的设计再加以说明。
1.分段梯形平面复合腔结构(称STP)激光器。
这种结构就是把梯形衬底激光器(TS)结构和平面条形结构(PS)结合成复合腔，其结构如图3所示。具体的结构尺寸可根据已有的TS结构设计。也可以做成三段式和如上所述的不同的限制电流的电极形式。
2.分段沟道衬底平面复合腔(称为SCSP)激光器。
这种结构是把沟道衬底(CS)条形结构和氧化物条形结合成复合腔。结构如图4所示。可以做成三段式和不同的限制电流的电极形式。
3.分段沟道衬底平面复合腔(称SCPP)激光器。
这种结构是把沟道衬底平面条形(CSP)和平面条形结合成复合腔。其结构如图5所示。由于非平面衬底液相外延的性质这种结构只能做成如图所示的多段式。电极形式可多种形式。
4.分段掩埋平面复合腔激光器(称为SBP激光器)。
这种结构是把改进的掩埋条形和氧化物条形结合成复合腔，结构如图6所示。结构也可有如前所述的多种形式。
以上列举的是两种结构结合的例子。这些结构的制造工艺都可以采用折射率区段结构的制造工艺，一次外延完成生长，其不同点只在于把原来光刻腐蚀成通长结构，改为光刻腐蚀成分段结构。为了加强纵模的温度锁定效应还可以做成三种结构结合的器件。一次外延能完成的结构举例如下5.分段压缩平面梯形复合腔激光器(称SCPT激光器)这种结构是把压缩形(CDH)，氧化物条形，梯形衬底三种结构结合成复合腔，如图7所示。这三种结构可以不同的串联顺序组合，同时如前所述电流限制的电极形式也可以是其它结构形式。
6.分段掩埋平面梯形复合腔激光器(称SBPT激光器)这种结构是把改进的掩埋条形和氧化物条形，梯形衬底三种结构结合成复合腔。其结构如图8所示。结构也可如前所述制成多种形式。
以上结构均可做成带波导层的大光腔结构。由于各种结构组合形式很多不一一列举。
本发明的设计方案适用于现有的用液相外延生长的波长0.80～0.90μmGaAs材料半导体激光器，波长小于0.80μm的(AlGa)As可见光半导体双异质结激光器和InP材料的波长约为1.3μm、1.55μm的长波长半导体双异质结激光器。也完全适用于其它材料、其它工艺方法(如汽相外延，分子束外延)制造的各种波长范围的半导体双异质结激光器。
本发明所设计的激光器可以有如下效果。
1.和原来的增益段结构激光器相比，激光器侧向模式的稳定性加强，改善了激光器的光功率-电流曲线的线性，如所研制的分段压缩平面复合腔激光器光功率线性范围可达20mW/每面。而原来的氧化物条形激光器一般在2～3mW/每面，光功率曲线即出现扭曲。
2.和原来的折射率段结构激光器相比，在几乎不提高阈值不增加工艺难度的前提下，改善了激光器的模式选择作用，提高了激光器基侧向横模的最大输出功率。如我们所研制的分段压缩平面复合腔激光器，基侧向横模的最大输出功率可达20mW/每面，而原来压缩形激光器(单纯脊背波导的)基侧向横模最大输出功率仅3～7mW/每面。
3.由于两段(或多段)间有微弱的内反射作用，使这种结构的激光器有一定的纵模-温度锁定效应。
4.由于有源区为平面部分的外延片表面是平坦的，这样有利于管芯的烧结组装和表面不平坦的管芯相比热阻低，可提高器件的可靠性和成器率。
5.对于中间是折射率导引区段两边是增益导引区段的器件，由于光斑尺寸变大可提高腔面损坏的最大功率。
为了更进一步说明问题，下面就我们所实施的分段压缩平面复合腔结构激光器的测试特性与已有技术压缩形激光器进行比较，就可显示出这种新型激光器的优点了。
1.阈值特性按照分段压缩平面复合腔激光器结构的特点，其值应当和单纯脊背波导压缩形(CDH)激光器大体相当，而低于半漏波导压缩形，更低于全漏波导大光腔压缩形结构。由于我们选择了最佳的每层厚度和掺杂条件，使得我们研制的分段压缩平面复合腔激光器的阈值最好水平，和美国RCA公司(1981～1983年)报道的单纯脊背波导压缩形结构激光器最好水平相比还低。数据见表1。
2.单模输出功率分段压缩平面复合腔激光器比单纯脊背波导压缩形激光器单模(包括基侧模和单纵模)输出功率范围可提高2～3倍。前者为15～20mW，后者仅为3～7mW。
3.纵模温度锁定效应。
我们研制的分段压缩平面复合腔激光器的纵模在一定的温度范围有纵模-温度锁定效应。初步测量在20°～40℃之间的某一、二个温度范围(4°～6℃范围)纵模温度锁定为0.6
/℃～0.2
/℃而压缩形激光器没有这一效应。
4.器件的可靠性和成品率国外这方面的数据资料没见报导。只能和我们自己的器件进行比较。老化考核表明，在我们现有的同一工艺条件下，分段压缩平面复合腔激光器比压缩形激光器有较高的可靠性，可提高管芯成品率2～3倍。
现将我们研制的分段压缩平面复合腔激光器和美国RCA公司(1981～1983年)报道的脊背波导压缩形激光器的主要参数比较于表1。
表1 两种激光器主要参数比较表
图1为实际测量的氧化物条形和压缩形 1/2 Ith时的有源区载流子浓度侧向分布相对值。纵坐标为载流子浓度相对值，横坐标为有源区相对条中心的侧向距离。曲线a为氧化物条形激光器值，b为压缩形(CDH)激光器值。
图2为分段压缩平面复合腔激光器(SCP)示意图。
图3为分段梯形平面复合腔激光器(STP)示意图。
图4为分段沟道衬底平面复合腔激光器(SCSP)示意图。
图5为分段沟道衬底平面平面复合腔激光器(SCPP)示意图。
图6为分段掩埋平面复合腔激光器(SBP)示意图。
图7为分段压缩平面梯形复合腔激光器(SCPT)示意图。
图8为分段掩埋平面梯形复合腔激光器(SBPT)示意图。
图2～8中部件1为衬底，对于(AlGa)As系激光器衬底为n型GaAs单晶。对于InGaAsP系激光器衬底为n型InP单晶。2为下限制层，对于(AlGa)As系激光器下限制层为N型AlxGa1-xAs外延层，对于InGaAsP系激光器为N型InP外延层。3为有源层，对于(AlGa)As系激光器为AlyGa1-yAs外延层，其y值可根据所需要的波长进行调节为0～0.3之间变化。对于InGaAsP系激光器为InGaAsP外延层。4为上限制层，对于(AlGa)As系激光器上限制层为P型AlxGa1-xAs外延层，对于InGaAsP系激光器为P型InP外延层。5为盖层，对于(AlGa)As系激光器图2.3.6.7.8为P型GaAs外延层，图4.5为n型GaAs外延层，对于InGaAsP系激光器图2.3.6.7.8为P型InGaAsP外延层，图4.5.为n型InGaAsP外延层。图2.3.6.7.8中6为SiO2膜(或Si3N4膜)，图6.8中7为外延前淀积的SiO2膜(或Si3N4膜)，外延时保留处。图4.5中8为扩Zn区。还有激光器上、下电极在图2～8中没有画出，因为层次太多不易分辨，这又是制造半导体激光器的常识。故没有画出。
权利要求
1.一种由折射率导引结构构成的复合腔波导互补激光器，其特征在于它与增益导引激光器结构结合成复合腔，是两段式或多段式结构。
2.一种按照权利要求
1所述的分段压缩平面复合腔激光器，其特征在于把压缩形双异质结构和氧化物条形两种结构分段做在一个谐振腔内。
3.一种按照权利要求
2所述的激光器，其特征在于对两沟间距为30～40μm的压缩形结构，最佳腔长比例为压缩形段占整个腔长的 1/3 ～ 1/4 。
4.一种按照权利要求
2所述的激光器，其特征在于采用压缩形结构的制造工艺时，把原来在衬底上光刻腐蚀成通长双沟槽改为光刻腐蚀成分段沟槽。
5.一种按照权利要求
4所述的激光器，其特征在于按压缩形结构外延工艺一次外延完成生长。
6.一种按照权利要求
5所述的激光器，其特征在于最佳外延层厚度和掺杂条件为，第一层AlxGa1-xAs层厚2μm左右，掺Sn(IgGa熔体掺Sn20～25mg)浓度为1～2×1017cm-3第二层有源区不掺杂。第三层AlxGa1-xAs层厚1～1.5μm，掺Ge(lgGa熔体掺Ge3.5～5mg)浓度为1～2×1017cm-3第四层GaAs层厚度为0.2～0.5μm，掺GelgGa熔体掺Ge0.1～0.3mg)杂质浓度为1～2×1017cm -3。
7.一种按照权利要求
6所述的激光器，程特征在于有源区生长为AlyGa1-yAs材料，y值可在0.05～0.3之间变化。上下限制层的Al含量x值也适当提高调到0.4～0.7。
8.一种按照权利要求
6、7所述的激光器其特征在于在下限制层和有源区之间生长一层AlzGa1-zAs波导层，波导层为n型、Al含量z值比有源层Al含量y值高出0.1～0.2。
9.一种按照权利要求
1所述的分段梯形平面复合腔激光器。其特征在于把梯形衬底激光器结构和平面条形结构结合成复合腔。
10.一种按照权利要求
1所述的分段沟道衬底平面复合腔激光器。其特征在于把沟道衬底条形结构和氧化物条形结构结合成复合腔。
11.一种按照权利要求
1所述的分段沟道衬底平面平面复合腔激光器。其特征在于把沟道衬底平面条形结构和平面条形结构结合成复合腔。
12.一种按照权利要求
11所述的激光器，其特征在于该激光器做成多段式。
13.一种按照权利要求
1所述的分段掩埋平面复合腔激光器。其特征在于把改进的掩埋条形结构和氧化物条形结构结合成复合腔。
14.一种按照权利要求
9、10、11、13所述的激光器，其特征在于光刻腐蚀成分段结构衬底后，按折射率导引结构段的工艺一次完成外延生长。
15.一种按照权利要求
1所述的分段压缩平面梯形复合腔激光器。其特征在于把压缩形、氧化物条形，梯形衬底三种结构结合成复合腔。
16.一种按照权利要求
1所述的分段掩埋平面梯形复合腔激光器。其特征在于把改进的掩埋条形和氧化物条形、梯形衬底三种结构结合成复合腔。
17.一种按照权利要求
15、16所述的激光器，其特征在于光刻腐蚀成分段结构衬底后，一次外延完成生长。
18.一种按照权利要求
1所述的激光器，其特征在于可以按照公式〔ηa·e(y)＝ (Ld)/(L) ηd·e(y)+ (Lg)/(L) ηg·e(y)〕和具体工艺条件估算出折射率导引段和增益导引段腔长的最佳比例，以保持良好的光功率曲线线性同时又具有最大的单模输出功率。
19.一种按照权利要求
1所述的激光器，其特征在于它适合目前已经研制成的工艺较成熟的液相外延生长的波长0.9～0.8μm GaAs材料的半导体双异质结激光器，波长小于0.80μm的(GaAl)As可见光半导体双异质结激光器，适用于Inp材料制造的长波长半导体双异质结激光器，也完全适用于正在研制的其它工艺(如汽相外延，分子束外延)用其它半导体材料制造的各种波长范围的半导体双异质结激光器。
专利摘要
本发明为一种半导体激光器。
文档编号H01S3/05GK85102608SQ85102608
公开日1986年9月24日 申请日期1985年4月1日
发明者杜国同 申请人:吉林大学, 电子工业部第四十四研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan