专利名称：复光栅耦合dfb激光二极管结构的制作方法
根据权利要求1前序部分所述，本发明涉及复光栅耦合DFB激光二极管结构。
一种上述类型的这种DFB激光二极管结构可在DE 41 24 872 A1或在由B.Borchert等人写在电子通讯(Electronics Letters，Vol.29，1993年，210-211页)的论文中得到了解。在这已知的结构中，指数半导体材料层确定是在光栅的顶部，而吸收半导体材料层只确定位于光栅的底部。
这种顶部、底部形状具有例如三角形的剖面构造。因而，重要的复光栅耦合层只会是由吸收半导体材料层构筑在由全息法制作的光栅三角形的底边角位置。而复光栅耦合层的功能也就完全取决于制作布拉格光栅形状的可重复性程度。光栅形状的起伏—在制作光栅过程中不可避免地存在着工艺参数的起伏—在实现复耦合形式时就会对复耦合的强度产生很大的影响，并由此影响DFB激光二极管的光谱特性。
由本发明权利要求1叙述的具有复光栅耦合的DFB激光二极管有着可以改善光栅结构的制作重复性之优点，并且，与上述熟知的二极管结构相比，本发明二极管结构具有更好的单模产额和在更宽温度范围内的单模发射。单模光谱DFB激光二极管是光通讯技术中的关键元器件。
本发明激光二极管结构的优点在于利用体材料实现复耦合强度时具有相当宽的设计自由度并且由于相互毗邻的界面少而具有更好的长期稳定性。
体材料意指这种材料层足够厚，不会产生如在薄量子阱层情形下的量子效应。
此外，本发明激光二极管结构的优点在于还具有可实现埋层光栅的技术容差，可同时实现由指数材料构成的光栅和由吸收材料构成的光栅。
指数材料和吸收材料意指对一定波长的光而言，指数材料比吸收材料更透明，而吸收材料吸收光比指数材料更强。对指数材料而言，复折射率指数的实数部分大于虚数部分，对吸收材料而言，虚数部分大于实数部分。
需指出，G.P.Li等人在电子通讯(Electronics Letters，Vol.28，1992年，1726-1727页)中曾报道过实现了一种增益光栅，其布拉格光栅刻在由MQW结构构成的激光二极管的有源区。由于有源层平面化构筑的影响，这种激光二极管结构存在着长期稳定性方面的问题。
W.T.Tsang等人在应用物理通讯(Applied Physics Letter，Vol.60，1992年，2580-2582页)中报道，复耦合可通过在第二个MQW结构上刻蚀布拉格光栅得到实现。
第二个MQW结构不是位于该激光二极管MQW有源区之上就是位于其下，并在该激光二极管结构的pn结区之外。通过对这个MQW结构的设计，可以制作出由指数材料或者由吸收材料组成的光栅。这种光栅结构也可以掩埋，因此，根据权利要求1前序部分的描述，对上述激光二极管结构而言，复耦合强度与工艺参数之间的强依赖程度就可能减弱。但是，由Tsang等人制作的激光二极管，其第二个平面化MQW结构存在许多界面，导致长期稳定性方面的问题，在复光栅耦合中，还对受薄MQW层制约的设计参数范围的调整起限制作用。
由本发明制作的激光二极管结构兼有由DE 41 24 872 A1结构的优点也兼有Borchert等人结构的优点，即利用厚体材料在建立复耦合强度方面具有相当大的设计自由度以及由于边界面少而具有更好的长期稳定性趋势，利用Chang等人的结构优点，可以实现具有掩埋光栅的技术容差，也可以实现由指数材料制作的光栅以及由吸收材料制作的光栅。同时具有的优点是，复耦合的作用(如DE 41 24 872 Al或Borchert等人的结构)不依赖于布拉格光栅形状的可重复性程度，不会出现像Chang等人的结构-由于具有第二个MQW结构的许多边界面而导致长期稳定性方面的问题-那样的情况，也不会受薄MQW层条件制约，而在复光栅耦合中对设计参数范围的调整起限制作用。
本发明方法适于制造复耦合的单模DFB激光二极管，工作波长为1.3μm和1.55μm，工作温度至1000C。尤其适合于制作快速、经济的DFB激光器模块。
本发明激光二极管结构的优选实施方案和优点在从属权利要求中叙述。
下面举例并利用图示详细解释本发明。
图1至4为本发明激光二极管结构相同横截面的四种变形。它们只是图示，没按比例画。
在图1和2这两种变形中，衬底1上表面10之上是覆盖层2。衬底是一种导电类型例如n掺杂型的半导体材料，覆盖层2为同样导电类型的n型半导体材料。在由衬底1转生出来的覆盖层2的边21之上制作了激光有源层4。覆盖层2上的激光有源层4可以包括体材料或者具有一个量子阱层，也可以是例如多量子阱MQW层，如图所示。
在由覆盖层2转生出来的激光有源层4的边41之上是覆盖层3，激光有源层4上的覆盖层3是与覆盖层2的导电类型相反的半导体材料，本例中为p掺杂型。原则上，覆盖层3可以是n导电类型而覆盖层2和衬底1可以是p导电类型。
先暂时忽略后面将要描述的光栅5。在由激光有源层4转生出来的覆盖层3的31边之上是层52，作在覆盖层3上的层52为指数半导体材料。在由覆盖层3转生出来的指数材料层52的521边之上是层53，作在指数材料层52上的层53是吸收型半导体材料。
在激光有源层4上，指数材料52和吸收材料53中的凹凸不平面是光栅5，在凹凸不平面50上定义光栅(5)的项部(501)沿背离激光有源层(4)的方向(40)，光栅(5)的底部(502)沿朝向有源层(4)的方向(41)。
根据本发明，指数材料层52和吸收材料层53均包括体材料。此外，体指数半导体材料层52和体吸收材料层53均嵌在覆盖层3和直至光栅顶部501的凹凸不平面50之间。
例如，光栅的顶部501和底部502是细长结构，它们的纵轴与画面成直角，此外，顶部501和底部502分别具有三角形剖面，如图所示。
底部502的深度t至少要达到使体吸收材料层53截断的深度，但是，底部502的优选深度是既要截断体吸收材料层53也要截断体指数材料层52。在本例中，层53和层52形成平行的条，彼此具有一定的间距，其纵轴垂直于画面，平均宽度为b，其自身亦成为具有光栅周期a的光栅。
图1结构与图2结构的主要差别在于，在图1结构中，体指数材料层52和体吸收材料层53是彼此直接接界，而图2结构中，体指数材料层52与体吸收材料层53却彼此被薄的间隔层55隔开了，间隔层55优选本征半导体材料。
为了要实现制作重复性好的掩埋光栅5，在体指数、体吸收材料层52、53和凹凸不平面50之间优选加入另一层54，另一层54优选体本征半导体材料，并且与层52、53那样制作在光栅5的顶部501。另一层54可用于在凹凸不平面上外延生长层7。层7是与覆盖层3同样的p型导电类型的半导体材料，优选另一层54那样的体材。
由层7制作的掩埋光栅5，其优点是能够设置光栅的占空比b/a为50％。这样，可以确保对因工艺技术而导致的光栅形状的起伏有着最大的不敏感度。
体吸收材料层53的优选位置是在体指数材料层52和另一层54或者凹凸不平面50之间。
为了防止复耦合DFB激光二极管结构的不稳定性，体指数材料层52和体吸收材料层53彼此是反导电类型的。若体指数材料层52与覆盖层3的导电类型一致，即像本例中的p型，就很合适。
根据图1和图2制作的本发明激光二极管结构，其制作优点在于只需要两次外延步骤。第一次外延生长各层直至并包括另一层54。第二次基本上是外延层7来覆盖光栅。
本发明中图3和图4两激光二极管结构与本发明中图1和图2两激光二极管结构的区别在于凹凸不平面50的设置。凹凸不平面50由激光有源层4转形而来并形成光栅5，与其相连的本体不是按照图1和图2中的层7的构筑形式，而是以衬底1的构筑形式。半导体材料衬底1为体指数材料层52的导电类型，在此，该衬底1具有与凹凸不平面50相对并与之形成互补的衬底上表面10。
上文的互补意指衬底面10在朝向激光有源层4的方向41具有顶部101，而此处恰恰是凹凸不平上表面50在朝向激光有源层4的方向41的凹部。衬底面10在背离激光有源层4的方向40具有凹部102，而此处又恰恰是凹凸不平面50在背离激光有源层4的方向40所具有的顶点501。衬底1的各底部点102，对应为凹凸不平面50上突出的顶部点501，凹凸不平面50的各底部点502又对应为衬底上表面10的顶部。
图3、图4结构的其余部分与图1、图2结构的一样，也用着同样的参考符号。这些部分已经在对应的图1、图2中予以说明，不再复述。
图3结构与图4结构的区别完全同图1与图2结构的区别，即图3结构中体指数材料层52直接与体吸收材料层53相互接界，而在图4结构中，层52与层53被一薄间隔层55隔开。
此外，图3、图4结构与图1、图2结构之间的一个小差别在于，在假设所有的结构变形中覆盖层2是n导电类型的情况下，图1、图2结构中的衬底1也必定是n型，而图3、图4结构中的衬底1则必定是p导电类型。当所有的结构变形中覆盖层2是p导电类型时，这种情况则相反。
另一个差别在于，图3、图4结构中的另一层54不像图1、图2中的那样重要，因为层53和52可以直接在衬底上表面10上生长。
图3、图4结构具有的优点在于，制作这种结构只需要一次外延。首先构造衬底上表面10，使之具有顶部101和底部102，然后，利用单次外延生长全部各层。在利用另一层54时，外延参数的设置不仅要让另一层54处于底部102的尖端，而且还将覆盖整个衬底上表面10。
根据图1、图2结构优选的实施实例为，衬底包括n型掺杂InP，覆盖层包括n型掺杂InP，有源层4包括MQW结构，覆盖层3包括p型掺杂InP，层52包括体指数p型掺杂InGaAsP材料，层53包括体吸收n型掺杂InGaAs材料，另一层54包括体半导体材料InP，层7包括体半导体p型掺杂InP材料。间隔层55包括InP。
根据图3、图4结构优选的实施实例为，衬底1包括p型掺杂InP，另一层54(存在的话)包括体半导体InP材料，层53包括体吸收n型掺杂InGaAs材料，层52包括体指数p型掺杂InGaAsP材料，覆盖层3包括p型掺杂InP，有源层4包括MQW结构，覆盖层2包括n型掺杂InP。
间隔层55包括InP。
由上述的实施实例，对1.55μm波长，由四元InGaAsP构成的层52可能具有带隙波长1.15μm，由三元InGaAs构成的体吸收材料层53可能具有带隙波长1.66μm。
权利要求
1.复耦合光栅DFB激光二极管结构包括—一个设置在两光学覆盖层(2，3)之间的激光有源层(4)，这两光学覆盖层是具有相反导电类型(n，p)的半导体材料，—一个指数半导体材料层(52)，设置在由激光有源层(4)转生出来的两覆盖层(2，3)之一(3)的一边(31)之上，—一个吸收半导体材料层(53)，设置在由覆盖层(3))转生出来的指数半导体材料层(52)的一边(521)之上，和—一个在指数半导体材料层(52)和吸收半导体材料层(53)内制作的光栅(5)，它是由激光有源层(4)转形而来具有凹凸不平的上表面(50)的形状，定义光栅(5)的顶部(501)背离激光有源层(4)的方向(40)，光栅(5)的底部(502)朝向激光有源层(4)的方向(41)，其特征在于指数材料层(52)和吸收材料层(53)各自包括体材料并且体指数材料层(52)和体吸收材料层(53)均嵌在覆盖层(3)和直至光栅(5)的顶部(501)的凹凸不平上表面(50)之间。
2.按权利要求1所述的激光二极管结构，其特征在于体指数材料层(52)和体吸收材料层(53)具有相反的导电类型(p，n)。
3.按权利要求2所述的激光二极管结构，其特征在于体指数材料层(52)的导电类型与覆盖层(3)的相同。
4.按上述权利要求之一所述的激光二极管结构，其特征在于在体吸收材料层、体指数材料层(52，53)和凹凸不平的上表面(50)之间有另一体半导体材料层(54)。
5.按权利要求4所述的激光二极管结构，其特征在于体吸收材料层(53)位于体指数材料层(52)和另一层(54)之间。
6.按权利要求4或5所述的激光二极管结构，其特征在于另一层(54)包含本征体材料。
7.按上述权利要求之一所述的激光二极管结构，其特征在于体指数材料层(52)和体吸收材料层(53)彼此接界。
8.按上述权利要求1至6之一所述的激光二极管结构，其特征在于体指数材料层(52)和体吸收材料层(53)被一本征半导体材料间隔层(55)相互隔开。
9.按上述权利要求之一所述的激光二极管结构，其特征在于由激光有源层(4)转形来的凹凸不平面(50)的一边是块体材料(7；1)，该块体材料是一种与凹凸不平面(50)接界的半导体材料，具有体指数材料层(52)的导电类型(p；n)。
10.按权利要求4和9所述的激光二极管结构，其特征在于块体材料(7)为另一层(54)的半导体材料所构成。
11.按权利要求9或10所述的激光二极管结构，其特征在于块体材料包括与凹凸不平上表面(50)接界的层(7)。
12.按权利要求9或10所述的激光二极管结构，其特征在于块体材料包括具有衬底表面(10)的衬底(1)，衬底表面(10)与凹凸不平面(50)相对并与之形成互补结构。
13.按权利要求4和12所述的激光二极管结构，其特征在于另一层(54)和衬底(1)为同种材料。
14.按上述权利要求之一所述的激光二极管结构，其特征在于在体指数材料层(52)的范围内，光栅(5)具有的占空比(b/a)基本上为50％。
15.按上述权利要求之一所述的激光二极管结构，其特征在于两个半导体材料覆盖层(2，3)包括InP，体指数材料层包括InGaAsP，体吸收材料层包括InGaAs。
16.按权利要求4和15所述的激光二极管结构，其特征在于另一层(54)包括InP。
17.按权利要求8和15或16所述的激光二极管结构，其特征在于间隔层(55)包括InP。
全文摘要
具有复光栅耦合的本发明DFB激光二极管结构包括光栅,包括体指数材料层(52)和体吸收材料层(53),其中两层(52,53)为重叠设置,相互间没有相移。
文档编号H01S5/12GK1191638SQ96195653
公开日1998年8月26日 申请日期1996年5月13日 优先权日1995年5月31日
发明者B·波尔彻尔特, B·斯特米勒 申请人:西门子公司