980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法
【專利摘要】一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，包括：一n?GaAs襯底；一n?GaAs緩沖層制作在n?GaAs襯底上；一n?AlGaAs無源波導(dǎo)芯層制作在n?GaAs緩沖層上；一n?GaAs空間層制作在n?AlGaAs無源波導(dǎo)芯層上；一InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)制作在n?GaAs空間層上；一p?GaAs緩沖層制作在n?GaAs空間層上；一n?GaAs電流阻擋層制作在p?GaAs緩沖層上；一p?GaAs歐姆接觸層制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上；分為激光器、模斑轉(zhuǎn)換器和無源波導(dǎo)區(qū)。本發(fā)明可以將有源區(qū)產(chǎn)生的光低損耗絕熱地耦合進(jìn)無源波導(dǎo)芯層傳輸，從而實(shí)現(xiàn)將有源器件的不對(duì)稱的橢圓光斑轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的圓形光斑，可以提高半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合效率，提高其偏調(diào)容差，降低耦合封裝工藝難度。
【專利說明】
980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明所屬半導(dǎo)體領(lǐng)域，是一種在光纖通信和光纖傳感等領(lǐng)域中有重要作用的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體栗浦激光器是眾多領(lǐng)域亟需的關(guān)鍵器件，其中處于近紅外波段的980nm半導(dǎo)體栗浦光源技術(shù)是摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifer，簡稱EDFA)和摻鉺光纖超焚光光源(Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Source，簡稱ED-SFS)的重要栗浦光源，對(duì)實(shí)現(xiàn)超高速、超大容量、超長距離的全光通信系統(tǒng)和高精度光纖陀螺的技術(shù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。
[0003]在全光通信系統(tǒng)和光纖陀螺的應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率是影響傳輸損耗和信號(hào)衰減的核心因素。單模光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的圓柱形結(jié)構(gòu)，這樣導(dǎo)致其本征模場是對(duì)稱的圓形光斑，而半導(dǎo)體激光器的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一般是對(duì)稱度較小的長方形結(jié)構(gòu)，這樣導(dǎo)致其本征模場是橢圓形光斑。因此，單模光纖和半導(dǎo)體激光器之間的本征模場的大小和形狀的差別導(dǎo)致了二者之間有很大的模式失配，二者之間的耦合效率極低，而且對(duì)準(zhǔn)容差很小。如何通過光束整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與單模光纖的高效率耦合，降低光損耗，提高耦合容差是制約高光束質(zhì)量、高功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述一個(gè)或多個(gè)問題，本發(fā)明提出了一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法。半導(dǎo)體模斑轉(zhuǎn)換器可以將有源區(qū)產(chǎn)生的光低損耗絕熱地耦合進(jìn)無源波導(dǎo)芯層傳輸，從而實(shí)現(xiàn)將有源器件的不對(duì)稱的橢圓光斑轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的圓形光斑，這樣既可以提高半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合效率，又可以提高其偏調(diào)容差，降低耦合封裝工藝難度，本發(fā)明是一種高光束質(zhì)量的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法。
[0005]本發(fā)明提供一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，包括:
[0006]—n-GaAs 襯底；
[0007]一 n-GaAs緩沖層，其制作在n_GaAs襯底上；
[0008]—n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層，其制作在n_GaAs緩沖層上；
[0009]一n -GaA s空間層，其制作在n -AI Ga A s無源波導(dǎo)芯層上的中間，該n -GaA s空間層的斷面為中間凸起結(jié)構(gòu)；
[0010]一InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)，其制作在n-GaAs空間層中間凸起的部位上，該InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀；
[0011]— p-GaAs緩沖層，其制作在n-GaAs空間層薄的部位上，該p-GaAs緩沖層的兩側(cè)面與InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)接觸，該p-GaAs緩沖層一側(cè)的斷面為L形結(jié)構(gòu)，斷面為一側(cè)薄，另一側(cè)厚；
[0012]— n-GaAs電流阻擋層，其制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)兩側(cè)的p-GaAs緩沖層斷面薄的部位上，且高于P-GaAs緩沖層的頂部；
[0013]— p-GaAs歐姆接觸層，其制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上，且覆蓋暴露的P-GaAs緩沖層及n-GaAs電流阻擋層的上面；
[0014]其中該n-GaAs空間層、InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)、p-GaAs緩沖層、n-GaAs電流阻擋層和P-GaAs歐姆接觸層構(gòu)成脊形結(jié)構(gòu)，該脊形結(jié)構(gòu)分為激光器、模斑轉(zhuǎn)換器和無源波導(dǎo)區(qū)。
[0015]本發(fā)明還提供一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0016]步驟1:在一n-GaAs襯底上生長n-GaAs緩沖層、n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層、n-GaAs空間層和InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)；
[0017]步驟2:第一次刻蝕，使InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)形成窄條形狀，其兩側(cè)的GaAs空間層的高度低于InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的下表面，該InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀；
[0018]步驟3:在n-GaAs空間層上生長p-GaAs緩沖層；
[0019]步驟4:第二次刻蝕，使p-GaAs緩沖層上面的一側(cè)低于另一側(cè)的高度；
[0020]步驟5:在p-GaAs緩沖層上生長0.9μηι n_GaAs電流阻擋層；
[0021 ] 步驟6:第三次刻蝕，暴露出InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)及部分p-GaAs緩沖層，使兩側(cè)0.9μηι n-GaAs電流阻擋層的高度高于暴露出的p_GaAs緩沖層；
[0022]步驟7:在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)、p-GaAs緩沖層和n-GaAs電流阻擋層上生長P-GaAs歐姆接觸層，完成制備。
[0023]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024](I)采用半導(dǎo)體激光器和模斑轉(zhuǎn)換器單片集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以將半導(dǎo)體的橢圓光斑轉(zhuǎn)換為接近圓形光斑，提高半導(dǎo)體激光器與模斑轉(zhuǎn)換器的耦合效率和偏調(diào)容差；
[0025](2)在有源區(qū)下面生長一層無源波導(dǎo)芯層，中間用n-GaAs空間層隔開，形成雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠保證從模斑轉(zhuǎn)換器耦合進(jìn)無源波導(dǎo)芯層的光穩(wěn)定傳輸；
[0026](3)模斑轉(zhuǎn)換器采用二階錐形有源波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效把錐形有源波導(dǎo)區(qū)的光絕熱地耦合到下面的無源波導(dǎo)芯層。
【附圖說明】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:
[0028]圖1是本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器與模斑轉(zhuǎn)換器集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖；
[0029]圖2是本發(fā)明中一次光刻的掩膜板圖形；
[0030]圖3是本發(fā)明制備方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]請參閱圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，包括:
[0032]— n-GaAs 襯底 I;
[0033]一n-GaAs緩沖層2，其制作在n_GaAs襯底I上，所述n_GaAs緩沖層2的厚度為0.3_
0.7μπι；[OO34]—n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層3，其制作在n-GaAs緩沖層2上，所述n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層3的厚度為45-55nm;
[°035] 一n-GaAs空間層4，其制作在n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層3上的中間，該n_GaAs空間層4的斷面為中間凸起結(jié)構(gòu)，所述n-GaAs空間層4的厚度為0.3-0.7μηι；
[0036]— InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)5，其制作在n_GaAs空間層4中間凸起的部位上，該InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀(參閱圖2)，所述InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5為不摻雜的InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，包括厚度為90nm的AlGaAs上下波導(dǎo)層，厚度為15nm的GaAs上下限制層和厚度為8nm的InGaAs量子講層；
[0037]— p-GaAs緩沖層6，其制作在n-GaAs空間層4薄的部位上，該p-GaAs緩沖層6的兩側(cè)面與InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5接觸，該p-GaAs緩沖層6—側(cè)的斷面為L形結(jié)構(gòu)，斷面為一側(cè)薄，另一側(cè)厚，所述P-GaAs緩沖層6的厚度為0.8μηι；
[0038]一 n-GaAs電流阻擋層7，其制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5兩側(cè)的p-GaAs緩沖層6斷面薄的部位上，且高于p-GaAs緩沖層6的頂部，所述n-GaAs電流阻擋層7的厚度為
0.9μηι ；
[0039]— p-GaAs歐姆接觸層8，其制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5上，且覆蓋暴露的p-GaAs緩沖層6及n-GaAs電流阻擋層7的上面；
[0040]其中，該n-GaAs空間層4、InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)5、p-GaAs緩沖層6、n-GaAs電流阻擋層7和p-GaAs歐姆接觸層8構(gòu)成脊形結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用在脊形表面沉積Si02鈍化層的技術(shù)，以減少激光器電極的寄生電容。
[0041]其中，該脊形結(jié)構(gòu)分為激光器、模斑轉(zhuǎn)換器和無源波導(dǎo)區(qū)(見圖2)。
[0042]其中，模斑轉(zhuǎn)換器的作用是把激光器的光斑尺寸逐漸變大，同時(shí)盡可能地把激光器的光絕熱地耦合到無源波導(dǎo)區(qū)。
[0043]其中，無源波導(dǎo)區(qū)的作用就是穩(wěn)定光斑模式并使其出射端面的近場光斑和單模光纖的模場相匹配，以減小激光器遠(yuǎn)場發(fā)散角。
[0044]其中，n-GaAs空間層4的作用是將傳輸?shù)綗o源波導(dǎo)區(qū)的光擴(kuò)展到空間層，使光斑進(jìn)一步趨近于圓形光斑，從而提高與光纖的耦合效率。
[0045]請參閱圖3并結(jié)合參閱1、圖2所示，本發(fā)明提供一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟:
[0046]步驟1:在一n-GaAs襯底I上生長n-GaAs緩沖層2、n_AlGaAs無源波導(dǎo)芯層3、n_GaAs空間層4和InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5，所述n-GaAs緩沖層2的厚度為0.3-0.1m，所述n_AlGaAs無源波導(dǎo)芯層3的厚度為45-55nm，所述n-GaAs空間層4的厚度為0.3-0.7μηι，所述InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5包括厚度為90nm的AlGaAs上下波導(dǎo)層，厚度為15nm的GaAs上下限制層和厚度為8nm的InGaAs量子講層；
[0047]步驟2:第一次刻蝕，使InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5形成窄條形狀，其兩側(cè)的GaAs空間層4的高度低于InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5的下表面，該InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀；
[0048]步驟3:在n-GaAs空間層4上生長p-GaAs緩沖層6，所述p-GaAs緩沖層6的厚度為0.8ym;
[0049]步驟4:第二次刻蝕，使p-GaAs緩沖層6上面的一側(cè)低于另一側(cè)的高度；
[0050]步驟5:在p-GaAs緩沖層6上生長0.9μηι n_GaAs電流阻擋層7，該n_GaAs電流阻擋層7的厚度為0.9μπι;
[0051 ] 步驟6:第三次刻蝕，暴露出InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5及部分p-GaAs緩沖層6，使兩側(cè)0.9μηι n-GaAs電流阻擋層7的高度高于暴露出的p_GaAs緩沖層6 ；
[0052]步驟7:在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5、p_GaAs緩沖層6和n-GaAs電流阻擋層7上生長P-GaAs歐姆接觸層8，完成制備。
[0053]其中，第一次刻蝕InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)5縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀，需要配合分辨率更高的光刻工藝。采用SUSS的UV250真空接觸曝光工藝并結(jié)合深紫外光刻膠，使光刻精度能夠達(dá)到0.5μπι。
[0054]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，包括: 一n-GaAs 襯底； 一 n-GaAs緩沖層，其制作在n_GaAs襯底上； 一 n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層，其制作在n-GaAs緩沖層上； 一 n-GaAs空間層，其制作在n_AlGaAs無源波導(dǎo)芯層上的中間，該n-GaAs空間層的斷面為中間凸起結(jié)構(gòu)； 一InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)，其制作在n-GaAs空間層中間凸起的部位上，該InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀； 一P-GaAs緩沖層，其制作在n-GaAs空間層薄的部位上，該p-GaAs緩沖層的兩側(cè)面與InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)接觸，該p-GaAs緩沖層一側(cè)的斷面為L形結(jié)構(gòu)，斷面為一側(cè)薄，另一側(cè)厚； 一 n-GaAs電流阻擋層，其制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)兩側(cè)的p-GaAs緩沖層斷面薄的部位上，且高于P-GaAs緩沖層的頂部； 一 P-GaAs歐姆接觸層，其制作在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)上，且覆蓋暴露的p-GaAs緩沖層及n-GaAs電流阻擋層的上面； 其中該n-GaAs空間層、InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)、p-GaAs緩沖層、n-GaAs電流阻擋層和P-GaAs歐姆接觸層構(gòu)成脊形結(jié)構(gòu)，該脊形結(jié)構(gòu)分為激光器、模斑轉(zhuǎn)換器和無源波導(dǎo)區(qū)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中n-GaAs緩沖層的厚度為0.3-0.7ym，n_AlGaAs無源波導(dǎo)芯層的厚度為45-55nm，n_GaAs空間層的厚度為0.3-0.7μηι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中p-GaAs緩沖層的厚度為0.8μπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)為不摻雜的InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，包括厚度為90nm的AlGaAs上下波導(dǎo)層，厚度為15nm的GaAs上下限制層和厚度為8nm的InGaAs量子講層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其中n-GaAs電流阻擋層的厚度為0.9μηι06.—種980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟: 步驟I:在一n-GaAs襯底上生長n-GaAs緩沖層、n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層、n-GaAs空間層和InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)； 步驟2:第一次刻蝕，使InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)形成窄條形狀，其兩側(cè)的GaAs空間層的高度低于InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的下表面，該InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)縱向兩側(cè)的寬度為漸變形狀； 步驟3:在n-GaAs空間層上生長p-GaAs緩沖層； 步驟4:第二次刻蝕，使p-GaAs緩沖層上面的一側(cè)低于另一側(cè)的高度； 步驟5:在p-GaAs緩沖層上生長0.9μηι n_GaAs電流阻擋層； 步驟6:第三次刻蝕，暴露出InGaAs/GaAs應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)及部分p-GaAs緩沖層，使兩側(cè)0.9μηι n-GaAs電流阻擋層的高度高于暴露出的p_GaAs緩沖層； 步驟7:在InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)、p-GaAs緩沖層和n-GaAs電流阻擋層上生長p-GaAs歐姆接觸層，完成制備。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其中n-GaAs緩沖層的厚度為0.3-0.7ym、n-AlGaAs無源波導(dǎo)芯層的厚度為45-55nm及n-GaAs空間層的厚度為0.3-0.7μηι08.根據(jù)權(quán)利要求6所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其中p-GaAs緩沖層的厚度為 0.8μηι。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的980nm半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其中InGaAs/GaAs應(yīng)變量子講結(jié)構(gòu)包括厚度為90nm的AlGaAs上下波導(dǎo)層，厚度為15nm的GaAs上下限制層和厚度為8nm的InGaAs量子講層。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的98 O n m半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其中η - G a A s電流阻擋層的厚度為0.9μηι。
【文檔編號(hào)】H01S5/343GK105826815SQ201610370735
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】郭文濤, 譚滿清
【申請人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所