專利名稱：一種低線寬的f-p腔應(yīng)變量子阱激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，尤其是低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器以其體積小、重量輕廣泛的應(yīng)用于固體激光器泵浦和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。量子阱激光器是近些年來新發(fā)展的一種新型半導(dǎo)體激光器。由于其有源層厚度小于電子平均自由程，使載流子只能在有源層運(yùn)動(dòng)，提高了激光器的轉(zhuǎn)換效率。線寬展寬因子 (Linewidth Enhancement Factor, α factor)是影響半導(dǎo)體激光器譜線寬度的重要因素。 它不僅直接影響半導(dǎo)體激光器的譜線寬度，而且會(huì)對(duì)激光器的模式穩(wěn)定，電流調(diào)制下的啁啾，注入鎖定范圍、光放大系數(shù)以及光反饋效應(yīng)等均會(huì)產(chǎn)生影響。目前文獻(xiàn)報(bào)道的量子阱激光器線寬展寬因子測(cè)量值一般為1-3，為了降低譜線展寬給激光器動(dòng)態(tài)特性帶來的影響，實(shí)現(xiàn)激光器窄線寬輸出，需要一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器。目前窄線寬半導(dǎo)體激光器主要有分布反饋激光器(DFB)、分布布拉格反饋激光器 (DBR)和光柵外腔激光器，這三種激光器確實(shí)實(shí)現(xiàn)了低線寬的輸出，但是這三種激光器有著共同的難點(diǎn)就是腔面加工工藝復(fù)雜[王麗麗、任建華、趙同剛、徐大雄、饒嵐、吳煒、郭永新 2005激光技術(shù)四4][江劍平2000半導(dǎo)體激光器(北京電子工業(yè)出版社)第125頁(yè)]。而對(duì)于F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，其制作方法已經(jīng)較為成熟，但普通的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器線寬較寬，普通的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器的結(jié)構(gòu)如圖2所示[劉安平、段利華、周勇 2010光電子·激光21163]21為襯底層，材料為GaAs ；22為緩沖層，厚度為500nm，材料為N型GaAs ；23為η型下限制層，厚度為1500nm，材料為AlGaAs ；對(duì)為限制層，厚度為200nm，材料為AlGaAs ；25為接觸層，厚度為50nm，材料為GaAs ；26為應(yīng)變緩沖層，厚度為6nm，材料為InxGi^xAs ；27為波導(dǎo)層，厚度為60nm，材料為GaAs ；28為有源層，厚度為6nm，材料為InxGi^xAs ；29為波導(dǎo)層， 厚度為lOOnm，材料為GaAs ；30為限制層，厚度為200nm，材料為AWaAs ；31為限制層，厚度為1300nm，材料為P型AlGaAs ；32為接觸層，厚度為200nm，材料為GaAs ；有源層hx(iai_xAS
材料，x = 0. 1，阱寬厚度為6nm。根據(jù)公式ΔΑ = ，Δ = ^^，Δ λ為線寬，λ為中
2mA2
心波長(zhǎng)，Δ ω為對(duì)應(yīng)的頻率寬度，c為光速，經(jīng)過計(jì)算此激光器角頻率對(duì)應(yīng)線寬為Δω = 2713GHz，線寬較寬。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有F-P腔應(yīng)變量子阱激光器線寬存在的問題，本發(fā)明提供了一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器。本發(fā)明提供的一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，其構(gòu)成包括順次連接的襯底1、緩沖層2、η型下限制層3、下波導(dǎo)層4、下勢(shì)壘層5、有源層6、上勢(shì)壘層7、上波導(dǎo)層8、ρ型上限制層9和歐姆接觸層10 ；襯底層1的材料為GaAs ；緩沖層2，厚度為 lOOnm，材料為GaAs，摻入濃度為1 X IO18CnT3的Si雜質(zhì)；η型下限制層3，厚度為1500nm, 材料為Ala7Giia3As,摻入濃度為IXlO18cnT3的Si雜質(zhì)；下波導(dǎo)層4，厚度為lOOnm，材料為Ala3GEta7As ；下勢(shì)壘層5，厚度為20nm，材料為GaAs ；有源層6，厚度為3 5nm，采用 InxGa1^xAs應(yīng)變材料，χ = 0. 33 ；上勢(shì)壘層7，厚度為20nm，材料為GaAs ；上波導(dǎo)層8，厚度為lOOnm，材料為Al0.3Ga0.7As ；ρ型下限制層9，厚度為1500nm，材料為Ala7GEta3As,摻入濃度為IXlO18cnT3的Si雜質(zhì)；歐姆接觸層10，厚度為300nm，材料為Ala A^l3As,摻入濃度為 IXlO19Cm-3 的 Be 雜質(zhì)。襯底1采用η型GaAs材料，用于在其上進(jìn)行激光器各個(gè)層的外延生長(zhǎng)。緩沖層2采用η型GaAs材料，制作在襯底層1上。該層作用是生長(zhǎng)出缺陷少的外延層，減小襯底與其他層之間的應(yīng)力，以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延層表面，其中摻入了 Si雜質(zhì)， 摻雜濃度為IX IO18cnT3。η型下限制層3采用Ala 7Ga0.3As材料，制作在緩沖層2上，其目的是抑制激光器橫模向襯底層1和緩沖層2的傳播，減少光能損耗，同時(shí)也起到了限制載流子擴(kuò)散的作用，降低了閾值電流。其中摻入了濃度為IX IO18CnT3Si雜質(zhì)。下波導(dǎo)層4采用Ala3Giia7As材料，制作在下限制層3上，其作用是限制光的傳播， 提高激光器的光束質(zhì)量。下勢(shì)壘層5采用GaAs材料，制作在下波導(dǎo)層4上，其作用是為有源層提供勢(shì)壘，使載流子限制在有源層之中，實(shí)現(xiàn)量子化效應(yīng)。有源層6使用的是InGaAs材料，制作在下勢(shì)壘層5上，其作用是為量子阱激光器提供有源區(qū)，產(chǎn)生光子，實(shí)現(xiàn)光增益。所述的有源層采用InxGi^xAs應(yīng)變材料，χ = 0. 33。上勢(shì)壘層7采用GaAs材料，制作在下有源層6上，其作用是為有源層提供勢(shì)壘，使載流子限制在有源層之中，實(shí)現(xiàn)量子化效應(yīng)。上波導(dǎo)層8采用Ala3Giia7As材料，制作在上勢(shì)壘層7上，其作用是限制光的傳播， 提高激光器的光束質(zhì)量。ρ型上限制層9采用Ala7G^l3As材料，制作在上波導(dǎo)層8上，其目的是抑制激光器橫模向襯底層1和緩沖層2的傳播，減少光能損耗，同時(shí)也起到了限制載流子擴(kuò)散的作用， 降低了閾值電流。其中摻入了濃度為IX IO18cnT3Be雜質(zhì)。歐姆接觸層10采用P型GaAs材料，制作在ρ型上限制層9上，其目的是實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，提高轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。其中摻入了濃度為IX IO19cnT3Be雜質(zhì)。本發(fā)明提供的一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，以^xGalxAs材料作為量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，以GaAs材料作為勢(shì)壘層，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)有源層6厚度以及材料組分，使量子阱帶間躍遷產(chǎn)生的線寬展寬因子與自由載流子吸收和帶隙收縮產(chǎn)生的線寬展寬因子相互抵消。參見圖6，線寬展寬因子大小約為0，從而使線寬從一般的量子阱激光器的2713GHz 降到了 3 3. 03GHz。有效降低了 F-P腔量子阱激光器的光譜寬度，改善了量子阱激光器光束的質(zhì)量。本發(fā)明提供的一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，其制備方法如下采用分子束外延系統(tǒng)為英國(guó)VG SEMIC0N公司的V80H MBE設(shè)備。將襯底放入進(jìn)樣室后，進(jìn)行抽真空，達(dá)到10’a后，襯底進(jìn)入制備室，在制備室內(nèi)進(jìn)行樣品預(yù)處理，預(yù)處理加熱臺(tái)加熱到480°C左右，以去除氣體雜質(zhì)，減少進(jìn)入生長(zhǎng)室時(shí)對(duì)真空度的影響，完成上述步驟并且生長(zhǎng)室真空度達(dá)到10_8Pa，襯底由制備室進(jìn)入生長(zhǎng)室，進(jìn)行量子阱激光器外延生長(zhǎng)，保持GaAs組分的生長(zhǎng)速率為lym/hr，V/III束流有效比為9，設(shè)定溫度為600°C，生長(zhǎng) IOOnm的緩沖層2，并摻入Si雜質(zhì)的生長(zhǎng)；使用同樣方法生長(zhǎng)20nm的下勢(shì)壘層5和20nm的上勢(shì)壘層7 ；設(shè)定AlGaAs材料的生長(zhǎng)溫度為700°C，V/III束流有效比為5，生長(zhǎng)1500nm的η 型下限制層3 ；使用相同方法生長(zhǎng)IOOnm的下波導(dǎo)層4，IOOnm的上波導(dǎo)層8，1500nm的ρ型下限制層9以及300nm的歐姆接觸層10 ；生長(zhǎng)η型下限制層3和ρ型下限制層9時(shí)應(yīng)摻入Si 雜質(zhì)的生長(zhǎng)，生長(zhǎng)歐姆接觸層10時(shí)應(yīng)摻入Be雜質(zhì)的生長(zhǎng)；設(shè)定InGaAs生長(zhǎng)溫度為500°C， 生長(zhǎng)停頓時(shí)間為30秒，生長(zhǎng)3 5nm的有源層6。完成上述結(jié)構(gòu)后，通過電子束蒸發(fā)IOOnm 的S^2介質(zhì)膜，再經(jīng)過常規(guī)的光刻、腐蝕工藝形成P-型電極窗口(寬度為200 μ m)，然后熱蒸發(fā)Au/Zn/Au，形成P-型歐姆接觸電極。N面化學(xué)減薄至約100 μ m厚度后蒸發(fā)AuGeNi， 形成N-型歐姆接觸層。合金溫度為420°C，合金氣氛為氫氣。經(jīng)過解理形成腔長(zhǎng)為IOOOnm 的激光器芯片，再將芯片燒結(jié)到熱沉上，經(jīng)過引線，完成一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器。本發(fā)明提供的一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，可應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量、固體激光器泵浦、激光光譜學(xué)研究以及電子學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等許多領(lǐng)域。本發(fā)明提供的一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，其依據(jù)的科學(xué)原理如下影響半導(dǎo)體激光器線寬展寬因子的主要因素有三個(gè)方面，分別是帶間躍遷、自由載流子吸收和帶隙收縮三者對(duì)線寬展寬因子的影響。帶間躍遷對(duì)線寬展寬因子產(chǎn)生的影響是正值，而后兩者對(duì)線寬展寬因子的影響的產(chǎn)生是負(fù)值。具體的計(jì)算方法如下向激光器注入電流后，注入到有源區(qū)的載流子使激光器發(fā)生自發(fā)發(fā)射，而自發(fā)發(fā)射會(huì)引起載流子濃度變化，它使激射場(chǎng)的位相和強(qiáng)度不連續(xù)的變化，在這個(gè)過程中折射率實(shí)部和虛部發(fā)生了變化。α因子就是由于有源區(qū)載流子濃度變化引起激光器折射率實(shí)部和虛部變化產(chǎn)生的[1’2]。線寬展寬因子可表示為
/Wa =——(1)
An''其中Δη’為折射率實(shí)部變化量，Δ η”為折射率虛部變化量，對(duì)上式進(jìn)行轉(zhuǎn)換
Γ Αη ΑΝ…a =——=--(2)
Δ 丨丨 AnnZANΔ N為載流子濃度的變化量又有Δη ” = Δδο/(2ω) (3)其中Ag為增益變化量，ω為角頻率，c為真空中光速；根據(jù)文獻(xiàn)[幻有Δη’ /Δ I = (n/λ ) Δ λ / Δ I，η為折射率，Δ λ為波長(zhǎng)的變化量，ΔΙ為電流的變化量。為方便計(jì)算，可取如下近似Δη，= η · Δ ω/ω ⑷Δ ω為角頻率變化量，將(3)和(4)式帶入⑵式，整理得到α因子的近似計(jì)算公式
2η Αω/ AN 2n dwo I dN“、a = —=—————(5)
c Ag/AN vf dg/dN
dg/dN即為各載流子濃度下增益峰值變化擬合曲線的斜率，微分增益直接反映帶邊載流子濃度增加的快慢，不僅與半導(dǎo)體激光器α因子有關(guān)，還與很多其它重要性能有關(guān)。通ω/浙為各載流子濃度下增益峰值對(duì)應(yīng)光子能量變化擬合曲線的斜率。所以，得到材料增益和對(duì)應(yīng)光子能量隨載流子濃度的變化后，通過( 式我們就可以對(duì)α因子進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過程中我們選擇各載流子濃度下增益曲線的峰值以及其對(duì)應(yīng)的光子能量進(jìn)行計(jì)算。折射率虛部的變化是由帶間躍遷、自由載流子效應(yīng)和帶隙收縮共同引起的，而后兩者引起的變化量很小[2]，所以在計(jì)算三因素對(duì)折射率虛部影響時(shí)，近似使用帶間躍遷對(duì)虛部的影響，即
權(quán)利要求
1. 一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器，其構(gòu)成包括順次連接的襯底(1)、緩沖層 O)、η型下限制層(3)、下波導(dǎo)層0)、下勢(shì)壘層(5)、有源層(6)、上勢(shì)壘層(7)、上波導(dǎo)層 (8)、ρ型上限制層(9)和歐姆接觸層(10)；襯底層(1)的材料為GaAs;緩沖層(2)，厚度為 lOOnm，材料為GaAs，摻入濃度為IX IO18CnT3的Si雜質(zhì)；η型下限制層(3)，厚度為1500nm, 材料為Ala7Giia3As,摻入濃度為IXlO18cnT3的Si雜質(zhì)；下波導(dǎo)層(4)，厚度為lOOnm，材料為Al0.3Ga0. 7As ；下勢(shì)壘層(5)，厚度為20nm,材料為GaAs ；有源層(6)，厚度為3 5nm,采用 InxGa1^xAs應(yīng)變材料，χ = 0. 33 ；上勢(shì)壘層(7)，厚度為20nm，材料為GaAs ；上波導(dǎo)層(8)，厚度為lOOnm，材料為Ala3GEta7As ；ρ型下限制層(9)，厚度為1500nm，材料為Ala 7G￡tQ. 3As，摻入濃度為IX IO18CnT3的Si雜質(zhì)；歐姆接觸層(10)，厚度為300nm，材料為Al0.燦0.3As，摻入濃度為IXlO19cnT3的Be雜質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種低線寬的F-P腔應(yīng)變量子阱激光器。所述的包括順次連接的襯底(1)、緩沖層(2)、n型下限制層(3)、下波導(dǎo)層(4)、下勢(shì)壘層(5)、有源層(6)、上勢(shì)壘層(7)、上波導(dǎo)層(8)、p型上限制層(9)和歐姆接觸層(10)；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)有源層6，使量子阱帶間躍遷產(chǎn)生的線寬展寬因子與自由載流子吸收和帶隙收縮產(chǎn)生的線寬展寬因子相互抵消，實(shí)現(xiàn)了低線寬，改善了量子阱激光器光束的質(zhì)量。本發(fā)明的激光器的有源層為InxGa1-xAs材料，x＝0.33，阱寬厚度為3～5nm，中心波長(zhǎng)λ＝980nm～1036nm，線寬較量子阱激光器線寬降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)?？梢杂糜诠鈱W(xué)測(cè)量、固體激光器泵浦、激光光譜學(xué)研究等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S5/10GK102332681SQ201110217210
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月1日
發(fā)明者劉國(guó)軍, 張帆, 曲鐵, 李占國(guó), 李林, 薄報(bào)學(xué), 馬曉輝, 高欣 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)