一種集成半導(dǎo)體激光器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及中紅外半導(dǎo)體激光器，特別是指一種2 μπι單模大功率GaSb基金屬光 柵主振蕩功率放大器（ΜΟΡΑ)集成半導(dǎo)體激光器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 2-5 μ m波段包含非常重要的大氣窗口，包含了許多氣體分子的特征譜線，可以廣 泛應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測、氣體檢測等民用項目；而工作在該波段的大功率激光器可期望在 激光雷達、光電對抗等軍用項目中發(fā)揮更好的應(yīng)用效果。傳統(tǒng)的Si基、GaAs基材料帶隙比 較寬，不能滿足對波長的要求。而GaSb材料相對較窄的帶隙具有先天的優(yōu)勢，然而普通結(jié) 構(gòu)的F-P腔半導(dǎo)體激光器多為多模工作，在高速調(diào)制時會發(fā)生光譜展寬效應(yīng)。隨著高速率 光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展與環(huán)境監(jiān)測需求精度的提高，都對半導(dǎo)體激光器提出了更高的要求。 研制單模工作、高光束質(zhì)量、大功率的GaSb激光器成為半導(dǎo)體激光器發(fā)展中的一個重要方 向。
[0003] 常見的實現(xiàn)單縱模波長穩(wěn)定的方法為DFB結(jié)構(gòu)和DBR結(jié)構(gòu)，對于GaSb基材料，其 波導(dǎo)層和限制層中的高鋁組分帶來的容易氧化的問題使得傳統(tǒng)的需要二次外延的掩埋光 柵DFB的制作難度非常大。GaSb基DFB利用外延層中的脊形波導(dǎo)和布拉格光柵來完成對 光的折射率導(dǎo)引和增益導(dǎo)引，然而，為了保證激光器的單模工作，脊形波導(dǎo)的寬度在幾微米 的數(shù)量級，其光出射面積很小，光功率密度很大，容易產(chǎn)生腔面的光學災(zāi)變（Catastrophic optical mirror damage，C0MD)，不利于激光器的穩(wěn)定工作，其輸出功率也被限制在了較低 的范圍內(nèi)，提升半導(dǎo)體激光器輸出功率最有效的方法為增加脊形波導(dǎo)區(qū)的條寬，然而條寬 的增大會影響激光器單模的穩(wěn)定性，無法保證單橫模單縱模工作，在較窄的脊形波導(dǎo)上提 高光輸出功率又容易引起光學災(zāi)變，大功率單模激光器的研究是一個熱點問題。
[0004] 實現(xiàn)大功率高亮度單模輸出最有效的方法為主振蕩功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier，ΜΟΡΑ)結(jié)構(gòu)，ΜΟΡΑ 主要由主振蕩（MO)區(qū)和放大（PA)區(qū)構(gòu) 成，主振蕩區(qū)主要作用是產(chǎn)生高質(zhì)量的種子光源，對于功率并沒有過高要求，因而輸出光較 易做到模式的穩(wěn)定性，保持良好的光束質(zhì)量，功率放大部分主要作用則是對種子光進行放 大，在保證了輸出光的高光束質(zhì)量的同時又實現(xiàn)了高功率輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提出了一種半導(dǎo)體激光器及其制備方法，以實現(xiàn)大功率單模激 光器。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明一方面，其提供了一種半導(dǎo)體激光器，其包括：
[0007] 襯底，
[0008] 外延結(jié)構(gòu)，其生長所述襯底上，由下至上包括：N型下接觸層、N型下限制層、下波 導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo)層、P型上限制層、P型上接觸層；
[0009] 增益放大區(qū)，其位于所述半導(dǎo)體激光器的前部即出光部分，為向下刻蝕所述P型 上接觸層形成的等腰梯形結(jié)構(gòu)；
[0010] 主振蕩區(qū)，其位于所述增益放大區(qū)后部，為向下刻蝕所述P型上接觸層和P型上限 制層形成的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；
[0011] 金屬光柵區(qū)，其位于所述主振蕩區(qū)后部，為形成在所述上波導(dǎo)層表面的周期型布 拉格金屬光柵結(jié)構(gòu)；
[0012] 光限制槽，其對稱分布于所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，與所述脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傾斜設(shè) 置。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明另一方面，其提供了一種用于制備如如上所述的半導(dǎo)體激光器的方 法，包括如下步驟：
[0014] 步驟1 :在襯底上依次沉積N型下接觸層、N型下限制層、下波導(dǎo)層、有源區(qū)、上波導(dǎo) 層、P型上限制層、P型上接觸層；
[0015] 步驟2 :在步驟1所述的材料上制備增益放大區(qū)；
[0016] 步驟3 :在步驟2所述的材料上制備主振蕩區(qū)，其中主振蕩區(qū)緊挨增益放大區(qū)；
[0017] 步驟4:在步驟3所述的材料上制備金屬光柵區(qū)，所述金屬光柵區(qū)位于主振蕩區(qū)后 部，整個半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)從前向后依次為增益放大區(qū)、主振蕩區(qū)、金屬光柵區(qū)；
[0018] 步驟5 :在步驟3制備的主振蕩區(qū)兩側(cè)的P型上波導(dǎo)層上制備光限制槽的掩膜圖 形，并向下刻蝕P型上限制層、上波導(dǎo)層、有源區(qū)、下波導(dǎo)層、N型下限制層；
[0019] 步驟5 :在步驟4所得的結(jié)構(gòu)的整個表面上用等離子體增強化學汽相沉積法沉積 SiNx作為絕緣層和光柵填充層；
[0020] 步驟6 :在步驟6所得結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用光刻，在主振蕩區(qū)和增益放大區(qū)制備電流 注入窗口，然后刻蝕所述絕緣層使得P型上接觸層暴露出來，用于完成與金屬電極的歐姆 接觸。
[0021] 本發(fā)明提出的所述半導(dǎo)體激光器為2 μm單模大功率GaSb基金屬光柵主振蕩功率 放大器（ΜΟΡΑ)集成半導(dǎo)體激光器，其通過將振蕩器（脊形波導(dǎo)區(qū)）和功率放大器（錐形增 益區(qū)）以及金屬光柵集成在同一芯片上，形成了帶有增益區(qū)的脊形波導(dǎo)布拉格反射器半導(dǎo) 體激光器。窄脊形波導(dǎo)區(qū)提供模式質(zhì)量較好的單橫模低功率激光，脊形波導(dǎo)區(qū)后部的金屬 光柵反射區(qū)提供了縱模模式篩選，提高了邊模抑制比，保證了激光器的單模激射，錐形增益 區(qū)實現(xiàn)了脊形區(qū)注入的單模激光在功率上的放大，同時保證了原有的模式激射。光限制槽 的引入避免了 FP模式光的振蕩反饋，使得激光器工作模式更加穩(wěn)定。錐形激光器的出光面 為錐形區(qū)端面，其出光面積較大，就有效的減少了出射激光的功率密度，從而增加了腔面光 學災(zāi)變的閾值光功率，保證激光器大功率穩(wěn)定工作。
【附圖說明】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中：
[0023] 圖1是本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明中半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的俯視圖；
【具體實施方式】
[0025] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0026] 需要說明的是，附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人 員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無需確切 等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。此外，以下實施 例中提到的方向用語，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限 制本發(fā)明。
[0027] 本發(fā)明提供了一種2 μπι單模大功率GaSb基金屬光柵主振蕩功率放大器（ΜΟΡΑ) 集成半導(dǎo)體激光器的制備方法，通過將振蕩器（脊形波導(dǎo)區(qū)）和功率放大器（錐形增益區(qū)） 以及金屬光柵集成在同一芯片上，形成了帶有增益區(qū)的脊形波導(dǎo)布拉格反射器半導(dǎo)體激光 器。窄脊形波導(dǎo)區(qū)提供模式質(zhì)量較好的單橫模低功率激光，脊形波導(dǎo)區(qū)后部的布拉格反射 區(qū)提供了縱模模式篩選，提高了邊模抑制比保證了激光器的單模激射，錐形增益區(qū)降低了 出射面光功率密度的同時由于載流子的不均勻分布和熱效應(yīng)影響使得也使激光器光束質(zhì) 量更好，制作更加簡單。
[0028] 以下分別對本實施例2 μπι單模大功率GaSb基金屬光柵主振蕩功率放大器（ΜΟΡΑ) 集成半導(dǎo)體激光器的各個部分進行詳細的說明。
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種2 μπι單模大功率GaSb基金屬光柵主振蕩功率放 大器MOPA集成半導(dǎo)體激光器，其外延結(jié)構(gòu)如下：
[0030] 襯底1為（100)面N型鎵銻材料。
[0031] 外延結(jié)構(gòu)，生長在所述襯底1上，其由下至上包括：N型重摻雜的GaSb下接觸層 2 ;Ν型摻雜的AlGaAsSb下限制層3 ;非摻雜的下波導(dǎo)層4 ;非摻雜的有源區(qū)5 ;非摻雜的 AlGaAsSb上波導(dǎo)層6 ;Ρ型摻雜的AlGaAsSb上限制層7 ;Ρ型摻雜的GaSb上接觸層8 ;其 中所述有源區(qū)5可以包括1-3個量子阱，勢皇層為非摻雜的AlGaAsSb，勢阱層為非摻雜的 InGaSb。其中，在所述上限制層7和上接觸層8之間還可以包括上緩沖層（圖中未示出）， 在下接觸層2與下限制層3之間還可以包括下緩沖層（圖中未示出）；
[0032] 增益放大區(qū)，其位于所述激光器的前部即出光部分，為向下刻蝕所述上接觸層8 形成的等腰梯形結(jié)構(gòu)；
[0033] 主振蕩區(qū)，其位于所述增益放大區(qū)后部，為