專利名稱：低線寬的980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，尤其是發(fā)射980nm波長的低線寬F-P腔應(yīng)變量子講激光器。
背景技術(shù)：
980nm半導(dǎo)體激光器在通信和醫(yī)療領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用，它是摻鉺光纖放大器泵浦源的窗口，也是于激光手術(shù)刀的首選波長。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, a 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980nm 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)29 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]。而對于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980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器線寬較寬，普通的980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器的結(jié)構(gòu)如圖I所示21為襯底層，材料為GaAs ；22為緩沖層，厚度為300nm，材料為N型GaAs ；23為η型下限制層，厚度為1400nm，材料為Ala5Gaa5As ；24為漸變層，厚度為200nm，材料為AltlIa5Gam5 As ；25為壘層，厚度為20nm，材料為GaAs ；26為有源層，厚度為7nm，材料為Ina2Gaa8As ；27為壘層，厚度為20nm，材料為GaAs ；28漸變層，厚度為200nm，材料為As ；29為限制層，厚度為1400nm，材料為Ala5Gaa5As ；30為歐姆接觸層，厚度為200nm，材料為GaAs。
根據(jù)公式=.為線寬，為中心波長， 為對應(yīng)的頻率寬
2,tc/' Δ/:.Acy
度，C為光速，經(jīng)過計(jì)算此激光器角頻率對應(yīng)線寬為Δ =2155GHz，線寬較寬。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有980nm 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980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片。本發(fā)明包括順序連接的GaAs襯底層、緩沖層、過渡層、η型下限制層、下波導(dǎo)層、下勢壘層、有源層、上勢壘層、上波導(dǎo)層、P型上限制層和歐姆接觸層。本發(fā)明以InxGa7_xAs材料作為量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，以GaAs材料作為勢壘層，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)有源層7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)生的線寬展寬因子降到最低。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2155GHz降到了 2GHz。有效降低了 980nm 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)明襯底層的材料為GaAs ;緩沖層的厚度為lOOnm，材料為摻雜Si濃度為I X IO18CnT3的GaAs。過渡層的厚度為300nm，材料為摻雜Si濃度為I X 1018cm_3的AlxGa^As,其中z為O. 3 O. 7。η型下限制層的厚度為1500nm，材料為摻雜Si濃度為I X IO18CnT3的Al0 7Ga0 3Aso下波導(dǎo)層的厚度為IOOnm,材料為Ala3Gaa7As。下勢魚層的厚度為20nm,材料為GaAs0有源層，厚度為8nm，采用InxGahAs應(yīng)變材料，z=0. 196。上勢壘層的厚度為20nm，材料為GaAs。上波導(dǎo)層的厚度為lOOnm，材料為Ala3Gaa7As15 ρ型上限制層的厚度為1500nm，材料為摻雜Zn濃度為IXlO18cnT3的Ala7Gaa3As15歐姆接觸層的厚度為300nm，材料為摻雜 Zn 濃度為 I X IO19Cm 3 的 GaAs0本發(fā)明還提供了一種低線寬的980nm F_P腔應(yīng)變量子阱激光器外延片的制備方法
步驟如下
1)以(100)偏向〈111〉方向15度的GaAs為襯底，通入SiH4，生長GaAs緩沖層的厚度達(dá)至Ij IOOnm ；
2)在GaAs緩沖層上生長過渡層，材料為AlxGahAs,其中，Z為O.3 O. 7，過渡層的生長厚度為300nm，生長時(shí)通入SiH4，本外延層的Si摻雜濃度為I X IO18CnT3 ；
3)在過渡層上，以Ala7Gaa3As為材料,生長η型下限制層，生長厚度為1500nm,生長時(shí)通入SiH4，本外延層的Si摻雜濃度為IX IO18CnT3 ；
4)在η型下限制層上生長厚度為IOOnm的下波導(dǎo)層，材料為Ala3Gaa7As,生長時(shí)通入SiH4，本外延層的Si摻雜濃度為IX IO18CnT3 ；
5)在下波導(dǎo)層上，以GaAs材料生長厚度為20nm的下勢壘層；
6)在下勢壘層上，采用InxGahAs應(yīng)變材料，其中z=0.196，設(shè)定InGaAs生長溫度為610。。，V /III比為100，厚度為8nm的有源層；
7)在有源層上，以GaAs材料生長厚度為20nm的上勢壘層；
8)在上勢壘層上，生長厚度為IOOnm的上波導(dǎo)層，材料為Ala3Gaa7As；
9)在上波導(dǎo)層上，以Ala7Gaa3As為材料，生長厚度為1500nm的ρ型上限制層，生長時(shí)通入DEZn，本外延層的Zn摻雜濃度為I X IO18cnT3 ；
10)在ρ型上限制層上，以GaAs為材料，生長厚度為300nm的歐姆接觸層，生長時(shí)通入DEZn，本外延層的Zn摻雜濃度為IX 1019Cm_3。本發(fā)明可采用AIXTR0N公司生產(chǎn)的金屬有機(jī)化物氣相外延(MOCVD)設(shè)備，完成上述工藝步驟后，通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相外延技術(shù)生長IOOnm的SiO2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)，再熱蒸鍍?nèi)?況/如，形成P-型歐姆接觸電極。N面化學(xué)減薄至約IOOuill厚度后蒸發(fā)AuGeNi，形成N-型歐姆接觸層。合金溫度為42CPC ,合金氣氛為氫氣。經(jīng)過解理形成腔長為Imm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980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器。本發(fā)明可應(yīng)用于光學(xué)測量、固體激光器泵浦、激光光譜學(xué)、醫(yī)療研究等領(lǐng)域。本發(fā)明的有益效果以InxGa7_xAs材料作為量子阱結(jié)構(gòu)的有源層，以GaAs材料作為勢壘層，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)有源層7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)生的線寬展寬因子降到最低，實(shí)現(xiàn)了低線寬因子，進(jìn)而降低線寬。有效降低了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)明低線寬的980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器的有源層為InxGa7Js材料，x=0. 196，阱寬
厚度為8nm，中心波長=980nm, Cf =-0. 00027，經(jīng)計(jì)算得到線寬2GHz，線寬較已有的的量子
阱激光器線寬(2155GHz)降低了 3個(gè)數(shù)量級。本發(fā)明是從激光器外延結(jié)構(gòu)和材料著手進(jìn)行窄線寬設(shè)計(jì)的，所以，以上只是針對F-P腔半導(dǎo)體激光器的比對，不與具有光柵結(jié)構(gòu)的分布反饋激光器(DFB)、分布布拉格反饋激光器(DBR)和外腔激光器比較。 本發(fā)明依據(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線寬展寬因子的影響。帶間躍遷對線寬展寬因子產(chǎn)生的影響是正值，而后兩者對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
a =--11 >
>廣.
其中Λ/ '為折射率實(shí)部變化量，Νη”為折射率虛部變化量，對上式進(jìn)行轉(zhuǎn)換
Ar;' IV Ci =-=-
Λ, 1 V ΛΧ
Λ#為載流子濃度的變化量
又有·上n” =Ngc八2ω)(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)[3]有H I ΚΙ:(η/λ) ΚΛ/Μ,η為折射率，Δζ為波長的變化量，Al
為電流的變化量。為方便計(jì)算，可取如下近似
Δ/ ，= η Δ ω/ω(4)
Δω為角頻率變化量，將(3)和(4)式帶入(2)式，整理得到Cf因子的近似計(jì)算公
式
2 dXρ
=--- =----ι、 I
c AT rr .￡% dX.ife/oW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Cf因子有關(guān)，還與很多其它重要性能有關(guān)。D /洲為各載流子濃度下增益峰值對應(yīng)光子能量變化擬合曲線的斜率。所以，得到材料增益和對應(yīng)光子能量隨載流子濃度的變化后，通過(5)式我們就可以對《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)算三因素對折射率虛部影響時(shí)，近似使用帶間躍遷對虛部的影響，即
權(quán)利要求
1.一種低線寬的980nm F-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于包括順序連接的GaAs襯底層、緩沖層、過渡層、η型下限制層、下波導(dǎo)層、下勢壘層、有源層、上勢壘層、上波導(dǎo)層、P型上限制層和歐姆接觸層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述緩沖層的厚度為lOOnm，材料為摻雜Si濃度為IX IO18CnT3的GaAs。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述過渡層的厚度為300nm，材料為摻雜Si濃度為I X IO18CnT3的AlxGai_xAs，其中x為O.3 O. 7 ο
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述η型下限制層的厚度為1500nm,材料為摻雜Si濃度為lX1018cm_3的Ala7Gaa3As。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述下波導(dǎo)層的厚度為IOOnm,材料為Ala3Gaa7As15
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述下勢壘層的厚度為20nm，材料為GaAs。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述有源層的厚度為8nm，采用InxGahAs應(yīng)變材料，x = O. 196。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述上勢壘層的厚度為20nm，材料為GaAs。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述上波導(dǎo)層的厚度為IOOnm,材料為Ala3Gaa7Asn
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述P型上限制層的厚度為1500nm,材料為摻雜Zn濃度為IX 1018cm_3的Ala7Gaa3As。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片，其特征在于所述歐姆接觸層的厚度為300nm,材料為摻雜Zn濃度為IX 1019cm_3的GaAs。
12.如權(quán)利要求I所述低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片的制備方法，其特征在于包括以下步驟 1)以(100)偏向〈111〉方向15度的GaAs為襯底，通入SiH4，生長GaAs緩沖層的厚度達(dá)至Ij IOOnm ； 2)在GaAs緩沖層上生長過渡層，材料為AlxGai_xAs，其中，X為O.3 O. 7，過渡層的生長厚度為300nm，生長時(shí)通入SiH4，本外延層的Si摻雜濃度為I X IO18CnT3 ； 3)在過渡層上，以Ala7Gaa3As為材料,生長η型下限制層，生長厚度為1500nm,生長時(shí)通入SiH4，本外延層的Si摻雜濃度為IX IO18CnT3 ； 4)在η型下限制層上生長厚度為IOOnm的下波導(dǎo)層，材料為Ala3Gaa7As,生長時(shí)通入SiH4，本外延層的Si摻雜濃度為IX IO18CnT3 ； 5)在下波導(dǎo)層上，以GaAs材料生長厚度為20nm的下勢壘層； 6)在下勢壘層上，采用InxGahAs應(yīng)變材料，其中x= O. 196，設(shè)定InGaAs生長溫度為610。。，V/III比為100，厚度為8nm的有源層； 7)在有源層上，以GaAs材料生長厚度為20nm的上勢壘層； 8)在上勢壘層上，生長厚度為IOOnm的上波導(dǎo)層，材料為Ala3Gaa7As；9)在上波導(dǎo)層上，以Ala7Gaa3As為材料，生長厚度為1500nm的ρ型上限制層，生長時(shí)通入DEZn，本外延層的Zn摻雜濃度為I X IO18cnT3 ； 10)在ρ型上限制層上，以GaAs為材料，生長厚度為300nm的歐姆接觸層，生長時(shí)通入DEZn，本外延層的Zn摻雜濃度為IX 1019Cm_3。
全文摘要
低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器的外延片及其制備方法，涉及半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，本發(fā)明通過在GaAs襯底層上順序生長緩沖層、過渡層、n型下限制層、下波導(dǎo)層、下勢壘層、有源層、上勢壘層、上波導(dǎo)層、p型上限制層和歐姆接觸層，以此加工成低線寬的980nmF-P腔應(yīng)變量子阱激光器，可應(yīng)用于光學(xué)測量、固體激光器泵浦、激光光譜學(xué)、醫(yī)療研究等領(lǐng)域。
文檔編號H01S5/343GK102780159SQ201210263198
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者占榮, 葉培飛, 張雙翔, 張帆, 杜石磊, 林曉珊, 耿松濤, 韓效亞 申請人:揚(yáng)州乾照光電有限公司