CN104242059A - 利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法 - Google Patents

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CN104242059A CN201410510052.3A CN201410510052A CN104242059A CN 104242059 A CN104242059 A CN 104242059A CN 201410510052 A CN201410510052 A CN 201410510052A CN 104242059 A CN104242059 A CN 104242059A
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梁松
朱洪亮
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Abstract

一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上外延生长下分别限制层及量子阱层；步骤2：在量子阱层上制作选择区域外延介质掩膜图形；步骤3：选择区域外延生长上分别限制层；步骤4：去掉介质掩膜图形；步骤5：在上分别限制层上制作光栅，不同掩膜对间距或宽度变化周期内的激光器光栅周期不同；步骤6：在光栅上生长接触层，完成制备。本发明在获得不同阵列单元不同发光波长的同时可以保证阵列单元激光器光学性能的一致性。

Description

利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法。
背景技术
多波长激光器是现代波分复用(WDM)光通信***的核心器件。由于具有结构紧凑，光学和电学连接损耗小，稳定性和可靠性高等优点，单片集成的多波长激光器阵列在WDM***中具有广泛的应用前景。目前已经开发了多种单片集成多波长激光器阵列的制作方法，包括采用电子束曝光技术、多步全息曝光技术、取样光栅技术、选择区域外延技术等多种。
上述技术中，采用选择区域外延(SAG)技术制作单片集成多波长激光器阵列具有工艺简单的优点，受到越来越多的关注。已公开的利用SAG技术制作单片集成多波长激光器阵列的方案包括以下主要步骤：在衬底上制作SAG掩膜图形、SAG生长激光器有源区材料(包括上下分别限制层以及多量子阱层)、在上分别限制层上制作光栅、生长接触层完成器件材料结构。在上述现有方案中，利用SAG技术改变包括上下分别限制层以及多量子阱层在内的材料层的厚度，使阵列的不同激光器单元的材料具有不同的有效折射率，最终实现不同阵列单元不同的激射波长。由于MOCVD等外延技术在材料生长厚度控制方面具有极高的精度，采用SAG技术可以获得波长间隔小于0.8nm的激光器阵列。相比之下，通过改变光栅周期的方式来制作的激光器阵列，即使使用电子束曝光技术，其波长间隔通常大于1nm。但是，已有SAG方案的缺点是材料有效折射率随厚度变化的同时，量子阱的发光波长也随着材料厚度而变化。由于量子阱材料的发光波长对量子阱厚度十分敏感，随着材料厚度的变化，量子阱发光波长的变化速度远大于分布反馈激光器布拉格波长的变化速度，这会导致一些阵列单元的布拉格波长偏离量子阱材料的增益峰值，导致其单模特性恶化。另外由于量子阱材料一般具有较大的应变，厚度的明显增加会导致材料质量明显下降。
为了解决这个问题，专利CN102820616B公开了一种方法，利用SAG技术仅改变激光器阵列中单元激光器下限制层或上限制层的厚度，使阵列的不同激光器单元的材料具有不同的有效折射率，最终实现不同阵列单元不同的激射波长。利用这个方法可避免对激光器量子阱材料的影响。然而，对采用这个方法制作的激光器阵列，阵列单元上限制层或下限制层的厚度单调改变，在激光器阵列波长跨度较大的情况下不同阵列单元限制层厚度差别较大，这会使激光器阵列单元的光学质量不均匀。限制层薄厚差别过大一方面会使激光器单元与光纤或者无源波导的耦合效率不均一，另一方也会影响激光器单元发光单模特性的一致性。另外，虽然限制层材料是体材料，过大的选择区域外延生长厚度还是会恶化材料质量，使长波长激光器单元阈值明显增加，发光效率下降。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，在获得不同阵列单元不同发光波长的同时可以保证阵列单元激光器光学性能的一致性。
本发明提供一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上外延生长下分别限制层及量子阱层；
步骤2：在量子阱层上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤3：选择区域外延生长上分别限制层；
步骤4：去掉介质掩膜图形；
步骤5：在上分别限制层上制作光栅，不同掩膜对间距或宽度变化周期内的激光器光栅周期不同；
步骤6：在光栅上生长接触层。
本发明还提供一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底之上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤2：选择区域外延生长下分别限制层；
步骤3：去掉介质掩膜图形；
步骤4：在下分别限制层上外延生长量子阱层及上分别限制层；
步骤5：在上分别限制层之上制作光栅，不同掩膜对间距或宽度变化周期内的激光器光栅周期不同；
步骤6：在光栅之上生长接触层。
上述方案中，利用选择区域外延技术周期性的改变激光器上分别限制层或下分别限制层的厚度，结合不同限制层厚度变化周期内的激光器光栅不同的周期实现阵列单元激光器不同的发光波长。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
利用SAG生长周期性的改变激光器上分别限制层或下分别限制层的厚度，在单个限制层厚度变化周期内光栅具有相同的周期，由于单个周期内的激光器发光波长只需覆盖较小的波长范围，其限制层厚度变化较小，可获得性能均匀的激光器。而通过使光栅周期在不同的限制层厚度变化周期间渐变又可同时有效扩展整个激光器阵列的波长覆盖范围。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合实施例及附图对本发明进行进一步描述，其中：
图1为本发明第一实施例的方法流程示意图；
图2为本发明第二实施例的方法流程示意图；
图3、图4为本发明多波长分布反馈激光器阵列一个限制层厚度变化周期的结构剖面图；
图5为依照本发明实施例一种选择区域外延所用的一个周期的掩膜对间距不变、掩膜宽度渐变的介质掩膜图形；
图6为依照本发明实施例一种选择区域外延所用的一个周期的掩膜宽度不变、掩膜对间距渐变的介质掩膜图形；
具体实施方式
请参阅图1、图3、图5及图6所示，本发明提供一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1上外延生长下分别限制层2及量子阱层3，衬底1是GaAs衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底，或其他III-V、II-VI族材料衬底；
步骤2：在量子阱层3上制作选择区域外延介质掩模图形4(参阅图5)或5(参阅图6)。掩膜图形4或掩膜图形5中介质掩膜对的周期与阵列单元的周期(参阅图3)相同，均为S。掩膜图形4(参阅图5)中掩膜对的间距不变，掩膜宽度逐渐增加，即掩膜M1、M2、M3至MN的宽度满足W1＜W2＜W3＜…＜WN。掩膜图形5(参阅图6)中掩膜宽度不变而掩膜对间距逐渐减小，即掩膜M1、M2、M3至MN的间距满足O1＞O2＞O3＞…＞ON。介质掩膜材料为SiO2或Si3N4；对整个激光器阵列，掩膜以图形4(参阅图5)或掩膜图形5(参阅图6)为周期重复，重复周期宽度为N*S。
步骤3：选择区域外延生长上分别限制层6，使不同的激光器单元上分别限制层6的厚度周期性变化；
步骤4：去掉介质掩膜图形4或5；
步骤5：在上分别限制层6上制作光栅7；掩膜图形4(参阅图5)或掩膜图形5(参阅图6)的同一个重复周期内光栅7周期相同，不同的重复周期内光栅7周期不同；
步骤6：在光栅7上生长接触层8。
请再参阅图2、图4、图5及图6所示，本发明还提供一种利用选择区域外延技术制作分布反馈激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底1之上制作选择区域外延介质掩膜图形4(参阅图5)或掩膜图形5(参阅图6)。衬底1是GaAs衬底、InP衬底、GaN衬底、SiC衬底、Si衬底，或其他III-V、II-VI族材料衬底。掩膜图形4或掩膜图形5中介质掩膜对的周期与阵列单元的周期(参阅图4)相同，均为S。掩膜图形4(参阅图5)中掩膜对的间距不变，掩膜宽度逐渐增加，即掩膜M1、M2、M3至MN的宽度满足W1＜W2＜W3＜…＜WN。掩膜图形5(参阅图6)中掩膜宽度不变而掩膜对间距逐渐减小，即掩膜M1、M2、M3至MN的间距满足O1＞O2＞O3＞…＞ON。介质掩膜材料为SiO2或Si3N4；对整个激光器阵列，掩膜以图形4(参阅图5)或掩膜以图形5(参阅图6)为周期重复，重复周期宽度为N*S。
步骤2：选择区域外延生长下分别限制层2，使不同的激光器单元下分别限制层2的厚度周期性变化；
步骤3：去掉介质掩膜图形4或介质掩膜图形5；
步骤4：在下分别限制层2上外延生长量子阱层3及上分别限制层6；
步骤5：在上分别限制层6之上大面积制作光栅7；掩膜图形4(参阅图5)或掩膜图形5(参阅图6)的同一个重复周期内光栅7周期相同，不同的重复周期内光栅7周期不同；
步骤6：在光栅7之上生长接触层8。
在SAG生长中，反应物在介质掩模对之间的部分容易形核，而在介质掩模上面不能形核。除了在半导体表面上存在控制材料生长的反应物垂直浓度梯度外，还存在着从掩模对上方排斥过来的侧向浓度梯度。这样就使得掩模对之间的选择生长区域的材料厚度增加，同时材料厚度增加的量随着掩模对宽度的增加而增加，随着掩膜间距的减小也增加。这使得在使用如图5或图6所示的介质掩膜进行SAG生长时，掩膜对宽度或间距变化的一个重复周期内，图3中阵列单元激光器由C1、C2、C3至CN上分别限制层6的厚度逐渐增加，图4中阵列单元激光器由由C1、C2、C3至CN下分别限制层2的厚度逐渐增加，即t1＜t2＜t3＜…＜tN，这使得阵列中单元激光器材料的有效折射率(neff)有如下关系neff1＜neff2＜neff3＜…＜neffN。由：
λ＝2neffΛ，
其中，λ为分布反馈激光器的发光波长，Λ为光栅的周期。掩膜对宽度或间距变化的一个重复周期内Λ固定，可知，阵列激光器单元上或下分别限制层厚度的逐渐变化使得不同的阵列单元具有不同的发光波长，即λ1＜λ2＜λ3＜…＜λN。SAG生长在量子阱层生长之后进行，所以仅有上分别限制层的厚度发生变化，避免了SAG生长对包括多量子阱在内的其他材料层质量的影响。由于单个掩膜对变化周期内的激光器发光波长只需覆盖较小的波长范围，其限制层厚度变化较小，可获得性能均匀的激光器。掩膜对宽度或间距变化的不同重复周期内Λ不同，使不同周期内激光器阵列单元发光波长覆盖不同的波长范围，从而可以同时实现有效的扩展整个阵列的波长覆盖范围。

Claims (4)

1.一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上外延生长下分别限制层及量子阱层；
步骤2：在量子阱层上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤3：选择区域外延生长上分别限制层；
步骤4：去掉介质掩膜图形；
步骤5：在上分别限制层上制作光栅，不同掩膜对间距或宽度变化周期内的激光器光栅周期不同；
步骤6：在光栅上生长接触层，完成制备。
2.根据权利要求1所述的利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，其中介质掩膜图形以阵列单元间距为间距成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度周期性渐变。
3.一种利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底之上制作选择区域外延介质掩膜图形；
步骤2：选择区域外延生长下分别限制层；
步骤3：去掉介质掩膜图形；
步骤4：在下分别限制层上外延生长量子阱层及上分别限制层；
步骤5：在上分别限制层之上制作光栅，不同掩膜对间距或宽度变化周期内的激光器光栅周期不同；
步骤6：在光栅之上生长接触层，完成制备。
4.根据权利要求3所述的利用选择区域外延技术制作激光器阵列的方法，其中介质掩膜图形以阵列单元间距为间距成对出现，对应于不同阵列单元的介质掩膜对的间距或掩膜宽度周期性渐变。
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