CN105552714A - 一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器及其制备方法 - Google Patents

一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器及其制备方法，属于半导体光电子技术领域。因为边发射激光器谐振腔长度的原因，其不容易直接实现单纵模输出，所以本发明要改进边发射激光器激射激光的单纵模窄线宽特性。通过电子束直写曝光的技术，区域性选择将DBR光栅融入到边发射激光器结构中，并且对含有铝组分的光栅使用氮化硅薄层进行保护。从而激光器本身激射的激光光。通过DBR光栅结构可以实现边发射激光器单纵模窄线宽激射，使得激光光束质量大幅提升，同时能够稳定输出。由此可以达到对铯原子钟良好的控制。

Description

一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、功率高、转化效率高、可靠性高等优点，应用范围广泛。边发射激光器是一种利用半导体材料自然解理面作为谐振腔，利用脊型波导结构限制光子运动，其出光方向平行于衬底的半导体激光器。激射波长为852nm的窄线宽边发射激光器可以用于铯(Cs)原子钟，该原子钟是目前准确度最高，稳定性最好的原子钟之一。
分布式布拉格反射镜(DistributedBraggReflection)光栅结构，由两种具有折射率差异的结构交替排列成周期结构，再根据光栅周期(Λ)、占空比(f)、光栅深度(d)以及光栅总长度(L)，实现对单一波长的筛选功能，达到压窄激光线宽的目的。
因为铯原子钟对于波长的严格需求，所以我们提出一种将DBR光栅结构与852nm边发射激光器相结合的概念与方法，实现窄线宽激光的激射。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器和其制作方法，能够应用于铯原子钟的控制方面。DBR光栅表面使用氮化硅保护层隔离，避免光栅中铝组分被氧化带来的问题。
一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器，使用电子束直写曝光的方法制作DBR光栅结构，严格要求与边发射激光器的有源区脊型台对准，同时使用氮化硅薄层作为保护层覆盖于光栅表面。
所述边发射激光器用于激射852nm附近波长的激光。
所述DBR光栅用于对激光进行滤波筛选，以实现激光的单波长窄线宽。
所述一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器由两部分组成。一部分为脊型光波导结构的边发射激光器有源增益区，该部分在5微米宽的脊型台面上通过3微米宽的电极窗口进行电泵浦，实现852nm范围激光的激射；另一部分为DBR光栅结构，与前一部分相似的是对光栅结构同样制作5微米宽的限制脊型台，并严格与有源区脊型台对准。光栅结构中各参数为：光栅周期260纳米，光栅占空比67％，光栅深度50纳米，光栅总长度520微米。
如图1和图2所示，一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器，该激光器包括p型金属电极(12)、有源区脊型台(3)、氮化硅隔离层(11)、脊型限制光栅(10)、n-GaAs衬底(9)、n型金属电极(13)。
脊型限制光栅(10)与有源区脊型台(3)严格对准于一条直线上。P型金属电极(12)覆盖于有源区脊型台(3)上，其余部分用氮化硅隔离层(11)覆盖，起到电隔离和保护脊型限制光栅(10)的作用；有源区脊型台(3)与脊型限制光栅(10)设置在渐变组分AlGaAs波导层(4)之上，其余每层材料依次生长在n-GaAs衬底(9)上面，n-GaAs衬底(9)下面溅射n型金属电极(13)。
如图3至图6所示，n型金属电极(13)、p型金属电极(12)、氮化硅隔离层(11)、脊型DBR光栅(10)、n-GaAs衬底(9)、n-AlGaAs过渡层(8)、n-AlGaAs限制层(7)、渐变组分AlGaAs波导层(6)、InAlGaAs量子阱有源区(5)、渐变组分AlGaAs波导层(4)、p-AlGaAs限制层(3)、p-AlGaAs过渡层(2)、p-GaAs电极接触层(1)。
本发明还提供一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器的制备方法，包括：
采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)在n-GaAs衬底上依次生长n-AlGaAs过渡层，n-AlGaAs限制层，渐变组分AlGaAs波导层，InAlGaAs量子阱有源区，渐变组分AlGaAs波导层，p-AlGaAs限制层，p-AlGaAs过渡层，p-GaAs电极接触层；
首先利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法制作有源区脊型台，然后使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)生长氮化硅，起到电学隔离作用；
然后利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在氮化硅层开出光栅区域的窗口，为后续制作光栅结构做准备；
利用电子束直写曝光和干法刻蚀相结合的方法，在光栅区域窗口中制作符合参数要求的脊型DBR光栅结构；
光栅制作完成后，再生长一薄层氮化硅，起到保护光栅的作用；
利用光刻和剥离相结合的方法，在有源区脊型台上开出电极窗口，制作形成p型金属电极；
衬底衬底，溅射n型金属电极；
解理，镀膜，烧结，压焊完成激光器的制作。
本发明带来的有益效果如下：
通过DBR光栅结构可以实现边发射激光器单纵模窄线宽激射，使得激光光束质量大幅提升，同时能够稳定输出。由此可以达到对铯原子钟良好的控制。
附图说明
图1：本发明带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器的俯视示意图；
图2：本发明带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器的截面示意图；
图3：本发明所使用的激光器外延片结构示意图；
图4：有源区脊型台示意图；
图5：光栅结构示意图；
图6：完整激光器示意图；
图7：激光器立体示意图。
图中：1、p-GaAs电极接触层，2、p-AlGaAs过渡层，3、p-AlGaAs限制层，4、渐变组分AlGaAs波导层，5、InAlGaAs量子阱有源区，6、渐变组分AlGaAs波导层，7、n-AlGaAs限制层，8、n-AlGaAs过渡层，9、n-GaAs衬底，10、脊型DBR光栅，11、氮化硅隔离层，12、p型金属电极，13、n型金属电极。
具体实施方式
下面结合图3-图6分别介绍实现带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器制备方法；
步骤1、采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)在n-GaAs衬底(9)上依次生长n-AlGaAs过渡层(8)，n-AlGaAs限制层(7)，渐变组分Al0.5Ga0.5As-Al0.3Ga0.7As波导层(6)，InAlGaAs量子阱有源区(5)，渐变组分Al0.3Ga0.7As-Al0.5Ga0.5As波导层(4)，p-AlGaAs限制层(3)，p-AlGaAs过渡层(2)，p-GaAs电极接触层(1)；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法制作有源区脊型台，深度至p-AlGaAs限制层中，不能进入波导层；
步骤3、在步骤2的基础上使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)生长氮化硅钝化层，起到电隔离的作用；
步骤4、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在步骤3的基础上制作光栅区窗口；
步骤5、利用电子束直写曝光和干法刻蚀相结合的方法在步骤4的基础上，在光栅区域窗口中制作符合参数要求的脊型DBR光栅结构；
步骤6、在步骤5的基础上，生长氮化硅薄层，起到保护光栅的作用；
步骤7、利用光刻和剥离技术相结合的方法在步骤6的基础上溅射沉积p型金属电极；
步骤8、衬底减薄，溅射沉积n型金属电极；
步骤9、解理，镀膜，烧结，压焊完成激光器的制作。

Claims (3)

1.一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器，其特征在于：该激光器包括p型金属电极(12)、有源区脊型台(3)、氮化硅隔离层(11)、脊型限制光栅(10)、n-GaAs衬底(9)、n型金属电极(13)；
脊型限制光栅(10)与有源区脊型台(3)严格对准于一条直线上；P型金属电极(12)覆盖于有源区脊型台(3)上，其余部分用氮化硅隔离层(11)覆盖，起到电隔离和保护脊型限制光栅(10)的作用；有源区脊型台(3)与脊型限制光栅(10)设置在渐变组分AlGaAs波导层(4)上，其余每层材料依次生长在n-GaAs衬底(9)上面，n-GaAs衬底(9)下面溅射n型金属电极(13)。
2.依据权利要求1所述的一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器，该激光器的制备方法，其特征在于：该方法包括如下，
采用金属有机物化学气相淀积在n-GaAs衬底上依次生长n-AlGaAs过渡层，n-AlGaAs限制层，渐变组分AlGaAs波导层，InAlGaAs量子阱有源区，渐变组分AlGaAs波导层，p-AlGaAs限制层，p-AlGaAs过渡层，p-GaAs电极接触层；
首先利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法制作有源区脊型台，然后使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)生长氮化硅，起到电学隔离作用；
然后利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在氮化硅层开出光栅区域的窗口，为后续制作光栅结构做准备；
利用电子束直写曝光和干法刻蚀相结合的方法，在光栅区域窗口中制作符合参数要求的脊型DBR光栅结构；
光栅制作完成后，再生长一薄层氮化硅，起到保护光栅的作用；
利用光刻和剥离相结合的方法，在有源区脊型台上开出电极窗口，制作形成p型金属电极；
衬底衬底，溅射n型金属电极；
解理，镀膜，烧结，压焊完成激光器的制作。
3.根据权利要求2所述的一种带有DBR光栅结构的852nm窄线宽边发射激光器的制备方法，其特征在于：该方法的实施过程如下，
步骤1、采用金属有机物化学气相淀积在n-GaAs衬底(9)上依次生长n-AlGaAs过渡层(8)，n-AlGaAs限制层(7)，渐变组分Al0.5Ga0.5As-Al0.3Ga0.7As波导层(6)，InAlGaAs量子阱有源区(5)，渐变组分Al0.3Ga0.7As-Al0.5Ga0.5As波导层(4)，p-AlGaAs限制层(3)，p-AlGaAs过渡层(2)，p-GaAs电极接触层(1)；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法制作有源区脊型台，深度至p-AlGaAs限制层中，不能进入波导层；
步骤3、在步骤2的基础上使用等离子体增强化学气相淀积生长氮化硅钝化层，起到电隔离的作用；
步骤4、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在步骤3的基础上制作光栅区窗口；
步骤5、利用电子束直写曝光和干法刻蚀相结合的方法在步骤4的基础上，在光栅区域窗口中制作符合参数要求的脊型DBR光栅结构；
步骤6、在步骤5的基础上，生长氮化硅薄层，起到保护光栅的作用；
步骤7、利用光刻和剥离技术相结合的方法在步骤6的基础上溅射沉积p型金属电极；
步骤8、衬底减薄，溅射沉积n型金属电极；
步骤9、解理，镀膜，烧结，压焊完成激光器的制作。
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