CN114649745A - 掩埋结构半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

掩埋结构半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种掩埋结构半导体激光器，包括：衬底、缓冲层、有源层、盖层、接触层及掩埋层；衬底设于底部，接触层设于顶部，缓冲层、有源层、盖层自下而上设于衬底和接触层之间，两侧被掩埋层掩埋；缓冲层、有源层、盖层均分为激光器区域和模斑转换器区域，激光器区域为矩形区域，模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域；衬底与缓冲层的接触区域被刻蚀与缓冲层形状相同。本公开还提供了该掩埋结构半导体激光器的制备方法。

Description

掩埋结构半导体激光器及其制备方法
技术领域
本公开涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种掩埋结构半导体激光器及其制备方法。
背景技术
半导体激光器是光纤通信***的重要光源器件。当普通脊波导半导体激光器器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，这无疑增加了封装难度和成本。模斑转换器可以几乎绝热地将波导的不对称近场分布转换为对称的输入或输出近场，这样既可以提高有源器件和光纤的耦合效率，又可以提高其耦合容差。但是，高质量的模斑转换器波导尖端尺寸小，难于利用普通光刻技术制作，导致与模斑转换器集成的器件制作成本较高。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种掩埋结构半导体激光器及其制备方法，以解决上述问题。
本公开的一个方面提供了一种掩埋结构半导体激光器，包括：
衬底、缓冲层、有源层、盖层、接触层及掩埋层；
所述衬底设于底部，接触层设于顶部，所述缓冲层、有源层、盖层自下而上设于所述衬底和所述接触层之间，两侧被所述掩埋层掩埋；
所述缓冲层、有源层、盖层均分为激光器区域和模斑转换器区域，所述激光器区域为矩形区域，所述模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离所述激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域；
所述衬底与所述缓冲层的接触区域被刻蚀与所述缓冲层形状相同。
可选地，所述缓冲层、盖层的激光器区域和模斑转换器区域大小相同，所述有源层的激光器区域和模斑转换器区域的宽度小于所述缓冲层和盖层。
可选地，所述有源层的激光器区域、模斑转换器区域与所述缓冲层和盖层的对应区域的宽度的差值相同。
可选地，所述掩埋层为反向PN结构成的电流阻挡结构，或，所述掩埋层的材料为半绝缘掩埋材料。
可选地，所述衬底的材料为InP，所述缓冲层材料为InP，所述有源层材料为InGaAsP或InGaAlAs，所述盖层材料为InP，所述掩埋层材料为InP反向PN结构成的电流阻挡结构材料或半绝缘InP材料。
本公开的一个方面还提供了一种掩埋结构半导体激光器的制备方法，所述方法包括：
在衬底上依次生长缓冲层、有源层和盖层；
在所述盖层上制作介质掩膜；
根据所述介质掩膜的图形，刻蚀所述掩膜图形以外区域的盖层、有源层、缓冲层至衬底，使所述缓冲层、有源层、盖层形成激光器区域和模斑转换器区域，所述激光器区域为矩形区域，所述模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离所述激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域；
在所述缓冲层、有源层、盖层两侧生长掩埋层；
去除所述介质掩膜，在所述盖层上生长接触层。
可选地，所述根据所述介质掩膜上的图形，刻蚀所述掩膜图形以外区域的盖层、有源层、缓冲层至衬底包括：
根据所述介质掩膜的图形，刻蚀掩膜图形以外区域的盖层、有源层、缓冲层至衬底，形成所述盖层、缓冲层的激光器区域和模斑转换器区域；
再根据所述介质掩膜的图形，刻蚀所述有源层，使所述有源层的激光器区域、模斑转换器区域均与所述缓冲层和盖层的对应区域的宽度差值相同。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开实施例提供的一种掩埋结构半导体激光器，激光器与模斑专转换器一体化集成，可以提高有源器件和光纤的耦合效率，采用普通光刻工艺即可以获得高质量模斑转换器，有利于提高器件制作的成品率，降低器件成本。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种掩埋结构半导体激光器的器件材料示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种掩埋结构半导体激光器的介质掩膜图形示意图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种掩埋结构半导体激光器在去除介质掩膜外材料后的激光器区材料结构示意图；
图4A示意性示出了本公开实施例提供的腐蚀有源层后激光器区的材料结构示意图；
图4B示意性示出了本公开实施例提供的腐蚀有源层后模斑转换器区的材料结构示意图；
图5A示意性示出了本公开实施例提供的掩膜生长后激光器区的材料结构示意图；
图5B示意性示出了本公开实施例提供的掩膜生长后模斑转换器区的材料结构示意图；
图6A示意性示出了本公开实施例提供的接触层材料生长后激光器区的材料结构示意图；
图6B示意性示出了本公开实施例提供的接触层材料生长后模斑转换器区的材料结构示意图；
附图标记说明：
衬底-10；缓冲层-20；有源层-30；盖层-40；介质掩膜-50；掩埋材料-60；接触层-70。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本公开实施例提供了一种掩埋结构半导体激光器，该激光器中集成了模斑转换器，采用普通光刻工艺即可以获得，制作成本低。
该掩埋结构半导体激光器包括衬底10、缓冲层20、有源层30、盖层40、接触层70及掩埋层60；其中，衬底10设于底部，接触层70设于顶部，缓冲层20、有源层30、盖层40自下而上设于衬底10和接触层70之间，两侧被掩埋层60掩埋；缓冲层20、有源层30、盖层40均分为激光器区域和模斑转换器区域，激光器区域为矩形区域，模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域；衬底10与缓冲层20的接触区域被刻蚀与缓冲层20形状相同。
其中，有源层30的激光器区域、模斑转换器区域与缓冲层20和盖层40的对应区域的宽度的差值相同。
可选地，掩埋层60为反向PN结构成的电流阻挡结构，或，掩埋层60的材料为半绝缘掩埋材料。
可选地，衬底10的材料为InP，缓冲层20材料为InP，有源层30材料为InGaAsP或InGaAlAs，盖层40材料为InP，掩埋层60材料为InP反向PN结构成的电流阻挡结构材料或半绝缘InP材料。
本公开的另一实施例提供了该掩埋结构半导体激光器的制备方法，包括操作S1～S5。
图1～3、4A～6A和4B～6B示出了该掩埋结构半导体激光器在制备过程中的结构变化，下面将结合图1～3、4A～6A和4B～6B说明该掩埋结构半导体激光器的制备过程，并对该掩埋结构半导体激光器的结构进行进一步说明。
在操作S1，在衬底10上依次生长缓冲层20、有源层30和盖层40。
在操作S2，在盖层40上制作介质掩膜50。
如图1所示，衬底10、缓冲层20、有源层30、盖层40、介质掩膜50依次生长。
如图2所示，介质掩膜50上制作了掩膜图形，其中，实线表示了缓冲层20、盖层40经过刻蚀后的保留区域，虚线表示了有源层30经过刻蚀后的保留区域。其中，图2中的左边区域为激光器LD区域，在实线图中宽度为W2；图2右边区域为模斑转换器SSC，在实线图中宽度由激光器端的W2逐渐减小至N2；激光器LD区域在虚线图中宽度为W1，其宽度在左右两边都比实线图均窄a；模斑转换器SSC在虚线图中宽度由激光器端的W1逐渐减小至N1，其宽度在左右两边也都比实线图均窄a。
在操作S3，根据介质掩膜50的图形，刻蚀掩膜图形以外区域的盖层40、有源层30、缓冲层20至衬底10，使缓冲层20、有源层30、盖层40形成激光器区域和模斑转换器区域，激光器区域为矩形区域，模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域。
由于有源层30与缓冲层20、盖层40相比刻蚀宽度更小，因此刻蚀步骤分为两步。
步骤31，根据介质掩膜50的图形，刻蚀掩膜图形以外区域的盖层40、有源层30、缓冲层20至衬底10，形成盖层40、缓冲层20的激光器区域和模斑转换器区域。
如图3所示，根据图2所示的实线图，利用干法刻蚀或湿法腐蚀技术去除掩膜图形以外区域的盖层40、有源层30及缓冲层20至衬底10。
步骤32，再根据介顾掩膜50的图形，刻蚀有源层30，使有源层30的激光器区域、模斑转换器区域均与缓冲层20和盖层40的对应区域的宽度差值相同。
如图4A、4B所示，利用湿法腐蚀技术选择性腐蚀有源材料30，使其宽度在左右两边都比介质掩膜50的宽度小a。在激光器LD区，其宽度为均匀的W1，在模斑转换器SSC区，其宽度由W1逐渐减小至N1。
参考4A、4B，缓冲层20、盖层40的激光器区域和模斑转换器区域大小相同，有源层30的激光器区域和模斑转换器区域的宽度比缓冲层20和盖层40的宽度左右两边均小a。
在操作S4，在缓冲层20、有源层30、盖层40两侧生长掩埋层60。
参考图5A、5B，掩埋材料生长于缓冲层20、有源层30、盖层40两侧，形成掩埋层60，其可以为由反向pn结构成的电流阻挡结构，也可以为半绝缘材料。
在操作S5，去除介质掩膜50，在盖层40上生长接触层70。
如图6A、6B所示，接触层70生长于盖层40之上，覆盖掩埋层60上表面。
根据上述方法制备得到的掩埋结构半导体激光器，在器件的激光器LD区，量子井有源层30宽度较大，为W1，可以提供较好的光场限制作用，有利于获得较高的发光质量。在器件的模斑转换器SSC区，量子井有源层30宽度逐渐减小，在器件出光端面宽度为N1。这个宽度较小，对光场的限制变弱，使器件端面近场光斑增大，从而减小了远场发散角。
模斑转换器尖端量子井有源层宽度为N1，较介质掩膜50宽度N2小2a。由于N2较大，介质掩膜50可以有普通光刻技术制作，从而降低了模斑转换器制作的难度，有利于降低芯片成本。器件的量子阱有源材料30也可以为InGaAlAs材料。模斑转换器区域介质掩膜50宽度逐渐减小可以为线性或非线性方式。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (7)

1.一种掩埋结构半导体激光器，其特征在于，包括：
衬底(10)、缓冲层(20)、有源层(30)、盖层(40)、接触层(70)及掩埋层(60)；
所述衬底(10)设于底部，接触层(70)设于顶部，所述缓冲层(20)、有源层(30)、盖层(40)自下而上设于所述衬底(10)和所述接触层(70)之间，两侧被所述掩埋层(60)掩埋；
所述缓冲层(20)、有源层(30)、盖层(40)均分为激光器区域和模斑转换器区域，所述激光器区域为矩形区域，所述模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离所述激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域；
所述衬底(10)与所述缓冲层(20)的接触区域被刻蚀与所述缓冲层(20)形状相同。
2.根据权利要求1所述的掩埋结构半导体激光器，其特征在于，所述缓冲层(20)、盖层(40)的激光器区域和模斑转换器区域大小相同，所述有源层(30)的激光器区域和模斑转换器区域的宽度小于所述缓冲层(20)和盖层(40)。
3.根据权利要求2所述的掩埋结构半导体激光器，其特征在于，所述有源层(30)的激光器区域、模斑转换器区域与所述缓冲层(20)和盖层(40)的对应区域的宽度的差值相同。
4.根据权利要求1所述的掩埋结构半导体激光器，其特征在于，所述掩埋层(60)为反向PN结构成的电流阻挡结构，或，所述掩埋层(60)的材料为半绝缘掩埋材料。
5.根据权利要求1所述的掩埋结构半导体激光器，其特征在于，所述衬底(10)的材料为InP，所述缓冲层(20)材料为InP，所述有源层(30)材料为InGaAsP或InGaAlAs，所述盖层(40)材料为InP，所述掩埋层(60)材料为InP反向PN结构成的电流阻挡结构材料或半绝缘InP材料。
6.一种掩埋结构半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底(10)上依次生长缓冲层(20)、有源层(30)和盖层(40)；
在所述盖层(40)上制作介质掩膜(50)；
根据所述介质掩膜(50)的掩膜图形，刻蚀所述掩膜图形以外区域的盖层(40)、有源层(30)、缓冲层(20)至衬底(10)，使所述缓冲层(20)、有源层(30)、盖层(40)形成激光器区域和模斑转换器区域，所述激光器区域为矩形区域，所述模斑转换器区域为以激光器区域的一边为起始宽度向远离所述激光器区域的方向逐渐收窄的梯形区域；
在所述缓冲层(20)、有源层(30)、盖层(40)两侧生长掩埋层(60)；
去除所述介质掩膜(50)，在所述盖层(40)上生长接触层(70)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述根据所述介质掩膜(50)上的图形，刻蚀所述掩膜图形以外区域的盖层(40)、有源层(30)、缓冲层(20)至衬底(10)包括：
根据所述介质掩膜(50)的图形，刻蚀掩膜图形以外区域的盖层(40)、有源层(30)、缓冲层(20)至衬底(10)，形成所述盖层(40)、缓冲层(20)的激光器区域和模斑转换器区域；
再根据所述介质掩膜(50)的图形，刻蚀所述有源层(30)，使所述有源层(30)的激光器区域、模斑转换器区域均与所述缓冲层(20)和盖层(40)的对应区域的宽度差值相同。
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