一种双波长级联半导体激光器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种双波长级联半导体激光器及制备方法，属于半导体激光器领域。本发明专利技术通过制备局部台条或沟道，在局部形成不同的有源区层厚度，达到有效改变增益峰值波长的目的，实现了双波长激光器的单片集成。通过一次外延即可实现不同有源区之间的级联，相对需要多次外延的方法而言更简单，可靠性及良率更高。且控制各区生长速度的预制结构无需采用额外的介质掩蔽层，避免了介质掩蔽层引入的污染元素。元素。元素。

【技术实现步骤摘要】
一种双波长级联半导体激光器及制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体激光器领域，具体涉及一种双波长级联半导体激光器及制备方法。

技术介绍

[0002]随着云计算云存储、超高清视频等新兴应用需求的激增，光通信系统逐步向支持更大传输容量、更高传输速率的技术方向演进，此需求对芯片集成设计、器件及模块封装的高度集成化、小型化、低功耗等性能提出了更高的要求。多波长的芯片集成技术主要分两类，第一类混合集成，包括芯片进行封装成分立镭射二极体模组TO
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CAN再经后续的封装合波，或者在金盒子内各通道芯片先按横向阵列方式贴片至热沉基板，此时芯片间隔在毫米量级，以保证后续混合集成所需的各通道透镜有足够的操作空间进行光路准直，再经由空间光路的各元件最终将各通道光信号合波并耦合至光纤。此类方式的主要问题是光路元件多、光路复杂、体积较大，封装工艺复杂。第二类单片集成目前主要是通过各波长通道横向整列排布的方式实现，各通道间隔在几十微米量级，通道间几乎不存在电和光的串扰，主要考虑热串扰问题。各通道波长的合波需要采用基于平面波导技术的合波器，例如阵列波导光栅AWG或多模干涉器MMI。该方案芯片制作难度大，需要有源无源集成工艺，存在芯片良率较低、合波器损耗较大等问题。
[0003]针对不同的应用系统，需要集成的各通道波长差别不同。对于波长差别较大超出材料有源区增益有效覆盖的情况，一般需要采用不同的有源区设计。另一方面，集成的有源区性质不同，例如增益区和电吸收调制区，也需要不同有源区的设计。通常，不同有源区单片集成的方式主要包括端接耦合技术（BJG）、选择区域生长（SAG）技术、量子阱混杂法（QWI）等。以两个不同有源区AR1和AR2单片集成为例说明各技术的特点及存在的问题：1）端接耦合技术（BJG）：需要先外延生长AR1，然后在需要生长AR2的区域进行标准光刻加刻蚀工艺，去除AR1的部分，最后再掩蔽AR1区域后重新外延生长AR2，如图1所示。此工艺需保证AR1和AR2的波导准确对接，且对接面光滑。此技术使得两个有源区的设计可以完全独立，可分别优化至性能最佳，但是制作工艺存在各种挑战，其至少要进行三次外延生长，各工艺环节需要严格控制，制作容差小。主要存在的问题为两个有源区的生长对接面质量不佳，界面粗糙导致的光损耗和反射问题，以及界面缺陷引起的可靠性问题。
[0004]2）选择区域生长SAG技术：如图2中（a）所示，此技术采用图形介质层掩蔽，在MOCVD生长过程中前驱体有机化合物气体在掩蔽层上方不被消耗，扩散至掩蔽层中间的无掩蔽区域，导致此空隙处浓度增加，生长速率加快。因此更宽的掩蔽层WL将导致空隙处更厚的量子阱结构，从而相较于窄掩蔽层WR间隙内的有源区域，产生红移的带隙波长，也即AR1的增益峰值波长大于AR2的增益峰值波长，如图2中（b）。这种技术可以通过一次外延完成多个波长区域的单片集成。从性能方面，由于采用同一外延，两个区域不同的只能是各层的厚度，因此两个不同性质区域的性能较难同时优化到最佳，例如一个增益区，另一个吸收区。同时，此方法受前躯体在掩蔽介质层附近的扩散方式影响，生长的材料组分和表面形貌都会受该
介质层影响，需要准确的控制。并且，用于掩蔽的介质层，例如氧化硅或氮化硅均会引入氧或氮这类污染元素，不利于激光器工作。
[0005]3）量子阱混杂法（QWI）：有源区的量子阱和垒之间的互扩导致带隙增加，波长较未互扩区域蓝移。这种互扩通常可以有多种方式引发，例如无杂质空位诱导、离子注入诱导、杂质扩散诱导、激光诱导等。其中，无杂质空位诱导工艺过程相对简单，成本低，而具有一定优势。如图3所示，其采用在待混杂区域顶部沉积介质膜，之后高温退火诱导顶层中Ga元素向介质膜内扩散，形成空位，即而扩散至量子阱有源区发生混杂。量子阱混杂方法对带隙改变量较难准确控制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种双波长级联半导体激光器及其制备方法，采用非平面台条衬底生长技术或非平面沟道衬底生长技术实现双波长激光器的单片集成。
[0007]为解决上述问题，本专利技术提供了一种双波长级联半导体激光器，所述双波长级联激光器包括级联的不同波长的第一波长激光器和第二波长激光器；所述第一波长激光器和第二波长激光器级联的有源层在图案化的半导体构造上一次外延生长而成；所述图案化的半导体构造是指在第一波长激光器对应的半导体构造上包括台条结构或沟道结构，在第二波长激光器对应的半导体构造上不做图案化结构或做沟道结构或台条结构；所述台条结构包括在半导体构造上刻蚀出的双沟道和双沟道之间相对于双沟道凸起的台条；所述沟道结构包括在半导体构造上刻蚀出的单沟道。
[0008]优选地，通过改变所述双沟道的宽度、所述台条的宽度和高度这三者中的任一个或多个，从而改变激光器的激射波长；或者，通过改变所述单沟道的宽度和/或深度，从而改变激光器的激射波长。
[0009]优选地，所述双波长级联半导体激光器还包括光栅层，所述光栅层在所述有源层之上或之下。
[0010]优选地，在第一波长激光器和第二波长激光器之间还包括吸收区，所述吸收区在波长较短的激光器段中，所述吸收区为无电极吸收区或反偏吸收区。
[0011]优选地，所述双波长级联半导体激光器包括脊波导或掩埋异质结结构。
[0012]本专利技术还提供了一种双波长级联半导体激光器的制备方法，制备方法包括：S1，在N型衬底上外延生长缓冲层；S2，在第一波长激光器所在第一区域和级联的不同激射波长的第二波长激光器所在第二区域分别制作与所需工作波长所对应的布拉格光栅，并进行光栅掩埋；S3，在所述第一区域刻蚀双沟道形成台条，或者在所述第一区域刻蚀形成单沟道；所述第二区域不做刻蚀，或者在所述第二区域刻蚀双沟道形成台条，或者在所述第二区域刻蚀形成单沟道；S4，外延生长有源区；S5，外延生长P型顶层及欧姆接触层；S6，刻蚀第一电隔离道，电接触开窗、制作P侧图形电极，减薄背面及制作N侧电极。
[0013]本专利技术还提供了一种双波长级联半导体激光器的制备方，制备方法包括：S1，在N型衬底上外延生长缓冲层；
S2，在第一波长激光器所在第一区域刻蚀双沟道形成台条，或者在所述第一区域刻蚀形成单沟道；级联的不同激射波长的第二波长激光器所在第二区域不做刻蚀，或者在所述第二区域刻蚀双沟道形成台条，或者在所述第二区域刻蚀形成单沟道；S3，外延生长有源区、缓冲层和光栅层，在所述第一区域和第二区域分别制作与所需工作波长所对应的布拉格光栅；S4，外延生长P型顶层及欧姆接触层；S5，刻蚀第一电隔离道，电接触开窗、制作P侧图形电极，减薄背面及制作N侧电极。
[0014]优选地，通过改变所述双沟道的宽度、所述台条的宽度和高度这三者中的任一个或多个，从而改变激光器的激射波长；或者，通过改变所述单沟道的宽度和/或深度，从而改变激光器的激射波长。
[0015]优选地，减小较短发光波长侧激光器的P侧电极长度，从而在第一波长激光器和第二波长激光器之间形成无电极吸收区；或者，在刻蚀第一电隔离道的步骤中还包括刻蚀第二电隔离道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双波长级联半导体激光器，其特征在于，所述双波长级联半导体激光器包括级联的不同波长的第一波长激光器和第二波长激光器；所述第一波长激光器和第二波长激光器级联的有源层在图案化的半导体构造上一次外延生长而成；所述图案化的半导体构造是指在第一波长激光器对应的半导体构造上包括台条结构或沟道结构，在第二波长激光器对应的半导体构造上不做图案化结构或做沟道结构或台条结构；所述台条结构包括在半导体构造上刻蚀出的双沟道和双沟道之间相对于双沟道凸起的台条；所述沟道结构包括在半导体构造上刻蚀出的单沟道。2.根据权利要求1所述的双波长级联半导体激光器，其特征在于，通过改变所述双沟道的宽度、所述台条的宽度和高度这三者中的任一个或多个，从而改变激光器的激射波长；或者，通过改变所述单沟道的宽度和/或深度，从而改变激光器的激射波长。3.根据权利要求1所述的双波长级联半导体激光器，其特征在于，所述双波长级联半导体激光器还包括光栅层，所述光栅层在所述有源层之上或之下。4.根据权利要求1所述的双波长级联半导体激光器，其特征在于，在第一波长激光器和第二波长激光器之间还包括吸收区，所述吸收区在波长较短的激光器段中，所述吸收区为无电极吸收区或反偏吸收区。5.根据权利要求1所述的双波长级联半导体激光器，其特征在于，所述双波长级联半导体激光器包括脊波导或掩埋异质结结构。6.一种双波长级联半导体激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1，在N型衬底上外延生长缓冲层；S2，在第一波长激光器所在第一区域和级联的不同激射波长的第二波长激光器所在第二区域分别制作与所需工作波长所对应的布拉格光栅，并进行光栅掩埋；S3，在所述第一区域刻蚀双沟道形成台条，或者在所述第一区域刻蚀形成单沟道；所述第二区域不做刻蚀，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洵，奚燕萍，李文，
申请(专利权)人：日照市艾锐光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：