通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器的製造方法
2023-09-16 21:58:00
通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器的製造方法
【專利摘要】一種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，包括：一襯底；一半導體材料緩衝層；一下半導體材料接觸層；一下光學限制層，為圓形、環形或矩形，其製作在下半導體材料接觸層上面的一側，該下半導體材料接觸層上面的另一側形成一臺面；一半導體材料有源層，其製作在下光學限制層上；一上光學限制層，其製作在半導體材料有源層上；一上半導體材料接觸層，其製作在上光學限制層上；一第一金屬電極，為圓形、環形或矩形，其製作在檯面上；一第二金屬電極，其製作在上半導體材料接觸層上。本發明利用子帶躍遷速率快與雷射器腔模小體積優勢，實現高速直接調製雷射器，將調製速率增加到百G水平。
【專利說明】 通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射技術、半導體光電子器件技術和高速光通信【技術領域】，特別涉及一種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器。
【背景技術】
[0002]半導體雷射器由於其小體積，低功耗，高速調製等特性，很早就吸引了許多科研工作者的關注。隨著半導體雷射器的發展，為了提高雷射器的調製速度，人們在材料的選擇上，經歷了從InP，GaAs材料向InGaAsP和AlGaInAs等材料轉變，特別是含Al組分的AlGaInAs材料。它有更好的載流子限制和更大的微分增益係數，對於半導體雷射器的高速性能有很大的提高(Sato, T., et al.2012Internat 1nal Conference on IndiumPhosphide and Related Materials:143-146.(2013).)。半導體雷射器有源區最初為體材料結構，之後人們發現利用量子阱材料可以獲得更好的載流子限制，由此製造的半導體雷射器有更低的閾值和更好的高溫穩定性，因此也就有更好的高速調製特性。隨著量子點材料的研究，人們發現在載流子空間限制上，量子點材料比量子阱材料有更優異的性能。同時量子點在雷射器製作過程中，不像量子阱材料會暴露在空氣中發生氧化，因此量子點材料有較小的非輻射複合效應，更有利於量子點雷射器實現低閾值和高速調製，同時溫度穩定性要優於量子阱材料(Ishida, M.，et al.(2012).2012CLE0 CMl1.2)。
[0003]但上述所有雷射器都是基於半導體材料導帶與價帶的帶間躍遷方式輻射複合產生光子，調製速率受限於帶間躍遷速率和其他慢速的複合過程，調製速率只能為幾十GHz，無法突破百GHz水平。
【發明內容】
[0004]有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，通過AlGaN/GaN多層超薄量子阱及構建的微腔結構，實現雷射器導帶內子帶躍遷，形成量子級聯激射，利用子帶躍遷速率快與雷射器腔模小體積優勢，實現高速直接調製雷射器，將調製速率增加到百G水平。
[0005]為達到上述目的，本發明提供一種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，包括:
[0006]一襯底；
[0007]—半導體材料緩衝層，其製作在襯底上；
[0008]—下半導體材料接觸層，其製作在半導體材料緩衝層上；
[0009]一下光學限制層，為圓形、環形或矩形，其製作在下半導體材料接觸層上面的一偵牝該下半導體材料接觸層上面的另一側形成一臺面；
[0010]一半導體材料有源層，形狀與下光學限制層相同，其製作在下光學限制層上；
[0011]一上光學限制層，形狀與下光學限制層相同，其製作在半導體材料有源層上；
[0012]一上半導體材料接觸層，形狀與下光學限制層相同，其製作在上光學限制層上；
[0013]一第一金屬電極，為圓形、環形或矩形，其製作在下半導體材料接觸層上面另一側的檯面上；
[0014]一第二金屬電極，形狀與下光學限制層相同，其製作在上半導體材料接觸層上。
[0015]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0016]1、本發明提供的這種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，可以通過改變量子阱阱層和壘層生長厚度，實現光通信波段全覆蓋，對激射波長的調節非常簡單方便，不依賴於有源材料的能帶間隙。
[0017]2、本發明提供的這種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，從雷射的根本原理上對高速調製性能進行改進。通過使用GaN基材料形成量子級聯雷射器，利用載流子躍遷速度fs量級的子帶間躍遷形成雷射，將雷射直接調製速率向百G以上推進。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中:
[0019]圖1為本發明一實施例的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明另一實施例的結構示意圖。
[0021]圖3為本發明再一實施例的結構示意圖。
[0022]圖4為帶間躍遷方式半導體雷射器調製速率的3dB帶寬理論模擬圖。
[0023]圖5為量子級聯雷射子帶內躍遷方式調製速率的3dB帶寬理論模擬圖。
【具體實施方式】
[0024]請參閱圖1所示，本發明提供一種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，包括:
[0025]一襯底11，該襯底11的材料是藍寶石；
[0026]一半導體材料緩衝層12，其製作在襯底11上，該緩衝層12的材料是GaN、AlGaN或A1N，厚度為1-2微米；
[0027]—下半導體材料接觸層13，其製作在半導體材料緩衝層12上，該下半導體材料接觸層13的材料是η型重摻雜的AlGaN，摻雜濃度在I X 1018_3 X 11W3,厚度為1_2微米；
[0028]—下光學限制層14,該下光學限制層14的材料為AlGaN,摻雜濃度為2 X 1016-4 X 11W3,厚度為 0.3-1 微米；
[0029]一半導體材料有源層15，其製作在下光學限制層14上，所述的半導體材料有源層15為多周期量子阱結構，周期數為100-500，每一量子阱的材料為GaN/AlGaN，每一量子阱的厚度為0.2納米20納米，具體量子阱厚度與量子阱結構周期數依據所需激射波長和量子阱各材料組分而定。該多周期量子阱結構為量子級聯發光；
[0030]—上光學限制層16,其製作在半導體材料有源層15上,該上光學限制層16的材料為GaN材料，摻雜濃度為2X10164 X 1016Cm_3，厚度為0.31微米；
[0031]一上半導體材料接觸層17，其製作在上光學限制層16上，該上半導體材料接觸層17的材料是η型重摻雜的AlGaN，摻雜濃度在I X 1018-3 X 1018cm_3，厚度12微米；
[0032]MBE生長結束後，通過普通光刻及套刻技術和溼法腐蝕或幹法刻蝕技術製作出圓形(參閱圖1)、環形(參閱圖2)或矩形(參閱圖3)的下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16、上半導體材料接觸層17和臺面131結構。溼法腐蝕或幹法刻蝕深度為下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16和上半導體材料接觸層17的總厚度。下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16和上半導體材料接觸層17的尺寸大小和形狀完全相同。當下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16和上半導體材料接觸層17為圓形時，圓形直徑在I微米至50微米之間；當下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16和上半導體材料接觸層17為環形時，圓環外徑為I微米至50微米之間，內徑為外徑的10% -90% ;當下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16和上半導體材料接觸層17為矩形時，矩形一邊長度為I微米至50微米，另一邊長度為I微米至50微米。
[0033]通過套刻及濺射技術濺射或蒸鍍技術蒸鍍的第一金屬電極18，該第一金屬電極18製作在下半導體材料接觸層13上面的另一側的臺面131上，所述第一金屬電極18為共面電極，其材料為Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金，厚度為300納米到3微米。第一金屬電極18為圓形(參閱圖1)、環形(參閱圖2)或矩形(參閱圖3)，第一金屬電極18中軸線與下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16和上半導體材料接觸層17中軸線距離為3微米至150微米。
[0034]通過套刻及濺射技術濺射或蒸鍍技術蒸鍍第二金屬電極19，形狀大小與下光學限制層14相同，其製作在上半導體材料接觸層17上，所述第二金屬電極19為共面電極，其材料為Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金，厚度為300納米到3微米。第二金屬電極18為圓形(參閱圖1)、環形(參閱圖2)或矩形(參閱圖3)。
[0035]所述的下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16、上半導體材料接觸層17和第二金屬電極19的形狀為圓形(參閱圖1)、環形(參閱圖2)或矩形(參閱圖3)，當下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16、上半導體材料接觸層17和第二金屬電極19的形狀為圓形時，臺面131上的金屬電極可以分別為圓形、環形或矩形；當下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16、上半導體材料接觸層17和第二金屬電極19的形狀為環形時，臺面131上的金屬電極可以分別為圓形、環形或矩形；當下光學限制層14、半導體材料有源層15、上光學限制層16、上半導體材料接觸層17和第二金屬電極19的形狀為矩形時，臺面131上的金屬電極可以分別為圓形、環形或矩形。
[0036]圖4是利用速率方程理論計算的利用帶間躍遷激射的普通雷射器的小信號調製3dB帶寬圖。其中Q值選取1000，體積選取I體積單位(材料中半波長的立方)。激射波長為1550時光子壽命為822fs。由於帶間躍遷載流子壽命大約為1ns，此時載流子壽命是高速調製的限制因素。此時的3dB帶寬為4.8GHz。
[0037]圖5是利用速率方程理論計算的本專利所描述的利用導帶內子帶躍遷激射的GaN基量子級聯高速雷射器的小信號調製3dB帶寬圖。其他參數與圖四選取的一樣，只有載流子壽命與普通雷射器不同。GaN基量子級聯雷射器的載流子壽命一般在幾十到幾百飛秒之間。圖中分別計算了載流子壽命為Ips和400fs的小信號調製3dB帶寬圖。由圖中可以看出，在載流子壽命為Ips時3dB帶寬為191.9GHz，載流子壽命為400fs時3dB帶寬為193.2GHz。由此可知，GaN基量子級聯雷射器由於載流子壽命在幾十到幾百飛秒之間，遠小於帶間躍遷形式的Ins載流子壽命，因此利用GaN基量子級聯高速雷射器作為高速直接調製雷射光源，可以顯著提高高速調製性能，將高速雷射器向百G水平推進。
[0038]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，其中一些參數也是具體實施例中的參數，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，包括: 一襯底； 一半導體材料緩衝層，其製作在襯底上； 一下半導體材料接觸層，其製作在半導體材料緩衝層上； 一下光學限制層，為圓形、環形或矩形，其製作在下半導體材料接觸層上面的一側，該下半導體材料接觸層上面的另一側形成一臺面； 一半導體材料有源層，形狀與下光學限制層相同，其製作在下光學限制層上； 一上光學限制層，形狀與下光學限制層相同，其製作在半導體材料有源層上； 一上半導體材料接觸層，形狀與下光學限制層相同，其製作在上光學限制層上； 一第一金屬電極，為圓形、環形或矩形，其製作在下半導體材料接觸層上面另一側的檯面上； 一第二金屬電極，形狀與下光學限制層相同，其製作在上半導體材料接觸層上。
2.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中該襯底的材料是藍寶石。
3.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中該緩衝層的材料是 GaN、AlGaN 或 A1N。
4.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中該下半導體材料接觸層的材料是η型重摻雜的AlGaN，摻雜濃度在I X 1018_3 X 1018cm_3，厚度為1_2微米。
5.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中下光學限制層的材料為AlGaN，摻雜濃度為2X 1016-4X 116CnT3 ;上光學限制層的材料為GaN材料，摻雜濃度為 2X 1016-4 X 116CnT3。
6.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中所述的半導體材料有源層為多周期量子阱結構，周期數為100-500，每一量子阱的材料為GaN/AlGaN，每一量子阱的厚度為0.2納米-20納米。
7.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中該上半導體材料接觸層17的材料是η型重摻雜的AlGaN，摻雜濃度在lX1018-3X1018cm_3，厚度為1_2微米。
8.根據權利要求6所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中多周期量子阱結構為量子級聯發光。
9.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中第一金屬電極為共面電極，其材料為Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金。
10.根據權利要求1所述的通訊波段GaN基量子級聯高速雷射器，其中第二金屬電極為共面電極，其材料為Ti/Al/Ti/Au合金或Pd/Au合金。
【文檔編號】H01S5/06GK104332820SQ201410617322
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月5日 優先權日:2014年11月5日
【發明者】鄭婉華, 趙鵬超, 齊愛誼, 渠紅偉 申請人:中國科學院半導體研究所