本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器以及這種激光器的制備方法。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、閾值低、壽命長(zhǎng)、能與硅集成電路兼容等特點(diǎn)，是光通信、光互聯(lián)、光計(jì)算等光電集成電路的主要光源。在這些應(yīng)用中，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光往往需要采用光纖作為傳輸介質(zhì)，要求激光器與光纖之間具有較高的耦合效率，但傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器采用多量子結(jié)構(gòu)作為有源層，光腔的寬度往往只有數(shù)百納米，垂直遠(yuǎn)場(chǎng)光發(fā)射角約為32-45°，遠(yuǎn)大于平行于結(jié)方向水平發(fā)散角(約20°),光衍射作用導(dǎo)致垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角較大，而在平行于結(jié)的方向，由于對(duì)光場(chǎng)的限制作用較小(以最常見(jiàn)的脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器為例，其水平方向的光場(chǎng)大小一般為2um)，因此，水平方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角較小，這樣會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑呈橢圓形。而光纖的直徑是圓形的，當(dāng)激光器的光通過(guò)光纖傳輸時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致激光器與光纖的耦合效率下降。

中國(guó)發(fā)明專利(公開(kāi)號(hào)：CN104466675A)公開(kāi)了一種窄發(fā)散角脊波導(dǎo)半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器插入N型InGaAsP材料作為擴(kuò)展波導(dǎo)層，該層有較高的折射率，其目的是使光場(chǎng)從主波導(dǎo)中能夠擴(kuò)展一部分到該區(qū)域中，起到擴(kuò)展近場(chǎng)光斑的作用，從而減小激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。中國(guó)發(fā)明專利(公開(kāi)號(hào)：CN104300365A)公開(kāi)了一種同時(shí)降低發(fā)散角和閾值電流的激光器的制備方法，該方案在波導(dǎo)層和限制層之間引入非對(duì)稱摻雜的低折射率層。低折射率層的引入是在量子阱有源區(qū)附近引入反波導(dǎo)作用，這與有源區(qū)和波導(dǎo)層共同作用調(diào)節(jié)光場(chǎng)在激光器中的分布，進(jìn)而改變有源區(qū)的光學(xué)限制因子，最終影響激光器的閾值電流和垂直發(fā)散角。上述兩種方案是在低折射率的波導(dǎo)層中插入高折射率的波導(dǎo)層、或者在波導(dǎo)層與限制層之間改入非對(duì)稱摻雜的低折射率層。但異質(zhì)外延層的引入不但會(huì)增加載流子注入的勢(shì)壘，還會(huì)引入寄生電容，影響半導(dǎo)體激光器的閾值、功率與頻譜響應(yīng)曲線等，因此改進(jìn)效果并不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種降低垂直遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角激光器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器，其特征在于，該激光器的外延結(jié)構(gòu)包括InP襯底，在所述InP襯底上由下向上依次沉積有緩沖層、N型外限制層、N型內(nèi)限制層、非摻雜的折射率漸變的波導(dǎo)層、量子阱有源區(qū)、非摻雜的折射率漸變的波導(dǎo)層、P型內(nèi)限制層、P型外限制層、腐蝕阻擋層、P型包層、P型勢(shì)壘漸變層、P型勢(shì)壘激變層、P形歐姆接觸層,所述的量子阱有源區(qū)量子阱為應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)；所述的N型內(nèi)限制層為張應(yīng)變結(jié)構(gòu)層，所述N型內(nèi)限制層采用AlInAs材料。

優(yōu)選的，所述的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的阱層為壓應(yīng)變，所述的應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的壘層為張應(yīng)變。

優(yōu)選的，所述量子阱結(jié)構(gòu)阱層的壓應(yīng)變?yōu)?.8％-1.2％,阱層的厚度為5-8nm。

優(yōu)選的，所述量子阱結(jié)構(gòu)壘層的張應(yīng)變?yōu)?.4％-0.8％,壘層的厚度為10-15nm。

優(yōu)選的，所述應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱對(duì)數(shù)為6-9對(duì)。

優(yōu)選的，所述N型內(nèi)限制層的厚度為30-60nm。

優(yōu)選的，所述N型外限制層的厚度為2-4um。所述N型外限制層(3)采用漸變摻雜，摻雜濃度從3E18cm^-3降低到1E18cm^-3。

優(yōu)選的，所述N型內(nèi)限制層采用的AlInAs材料為Al_xIn_(1-x)As材料，其Al組分X的范圍為0.44-0.478。其特征在于：所述N型內(nèi)限制層與InP襯底的晶格不匹配，相對(duì)于InP襯底有0.1-0.5％的張應(yīng)變。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器的制備方法，其包括如下步驟：1)以InP作為生長(zhǎng)襯底，在InP襯底上依次生長(zhǎng)N-InP緩沖層，N-InP外限制層，N-AlInAs限制層、非摻雜的折射率漸變的AlGaInAs下波導(dǎo)層、6個(gè)周期的AlGaInAs量子阱、非摻雜的折射率漸變的AlGaInAs上波導(dǎo)層、非摻雜的AlInAs限制層、P-InP外限制層、波長(zhǎng)為1100nm的InGaAsP腐蝕阻擋層、InP包層以及波長(zhǎng)為1300nm的InGaAsP勢(shì)壘過(guò)渡層，波長(zhǎng)為1500nm的InGaAsP勢(shì)壘過(guò)渡層，以及InGaAs歐姆接觸層，形成完整的FP激光器的外延結(jié)構(gòu)；2)采用光刻與刻蝕工藝，形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；3)脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上蒸鍍正面電極，并將InP襯底減薄，在減薄的InP襯底背面蒸鍍背面電極；4)在激光器管芯兩端蒸鍍一定反射薄膜率的薄膜。

優(yōu)選的，InP生長(zhǎng)襯底的電導(dǎo)率范圍為2E18cm^-2至8E18cm^-2，其生長(zhǎng)襯底放入到的MOCVD系統(tǒng)中生長(zhǎng)，MOCVD系統(tǒng)中反應(yīng)室壓力為50mbar，生長(zhǎng)溫度為670℃，以H₂為載氣，三甲基銦(TMIn)、三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、二乙基鋅(DeZn)、硅烷(SiH4)、砷烷(AsH₃)和磷烷(PH₃)為反應(yīng)源氣體。

如上所述，本窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器及其制備方法的具有以下有益效果：該激光器增加了MQW(量子阱結(jié)構(gòu))有源區(qū)的厚度，可有效增加光腔體積，降低垂直遠(yuǎn)光發(fā)散角；該激光器的N型內(nèi)限制層為張應(yīng)變結(jié)構(gòu)層，采用AlInAs材料，隨著Al_xIn_(1-x)As材料的Al組分降低，其折射率相應(yīng)增加，使光在限制層中的衰減變小，從而使更多的光能拓展到外限制層InP中，從而降低垂直方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，這種激光器不增加擴(kuò)展波導(dǎo)層，通過(guò)應(yīng)變來(lái)拓展垂直方向的光場(chǎng)，降低了半導(dǎo)體激光器的垂直方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，提高激光器與光纖的耦合效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例激光器遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的曲線圖。

元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明

1、InP襯底；2、緩沖層；3、N型外限制層；4、N型內(nèi)限制層；5、非摻雜的折射率漸變的波導(dǎo)層；6、量子阱有源區(qū)；7、非摻雜的折射率漸變的波導(dǎo)層；8、P型內(nèi)限制層；9、P型外限制層；10、腐蝕阻擋層；11、P型包層；12、P型勢(shì)壘漸變層；13、P型勢(shì)壘激變層；14、P形歐姆接觸層。

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。

請(qǐng)參閱圖1、2。須知，本說(shuō)明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說(shuō)明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容得能涵蓋的范圍內(nèi)。同時(shí)，本說(shuō)明書中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中間”及“一”等的用語(yǔ)，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的范圍，其相對(duì)關(guān)系的改變或調(diào)整，在無(wú)實(shí)質(zhì)變更技術(shù)內(nèi)容下，當(dāng)亦視為本發(fā)明可實(shí)施的范疇。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器，該激光器的外延結(jié)構(gòu)包括InP襯底1，在InP襯底1上由下向上依次沉積生長(zhǎng)有緩沖層2、N型外限制層3、N型內(nèi)限制層4、非摻雜的折射率漸變的波導(dǎo)層5、量子阱有源區(qū)6、非摻雜的折射率漸變的波導(dǎo)層7、P型內(nèi)限制層8、P型外限制層9、腐蝕阻擋層10、P型包層11、P型勢(shì)壘漸變層12、P型勢(shì)壘激變層13和P形歐姆接觸層14。其中N型內(nèi)限制層4為張應(yīng)變結(jié)構(gòu)層，也就是說(shuō)N型內(nèi)限制層4與InP襯底1的晶格不匹配，相對(duì)于InP襯底1有張應(yīng)變，張應(yīng)變的范圍為0.1-0.5％。

量子阱有源區(qū)量子阱7為應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)。應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的阱層為壓應(yīng)變，應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的壘層為張應(yīng)變。量子阱結(jié)構(gòu)阱層的壓應(yīng)變?yōu)?.8％-1.2％,厚度為5-8nm，量子阱結(jié)構(gòu)壘層的張應(yīng)變?yōu)?.4％-0.8％,厚度為10-15nm。應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的量子阱對(duì)數(shù)為6-9對(duì)。通過(guò)增加了MQW(量子阱結(jié)構(gòu))有源區(qū)的厚度，可有效增加光腔體積，降低垂直遠(yuǎn)光發(fā)散角。

N型內(nèi)限制層4采用AlInAs材料，具體采用Al_xIn_(1-x)As材料，其中X表示Al的組分，X 的范圍在0.44-0.478之間。N型內(nèi)限制層4與InP襯底1的晶格不匹配，InP襯底的晶格常數(shù)為0.58688nm,而N型內(nèi)限制層4的晶格常數(shù)隨Al_xIn_(1-x)As中Al組分不同而不同，其晶格常數(shù)與Al組分x的關(guān)系為：a＝0.56614+0.039698x，當(dāng)x＝0.522時(shí)，N型內(nèi)限制層4的晶格常數(shù)與InP襯底1匹配。當(dāng)x＝0.478時(shí)，a＝0.58512,N型內(nèi)限制層4的晶格常數(shù)與InP襯底1匹配。當(dāng)Al_xIn_(1-x)As的Al組分降低0.468時(shí)，其晶格常數(shù)a＝0.58472nm,與InP襯底1的晶格失配度：mismatch＝(a_epi-a_sub)/a_sub＝(0.58688-0.58472)/0.58688＝0.368％。由此可見(jiàn)隨著Al組分的減小，N型內(nèi)限制層4的晶格常數(shù)與InP襯底1的晶格失配度會(huì)逐漸變大，張應(yīng)變也會(huì)相應(yīng)變大。

N型內(nèi)限制層4的中Al_xIn_(1-x)As的禁帶寬度與Al組分x的關(guān)系為：Eg＝0.24x²+2.35x+0.36，當(dāng)x＝0.478時(shí)，Al_xIn_(1-x)As的禁帶寬度為1.537eV。由于半導(dǎo)體折射率在不同波長(zhǎng)下與其禁帶寬度呈反相關(guān)的關(guān)系(Eg*n⁴＝常數(shù))，因此，若使Al組分x＝0.468，即Al_xIn_(1-x)As的Al組分降低0.01，此時(shí)，Al_xIn_(1-x)As的禁帶寬度減小到1.512eV，Al_xIn_(1-x)As的折射率會(huì)相應(yīng)增加。由于光子在波導(dǎo)層中的衰減速率取決于波導(dǎo)層與內(nèi)限制層的折射率差，差值越大，光在限制層中衰減越快。也就是說(shuō)Al_xIn_(1-x)As的Al組分降低，張應(yīng)變也會(huì)相應(yīng)變大，禁帶寬度減小，其折射率相應(yīng)增加，使光在限制層中的衰減變小，從而使更多的光能拓展到外限制層InP中，從而降低垂直方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角。

但隨著張應(yīng)變的變大，AlInAs的厚度應(yīng)相應(yīng)變小，不然會(huì)產(chǎn)生穿透位錯(cuò)影響到有源區(qū)的材料質(zhì)量。當(dāng)N型內(nèi)限制層4的厚度為20-80nm，不會(huì)超過(guò)其臨界厚度，優(yōu)選，N型內(nèi)限制層4的厚度為30-60nm。

此外，為了進(jìn)一步減小垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，本發(fā)明N-InP外限制層3的厚度增加到2-4um，進(jìn)一步拓展垂直方向光場(chǎng)的寬度。當(dāng)InP外限制層厚度3增加后，為了不影響激光器的串聯(lián)電阻和閾值電流，本發(fā)明在InP外限制層3中采用漸變摻雜，摻雜濃度從3E18cm^-3降低到1E18cm^-3。

該窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器不需要插入層，降低寄生電容與串聯(lián)電阻；采用張應(yīng)變的AlInAs,提高限制層的折射率，降低光在限制層中的衰減，讓光場(chǎng)拓展到外限制層；外限制層厚度增加，進(jìn)一步拓展垂直方向光場(chǎng)的寬度；通過(guò)這些改進(jìn)，獲得的激光器垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角減小。

該窄垂直方向遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的激光器在制備時(shí)以電導(dǎo)率為2-8E18cm^-2的InP作為生長(zhǎng)襯底，放入到Aixtron公司的MOCVD系統(tǒng)中生長(zhǎng)。反應(yīng)室壓力為50mbar，生長(zhǎng)溫度為670℃，以H₂為載氣，三甲基銦(TMIn)、三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、二乙基鋅(DEZn)、硅烷(SiH₄)、砷烷(AsH₃)和磷烷(PH₃)等為反應(yīng)源氣體，依次生長(zhǎng)N-InP緩沖層，N-InP外限制層，N-AlInAs限制層、非摻雜的折射率漸變的AlGaInAs下波導(dǎo)層、6個(gè)周期的AlGaInAs量子阱、非摻雜的折射率漸變的AlGaInAs上波導(dǎo)層、非摻雜的AlInAs限制層、P-InP外限制層、波長(zhǎng)為1100nm的InGaAsP腐蝕阻擋層、InP包層以及波長(zhǎng)為1300nm的InGaAsP勢(shì)壘過(guò)渡層，波長(zhǎng)為1500nm的InGaAsP勢(shì)壘過(guò)渡層，以及InGaAs歐姆接觸層等，即形成完整的FP激光器的外延結(jié)構(gòu)。外延結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完成后，可利用公知的光刻與刻蝕工藝，形成脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后在脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上蒸鍍正面電極，并將InP襯底減薄，在減薄的InP襯底背面蒸鍍背面電極；在管芯兩端蒸鍍一定反射薄膜率的薄膜，即完成窄垂直遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角激光器的制作。

該激光器的N型內(nèi)限制層為張應(yīng)變結(jié)構(gòu)層，采用AlInAs材料，隨著Al_xIn_(1-x)As材料的Al組分降低，其折射率相應(yīng)增加，使光在限制層中的衰減變小，從而使更多的光能拓展到外限制層InP中，從而降低垂直方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，這種激光器不增加擴(kuò)展波導(dǎo)層，通過(guò)應(yīng)變來(lái)拓展垂直方向的光場(chǎng)，降低了半導(dǎo)體激光器的垂直方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，提高激光器與光纖的耦合效率。如圖2所示，激光器垂直方向的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散明顯減小(下面一條曲線為限制層增加應(yīng)變層后激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光發(fā)散角曲線，上面一條曲線為常規(guī)激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光發(fā)散角曲線)。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。