阅读说明：本技术 一种高性能dfb激光器结构及其生长方法 (High-performance DFB laser structure and growth method thereof ) 是由 单智发 张永 陈阳华 姜伟 方天足 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：一种高性能DFB激光器结构,包括InP基底,在所述InP基底上从下而上依次采用MOCVD沉积的N-InP缓冲层、N-AlInAs外延层、N-AlGaInAs波导层、AlGaInAs MQW、P-AlGaInAs波导层、P-AlInAs限制层、P-InP限制层、光栅层、InGaAsP势垒过度层、InGaAs欧姆接触层；在所述N-InP缓冲层与所述N-AlInAs外延层中间插入一层N-InAlAsP；本方案设计的一种高性能DFB激光器结构,在N-InP缓冲层与N-InAlAs外延层中间插入一层N-InAlAsP,可以获得高制量的MQW,提高激光器的可靠性,同时还能平滑N-InP缓冲层与N-InAlAs外延层之间的导带能阶差,减小DFB激光器的电阻,提高DFB激光器的性能。(A high-performance DFB laser structure comprises an InP substrate, wherein an N-InP buffer layer, an N-AlInAs epitaxial layer, an N-AlGaInAs waveguide layer, AlGaInAs MQW, a P-AlGaInAs waveguide layer, a P-AlInAs limiting layer, a P-InP limiting layer, a grating layer, an InGaAsP barrier transition layer and an InGaAs ohmic contact layer which are deposited on the InP substrate from bottom to top in sequence by MOCVD; inserting a layer of N-InAlAsP between the N-InP buffer layer and the N-AlInAs epitaxial layer; according to the high-performance DFB laser structure designed by the scheme, the layer of N-InAlAsP is inserted between the N-InP buffer layer and the N-InAlAs epitaxial layer, so that a high-yield MQW can be obtained, the reliability of the laser is improved, the conduction band energy step difference between the N-InP buffer layer and the N-InAlAs epitaxial layer can be smoothed, the resistance of the DFB laser is reduced, and the performance of the DFB laser is improved.)

一种高性能DFB激光器结构及其生长方法

技术领域

本发明属于半导体光电子技术领域，具体涉及一种高性能DFB激光器结构及其生长方法。

背景技术

随着5G商用的日益临近，窄线宽、高边模抑制比和调制速率高的动态单模分布反馈激光器(DFB-LD)成为首选光源。DFB采用折射率周期性变化的光栅调制，具有良好的单纵模特性，边模抑制比可达50dB以上，调制速率可达50Gb/s以上，可以满足5G移动网络高速率/低时延的应用要求。高速光通信用的DFB激光器一般采用InP为生长基底，采用AlGaInAs的量子阱为有源层。传统高速AlGaInAs系DFB激光器直接在InP基底上生长InAlAs材料，As-P切换界面会存在原子非线性混合；例如，残留的P原子会不可避免的并入到块体的InAlAs材料中，造成InAlAs材料的晶格不匹配。

同时，5G移动通信系统应用的DFB激光器工作波长为1200~1600nm，工作温度为-40~90℃，调制速率为10Gb/s~56Gb/s，通过MOCVD设备在InP基底上AlGaInAs系列材料难度较大，原因如下：

（1）InP基底表面可能存在的氧化层，导致MQW材料质量较差；（2）非本征的InP基底中掺杂的杂质会在生长时脱出，影响材料的生长质量；（3）As-P切换界面会存在原子非线性混合；（4）当N-InP与N-InAlAs外延层靠近时，会形成异质带阶，影响载流子的传输，导致DFB激光器寄生电阻增加，影响器件性能。

因此，本方案提出一种DFB激光器结构，在N-InP层与N-InAlAs层中间插入N-InAlAsP外延层，一方面可以获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性；另一方面，可以平滑N-InP与N-InAlAs外延层之间的导带能阶差，减小DFB激光器的电阻，提高DFB激光器的性能；从而有效地解决上述技术问题。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种高性能DFB激光器结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种高性能DFB激光器结构，包括InP基底，在所述InP基底上从下而上依次采用MOCVD沉积的N-InP缓冲层、N-AlInAs外延层、N-AlGaInAs波导层、AlGaInAs MQW、P-AlGaInAs波导层、P-AlInAs 限制层、P-InP限制层、腐蚀阻挡层、InP联接层、光栅层、InGaAsP势垒过度层、InGaAs欧姆接触层；其特征在于：在所述N-InP缓冲层与所述N-AlInAs外延层中间插入一层N-InAlAsP。

优选的，所述N-InAlAsP材料采用(Al0.48In0.52As)X(InP)(1-X)表示，其中X表示AlInAsP材料中Al0.48In0.52As材料的比例，其值界于0.5-0.99之间。

优选的，所述Al0.48In0.52As材料与InP晶格匹配。

优选的，所述N-InAlAsP材料采用MOCVD生长。

优选的，所述InP基底电导率为2-8x10¹⁸cm^-2。

本发明还公开一种高性能DFB激光器制备方法，其包括如下步骤：

步骤一：以电导率为2-8x10¹⁸cm^-2的InP作为生长衬底，放入到MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以氢气为载气，三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、二乙基锌、硅烷、砷烷和磷烷等为反应源气体，首先生长N-InP缓冲层，三甲基铟的流量为300sccm，磷烷的流量为1800sccm；

步骤二：当所述N-InP缓冲层生长完成后，关闭三甲基铟和硅烷，通入砷烷，砷烷流量为600 sccm，同时，把磷烷的流量降低；3分钟后，通入三甲基铟和硅烷，开始生长N-AlInAsP外延层；

步骤三：在步骤二的基础上，三甲基铟的Source流量为100sccm，200秒后，关闭磷烷，

并持续增加三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的Source流量，开始生长N-AlInAs外延层；然后依次生长N-AlGaInAs波导层，AlGaInAs MQW，P-AlGaInAs波导层，P-AlInAs 限制层，P-InP限制层，并制作光栅；

步骤四：最后，采用脉冲式沉积法生长InP联接层，InGaAsP势垒过度层，InGaAs欧姆接触层。

优选的，在步骤二中所述的把磷烷的流量降低，具体为将磷烷的流量至300sccm。

优选的，在步骤三中所述的持续增加三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的Source流量，其增加流量的方式具体为线性增加。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点如下：

本发明在传统DFB激光器结构的基础上，提出新的DFB激光器构，即在N-InP缓冲层与N-InAlAs外延层中间插入一层N-InAlAsP，一方面可以获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性；另一方面，可以平滑N-InP与N-InAlAs外延层之间的导带能阶差，减小DFB激光器的电阻，提高DFB激光器的性能。

附图说明

图1为本发明DFB激光器外延结构示意图。

图2为本发明DFB激光器能带结构示意图。

图3为本发明AlInAsP外延层生长示意图。

以上附图中，InP基底001、N-InP缓冲层002、N-AlInAsP插入层101、N-AlInAs外延层003、N-AlGaInAs波导层004、AlGaInAs MQW 005、P-AlGaInAs波导层006、P-AlInAs 限制层007、P-InP限制层008、腐蚀阻挡层009、InP联接层010、光栅层011、InGaAsP势垒过度层012、InGaAs欧姆接触层013。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1~图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例：如图1所示，一种高性能DFB激光器结构，包括InP基底001，在所述InP基底001上从下而上依次采用MOCVD沉积的N-InP缓冲层002、N-AlInAs外延层003、N-AlGaInAs波导层004、AlGaInAs MQW 005、P-AlGaInAs波导层006、P-AlInAs 限制层007、P-InP限制层008、腐蚀阻挡层009、InP联接层010、光栅层011、InGaAsP势垒过度层012、InGaAs欧姆接触层013；在所述N-InP缓冲层002与所述N-AlInAs外延层003中间插入一层N-InAlAsP插入层101。

优选实施方式为：

如图2所示，在增加AlInAsP插入层后，其能带结构如图2所示（腐蚀阻挡层009009以上未画出）。可以看到，N-AlInAsP的导带位于N-InP和N-AlInAs之间，有利于平滑能带，减小寄生电阻。与InP基底001晶格匹配的四元化合物AlInAsP可以采用(Al0.48In0.52As)X(InP)(1-X)表示，X表示AlInAsP材料中Al0.48In0.52As(与InP晶格匹配)材料的比例，其值界于0.5-0.99之间，因此，AlInAsP材料的禁带宽度界于AlInAs与InP之间。

所述Al0.48In0.52As材料与InP晶格匹配。

所述N-InAlAsP材料采用MOCVD生长。

所述InP基底001电导率为2-8x1018cm-2 。

本发明还公开一种高性能DFB激光器制备方法，分为如下步骤：步骤一：以电导率为2-8x1018cm-2的InP作为生长衬底，放入到MOCVD 系统中生长，反应室压力为50mbar，生长温度为670℃，以氢气为载气，三甲基铟、三甲基镓、三甲基铝、二乙基锌、硅烷、砷烷和磷烷等为反应源气体，首先生长N-InP缓冲层002，三甲基铟的流量为300sccm，磷烷的流量为1800sccm；步骤二：当所述N-InP缓冲层002生长完成后，关闭三甲基铟和硅烷，通入砷烷，砷烷流量为600 sccm，同时，把磷烷的流量降低；3分钟后，通入三甲基铟和硅烷，开始生长N-AlInAsP外延层；步骤三：在步骤二的基础上，三甲基铟的Source流量为100sccm，200秒后，关闭磷烷；并持续增加三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的Source流量，开始生长N-AlInAs外延层003；然后依次生长N-AlGaInAs波导层004，AlGaInAs MQW 005，P-AlGaInAs波导层006，P-AlInAs 限制层007，P-InP限制层008，并制作光栅；步骤四：最后，采用脉冲式沉积法生长InP联接层010，InGaAsP势垒过度层012，InGaAs欧姆接触层013。

优选实施方式如下：

在步骤二中所述的把磷烷的流量降低，具体为将磷烷的流量至300sccm。

优选的，在步骤三中所述的持续增加三甲基铝、三甲基铟以及硅烷的Source流量，其增加流量的方式具体为线性增加。

本发明提供的外延结构的生长方法为：如图3所示，把InP基底001放入到MOCVD设备中，生长完InP缓冲层后，采用低速长时间生长一定厚度的AlInAsP外延层，然后变速生长AlInAs外延层。AlInAsP外延层的生长过程如图3表示：在N-InP缓冲层002生长完成后，先减小磷烷的source流量，然后通入砷烷，一段时间后，开启三甲基铟、硅烷和三甲基铝生长n-AlInAsP材料，值得注意的是，生长n-AlInAsP时三甲基铟、硅烷的source流量远小于生长InP时的source流量。生长完AlInAsP后，关掉磷烷的source，并把三甲基铟、硅烷和三甲基铝的流量逐步增加，生长N-InAlAs材料。

综上所述，本实施例相较于传统方案具备如下有益效果：

1、在N-InP与N-InAlAs外延层之间插入一层N-InAlAsP，可以获得高制量的MQW，提高激光器的可靠性。

2、在N-InP与N-InAlAs外延层之间，插入一层N-InAlAsP，可以平滑N-InP与N-InAlAs外延层之间的导带能阶差，减小DFB激光器的电阻，提高DFB激光器的性能。

3、N-InAlAsP材料采用MOCVD低速生长，然后渐变生长N-AlInAs，可以提高N-InAlAsP材料的生长质量。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。