[发明专利]单模GaSb基半导体激光器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器，特别是指一种单模GaSb基半导体激光器及其制备方法。

背景技术

2-5μm波段包含非常重要的大气窗口，包含了许多气体分子的特征谱线，可以广泛应用于大气污染监测、气体检测等民用项目；而工作在该波段的大功率激光器可期望在激光雷达、光电对抗等军用项目中发挥更好的应用效果。传统的Si基、砷化镓(GaAs)基材料带隙比较宽，不能满足对波长的要求。而GaSb(锑化镓)材料相对较窄的带隙具有先天的优势，然而普通结构的F-P腔半导体激光器多为多模工作，在高速调制时会发生光谱展宽效应。随着高速率光纤通信系统的发展与环境监测需求精度的提高，都对半导体激光器提出了更高的要求。研制谱线宽度更窄、激射波长更加稳定、大功率的GaSb激光器成为半导体激光器发展中的一个重要方向。

传统的实现单纵模波长稳定的方法为分布式反馈激光器(DFB)结构，即在外延生长完量子阱有源区或者波导层后中断生长，通过双光束全息曝光或者电子束直写在有源区附近引入周期性的布拉格光栅对光进行反馈，然后进行二次外延完成整个掩埋光栅DFB的外延制备。然而对于GaSb基材料，其波导层和限制层中的高铝组分带来的容易氧化的问题使得传统的掩埋光栅DFB的制作难度非常大。

发明内容

本发明的目的是为了设计一种单模GaSb基半导体激光器，以克服了传统DFB工艺的不足。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单模GaSb基半导体激光器，包括N型GaSb衬底和外延层，所述外延层包括下波导层、下波导层之上的上波导层，上波导层之上的p型上限制层以及p型上限制层之上的P型上缓冲层，其中，

在所述外延层的部分区域从所述p型上缓冲层向下刻蚀，刻蚀深度位于p型上限制层上表面至上波导层下表面之间，形成的一中间高、两边低的脊型波导结构；以及

所述脊型波导结构在P型上限制层的部分区域进一步向下刻蚀形成周期性光栅。

根据本发明的一种具体实施方案，所述脊型波导刻蚀的深度位于所述p型上限制层的上、下表面之间。

根据本发明的一种具体实施方案，：脊型波导结构中间脊的宽度1μm-200μm，长度800μm-2mm。

根据本发明的一种具体实施方案，所述外延层还包括下波导层、下波导层之上的上波导层，所述上波导层位于所述p型上限制层之下，所述周期性光栅的周期按照以下公式计算：

公式(1)中，λ是所述激光器的激射波长，N_eff为从下波导层至上波导层所构成的有源区的模式有效折射率，m为光谱线级数，m＝1或2；光栅占空比为0.5-0.7。

根据本发明的一种具体实施方案，周期性光栅周期为500nm-650nm，占空比为0.5-0.7。

而且，本发明还提供一种单模GaSb基半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备N型GaSb衬底；

(2)在衬底上沉积外延层，所述外延层包括下波导层、下波导层之上的上波导层，上波导层之上的p型上限制层以及p型上限制层之上的P型上缓冲层；

(3)在所述P型缓冲层的部分区域上向下刻蚀，刻蚀深度位于p型上限制层上表面至上波导层下表面之间，形成一中间高、两边低的脊型波导结构；

(4)采用双光束全息曝光技术同时在脊型波导结构的表面和两侧沿横向曝光形成周期分布的多个光栅结构，向下刻蚀光栅到达上波导层表面，形成周期性光栅。

根据本发明的一种具体实施方案，上述方法中，所述脊型波导刻蚀的深度位于p型上限制层的上、下表面之间，以及至上波导层下表面以上的任意深度；脊型波导结构中间脊的宽度1μm-200μm，长度800μm-2mm。

根据本发明的一种具体实施方案，上述方法中，所述周期性光栅间隔为500nm-650nm，占空比为0.5-0.7；脊型波导两侧周期性光栅的数量为1400-2600个。

根据本发明的一种具体实施方案，上述方法中，所述P型上限制层为P型掺杂的铝镓砷锑材料，其组分比例为Al_0.4-0.9GaAs_0.02-0.04Sb，厚度为300nm-2μm。

根据本发明的一种具体实施方案，上述方法中，所述P型缓冲层为P型掺杂的镓锑材料。

通过上述技术方案，本发明单模GaSb基半导体激光器及其制备方法的有益效果在于：

(1)光栅结构位于脊型波导结构的两侧，通过向下刻蚀形成光栅，可以减小因为制作光栅而引起的二次外延等材料生长复杂的问题，同时可以有效避免铝的氧化问题；