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CN116387972B - 一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法 - Google Patents

一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法 Download PDF

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CN116387972B CN202310657105.3A CN202310657105A CN116387972B CN 116387972 B CN116387972 B CN 116387972B CN 202310657105 A CN202310657105 A CN 202310657105A CN 116387972 B CN116387972 B CN 116387972B
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Abstract

本发明公开了一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，涉及边发射激光器技术领域，包括如下步骤：在衬底上方生长外延层，外延层由下至上包括缓冲层、有源区和帽层，且外延层沿其x方向的两端分别为出光端和背光端；在外延层的出光端或者背光端刻蚀出一个让位台阶，该让位台阶的深度由帽层延伸至有源区以下；在让位台阶处对接生长体光栅，使得体光栅的高折射材料和低折射率材料沿x方向交替设置于让位台阶处。本发明创新性地将体光栅集成设置于边发射激光器内部，集成度极高，设置于器件内部的体光栅使得只有满足布拉格条件的光波长才能实现出射，由此使得边发射激光器的波长极其稳定，降低了边发射激光器的波长漂移范围。

Description

一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及边发射激光器技术领域，特别涉及一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法。
背景技术
应用于无人驾驶汽车领域的激光雷达，以其探测精度高、范围广和速度快的三维感知能力得到了广泛的关注。激光雷达同时还可以应用于无人机、机器人等领域，随着人工智能技术的日趋成熟，相关领域对激光雷达传感应用的需求越来越大。由于发射器和探测器方面的优势，使用边发射激光器的激光雷达系统已然在市场中占据主导地位，成为大多数激光雷达厂商理想的选择。
激光雷达系统测距和测绘的基本工作原理为：激光器发射一定波长的信号光到达周围环境，经环境反射后的信号光由探测器捕捉接收，随后进行信号处理，从而实现测距和测绘。使用光学滤波片提升激光雷达灵敏度的原理为：通过光学滤波片将非信号波段过滤，只允许包含信号光的波段到达探测器，从而提高信噪比进而提升激光雷达灵敏度。允许信号光通过的带宽越宽，同样带宽的背景噪声也会到达探测器，影响信噪比。如果能将信号光的波长在激光雷达的工作温度范围内限制在比较小的区间，则可有效缩窄探测器端的光学滤波片带宽，大幅提升信噪比。可见，边发射激光器的波长稳定对于激光雷达系统的十分重要。此外，用于远距离探测的激光雷达对半导体激光器具有很高的激光峰值功率需求，因此提高边发射器的峰值功率也十分必要。
然而现有边发射器芯片存在以下两个问题：
其一，传统提高激光器输出功率的方法是提高注入电流，但是这种方法受到灾变性腔面损伤和电热烧毁的限制，目前大功率半导体激光器普遍存在发光效率低、光束质量差等缺陷。采用大光腔或超大光腔结构可以降低出光面单位面积的光功率，提高灾变性腔面损伤阈值，在一定程度上缓解输出功率受限的问题；另一个提高激光器输出功率的方法是采用激光器阵列，但是其工艺复杂，所以散热要求很高。
其二，传统的边发射激光器虽然在功率密度等关键参数上有着无可比拟的优势，但波长随温度漂移系数较大（约0.28nm/K），因此在有些应用上受到限制。在-20℃到+125℃的工作温度范围内，波长漂移约40nm，再加上激光器本身的波长产出分布有约±10nm的范围，如不使用额外的控温设计，接收端光学滤光片带宽应至少保持60nm宽度，才能实现信号的有效接收和利用。
发明内容
本发明提供一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在衬底上方生长外延层，所述外延层由下至上包括缓冲层、有源区和帽层，且外延层沿其x方向的两端分别为出光端和背光端；
（2）在外延层的出光端或者背光端刻蚀出一个让位台阶，该让位台阶的深度由所述帽层延伸至有源区以下；
（3）在所述让位台阶处对接生长体光栅，使得体光栅的高折射材料和低折射率材料沿x方向交替设置于所述让位台阶处。
进一步，所述步骤（3）包括如下子步骤：
（3.1）在所述让位台阶的位置对接生长第一半导体材料；
（3.2）在所述第一半导体材料中刻蚀出若干沿x方向间隔设置的条型槽，各所述条型槽从第一半导体材料的顶部贯穿至底部，从而形成周期性交替设置的第一半导体材料/空气系结构；
（3.3）在各所述条形槽内沉积第二半导体材料，所述第二半导体材料的折射率低于第一半导体材料的折射率，从而形成周期性交替设置的高折射率材料/低折射率材料的体光栅。
进一步，在步骤（1）中，控制反应室压力为45-55mbar，以H2为载气，三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、乙硅烷、四溴化碳、二乙基碲、砷烷为反应源气体，在衬底的表面采用MOCVD工艺依次沉积缓冲层、有源区和帽层。
进一步，所述衬底沿x方向的长度为L1，所述体光栅沿x方向的长度为L2，L1与L2的取值关系为：300µm＜L1-L2＜8000µm。
进一步，所述体光栅沿x方向的长度L2的计算公式为：
其中：m表示体光栅的周期数；n表示光栅阶数；λ表示边发射激光器的激射波长，neff表示光栅的有效折射率。
更进一步，所述光栅阶数n的取值范围为：1＜n＜100。
进一步，所述体光栅的高折射率材料/低折射率材料为GaAs/AlxGa1-xAs、GaAs/SiNx、AlxGa1-xAs/AlxGa1-xAs、GaAs/InGaAsP、InGaAsP/InGaAsP、GaAs/InGaP或者InGaP/AlxGa1-xAs。
进一步，所述有源区的激射波长为λ，所述体光栅对于λ的光波长的反射率带宽小于5nm；当体光栅设置于背光端时，体光栅对于λ的光波长的反射率为85%以上；当体光栅设置于出光端时，体光栅对于λ的光波长的反射率为0.5%-20%。
进一步，所述有源区包括若干个上下堆叠的子有源区，且各所述子有源区之间均设有隧穿结。
更进一步，各所述子有源区由下至上包括n-限制层、下波导层、量子阱层、上波导层和p-限制层。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明创新性地将体光栅集成设置于边发射激光器内部，与体外光栅相比，这种单片集成式体光栅有效减少了芯片封装面积，满足了小型化设计需求，并且设置于边发射激光器内部的体光栅使得只有满足布拉格条件的光波长才能实现出射，由此使得边发射激光器的波长极其稳定，降低了边发射激光器的波长漂移范围，使其可以以更高的功率产生与DFB激光器相近的波长温漂系数输出，并在宽电流和温度范围内锁定波长。
2、与通过激光器阵列堆叠bar条提高激光雷达输出功率的方式相比，本发明通过隧穿结级联的方式提高激光器芯片的功率，集成度极高，进一步减小了芯片尺寸，并节省了芯片封装面积。
附图说明
图1为本发明实施例一和实施例二中边发射激光器的立体视图。
图2为本发明实施例一和实施例二中体光栅的结构示意图。
图3为本发明实施例一和实施例二中边发射激光器的制备流程图一。
图4为本发明实施例一和实施例二中边发射激光器的制备流程图二。
图5为本发明实施例一和实施例二中边发射激光器的制备流程图三。
图6为本发明实施例一和实施例二中边发射激光器的制备流程图四。
图7为本发明实施例一和实施例二中边发射激光器的制备流程图五。
图8为本发明实施例一中边发射激光器的反射率模拟结果示意图。
图9为本发明实施例二中边发射激光器的反射率模拟结果示意图。
图中：10、衬底；11、缓冲层；12、有源区；121、子有源区；122、隧穿结；13、帽层；14、体光栅；141、高折射材料；142、低折射材料；20、让位台阶；21、条型槽。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
实施例一：
如图1至图7所示，本实施例提供一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器，包括衬底10以及设置于衬底10上方的外延层和体光栅14，外延层包括由下至上依次设置的缓冲层11、有源区12和帽层13，外延层沿其x方向的两端分别为出光端和背光端，外延层在其出光端或者背光端刻蚀有一让位台阶20，该让位台阶20的深度由帽层13延伸至有源区12以下；体光栅14的高折射材料141和低折射率材料142沿x方向交替设置于让位台阶20处。本发明将体光栅14集成设置于边发射器内部，使得只有满足布拉格条件的光波长才能实现出射，由此使得边发射激光器的波长极其稳定，降低了边发射激光器的波长漂移范围。
如图1所示，优选地，本实施例中衬底10为GaAs衬底；缓冲层11为GaAs缓冲层，厚度范围为150-300nm；帽层13的材料也为GaAs，厚度范围为10-100nm，帽层13可作为欧姆接触用，也可以用于防止其下方的含铝材料被氧化。
如图1所示，有源区12包括若干个上下堆叠的子有源区121，且各子有源区121之间均设有隧穿结122。具体地，各子有源区121的激射波长λ 均为905nm，各子有源区121的由下至上包括n-限制层、下波导层、量子阱层、上波导层和p-限制层。优选地，n-限制层和p-限制层均为Al0.5Ga0.5As，厚度范围均为250-350nm；下波导层和上波导层均为Al0.3Ga0.7As，厚度范围为180-300nm；量子阱层为AlGaAs/ InxGa1-xAs /AlGaAs MQW，总厚度范围为10-20nm。
如图1所示，隧穿结122由下至上包括P型重掺层和N型重掺层， P型重掺层为GaAs、AlGaAs或者GaInP， N型重掺层为GaAs、AlGaAs或者InGaP。P型重掺层的掺杂原子为C、Mg、Zn或者Be， N型重掺层的掺杂原子包括Se、S、Si或者Te，并且P型重掺层与N型重掺层的掺杂浓度均为1019-1020cm-3数量级。P型重掺层的厚度范围为8-50nm， N型重掺层的厚度范围为10-50nm。作为优选方案：本实施例中P型重掺层为AlGaAs重掺C层，其厚度为40 nm；N型重掺层为AlGaAs重掺Te层，其厚度为30 nm。
本实施例通过高掺杂反向偏置的隧穿结122将多个子有源区121串联起来，由此形成隧道级联边发射激光器。与多量子阱激光器不同的是，本实施例中的每个子有源区121都有自己的波导层和限制层，因此可以在很小的空间内集成更多的激光器。由于隧穿结的掺杂浓度极高，可达到简并状态，隧穿结界面两侧的电子和空穴势能近乎相同，并且隧穿结很薄，这样由导带落入价带的电子很容易穿过隧穿结进入下一个有源区的导带，也就是一个电子的注入可以产生多个光子的输出，这也就突破了传统的内量子效率≤1的限制，在相同注入电流的情况下可以获得更高的输出光功率，在此同时产生的焦耳热并未显著提高。可见，本实施例采用隧道级联的方式实现多个子有源区的高度集成，并提高边发射激光器的功率。
如图1和图2所示，体光栅14为高低折射率周期性变化的光折射材料，其高折射率材料/低折射率材料为GaAs/AlxGa1-xAs、GaAs/SiNx、AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs、GaAs/InGaAsP、InGaAsP/InGaAsP、GaAs/InGaP或者InGaP/ AlxGa1-xAs。
如图1和图2所示，体光栅14的周期厚度Λ的计算公式为：
其中：m表示体光栅的周期数；n表示光栅阶数；λ表示边发射激光器的激射波长，neff表示体光栅的有效折射率。
由于体光栅14的高度H由帽层13延伸至有源区12以下，其高度较大，因此，为了保证体光栅14较小的纵横比，也为了降低体光栅14的制作难度，体光栅14的周期厚度Λ也必须保持较大，基于此，体光栅14必须采用高阶光栅，即光栅阶数n的取值范围为：1＜n＜100。
根据公式（1）可知，体光栅14沿x方向的长度L2的计算公式为：
其中：m表示体光栅的周期数。
经过模拟仿真后，我们得出以下结论：当体光栅14沿x方向的长度L2与衬底沿x方向的长度L1的 取值关系为：300µm＜L1-L2＜8000µm时，可确保边发射器的输出功率以及其他性能满足实际需求。
本实施例中体光栅14的高折射率材料141为GaAs，低折射率材料142为In0.446Ga0.554As0.1P0.9，体光栅14的周期数m=22，光栅阶数n=32。由于GaAs与In0.446Ga0.554As0.1P0.9的折射率分别为3.58和3.316，因此体光栅14的有效折射率neff=3.448。那么，根据公式（1）可知，体光栅14的周期厚度Λ=4199.5nm，相应的，单个周期下GaAs与In0.446Ga0.554As0.1P0.9宽度分别为2099.8nm。根据公式（2）可知，体光栅14沿x方向的长度L2=92.39μm。
如图1至图7所示，本实施例所提供的边发射激光器的制备方法包括如下步骤：
（1）在衬底10上方生长外延层，外延层由下至上包括缓冲层11、有源区12和帽层13，且外延层沿其x方向的两端分别为出光端和背光端。具体地，控制反应室压力为45-55mbar，以H2为载气，三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、乙硅烷、四溴化碳、二乙基碲、砷烷为反应源气体，在衬底10的表面采用MOCVD工艺依次沉积缓冲层11、有源区12和帽层13。
（2）在外延层的背光端刻蚀出一个让位台阶20，该让位台阶20的深度由帽层13延伸至有源区12以下。让位台阶20沿x方向的长度为92.558μm，采用光刻曝光技术刻蚀而成。
（3）在让位台阶20处对接生长体光栅14，使得体光栅14的高折射材料141和低折射率材料142沿x方向交替设置于让位台阶20处。具体地，该步骤可分为如下子步骤：
（3.1）在让位台阶20的位置对接生长第一半导体材料，第一半导体材料即为高折射率材料GaAs。
（3.2）在第一半导体材料中刻蚀出若干沿x方向间隔设置的条型槽21，各条型槽21从第一半导体材料的顶部贯穿至底部，从而周期性交替设置的第一半导体材料/空气系结构，即GaAs/空气系结构。GaAs/空气的周期数为22，各GaAs和条型槽21的宽度均为2099.8nm。
（3.3）在各条形槽21内沉积第二半导体材料，第二半导体材料的折射率低于第一半导体材料的折射率，从而形成周期性交替设置的高折射率材料/低折射率材料的体光栅14。优选地，本实施例通过光刻曝光以及MOCVD工艺在条型槽21内沉积低折射率材料In0.446Ga0.554As0.1P0.9，由此在边发射激光器的背光端形成GaAs/ In0.446Ga0.554As0.1P0.9系体光栅。
图8为本实施例的反射率模拟结果示意图，从图中可知，本实施例的反射率图谱带宽（达到峰值反射率的50%）小于5nm，并且对于905nm光波长的反射率达到了85%以上，因此只有波长为905nm左右的光才能被反射回激光腔，并最终从出光端出射，从而实现905nm稳波长激光的出射。
由于本实施例的反射率图谱带宽相较于现有技术明显减小，因此芯片工作时，即使温度升高，波长发生漂移，激光器的出射端也只出射满足条件的波长的光，基于此，片内集成有体光栅的边发射激光器对电流和工作温度的要求越低，可适应的工作条件范围更宽泛。
经实验证明，本实施例所提供的边发射激光器在[-20℃，125℃]的温度区间内的波长漂移相较于传统边发射激光器明显减小，应用于激光雷达系统时，在不加任何控温设计的情况下，接收端光学滤波片的带宽要求也明显减小，这将为激光雷达系统带来多个关键优势：在激光雷达保持同样的输出功率不变的情况下，如果光学滤波片带宽可以减少50%，激光雷达测距范围将可增加约15%到30%。换个角度来讲，如保持相同的目标探测距离，在波长稳定技术的加持下，可实现以更低的功率驱动激光器，预计检测相同目标所需的激光功率将比现有激光技术降低25%-40%，这将有效降低耗能，大大提高激光雷达的工作效能。
实施例二：
与实施例一不同的是，本实施例中体光栅14的高折射率材料141为GaAs，低折射率材料142为Al0.2Ga0.8As，并且体光栅14的周期数m=45，光栅阶数n=32。由于GaAs与Al0.2Ga0.8As的折射率分别为3.58和3.43，因此体光栅14的有效折射率neff=3.505。那么，根据公式（1）可知，体光栅14的周期厚度Λ=4131nm，相应的，单个周期下GaAs与Al0.2Ga0.8As宽度分别为2069.5 nm。根据公式（2）可知，体光栅14沿x方向的长度L2=185.9μm。
图9为本实施例的反射率模拟结果示意图，从图中可知，本实施例的反射率图谱带宽（达到峰值反射率的50%）小于5nm，并且对于905nm光波长的反射率达到了85%以上，因此只有波长为905nm左右的光才能被反射回激光腔，并最终从出光端出射，从而实现905nm稳波长激光的出射。
除上述两个实施例外，还可将体光栅设置于边发射激光器的出光端，与设置于背光端不同的是，设置出光端的体光栅对于905nm光波长的反射率只需达到0.5%-20%，而体光栅反射率图谱依旧需保持较窄带宽（＜5nm）, 设置出光端的体光栅对于其余波段（波长大于908nm或小于902nm）的光波长的反射率需小于4%。其工作原理为：边发射激光器发射的光波长入射至设置于出光端的体光栅，只有波长为905nm左右的光可被反射至激光腔，并最终从出光端出射，从而实现905nm稳波长激光的出射。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此。凡是利用本发明的设计构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (9)

1.一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在衬底上方生长外延层，所述外延层由下至上包括缓冲层、有源区和帽层，且外延层沿其x方向的两端分别为出光端和背光端；所述有源区包括若干个上下堆叠的子有源区，且各所述子有源区之间均设有隧穿结，通过高掺杂反向偏置的隧穿结将多个所述子有源区串联起来，由此形成隧道级联边发射激光器；
（2）在外延层的出光端或者背光端刻蚀出一个让位台阶，该让位台阶的深度由所述帽层延伸至有源区以下；
（3）在所述让位台阶处对接生长体光栅，使得体光栅的高折射材料和低折射率材料沿x方向交替设置于所述让位台阶处。
2.如权利要求1所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中包括如下子步骤：
（3.1）在所述让位台阶的位置对接生长第一半导体材料；
（3.2）在所述第一半导体材料中刻蚀出若干沿x方向间隔设置的条型槽，各所述条型槽从第一半导体材料的顶部贯穿至底部，从而形成周期性交替设置的第一半导体材料/空气系结构；
（3.3）在各所述条形槽内沉积第二半导体材料，所述第二半导体材料的折射率低于第一半导体材料的折射率，从而形成周期性交替设置的高折射率材料/低折射率材料的体光栅。
3.如权利要求1所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，控制反应室压力为45-55mbar，以H2为载气，三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟、乙硅烷、四溴化碳、二乙基碲、砷烷为反应源气体，在衬底的表面采用MOCVD工艺依次沉积缓冲层、有源区和帽层。
4.如权利要求1所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述衬底沿x方向的长度为L1，所述体光栅沿x方向的长度为L2，L1与L2的取值关系为：300µm＜L1-L2＜8000µm。
5.如权利要求1或4所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述体光栅沿x方向的长度L2的计算公式为：
其中：m表示体光栅的周期数；n表示光栅阶数；λ表示边发射激光器的激射波长，neff表示光栅的有效折射率。
6.如权利要求5所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述光栅阶数n的取值范围为：1＜n＜100。
7.如权利要求1所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述体光栅的高折射率材料/低折射率材料为GaAs/AlxGa1-xAs、GaAs/SiNx、AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs、GaAs/InGaAsP、InGaAsP/InGaAsP、GaAs/InGaP或者InGaP/ AlxGa1- xAs。
8.如权利要求1所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：所述有源区的激射波长为λ，所述体光栅对于λ的光波长的反射率带宽小于5nm；当体光栅设置于背光端时，体光栅对于λ的光波长的反射率为85%以上；当体光栅设置于出光端时，体光栅对于λ的光波长的反射率为0.5%-20%。
9.如权利要求1所述的一种单片集成式体光栅隧穿结级联边发射激光器的制备方法，其特征在于：各所述子有源区由下至上包括n-限制层、下波导层、量子阱层、上波导层和p-限制层。
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