一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片及其制备方法

摘要

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片及其制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：步骤1：选择一n型GaAs衬底；步骤2：在所述衬底上依次外延生长缓冲层、下包覆层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、第一上包覆层、填充层和光栅层；步骤3：在所述光栅层中制作折射率耦合型光栅；步骤4：二次外延光栅覆盖层、第二上包覆层和接触层；步骤5：在所述接触层和第二上包覆层中刻蚀出激光器波导结构并生长绝缘层；步骤6：刻蚀所述绝缘层形成电流注入窗口；步骤7：形成p面电极和n面电极，完成制备。本发明具有较高的单模出光功率，偏振特性可通过有源区量子阱的应变进行控制。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片及其制备方法。

背景技术

自上世纪三十年代原子钟问世以来，其性能不断改进，使人类对时间测量的精度得到了前所未有的提升，达到每100万年才误差1秒，被应用于全球的导航系统上，为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。然而，昂贵的价格以及庞大的体积制约了原子钟的大规模普及。2002年，美国国防部高级防御研究局（DAPRA）开始了一项芯片级原子钟的研究项目，旨在研制出与传统原子钟具有同等的时间精度，但可应用便携式电池进行供电的新型高效原子钟。DAPRA计划用4年时间研制出一个新型原子钟原型，体积小于1cm

可喜的是在2000年，科研人员证明了使用激光器代替之前的微波腔得到的全光学原子钟能够显著的减小原子钟的尺寸以及降低功耗。全光学原子钟的研制主要是依靠先进的激光技术，要求激光器具有低功耗，单色性好，调制速率高等优异的性能。近年，垂直腔表明发射激光器（VCSEL）因其诸多优势受到了科学家们的极大关注，成为了制作全光学原子钟的理想光源。

应用于光学原子钟的激光器件必须满足一些独特的性能要求：低成本，低功耗；发光波长为795.0 nm和780.2 nm以对应铷原子D1和D2共振频率，线宽小于100 MHz；动态单模激射且具有较高的调制速率；具有良好的偏振特性。VCSEL其它特性都能很好的满足原子钟的需求除了出光功率偏低和偏振特性差。

鉴于此，为克服上述技术缺陷，提供一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片及其制备方法成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片及其制备方法，具有较高的单模出光功率，偏振特性可通过有源区量子阱的应变进行控制。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片的制备方法，其不同之处在于，包括以下步骤：

步骤1：选择一n型GaAs衬底；

步骤2：在所述衬底上依次外延生长缓冲层、下包覆层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、第一上包覆层、填充层和光栅层；

步骤3：在所述光栅层中制作折射率耦合型光栅；

步骤4：二次外延光栅覆盖层、第二上包覆层和接触层；

步骤5：在所述接触层和第二上包覆层中刻蚀出激光器波导结构并生长绝缘层；

步骤6：刻蚀所述绝缘层形成电流注入窗口；

步骤7：在p型表面沉积金属形成p面电极，n面衬底减薄后沉积金属形成n面电极，完成制备。

按以上技术方案，所述缓冲层的材料为GaAs。

按以上技术方案，所述下包覆层、第一上包覆层和第二上包覆层的材料为AlGaInP。

按以上技术方案，所述下波导层和上波导层的材料为GaInP，厚度为100nm-500nm。

按以上技术方案，所述量子阱有源区为1个或多个量子阱结构，量子阱为张应变的阱，阱厚为6nm-10nm，光致发光谱波长为790nm-800nm。

按以上技术方案，所述光栅层的材料为InGaAsP，厚度为15nm-50nm。

按以上技术方案，其中的折射率光栅结构的占空比为30%-70%，周期采用一阶光栅周期，光栅周期对应的激射波长为795nm。

按以上技术方案，所述接触层的材料为GaAs。

一种根据上述制备方法制备的用于原子钟的795nm边发射激光芯片，其不同之处在于：其由下至上依次包括n型GaAs衬底、缓冲层、下包覆层、下波导层、量子阱有源区、上波导层、第一上包覆层、填充层、光栅层、光栅覆盖层、第二上包覆层和接触层，还包括位于n型GaAs衬底下方的n面电极和位于接触层上方的p面电极。

按以上技术方案，所述光栅层中的光栅为折射率耦合型光栅，其折射率光栅结构的占空比为30%-70%。

由上述方案，本发明公开了一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片及其制备方法，具体为采用金属有机物化学气相沉积法外延生长有源区及波导结构，结合电子束光刻和干法刻蚀制作周期光栅形成激光外延片，通过常规光刻和刻蚀工艺制作用于原子钟的795nm边发射激光芯片。激射波长为795nm的边发射DFB具有较高的单模出光功率。此外，偏振特性也可以通过有源区量子阱的应变进行控制，能够弥补VCSEL作为原子钟光源的不足。

附图说明

图1为本发明实施例边发射激光器的base结构示意图；

图2为本发明实施例的光栅示意图；

图3为本发明实施例二次外延的示意图；

图4为本发明实施例边发射激光器的整体结构示意图；

其中：1-n型GaAs衬底；2-缓冲层；3-下包覆层；4-下波导层；5-量子阱有源区；6-上波导层；7-第一上包覆层；8-填充层；9-光栅层；10-光栅；11-光栅覆盖层；12-第二上包覆层；13-接触层；14-p面电极；15-n面电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1至图4，本发明一种用于原子钟的795nm边发射激光芯片的制备方法，其不同之处在于：其包括以下步骤：

步骤1：选择一n型GaAs衬底1；

步骤2：在所述衬底上依次外延生长GaAs缓冲层2、AlGaInP下包覆层3、GaInP下波导层4、量子阱有源区5、GaInP上波导层6、AlGaInP第一上包覆层7、GaInP填充层8和InGaAsP光栅层9；

步骤3：采用电子束光刻和干法刻蚀的方法在所述InGaAsP光栅层9中制作折射率耦合型光栅10；

步骤4：二次外延光栅覆盖层11、AlGaInP第二上包覆层12和GaAs接触层13；

步骤5：在所述GaAs接触层13和AlGaInP第二上包覆层12中刻蚀出激光器波导结构并生长二氧化硅绝缘层；

步骤6：刻蚀脊形波导上的二氧化硅绝缘层形成电流注入窗口；

步骤7：在p型表面沉积金属形成p面电极14，n面衬底减薄后沉积金属形成n面电极15，完成制备。

优选的，所述缓冲层2的材料为GaAs。

优选的，所述下包覆层3、第一上包覆层7和第二上包覆层12的材料为AlGaInP。

优选的，所述下波导层4和上波导层6的材料为GaInP，厚度为100nm-500nm。

具体的，所述量子阱有源区5为1个或多个量子阱结构，量子阱为张应变的阱，阱厚为6nm-10nm，光致发光谱波长为790nm-800nm。

优选的，所述光栅层9的材料为InGaAsP，厚度为15nm-50nm。

优选的，其中的折射率耦合型光栅10结构的占空比为30%-70%，周期采用一阶光栅周期，光栅周期对应的激射波长为795nm。

优选的，所述接触层13的材料为GaAs。

一种根据上述制备方法制备的用于原子钟的795nm边发射激光芯片，其不同之处在于：其由下至上依次包括n型GaAs衬底1、缓冲层2、下包覆层3、下波导层4、量子阱有源区5、上波导层6、第一上包覆层7、填充层8、光栅层9、光栅覆盖层11、第二上包覆层12和接触层13，还包括位于n型GaAs衬底下方的n面电极15和位于接触层上方的p面电极14。

二氧化硅绝缘层在后续工艺中会被刻蚀掉，所以在附图中未显示。

优选的，所述光栅层9中的光栅为折射率耦合型光栅，其折射率光栅结构的占空比为30%-70%。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。