專利名稱：半導(dǎo)體可飽和吸收鏡及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低成本小批量制作多種規(guī)格半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的方法。特別是指一種適用于低成本小批量制作多種規(guī)格1060nm附近波長(zhǎng)固體激光器和光纖激光器被動(dòng)鎖模用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡。
背景技術(shù)：
自從1962年激光出現(xiàn)不久，人們就發(fā)明了用染料作為吸收體實(shí)現(xiàn)固體激光器被動(dòng)鎖模，產(chǎn)生超短脈沖激光。這種被動(dòng)鎖模方法被使用了近三十年之久，才逐漸被其它鎖模方法所取代。近十年來超短脈沖激光技術(shù)得到迅速的發(fā)展，帶動(dòng)了超短脈沖激光(皮秒、飛秒)在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)了上述學(xué)科的變革。自1992年起，以瑞士聯(lián)邦工業(yè)學(xué)院的凱勒等人為主，國際上掀起了研制半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的熱潮。這種被動(dòng)鎖模吸收體采用MOCVD或MBE方法生長(zhǎng)非飽和光吸收區(qū)和載流子馳豫區(qū)(通常兩者是合二為一的)，在襯底和吸收區(qū)之間生長(zhǎng)布拉格反射鏡。吸收區(qū)和布拉格反射鏡的光學(xué)長(zhǎng)度為反法布里-帕羅腔(即往返光程為波長(zhǎng)的半整數(shù)倍，以減少色散)。通過改變吸收區(qū)(載流子馳豫區(qū))的生長(zhǎng)溫度來控制飽和恢復(fù)時(shí)間；通過改變吸收區(qū)的厚度來改變調(diào)制深度。人們用這樣的器件實(shí)現(xiàn)了許多波長(zhǎng)區(qū)域固體激光器的被動(dòng)鎖模。
但是，該類器件在產(chǎn)品化的過程中遇到一些問題。首先，目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的國際公司所生產(chǎn)的一微米波長(zhǎng)的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡只適用于固體激光器被動(dòng)鎖模的，同樣是一微米波長(zhǎng)的摻鐿或者摻釹光纖激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡卻難以買到。這是因?yàn)楣腆w激光器被動(dòng)鎖模所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡調(diào)制深度淺，吸收區(qū)總厚度通常只有10nm-30nm，只要采用一到兩對(duì)量子阱，每對(duì)量子阱的吸收區(qū)厚度為10nm-15nm就可以了。而摻鐿或者摻釹光纖激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的吸收區(qū)總厚度通常要達(dá)到200nm-300nm，兩者不能兼容。另外，摻鐿或者摻釹光纖激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡制作難度比固體激光器使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡制作難度要高一些，而使用率卻要低很多。此外，國際上通用的制作半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的方法是一次只生長(zhǎng)一種規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，而每次至少生長(zhǎng)一個(gè)晶片，價(jià)格為兩萬至三萬元，可以分割成5mm×5mm標(biāo)準(zhǔn)大小的產(chǎn)品20個(gè)左右。對(duì)于國內(nèi)來說，目前市場(chǎng)主要為科研院所，市場(chǎng)很小，每年需求總量不過20片。這種情況產(chǎn)生了供需矛盾?？蒲性核枰喾N規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，每種規(guī)格需求量數(shù)量很小，而傳統(tǒng)方法每次生產(chǎn)都是批量的，每個(gè)批量都是同一規(guī)格的。這種情況造成科研院所買不起，用不起。
傳統(tǒng)的1060nm波長(zhǎng)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡是將非飽和吸收區(qū)和布拉格反射鏡集成以實(shí)現(xiàn)，吸收區(qū)和布拉格反射鏡的光學(xué)長(zhǎng)度為反法布里-帕羅腔(即往返光程為波長(zhǎng)的半整數(shù)倍，以減少色散)。吸收區(qū)與空氣之間是一層砷化鎵(GaAs)，作為保護(hù)層和隔離層。它在1060nm波長(zhǎng)處的反射率約為30％，也就是說，在實(shí)際工作中，只有70％的入射光進(jìn)入吸收區(qū)中。1060nm波長(zhǎng)固體激光器用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的吸收區(qū)通常只有10nm-30nm，一般采用一到兩個(gè)量子阱吸收區(qū)；而摻鐿或者摻釹光纖激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的吸收區(qū)總厚度通常要達(dá)到200nm-300nm，采用20-40個(gè)量子阱吸收區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡及其制作方法，其是一種低成本小批量制作多種規(guī)格半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的方法。
本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，包括—襯底；—緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；—布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在緩沖層上，形成一高反射率的反射鏡；—多量子阱，采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)將多對(duì)量子阱制作在布拉格反射鏡上，該多量子阱包括多對(duì)單量子阱，每對(duì)單量子阱包括下壘層、吸收區(qū)和上壘層，該多量子阱起光吸收和光生載流子弛豫的作用；—介質(zhì)膜，該介質(zhì)膜制作在多量子阱的吸收區(qū)上，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗。
其中所述襯底的材料為n+GaAs襯底。
其中所述吸收區(qū)的材料為In0.25Ga0.75As。
其中多量子阱為20-40對(duì)。
其中在多量子阱之上生長(zhǎng)的介質(zhì)膜，其是采用氧化物介質(zhì)材料作為膜層。
其中緩沖層的厚度為200nm～500nm。
其中每對(duì)多量子阱吸收區(qū)的厚度為4nm～8nm。
其中采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)在布拉格反射鏡上制作的量子阱的生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃。
本發(fā)明一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在一襯底上生長(zhǎng)一層緩沖層；步驟2在緩沖層上生長(zhǎng)—布拉格反射鏡，形成一高反射率的反射鏡；步驟3在布拉格反射鏡上采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)制作多對(duì)量子阱，每對(duì)量子阱包括下壘層、吸收區(qū)和上壘層，該多量子阱起光吸收和光生載流子弛豫的作用；步驟4在該多量子阱上的吸收區(qū)上制作—介質(zhì)膜，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗。
其中所述襯底的材料為n+GaAs襯底。
其中所述吸收區(qū)的材料為In0.25Ga0.75As。
其中該多量子阱為20-40對(duì)。
其中在多量子阱之上生長(zhǎng)的介質(zhì)膜，其是采用氧化物介質(zhì)材料作為膜層。
其中緩沖層的厚度為200nm～500nm。
其中每對(duì)量子阱的吸收區(qū)的厚度為4nm～8nm。
其中采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)在布拉格反射鏡上制作的量子阱的生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃。
在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，我們首先制作摻鐿或者摻釹光纖激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，量子阱的對(duì)數(shù)在20-40對(duì)之間，每個(gè)吸收區(qū)的厚度為4nm～8nm。在半導(dǎo)體可飽和吸收鏡表面鍍?cè)O(shè)定反射率的介質(zhì)膜。同不鍍膜的吸收鏡(反射率為30％)相比，如果高反射率為90％，則調(diào)制深度降低為原來的((1-90％)/(1-30％)＝1/7)。摻鐿或者摻釹光纖激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度通常可以達(dá)到固體激光器所使用的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度的十倍。通過鍍膜這種方法可以獲得各種具有不同調(diào)制深度的不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，而每次鍍膜的費(fèi)用僅為一千元，這樣就大大降低了制作成本。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1為本發(fā)明的材料生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的具體實(shí)施應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，包括—襯底11，該襯底的材料為n+GaAs襯底；一緩沖層12，該緩沖層12制作在襯底11上，該緩沖層12的厚度為200nm～500nm；—布拉格反射鏡13，該布拉格反射鏡13制作在緩沖層12上，形成一高反射率的反射鏡；—多量子阱20，采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)該量子阱20制作在布拉格反射鏡13上，該多量子阱20包括下壘層14、吸收區(qū)15和上壘層16，該多量子阱20起光吸收和光生載流子弛豫的作用，該量子阱20為20-40對(duì)，該吸收區(qū)15的厚度為4nm～8nm，該多量子阱20的生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃；該吸收區(qū)的材料為In0.25Ga0.75As；—介質(zhì)膜17，該介質(zhì)膜17制作在多量子阱20的吸收區(qū)15上，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗，該介質(zhì)膜17，其是采用氧化物介質(zhì)材料作為膜層。
再結(jié)合參閱圖1，本發(fā)明一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，包括如下步驟步驟1在一襯底11上生長(zhǎng)一層緩沖層12，該緩沖層12的厚度為200nm～500nm，該襯底的材料為n+GaAs襯底；步驟2在緩沖層12上生長(zhǎng)—布拉格反射鏡13，形成一高反射率的反射鏡；步驟3在布拉格反射鏡13上采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)制作一量子阱20，該多量子阱20包括下壘層14、吸收區(qū)15和上壘層16，該多量子阱20起光吸收和光生載流子弛豫的作用，該該量子阱20為20-40對(duì)，該吸收區(qū)15的厚度為4nm～8nm，該量子阱20的生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃，該吸收區(qū)的材料為In0.25Ga0.75As；步驟4在該多量子阱20上的吸收區(qū)15上制作—介質(zhì)膜17，該介質(zhì)膜17采用氧化物介質(zhì)材料作為膜層，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗。
實(shí)例請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提出半導(dǎo)體可飽和吸收鏡及其制作方法，該器件采用n+GaAs襯底11作為襯底材料進(jìn)行外延生長(zhǎng)。首先在n+GaAs襯底11上生長(zhǎng)200nm～500nm緩沖層12，然后生長(zhǎng)布拉格反射鏡13，接著生長(zhǎng)20-40對(duì)量子阱20，每對(duì)量子阱包括GaAs14/In0.25Ga0.75As15/GaAs16。GaAs14和GaAs16的厚度一般在20nm～30nm，In0.25Ga0.75As15為吸收區(qū)，也是載流子弛豫區(qū)，采用低溫生長(zhǎng)，生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃，厚度一般在4nm～8nm。在GaAs16上鍍介質(zhì)膜17。通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡。
該種方法制作的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡適合于一般的1060nm附近波長(zhǎng)的固體激光器和摻鐿或摻釹光纖激光器被動(dòng)鎖模。
請(qǐng)參閱圖2，本實(shí)施例的Yb:YAG被動(dòng)鎖模激光器包括940nm半導(dǎo)體泵源1，泵浦光耦合系統(tǒng)2，諧振腔鏡一3，激光晶體4，諧振腔鏡二5，聚焦透鏡6，半導(dǎo)體可飽和吸收鏡7，輸出鏡8。諧振腔鏡一3和諧振腔鏡二5構(gòu)成激光諧振腔的兩個(gè)端鏡。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡7的鍍模方向迎向聚焦透鏡6。聚焦透鏡4將光束聚焦在半導(dǎo)體可飽和吸收鏡上，光斑直徑在幾十微米，以達(dá)到半導(dǎo)體可飽和吸收鏡鎖模所需要的功率密度閾值。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，包括—襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；—布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在緩沖層上，形成一高反射率的反射鏡；—多量子阱，采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)將多對(duì)量子阱制作在布拉格反射鏡上，該多量子阱包括多對(duì)單量子阱，每對(duì)單量子阱包括下壘層、吸收區(qū)和上壘層，該多量子阱起光吸收和光生載流子弛豫的作用；—介質(zhì)膜，該介質(zhì)膜制作在多量子阱的吸收區(qū)上，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中所述襯底的材料為n+GaAs襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中所述吸收區(qū)的材料為In0.25Ga0.75As。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中多量子阱為20-40對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中在多量子阱之上生長(zhǎng)的介質(zhì)膜，其是采用氧化物介質(zhì)材料作為膜層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中緩沖層的厚度為200nm～500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中每對(duì)多量子阱吸收區(qū)的厚度為4nm～8nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，其中采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)在布拉格反射鏡上制作的量子阱的生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃。
9.一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在一襯底上生長(zhǎng)一層緩沖層；步驟2在緩沖層上生長(zhǎng)—布拉格反射鏡，形成一高反射率的反射鏡；步驟3在布拉格反射鏡上采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)制作多對(duì)量子阱，每對(duì)量子阱包括下壘層、吸收區(qū)和上壘層，該多量子阱起光吸收和光生載流子弛豫的作用；步驟4在該多量子阱上的吸收區(qū)上制作—介質(zhì)膜，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中所述襯底的材料為n+GaAs襯底。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中所述吸收區(qū)的材料為In0.25Ga0.75As。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中該多量子阱為20-40對(duì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中在多量子阱之上生長(zhǎng)的介質(zhì)膜，其是采用氧化物介質(zhì)材料作為膜層。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中緩沖層的厚度為200nm～500nm。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中每對(duì)量子阱的吸收區(qū)的厚度為4nm～8nm。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的制作方法，其特征在于，其中采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)在布拉格反射鏡上制作的量子阱的生長(zhǎng)溫度為500℃～550℃。
全文摘要
一種半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，其特征在于，包括－襯底；一緩沖層，該緩沖層制作在襯底上；－布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在緩沖層上，形成一高反射率的反射鏡；－多量子阱，采用低溫生長(zhǎng)技術(shù)該量子阱制作在布拉格反射鏡上，該多量子阱由多對(duì)單量子阱構(gòu)成，每對(duì)單量子阱包括下壘層、吸收區(qū)和上壘層，該多量子阱起光吸收和光生載流子弛豫的作用；－介質(zhì)膜，該介質(zhì)膜制作在多量子阱的吸收區(qū)上，通過調(diào)整介質(zhì)膜的反射率來改變半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的調(diào)制深度，從而可以獲得不同規(guī)格的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，同時(shí)還可以減少非飽和損耗。
文檔編號(hào)H01S3/098GK1848561SQ20051005627
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2005年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月4日
發(fā)明者王翠鸞, 王勇剛, 林濤, 王俊, 鄭凱, 馮小明, 仲莉, 馬杰慧, 馬驍宇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所