CN100546135C - 可调谐半导体激光器的制作方法及可调谐半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
一种可调谐半导体激光器的制作方法及可调谐半导体激光器，包括：在n型衬底上做外延生长依次为下波导层、多量子阱结构、上波导层、磷化铟层；在外延层生长二氧化硅介质膜；划分出有源波导区和光栅区；对接生长无源波导部分，然后再去除有源波导区表面的二氧化硅介质膜和磷化铟层；继续依次生长脊波导磷化铟材料、低电阻率InGaAs三元层、生长二氧化硅介质膜，并制作出脊波导以及光栅区脊波导上的光栅的图形；深刻蚀完成脊波导以及光栅区脊波导上的光栅；继续生长二氧化硅介质膜；在有源波导区和光栅区分别开出窗口制作电极隔离沟；制作激光器P面、N面电极。按上述过程制造出本发明的可调谐半导体激光器。本发明的产品性能较高，产品制作的自动化程度高，可以大大简化工艺流程，成品率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通讯的半导体激光器。特别是涉及一种性能高，制作自动化程度高的分布布拉格反射和取样光栅分布布拉格反射的可调谐半导体激光器的制作方法及其可调谐半导体激光器。
背景技术
目前用于可调谐激光器的技术较多，主要有垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，外腔调谐技术，分布反馈布拉格激光器(DFB)阵列技术以及分布布拉格反射激光器(DBR)和取样光栅分布布拉格反射激光器(SGDBR)技术等。其中VCSEL输出功率低，且由于材料性能的限制，使其在长波长范围(1310到1550nm)的研制很困难；外腔调谐波长转换速度慢，依赖机械调节方式来调谐波长，这会引起可靠性的降低，而且装配复杂性相对其它半导体激光器也大大增加；阵列型激光器的主要限制在于各通道的合成以及由于1/N合成损耗造成的元件数N不能太多，各通道之间的窜扰也是这种激光器需要解决的问题。
而DBR以及SGDBR激光器由于其制作工艺相对简单，单片调谐范围大，且易与其它器件集成，因此倍受青睐。两段式DBR的工作原理是固定有源区电流，通过改变光栅区电流强度利用自由载流子等离子体效应改变光栅区折射率，使光栅反射峰Bragg(布拉格)波长发生移动，从而改变输出波长。三段式DBR激光器是在两段式的基础上，在有源区和光栅区中间加入相位区，通过改变相位区电流可以实现准连续调谐。
四段式SGDBR激光器是由美国Larry A.Coldren在上世纪90年代初发明的，其专利号为US4,896,325。它的结构及取样光栅结构如图1所示，从输出端到末端分别为前取样光栅区3，有源区1，相位区2和后取样光栅区4。其中，取样光栅区3是将普通均匀光栅周期性的去除形成的特殊结构，从而能调制均匀光栅的单一反射峰形成梳状反射谱，如图2所示。对前、后取样光栅区采用不同的取样周期，使前、后取样光栅的梳状反射谱间隔不同，利用游标原理，改变前、后光栅区电流从而使反射峰的重合位置发生变化，因此较小的折射率变化即可以实现较大的波长改变。
但这些器件中，核心部分光栅的制作通常都是采用传统湿法腐蚀的工艺，腐蚀深度浅，受环境和人为因素影响大，重复性差；干法刻蚀工艺虽然可以克服这些缺点，但其随之带来的刻蚀损伤会影响器件的光学性能从而限制了其应用；此外，由于制作这种类型的激光器需要做三次外延生长，因此对器件的质量控制变得尤为困难，成品率很低。法国的Thedrez、Bruno等人曾申请美国专利US 7,254,154，利用光子晶体光栅制作出分布反馈布拉格(Distributed Feedback Bragg，DFB)激光器。但光子晶体光栅制作难度很大，离实用化还有一定距离。德国Würzburg大学和Max Planck研究中心于2007年在IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、VOL.19，NO.5，P.264报道了制作垂直光栅的DFB激光器，但他们采用虚线量子阱技术，与目前实用的激光器制作技术差别很大。且光栅刻蚀穿过有源区，刻蚀中引起的侧向损伤也会对激光器性能产生影响。目前垂直光栅仍仅用于DFB激光器，还没有DBR和SGDBR激光器的相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种性能高，制作自动化程度高的分布布拉格反射和取样光栅分布布拉格反射的可调谐半导体激光器的制作方法及其可调谐半导体激光器。
本发明所采用的技术方案是：一种可调谐半导体激光器的制作方法，包括具有如下工艺步骤：
1)在n型衬底上做外延生长，外延层结构由下至上依次为下波导层、多量子阱结构、上波导层、磷化铟层；
2)利用等离子增强化学气相淀积系统在外延层生长二氧化硅介质膜；
3)利用光刻制作分段图形划分出有源波导区和光栅区，先将光栅区上的二氧化硅介质膜去除，再利用选择性湿法腐蚀技术将无源区中材料全部腐蚀直到n型衬底；
4)利用金属有机化学气相淀积系统(MOCVD)对接生长无源波导部分，然后再去除有源波导区表面的的二氧化硅介质膜和磷化铟层；
5)继续在有源波导区和无源波导区上依次生长脊波导磷化铟材料、低电阻率InGaAs三元层、生长二氧化硅介质膜，在二氧化硅介质膜上制作出脊波导以及光栅区脊波导上的光栅的图形；
6)利用干法刻蚀设备进行深刻蚀一次制作完成脊波导以及光栅区脊波导上的光栅，并去除二氧化硅介质膜；
7)再次生长二氧化硅介质膜；
8)利用光刻工艺在有源波导区和光栅区分别开出窗口制作电极隔离沟；
9)制作激光器P面、N面电极。
所述的n型衬底为磷化铟衬底。所述的光栅区中的脊波导高度方向刻蚀有光栅，光栅方向垂直于无源波导层。所述光栅的深度与脊波导高度一致。
本发明的采用可调谐半导体激光器的制作方法制作的可调谐半导体激光器，包括有n型衬底，在n型衬底的光栅区上设置有无源波导部分，在n型衬底的有源波导区上由下至上依次设置有下波导层、多量子阱结构、上波导层；所述的上波导层与无源波导部分形成同一平面，在此平面上纵向的中部设置有脊波导。
所述的脊波导是由脊波导磷化铟材料和低电阻率InGaAs三元层构成，所述的光栅的方向垂至于波导方向，光栅和脊波导采用干法刻蚀工艺一次制作完成。
所述的电极是由电隔离沟分隔成两段分布布拉格反射激光器电极式或三段式分布布拉格反射激光器电极或四段式取样光栅分布布拉格反射激光器电极。
本发明的可调谐半导体激光器的制作方法及其可调谐半导体激光器，与现有技术相比具有以下特点：
1.避免使用光子晶体或量子虚线等方法，而是利用现有成熟实用的工艺，能迅速投入实用，缩短研发周期。
2.采用干法刻蚀技术在无源脊波导上制作垂直光栅，不仅利用了其均匀性好，自动化程度高，重复性好等优点，更避免了刻蚀引起的损伤问题。
3.无需光栅掩埋。由于光栅与脊波导同时制作，且光栅方向垂直于波导层。脊波导材料的生长可以在对接工艺之后直接进行，避免了掩埋过程及其带来的晶格缺陷问题。
4.工艺可控制性高，重复性好，产品成品率高。由于可以采用高度自动化的刻蚀设备，排除了人为因素的影响；且干法刻蚀是在高真空环境下进行，工艺过程受周围环境影响小；此外由于减少了器件生长次数，简化制作工艺流程，有利于提高产品质量和成品率。
综上所述，利用本发明的方法制作出来的产品性能较高，产品制作的自动化程度高，工艺流程可以大大简化，产品的成品率和成本可以得到有效控制，因此具有较好的应用前景。
附图说明
图1是四段式SGDBR半导体激光器及其取样光栅结构示意图；
图2是取样光栅梳状反射谱图；
图3是一次外延生长多量子阱的结构示意图；
图4是沉积二氧化硅介质膜示意图；
图5是利用光刻划分分段图形，及利用选择性湿法腐蚀技术去除无源区中的量子阱材料示意图；
图6是对接生长无源波导材料和脊波导材料；
图7是沉积二氧化硅介质膜示意图；
图8是利用干法刻蚀技术一次制作脊波导及垂直光栅；
图9是脊波导上制作的两段式P电极以及激光器背面的N电极示意图；
图10是三段式DBR可调谐半导体激光器结构示意图；
图11是四段式SGDBR可调谐半导体激光器结构示意图；
图12是四段式SGDBR激光器中脊波导垂直取样光栅示意图；
其中：
1-有源区；2-相位区；3-前取样光栅区；4-后前取样光栅区；5-n型磷化铟衬底；6-下波导层；7-多量子阱结构；8-上波导层；9-磷化铟层；10-二氧化硅介质膜；11-无源波导部分；12-脊波导磷化铟(InP)材料；13-低电阻率InGaAs三元层；14-二氧化硅介质膜；15-垂直光栅；16-二氧化硅介质膜；17-电极隔离沟；18-两端式DBR光栅区电极；19-两端式DBR有源区电极；20-N电极；21-三段式DBR光栅区电极；22-三段式DBR相位区电极；23-三段式DBR有源区电极；24-四段式SGDBR前取样光栅区电极；25-四段式SGDBR有源区区电极；26-四段式SGDBR相位区电极；27-四段式SGDBR后取样光栅区电极；Λ-光栅周期；Lg-光栅区长度；Ls-取样周期长度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的半导体激光器的制作方法及其半导体激光器做出详细说明。
本发明的可调谐半导体激光器的制作方法，包括具有如下工艺步骤(结合两段式DBR)：
1)如图3所示，在n型磷化铟(InP)衬底5上做外延生长，外延层结构由下至上依次为下波导层6、多量子阱结构7、上波导层8、磷化铟层(InP)9；
2)如图4所示，利用等离子增强化学气相淀积系统(PECVD)在外延层生长二氧化硅介质膜10；
3)如图5所示，利用光刻制作分段图形划分出有源波导区和光栅区(光栅区)，先用干法刻蚀设备(本实施例选用ICP刻蚀设备)将光栅区上的二氧化硅介质膜10去除，再利用选择性湿法腐蚀技术将无源区中材料全部腐蚀直到n型衬底5；
4)如图6所示，利用金属有机化学气相淀积系统(MOCVD)对接生长器件的无源波导部分(11)，即，材料InGaAsP(其材料禁带宽度略小于多量子阱材料)，其材料的禁带宽度略小于有源区以减小损耗。然后再去除有源波导区表面的二氧化硅介质膜10和磷化铟层9；
5)继续依次生长脊波导磷化铟材料12、低电阻率InGaAs三元层13、生长二氧化硅介质膜14，在二氧化硅介质膜14上制作出脊波导以及光栅区脊波导上的光栅15的图形；
如图6所示，上述的去除有源波导区表面的二氧化硅介质膜10和磷化铟层9。不像现有制作方法先制作光栅再掩埋生长脊波导，而是直接在其上生长脊波导InP材料12以及低电阻率InGaAs三元层13。
如图7所示，用等离子增强化学气相淀积系统(PECVD)生长200nm二氧化硅介质膜14。
6)利用干法刻蚀设备(本实施例选用ICP刻蚀设备)进行深刻蚀一次制作完成脊波导以及光栅区脊波导上的光栅15，并去除二氧化硅介质膜14；
如图8所示，利用电子束曝光设备或纳米压印设备在外延片上制作脊波导以及其上的光栅图形。具体是，先用ICP刻蚀设备刻蚀二氧化硅介质膜图形14，再利用ICP刻蚀设备对低电阻率InGaAs三元层13和脊波导InP材料12进行深刻蚀，一次性将脊波导以及光栅15刻蚀出来。所述的光栅15的深度与脊波导高度相等，光栅15的方向垂直于无源波导层。
7)如图9所示，在表面再次生长二氧化硅介质膜。
8)如图9所示，制作激光器P面、N面电极。利用光刻工艺在有源波导区和光栅区分别开出窗口制作电极隔离沟17；以分别控制激光器中有源波导区和光栅区的电流；用溅射机溅射P面电极18，减薄然后溅射激光器背面N面电极20。
9)解理出单个DBR管芯，完成整个器件制作。
下面分别给出三段式DBR和四段式SGDBR的实施步骤。
1、三段式DBR实施步骤具体如下：
其制作过程与两段式DBR大体一致，只是在光刻分段图形时分为三段，分别作为有源波导区，相位区和光栅区。光栅制作仅限于光栅区。此外，电极隔离图形也相应分为三段，分别为有源区电极21，相位区电极22和光栅区电极23，其结构如图10所示。
使用三段式DBR调谐时，是同时改变相位区和光栅区电流，可以实现准连续调谐。
2、四段式SGDBR的实施步骤具体如下：
其制作过程与二段式DBR、三段式DBR大体一致，只是在光刻分段图形时分为四段，分别作为有源区，相位区和前、后取样光栅区。
利用电子束曝光或纳米压印等方法以及干法刻蚀技术制作取样光栅。电极图形应分为四段，分别为前光栅区电极24，有源区电极25，相位区电极26和后光栅区电极27。其它步骤与二段式DBR、三段式DBR相同，其结构如图11所示。
使用四段式SGDBR调谐时，是通过同时改变前、后取样光栅电流，就可以利用游标效应实现大范围波长准连续调谐，通过改变相位区电流可以调整腔模位置以获得更好的单模输出。
如图9、图10、图11所示，本发明的采用上述可调谐半导体激光器的制作方法制作的半导体激光器，包括有n型衬底5，在n型衬底5的光栅区上设置有无源波导部分11，在n型衬底5的有源波导区上由下至上依次设置有下波导层6、多量子阱结构7、上波导层8；所述的上波导层8与无源波导部分11形成同一平面，在此平面上纵向的中部设置有脊波导，所述的脊波导是由脊波导磷化铟材料12和低电阻率InGaAs三元层13构成，所述的脊波导还可以是由脊波导磷化铟材料12和低电阻率InGaAs三元层13以及二氧化硅介质膜14从下至上依次设置构成。所述的光栅15的方向垂至于波导方向，光栅和脊波导采用干法刻蚀(本实施例选用ICP刻蚀设备)工艺一次制作完成。在位于光栅区脊波导的两侧形成有光栅15，继续生长二氧化硅介质膜，并在其上开出电极窗口制作电极。
所述的电极为由电极隔离沟17分隔的两段式电极：两端式DBR光栅区电极18和两端式DBR有源区电极19；
或由电极隔离沟17分隔的三段式电极：有源区电极21，相位区电极22和光栅区电极23：
或由电极隔离沟17分隔的四段式式电极：分别为前光栅区电极24，有源区电极25，相位区电极26和后光栅区电极27。
本发明的工作原理与平行波导光栅结构类似，由于波导层材料按照光栅周期被干法刻蚀，无源波导区中有效折射率也随之发生周期性改变。由菲涅尔原理，在折射率突变界面上会发生反射，从而与入射光发生干涉。此时只有符合一定波长条件的光才会振荡加强，其中心波长即所谓的Bragg波长；而其余波长则衰减。因此起到纵模选择的作用。
当在光栅区注入电流时，由自由载流子等离子体效应会引起材料折射率变小，从而使Bragg波长向短波长方向移动，从而是激光器的激射波长随之发生改变。在激光器中引入相位区的目的是改变有源区腔模位置，使激光器实现连续或准连续调谐。垂直光栅结构的SGDBR工作原理也与普通SGDBR类似，其前、后取样光栅区产生的梳状反射谱，利用游标效应可以在折射率改变很小的条件下实现大范围的波长改变。
Claims (7)
1.一种可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括具有如下工艺步骤：
1)在n型衬底(5)上做外延生长，外延层结构由下至上依次为下波导层(6)、多量子阱结构(7)、上波导层(8)、磷化铟层(9)；
2)利用等离子增强化学气相淀积系统在外延层生长二氧化硅介质膜(10)；
3)利用光刻制作分段图形划分出有源波导区和光栅区，先将光栅区上的二氧化硅介质膜(10)去除，再利用选择性湿法腐蚀技术将无源区中材料全部腐蚀直到n型衬底(5)；
4)利用金属有机化学气相淀积系统对接生长无源波导部分(11)，然后再去除有源波导区表面的的二氧化硅介质膜(10)和磷化铟层(9)；
5)继续在有源波导区和无源波导区上依次生长脊波导磷化铟材料(12)、低电阻率InGaAs三元层(13)、生长二氧化硅介质膜(14)，在二氧化硅介质膜(14)上制作出脊波导以及光栅区脊波导上的光栅(15)的图形；
6)利用干法刻蚀设备进行深刻蚀一次制作完成脊波导以及光栅区脊波导上的光栅(15)，并去除二氧化硅介质膜(14)；
7)再次生长二氧化硅介质膜(16)；
8)利用光刻工艺在有源波导区和光栅区分别开出窗口制作电极隔离沟(17)；
9)制作激光器P面、N面电极。
2.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述的n型衬底(5)为磷化铟衬底。
3.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述的光栅区中的脊波导高度方向刻蚀有光栅(15)，光栅(15)方向垂直于无源波导层。
4.根据权利要求1所述的可调谐半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述光栅(15)的深度与脊波导高度一致。
5.一种采用权利要求1所述的制作方法制作的可调谐半导体激光器，其特征在于，包括有n型衬底(5)，在n型衬底(5)的光栅区上设置有无源波导部分(11)，在n型衬底(5)的有源波导区上由下至上依次设置有下波导层(6)、多量子阱结构(7)、上波导层(8)；所述的上波导层(8)与无源波导部分(11)形成同一平面，在此平面上纵向的中部设置有脊波导，在位于光栅区脊波导的两侧形成有光栅(15)。
6.根据权利要求5所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述的脊波导是由脊波导磷化铟材料(12)和低电阻率InGaAs三元层(13)构成，所述的光栅(15)的方向垂至于波导方向，光栅和脊波导采用干法刻蚀工艺一次制作完成。
7.根据权利要求5所述的可调谐半导体激光器，其特征在于，所述的电极是由电隔离沟(17)分隔成两段分布布拉格反射激光器电极式或三段式分布布拉格反射激光器电极或四段式取样光栅分布布拉格反射激光器电极。
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