CN101621179B - 取样光栅分布布拉格反射半导体激光器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，包括：在n型InP衬底上分别外延InP缓冲层和介质膜；在介质膜上刻出条形凹槽，并依次生长InGaAsP下限制层、InGaAsP/InGaAsP多量子阱、InGaAsP上限制层和InP光栅制作保护层；去除介质膜；刻出多条取样光栅窗口；制作取样光栅；腐蚀保护层；依次生长p-InP层、p-InGaAsP刻蚀阻止层、p-InP层和p+-InGaAs层；形成脊形波导；刻蚀形成电隔离沟；在p-InGaAsP刻蚀阻止层上进行He离子注入；在上述步骤制作的器件结构的上表面和脊形波导的侧面淀积介质绝缘层；在器件的上表面溅射p电极；将衬底减薄，并蒸发n电极，解理管芯，完成器件的制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器的制作方法，特别是取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法。
背景技术
取样光栅分布布拉格反射激光器是非常有应用价值的一类宽带可调谐半导体激光器，与半导体光放大器集成后，激光器的输出功率可以得到有效的补偿，增强了器件的性能，在光通信系统中有着光明的应用前景。该器件由同一平面内的多个不同功能区构成，对不同功能区的材料禁带宽度有着不同的要求，为了得到器件的最佳性能，要求激光器有源区与前后取样光栅区的半导体材料带隙宽度保持一个差值，按波长计算约为100-140nm。以激射波长为1525-1575nm的宽带可调谐激光器而言，光栅区的材料增益峰值应大约为1420-1430nm。
目前在取样光栅可调谐激光器的集成方法中，实现有源区、波导无源区不同带隙波长材料的集成方法包括：偏移量子阱(Offset Quantum Well)和量子阱混杂(Quantum Well Intermixing)。偏移量子阱实际上并不是在器件的同一平面上集成，因此有源区与无源区之间的光耦合较差，损耗很大；而量子阱混杂技术不仅工艺较为复杂而且波长偏调精度较差，不易控制。
发明内容
本发明的目的是提出一种取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特点是不需单独的波导对接生长，不需要高精度的反应离子(Reactive Ion Etch)干法刻蚀，也不需要离子注入及退火，极大地简化了制作过程。该方法具有半导体材料带隙差控制精度高，重复性好，成品率高和成本低的优点。
本发明提供一种取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在n型InP衬底上外延InP缓冲层和InGaAsP保护层；
步骤2：在InGaAsP保护层上淀积介质膜；
步骤3：对介质膜的部分区域进行条形掩膜光刻，刻出条形凹槽，刻蚀深度至InP缓冲层，形成选择生长区和非选择生长区；
步骤4：在选择生长区的条形凹槽内和非选择生长区表面上依次生长InGaAsP下限制层、InGaAsP/InGaAsP多量子阱、InGaAsP上限制层和InP光栅制作保护层；
步骤5：湿法腐蚀去除选择生长区的介质膜；
步骤6：在InP光栅制作保护层上，横向掩膜光刻出多条取样光栅窗口，刻蚀深度至InGaAsP上限制层；
步骤7：在取样光栅窗口内的InGaAsP上限制层上制作取样光栅；
步骤8：湿法腐蚀去除InP光栅制作保护层；
步骤9：在InGaAsP上限制层和选择生长区的InGaAsP保护层上依次生长p-InP层、p-InGaAsP刻蚀阻止层、p-InP层和p+-InGaAs层；
步骤10：将步骤9生长的p-InP层和p+-InGaAs层两侧的部分区域进行刻蚀，形成脊形波导；
步骤11：将脊形波导上的p+-InGaAs层选择性刻蚀，形成不同功能段的电隔离沟；
步骤12：在电隔离沟内和脊形波导两侧暴露出的p-InGaAsP刻蚀阻止层上进行He离子注入，使脊形波导以外的区域表面，特别是电隔离沟成为高阻区；
步骤13：在上述步骤制作的器件结构的上表面和脊形波导的侧面淀积介质绝缘层，并腐蚀掉脊形波导上表面的介质绝缘层，使之暴露出p+-InGaAs层；
步骤14：在暴露出p+-InGaAs层的上表面溅射p电极；
步骤15：将衬底减薄，并蒸发n电极，解理管芯，完成器件的制作。
其中介质膜是二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
其中介质膜的厚度为160-240纳米。
其中光刻后的介质膜的条形宽度在20-48微米，介质膜的条形凹槽的宽度为10-20微米。
其中InP光栅制作保护层的厚度为80-200纳米。
其中选择生长区是有源区，非选择生长区是无源区。
相对于已有的制作方法而言具有以下优点：
整个制作过程只需要一次结构外延和一次接触外延，工艺简单，降低了成本；
有源区和波导区是一次生长而成，耦合效率高，内反射损失小；
材料带隙可以通过掩膜宽度和外延生长条件控制，控制精度可达5纳米；
采用标准的半导体器件制作工艺，重复性好，易于大规模生产。
附图说明：
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实例及附图详细说明如后，其中：
图1是选择生长区和非选择生长区的外延生长材料结构示意图；
图2是取样光栅窗口示意图；
图3是取样光栅示意图；
图4是制作取样光栅后的接触层外延生长材料结构示意图；
图5是脊形波导结构示意图；
图6是介质绝缘层和金属电极的示意图；
具体实施方式
本发明提出一种取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，包括以下步骤，请参阅附图：
步骤1：采用在n型InP衬底1上外延InP缓冲层2和InGaAsP保护层3(如图1所示)，InP缓冲层2可以减小衬底表面缺陷对多量子阱的影响，InGaAsP保护层3在材料选择外延生长前去除，可以保持最新的生长界面，减少界面缺陷，有效提高外延晶体质量；
步骤2：在InGaAsP保护层3上淀积介质膜4(如图1所示)，介质膜4是二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，介质膜4的厚度为160-240纳米；
步骤3：对介质膜4进行条形掩膜光刻，刻蚀深度至InP缓冲层2，形成选择生长区A和非选择生长区B(如图1所示)，在选择生长区A利用刻蚀过的介质膜4形成的条形凹槽5内进行外延生长，在非选择生长区B外延生长在InP缓冲层2上进行，光刻后的介质膜4的条形宽度在20-48微米，介质膜4的条形凹槽5的宽度为10-20微米；
步骤4：在选择生长区A的介质膜4的条形凹槽5内和非选择生长区B的InP缓冲层2上依次生长InGaAsP下限制层6、InGaAsP/InGaAsP多量子阱7、InGaAsP上限制层8和InP光栅制作保护层9(如图1所示)，InGaAsP/InGaAsP多量子阱7通过注入电流产生光子增益，InGaAsP下限制层6和InGaAsP上限制层8对光子进行横向限制，InP光栅制作保护层9在制作取样光栅时保护不需要制作光栅的区域，InP光栅制作保护层9的厚度为80-200纳米；
步骤5：湿法腐蚀去除介质膜4(如图2所示)，避免在二次外延时继续产生选择外延效果；
步骤6：在InP光栅制作保护层9上，横向掩膜光刻出多条取样光栅窗口10(如图2所示)，在取样光栅窗口10内InGaAsP上限制层8上制作的光栅保留下来形成取样光栅，取样光栅窗口10外的光栅制作在InP光栅制作保护层9上，将被湿法腐蚀去除；
步骤7：在取样光栅窗口10内的InGaAsP上限制层8上制作取样光栅11(如图3所示)；
步骤8：湿法腐蚀去除InP光栅制作保护层9，(如图3所示)；
步骤9：在InGaAsP上限制层8上依次生长p-InP层12、p-InGaAsP刻蚀阻止层13、p-InP层14和p+-InGaAs层15(如图4所示)；
步骤10：将步骤9生长的p-InP层14和p+-InGaAs层15的两侧进行刻蚀，形成脊形波导16(如图5所示)；
步骤11：将脊形波导16上的p+-InGaAs层15选择性刻蚀，形成不同功能段的电隔离沟17(如图5所示)；
步骤12：在电隔离沟17内和脊形波导16两侧暴露出的p-InGaAsP刻蚀阻止层13上进行He离子注入，使脊形波导16以外的区域表面，特别是电隔离沟17成为高阻区(如图5所示)，电隔离沟17实现选择生长区A和非选择生长区B的电学隔离；
步骤13：在上述步骤制作的器件结构的上表面和脊形波导16的侧面淀积介质绝缘层18，并腐蚀掉脊形波导16上表面的介质绝缘层18，使之暴露出p+-InGaAs层15(如图6所示)，介质绝缘层18有效地抑制脊形波导16两侧的注入电流扩展，有利于提高电流注入效率；
步骤14：在暴露出p+-InGaAs层15的上表面溅射p电极19(如图6所示)，p电极19实现器件上表面的欧姆接触；
步骤15：将衬底1减薄，并蒸发n电极20，解理管芯(如图6所示)，n电极20实现器件下表面的欧姆接触。
相对于已有的制作方法而言具有以下优点：
整个制作过程只需要一次结构外延和一次接触外延，工艺简单，降低了成本；
有源区和波导区是一次生长而成，耦合效率高，内反射损失小；
材料带隙可以通过掩膜宽度和外延生长条件控制，控制精度可达5纳米；
采用标准的半导体器件制作工艺，重复性好，易于大规模生产。
本发明涉及取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，通过金属有机化学气相沉积(Metal OrganicChemicai Vapor Deposition)选择区域外延(Selective Area Growth)实现。其核心思想是采用一定的方法来控制晶体生长过程，实现晶体生长速度，合金组份的控制。其基本原理为，在平面衬底上淀积一层致密介质膜，然后刻蚀出特别设计的图形，利用这一介质图形作为掩膜来控制生长区域及生长厚度。介质膜一般选用SiO2或SiNx，反应源分子不能在介质上成核生长，由此增加了侧向浓度梯度，加强了侧向扩散过程，最终使选择区域的生长速度加快，最终多量子阱生长厚度的不同使得材料的带隙宽度不同。
Claims (6)
1.一种取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在n型InP衬底上外延InP缓冲层和InGaAsP保护层；
步骤2：在InGaAsP保护层上淀积介质膜；
步骤3：对介质膜的部分区域进行条形掩膜光刻，刻出条形凹槽，刻蚀深度至InP缓冲层，形成选择生长区和非选择生长区；
步骤4：在选择生长区的条形凹槽内和非选择生长区表面上依次生长InGaAsP下限制层、InGaAsP/InGaAsP多量子阱、InGaAsP上限制层和InP光栅制作保护层；
步骤5：湿法腐蚀去除选择生长区的介质膜；
步骤6：在InP光栅制作保护层上，横向掩膜光刻出多条取样光栅窗口，刻蚀深度至InGaAsP上限制层；
步骤7：在取样光栅窗口内的InGaAsP上限制层上制作取样光栅；
步骤8：湿法腐蚀去除InP光栅制作保护层；
步骤9：在InGaAsP上限制层和选择生长区的InGaAsP保护层上依次生长p-InP层、p-InGaAsP刻蚀阻止层、p-InP层和p+-InGaAs层；
步骤10：将步骤9生长的p-InP层和p+-InGaAs层两侧的部分区域进行刻蚀，形成脊形波导；
步骤11：将脊形波导上的p+-InGaAs层选择性刻蚀，形成不同功能段的电隔离沟；
步骤12：在电隔离沟内和脊形波导两侧暴露出的p-InGaAsP刻蚀阻止层上进行He离子注入，使脊形波导以外的区域表面，特别是电隔离沟成为高阻区；
步骤13：在上述步骤制作的器件结构的上表面和脊形波导的侧面淀积介质绝缘层，并腐蚀掉脊形波导上表面的介质绝缘层，使之暴露出p+-InGaAs层；
步骤14：在暴露出p+-InGaAs层的上表面溅射p电极；
步骤15：将衬底减薄，并蒸发n电极，解理管芯，完成器件的制作。
2.根据权利要求1所述的取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，其中介质膜是二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
3.根据权利要求1或2所述的取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，其中介质膜的厚度为160-240纳米。
4.根据权利要求1或2所述的取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，其中光刻后的介质膜的条形宽度在20-48微米，介质膜的条形凹槽的宽度为10-20微米。
5.根据权利要求1所述的取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，其中InP光栅制作保护层的厚度为80-200纳米。
6.根据权利要求1所述的取样光栅分布布拉格反射半导体激光器及其与半导体光放大器集成的制作方法，其特征在于，其中选择生长区是有源区，非选择生长区是无源区。
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