CN102368591B

CN102368591B - 一种条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法

Info

Publication number: CN102368591B
Application number: CN 201110333814
Authority: CN
Inventors: 许海明; 唐琦; 刘建军
Original assignee: Wuhan Huagong Genuine Optics Tech Co Ltd
Current assignee: Wuhan Huagong Genuine Optics Tech Co Ltd
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: CN102368591A

Abstract

本发明公开了一种条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，首先进行一次外延，形成一次外延片；利用单光束球面光的方式制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅；利用金属有机物化学气相沉积技术进行光栅掩埋；结合反应离子刻蚀和两步湿法腐蚀的方式进行脊形条制作；利用MOCVD先高温回熔，再以快速生长的方式进行条形掩埋；去除SiO₂掩膜条以及铟镓砷磷保护层，生长P型磷化铟盖层、P+铟镓砷接触层；大双沟结构制作，淀积SiO₂绝缘介质膜，制作P面电极，衬底减薄，制作N面电极，端面蒸镀光学膜，最后制成激光器芯片。采用本发明方法制作的激光器具有低阈值、低电阻、既宽且稳定的工作温度范围、高可靠性、高成品率等特点。

Description

一种条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光通信用光电子器件的制作方法，尤其涉及一种光波长为1490nm条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法。

背景技术

半导体激光器从侧向进行载流子限制和光场限制方式，主要有脊形波导(RWG)和掩埋异质结(BH)两种结构。BH结构由于侧向材料大的折射率差，形成强的折射率导引，可以对载流子和光场进行更好的限制，因而具有阈值电流低、工作温度范围宽以及远场发散角小的特性；同时BH结构具有有源层尺寸小的特点（其宽度应小于1.6um），有稳定的侧模控制作用。

BH结构的制作需要进行多次外延生长，工艺比较复杂，在制作的过程中会带来诸多的不可靠性因素。外延生长对基片的表面状态具有高的要求，尤其是在不同的晶面上同时生长的情况下技术要求更高。本发明提供一种进行条形掩埋前的表面处理、平衡不同晶面上磷化铟（InP）的生长状态方法。由于外延片的有源材料增益峰值有一定的分布范围，为了达到布拉格光栅波长和外延片有源材料增益峰之间比较稳定的去谐量，以提高高低温稳定工作的激光器的成品率，需要不同的布拉格光栅波长和材料增益峰范围进行匹配。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有波长渐变的分布反馈布拉格光栅的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法。

为达到上述目的，本发明提供一种条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，其包括有如下步骤：

1）首先进行一次外延，形成一次外延片，该一次外延片具有有源层，该有源层以铟镓砷磷材料制成，且该有源层采用应变补偿多周期量子阱阱层、垒层结构；

2）利用单光束球面光全息光刻技术在一次外延片上制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅，并利用金属有机化合物化学气相沉积技术进行二次外延，分别生长第二P型InP层与P型InGaAsP保护层，使光栅掩埋；

3）利用等离子化学气相沉积淀积形成SiO₂掩膜层，采用光刻技术和反应离子刻蚀工艺制作SiO₂掩膜条，并利用反应离子刻蚀工艺和两步湿法腐蚀工艺制作脊形条；

4）利用金属有机化合物化学气相沉积技术进行三次外延，外延生长第三P型InP层及N型InP层，以掩埋脊形条；

5）去除SiO₂掩膜条以及P型InGaAsP保护层，利用金属有机化合物化学气相沉积方式在外延片整个表面生长P型InP盖层与P+型InGaAs接触层；

6）大双沟限制泄漏电流及PN结散热结构制作，淀积SiO₂绝缘介质膜，制作P面电极，衬底减薄，制作N面电极，端面蒸镀光学膜，最后制成激光器芯片。

所述一次外延片由下至上依次还包括有N型InP衬底及采用金属有机物化学气相淀积方法生长的N型InP缓冲层、晶格匹配的InGaAsP下限制层、晶格匹配的InGaAsP上限制层、第一P型InP层、P型InGaAsP光栅层及P型InP保护层，所述有源层为应变多量子阱层，该应变多量子阱层位于晶格匹配的InGaAsP下限制层与晶格匹配的InGaAsP上限制层之间。

所述应变多量子阱层有9对量子阱，阱宽为6nm，压应变为0.9%，垒宽为7nm，张应变为0.5%，多量子阱的光致发光波长为1475nm；所述第一P型InP层厚度为70 nm；所述P型InGaAsP光栅层厚度为30nm，波长为1300nm；所述P型InP保护层厚度为5nm。

在所述步骤2）中，波长渐变的分布反馈布拉格光栅调节波长的范围为1488nm～1492nm。

在所述步骤2）中，制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅采用湿法腐蚀，腐蚀液使用体积比为1：1：12的HBr：HNO₃：H₂O混合液，腐蚀液温度为零摄氏度；所述第二P型InP层的厚度为100nm，所述P型InGaAsP保护层的厚度为25nm。

在所述步骤3）中，在制作脊形条时，先用反应离子刻蚀1.0～1.1um深度的外延片体材料形成脊形条，再利用Br₂：HBr：H₂O腐蚀液，在25摄氏度的温度下第一次腐蚀脊形条，形成SiO₂悬臂，使脊形条的上部宽度为1.4～1.6um，脊形条深度为1.5～1.7um，SiO₂悬臂宽度为0.9～1.1 um；通过横截面实际检查测试后，再用Br₂：HBr：H₂O腐蚀液进行第二次腐蚀，去除脊形条氧化层并达到清洗效果。

所述SiO₂掩膜条的宽度为3.0~3.5um，反应离子刻蚀的深度为 1um，两次腐蚀后的脊形条上部宽度为1.5um，脊形条深为1.6um，SiO₂悬臂宽度为1um；两次腐蚀采用的腐蚀液Br₂：HBr：H₂O体积比为1.2：100：650。

在所述步骤4）具体包括：在脊形条掩埋生长前对外延用的生长腔体进行680～700摄氏度高温烘烤，并在生长腔内生长本征InP吸收掉腔体内原有的掺杂材料，使生长腔体洁净，保证掩埋生长的一致性；在外延掩埋过程中首先采用680～700摄氏度高温烘烤对外延片脊形条表面及平面材料进行回熔，然后降低温度到610～630摄氏度进行快速生长，平衡平面和侧向的生长速率，外延生长的第三P型InP层厚度为0.7um，N型InP层的厚度为0.8um。

在所述步骤5）中，所述P型InP盖层厚度为2um。

脊形条掩埋过程中有源层和掩膜条之间材料的厚度总和为200nm ～230nm。

本发明提供一种波长渐变的分布反馈布拉格光栅的制作方法，同时提供一种1490nm分布反馈一次外延片的结构，采用本发明制作的激光器具有低阈值、低电阻、既宽且稳定的工作温度范围、高可靠性、高成品率等特点。

附图说明

图1为本发明方法实施例中的一次外延后外延片剖面结构示意图；

图2为本发明方法实施分布反馈布拉格光栅制作以及二次外延后外延片剖面结构示意图；

图3为本发明方法制作实施SiO₂掩膜条和脊形条后垂直于脊形条方向的剖面图；

图4 是本发明方法实施三次外延脊形条掩埋完成后垂直于脊形条方向的剖面图；

图5 是利用本发明的方法制作的条形掩埋分布反馈半导体激光器剖面图；

图6为本发明的方法流程步骤图。

具体实施方式

为便于对本发明的方法及达到的效果有进一步的里了解，现结合幅图并举较佳实施例详细说明如下。

请参照图1至图6所示，本发明是在N型磷化铟（InP）衬底上外延生长激光器所需的多层异质结构/应变多量子阱外延层，这就是一次外延片；再在一次外延片基础上制作分布反馈布拉格光栅、利用干法刻蚀和两步湿法腐蚀制作脊形条结构，并实现SiO₂（二氧化硅）悬臂；利用MOVCD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积）特殊处理后，进行脊形条掩埋等。

下面参照附图，介绍本发明的方法的各个步骤：

步骤一，参照图1，一次外延后形成一次外延片，该一次外延片具有有源层，该有源层以铟镓砷磷（InGaAsP）材料制成，且该有源层采用应变补偿多周期量子阱阱层、垒层结构。具体而言是在N型磷化铟(InP)衬底1上，采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法由下至上依次生长N型InP缓冲层2，晶格匹配的InGaAsP（铟镓砷磷）下限制层3，应变多量子阱层4（即有源层）、晶格匹配的InGaAsP上限制层5，厚度为70 nm的第一P型InP层6，厚度为30nm、波长为1300nm的P型InGaAsP光栅层7，厚度为5nm的P型InP保护层8。应变多量子阱层4有9对量子阱，阱宽6nm，压应变为0.9%；垒宽7nm，张应变为0.5%，测试多量子阱的PL（photoluminescence，光致发光）波长为1475nm。

步骤二，参照图2，利用单光束球面光全息光刻技术在一次外延片上制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅，制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅采用湿法腐蚀，腐蚀液使用体积比为1：1：12的HBr：HNO₃：H₂O（溴化氢：硝酸：水）混合液，腐蚀液温度为零摄氏度，本发明的布拉格光栅调节波长设计为1488nm～1492nm；然后利用MOCVD技术进行二次外延，生长厚度为100nm的第二P型InP层9，再生长厚度为25nm的P型InGaAsP保护层10，从而使光栅掩埋。

步骤三，参照图3，利用等离子化学气相沉积淀积形成SiO₂掩膜层，采用光刻技术和反应离子刻蚀工艺制作SiO₂掩膜条11；利用反应离子刻蚀工艺和两步湿法腐蚀工艺制作脊形条，即先用反应离子刻蚀1um深度的外延片体材料形成脊形条，再利用体积比为1.2：100：650的Br₂：HBr：H₂O（溴：溴化氢：水）的腐蚀液，在25摄氏度的温度下腐蚀脊形条，形成SiO₂悬臂（即SiO₂掩膜条11伸出于脊形条顶端的部分），使脊形条的上部宽度为1.6um，脊形条深度为1.6um，SiO₂悬臂宽度为1um，此种结构为本发明设计的脊形条掩埋形状；通过横截面实际检查测试后，再用体积比为1.2：100：650的Br2：HBr：H2O腐蚀液进行第二次腐蚀，侧向腐蚀宽度50nm，使脊形条上部宽度为1.5um，去除脊形条氧化层并达到清洗效果。

步骤四，参照图4，利用MOCVD进行脊形条掩埋（即三次外延），在脊形条掩埋生长前对外延用的生长腔体进行680～700摄氏度高温烘烤，并在生长腔内生长本征InP吸收掉腔体内原有的掺杂材料，使生长腔体洁净，保证掩埋生长的一致性；在外延掩埋过程中首先采用680～700摄氏度高温烘烤对外延片脊形条表面及平面材料进行回熔，然后降低温度到610～630摄氏度进行快速生长，平衡平面和侧向的生长速率，外延生长0.7um 的第三P型InP层12及0.8um的N型InP层13，保证InP和脊形条侧面可靠的界面状态，保证激光器的可靠性。

步骤五，参照图5，去除SiO₂掩膜条11以及P型InGaAsP保护层10，利用MOCVD方式在外延片整个表面生长2um P型InP盖层14、P+型InGaAs接触层15。

步骤六，大双沟限制泄漏电流及PN结散热结构制作，淀积SiO₂绝缘介质膜，制作P面电极，衬底减薄，制作N面电极，端面蒸镀光学膜，最后制成激光器芯片。

本发明的有益效果在于：

1、采用单光束球面光的方式制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅；

2、SiO₂掩膜条宽度为3.0~3.5um，反应离子刻蚀的深度为1.0～1.1um，两次腐蚀后的脊形条上部宽度为1.4～1.6um，脊形条深为1.5～1.7um，在腐蚀完成后脊形条两侧形成0.9～1.1 um SiO₂悬臂结构，同时采用有源层和掩膜条之间材料的厚度总和为220nm、顶部InGaAsP层保护的设计，使形成的p-n-p晶闸管具有更好的限制，具有窄的漏电通道，提高了激光器的可靠性能；

3、生长掩埋前采用两步化学腐蚀法处理脊形条，第一步化学腐蚀，腐蚀脊形条顶端宽度达到指定的1.5～1.6um，并形成SiO₂悬臂结构，脊形条深达到1.5～1.7um；第二步化学腐蚀，利用和第一步相同的腐蚀液对脊形条进行腐蚀，去除待生长表面的氧化层并加以清洗，腐蚀后立即进行去离子水清洗、脱水以及掩埋工作。通过两步的化学腐蚀，既形成要求的脊形条尺寸结构、SiO₂悬臂结构，又保证了脊形条表面洁净状态；

4、掩埋生长前对外延用的生长腔体进行680～700摄氏度高温烘烤，并在生长腔内生长本征InP吸收掉腔体内原有的掺杂材料，使生长腔体洁净，保证掩埋生长的一致性；在外延掩埋过程中首先采用680～700摄氏度高温烘烤对外延片脊形条表面以及平面材料进行回熔，然后降低温度到610～630摄氏度进行快速生长，平衡平面并保持侧向的生长速率，从而保证InP和脊形条侧面可靠的界面状态，保证激光器的可靠性；

5、脊形条掩埋过程中有源层和掩膜条之间材料的厚度总和为200nm ～230nm。

本发明提供一种波长渐变的分布反馈布拉格光栅的制作方法，同时提供一种1490nm分布反馈一次外延片的结构，采用本发明方法制作的激光器具有低阈值、低电阻、既宽且稳定的工作温度范围、高可靠性、高成品率等特点。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1.一种条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，其包括有如下步骤：

1）首先进行一次外延，形成一次外延片，该一次外延片具有有源层，该有源层以铟镓砷磷材料制成，且该有源层采用应变补偿多周期量子阱阱层、垒层结构；所述一次外延片由下至上依次还包括有N型InP衬底及采用金属有机物化学气相淀积方法生长的N型InP缓冲层、晶格匹配的InGaAsP下限制层、晶格匹配的InGaAsP上限制层、第一P型InP层、P型InGaAsP光栅层及P型InP保护层；

2.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述有源层为应变多量子阱层，该应变多量子阱层位于晶格匹配的InGaAsP下限制层与晶格匹配的InGaAsP上限制层之间。

3.如权利要求2所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述应变多量子阱层有9对量子阱，阱宽为6nm，压应变为0.9%，垒宽为7nm，张应变为0.5%，多量子阱的光致发光波长为1475nm；所述第一P型InP层厚度为70 nm；所述P型InGaAsP光栅层厚度为30nm，波长为1300nm；所述P型InP保护层厚度为5nm。

4.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，在所述步骤2）中，波长渐变的分布反馈布拉格光栅调节波长的范围为1488nm～1492nm。

5.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，在所述步骤2）中，制作波长渐变的分布反馈布拉格光栅采用湿法腐蚀，腐蚀液使用体积比为1：1：12的HBr：HNO₃：H₂O混合液，腐蚀液温度为零摄氏度；所述第二P型InP层的厚度为100nm，所述P型InGaAsP保护层的厚度为25nm。

6.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，在所述步骤3）中，在制作脊形条时，先用反应离子刻蚀1.0～1.1um深度的外延片体材料形成脊形条，再利用Br₂：HBr：H₂O腐蚀液，在25摄氏度的温度下第一次腐蚀脊形条，形成SiO₂悬臂，使脊形条的上部宽度为1.4～1.6um，脊形条深度为1.5～1.7um，SiO₂悬臂宽度为0.9～1.1 um；通过横截面实际检查测试后，再用Br₂：HBr：H₂O腐蚀液进行第二次腐蚀，去除脊形条氧化层并达到清洗效果。

7.如权利要求6所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，所述SiO₂掩膜条的宽度为3.0~3.5um，反应离子刻蚀的深度为 1um，两次腐蚀后的脊形条上部宽度为1.5um，脊形条深为1.6um，SiO₂悬臂宽度为1um；两次腐蚀采用的腐蚀液Br₂：HBr：H₂O体积比为1.2：100：650。

8.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，在所述步骤4）具体包括：在脊形条掩埋生长前对外延用的生长腔体进行680～700摄氏度高温烘烤，并在生长腔内生长本征InP吸收掉腔体内原有的掺杂材料，使生长腔体洁净，保证掩埋生长的一致性；在外延掩埋过程中首先采用680～700摄氏度高温烘烤对外延片脊形条表面及平面材料进行回熔，然后降低温度到610～630摄氏度进行快速生长，平衡平面和侧向的生长速率，外延生长的第三P型InP层厚度为0.7um，N型InP层的厚度为0.8um。

9.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，其特征在于，在所述步骤5）中，所述P型InP盖层厚度为2um。

10.如权利要求1所述的条形掩埋分布反馈半导体激光器的制作方法，脊形条掩埋过程中有源层和掩膜条之间材料的厚度总和为200nm ～230nm。