CN103311804B

CN103311804B - 边耦合半导体激光器的制造方法

Info

Publication number: CN103311804B
Application number: CN201310198495.9A
Authority: CN
Inventors: 李静思; 李思敏
Original assignee: Nanjing Weining Ruike Information Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Weining Ruike Information Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2033-05-24
Also published as: CN103311804A

Abstract

边耦合半导体激光器的制造方法，在n型磷化铟衬底材料上外延生长n型缓冲层；1）在外延n型缓冲层表面生长一层二氧化硅；2）用全息曝光将光栅制作到半导体表面沉积的二氧化硅中；3）生长二氧化硅绝缘层并在脊条顶部开出窗口并制作电极；其量子阱材是InP/InGaAsP材料或InP/AlGaInA材料体系。激光器激射波长在1250‑1700纳米之间。本发明使用普通全息曝光技术，制作出具有均匀一级光栅的边耦合半导体激光器。成本低且质量高。

Description

边耦合半导体激光器的制造方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，与分布反馈半导体激光器有关，涉及边耦合分布反馈半导体激光器的设计与制作，更具体而言，是基于全息曝光制作光栅的边耦合分布反馈半导体激光器的制造方法。

背景技术

随着信息通信技术的不断发展，光纤通信已经开始由主干网逐步向个人、办公室和家庭延伸。光纤到楼，光纤到户，光纤到桌的概念已经形成并且开始实现。较之于高层主干网系统，低层的光纤通信系统更为在意商品的成本价格。成本将成为市场成败的关键。通常情况下，光纤通信的光信号均有半导体激光器提供。半导体激光器是光纤通信技术的核心。然而，获得低成本高性能激光器器件仍旧是一个尚未完全解决的问题。分布反馈（DFB）半导体半导体激光器由于体积小、可靠性高，是光纤通信光信号的重要元件。

制作低成本DFB激光器的有效手段是使用全息曝光技术形成DFB布拉格（Bragg）光栅。全息曝光是一种成品率很高，成本非常低的光栅制作手段，因此在工业界被广泛使用。但传统的全息曝光技术由于其本身形成原理，只能在大面积区域的平面上形成均匀一维光栅，而不能制作非均匀一维或者二维结构。并且全息曝光技术由于其机械精确性和光学特性问题，只能在平面制作光栅结构，而不能在非平面（例如侧壁或者拐角）制作光栅结构。这使得全息曝光在其应用上受到了一些局限。

基于DFB光栅的半导体激光器一般可分为三种：1，具有3次或更多次外延的掩埋异质结（BH）结构；2，具有两次外延的脊条波导（RWG）结构；3，只有一次外延的边耦合（LC）结构。相比而言，边耦合激光器只有1次外延，其成本较之于具有3次或更多次外延的掩埋异质结激光器或者具有2次外延的脊条波导激光器明显更低。因此边耦合激光器在更为重视成本的底层光网络中具有更大优势。

制作边耦合半导体激光器，一般需要把光栅刻蚀到距离表面2微米左右的有源层附近区域。换言之，光栅并非做在与外延方向垂直的平面上。这与掩埋异质结半导体激光器和脊条波导半导体激光器完全不同。因此，截至目前尚无用全息曝光的方式制作一级光栅边耦合结构器件的相关报道。

全息曝光制作一级光栅边耦合激光器非常困难有如下原因：具有最高效率的一级光栅其光栅周期只有200-250纳米左右（对应于1310nm波长激光器和1550nm波长激光器）。因此光栅图形尺寸一般为周期的一半，也就是100纳米左右。如前文所讲，全息曝光无法在非平面制作光栅图形。因此，要制作这种器件，只能从半导体外延片表面向下刻蚀。然而，刻蚀100纳米线宽的图形到至2微米深是几乎没法做到的。因为刻蚀反应产物无法排出，刻蚀无法到达很深的地方，会在距离表面比较近的地方停止。

发明内容

本发明的目的在于使用普通全息曝光技术，制作出具有均匀一级光栅的边耦合半导体激光器。

本发明的技术方案是：边耦合半导体激光器的制造方法，DFB光栅用全息曝光技术制作在半导体芯片表面。通过可控的干法刻蚀，制作出两层叠加型掩膜。通过干法刻蚀，把光栅和脊条两边的沟槽同时刻蚀到距离半导体芯片表面2微米左右深的位置，形成边耦合光栅。刻蚀深度可以选择在量子阱有源层上方或者下方。然后完成后续工艺，制作成边耦合半导体激光器。

边耦合半导体激光器的制造方法的具体步骤：形成边耦合分布反馈（DFB）半导体激光器，在n型InP材料上外延生长n型InP缓冲层、n型缓冲层生长晶格匹配的InGaAsP/AlInGaAs下波导层、InGaAsP/AlInGaAs多量子阱、InGaAsP/AlInGaAs上波导层、InP覆盖层、InGaAsP/InGaAs欧姆接触层电极：

1）首先在外延n型缓冲层表面生长一层200-400纳米厚二氧化硅；

2）用全息曝光将光栅制作到半导体表面沉积的二氧化硅中：先用全息曝光的方式在光刻胶上曝光显影出光栅图形；然后用湿法或干法刻蚀，将光栅从光刻胶转移到二氧化硅层并去除残余光刻胶（图1（a））；之后用光刻方式在光刻胶上形成脊条波导（图1（b））；随后用湿法或干法刻蚀去掉未被光刻胶掩盖的脊条外二氧化硅，并暴露出将被大范围刻蚀的半导体表面；在不去掉光刻胶的情况下，使用纯氧气干法刻蚀，去掉50纳米至500纳米厚度的侧壁光刻胶（去除部分侧壁光刻胶），之前被光刻胶遮盖的部分二氧化硅光栅图形暴露在外，宽度为去除的侧壁光刻胶厚度（50纳米至500纳米）；此时形成由两层材料构成的掩膜版：光刻胶部分，掩盖脊条中心区域，两侧暴露的二氧化硅，作为侧壁光栅的掩膜版（图1（d））；应用干法刻蚀对半导体材料进行腐蚀即刻蚀半导体材料至有源区上部（图1（e）），之后去掉用作掩膜版的二氧化硅和光刻胶，形成带有侧壁光栅的脊条（图1（f））；3）生长二氧化硅绝缘层并在脊条顶部开出窗口并制作电极；首先用PECVD生长一层二氧化硅绝缘层做电绝缘材料。之后在脊条顶部打开窗口（图1（g））。之后镀上金属正电极，然后对衬底进行减薄，做背电极；解理后得到激光器器件（图1（h））。

光栅刻蚀的深度由干法刻蚀控制。具体脊条的宽度由光刻控制。光栅的宽度由对光刻胶侧壁选择性去除控制。光栅刻蚀可以选择穿过量子阱，刻蚀到n型InP缓冲层内部或者上方；或者停留在量子阱上方，刻蚀到上波导层内部或上方。

边耦合DFB半导体激光器，其量子阱材是InP/InGaAsP材料或InP/AlGaInA材料体系。激光器激射波长在1250-1700纳米之间。

本发明的有益效果是：使用普通全息曝光技术，制作出具有均匀一级光栅的边耦合半导体激光器。制备成本低且质量高，成品率可以在95%以上。

附图说明

图1显示本发明的制备方法和步骤：图中（a）用全息曝光将光栅制作到半导体表面沉积的二氧化硅中；（b）光刻脊条图形；（c）去除脊条外二氧化硅；（d）干法去除部分侧壁光刻胶；（e）刻蚀半导体材料至有源区上部；（f）去除用作掩膜版的光刻胶和二氧化硅；（g）生长二氧化硅绝缘层并在脊条顶部开出窗口；（h）制作电极。

图2为本发明制备成的器件的扫描电镜照片。

图3为本发明器件在常温下工作的典型光谱图。

具体实施方式

边耦合分布反馈半导体激光器的结构是，在n型磷化铟衬底材料上外延n型缓冲层、晶格匹配的下波导层、多量子阱、光栅材料层、上波导层、欧姆接触层等。其中，外延的材料为III-V族半导体材料。可以是InP/InGaAsP材料体系，或者InP/AlGaInAs材料体系。激光器的激射波长在1250-1700之间。可以是上述二个体系材料所形成的波长，例如1250-1350纳米，或者1450-1700纳米。

制作均匀光栅的DFB激光器，首先在外延片表面生长1层二氧化硅。之后用全息曝光的方式在光刻胶上曝光显影出光栅图形。然后用湿法或干法刻蚀，将光栅从光刻胶转移到二氧化硅层并去除残余光刻胶（图1（a））。之后用普通光刻方式在光刻胶上定义出脊条波导（图1（b））。随后用湿法或干法刻蚀去掉未被光刻胶掩盖的二氧化硅，并暴露出将被大范围刻蚀的半导体表面（图1（c））。在不去掉光刻胶的情况下，使用纯氧气干法刻蚀，去掉一定厚度的侧壁光刻胶，之前被光刻胶遮盖的部分二氧化硅光栅图形暴露在外。此时形成由两层材料构成的掩膜版：光刻胶部分，掩盖脊条中心区域，两侧暴露的二氧化硅，作为侧壁光栅的掩膜版（图1（d））。此时应用干法刻蚀对半导体材料进行腐蚀（图1（e））。之后去掉二氧化硅和光刻胶，形成带有侧壁光栅的脊条（图1（f））。后续工艺中，首先用PECVD生长一层做电绝缘材料。之后在脊条顶部打开窗口（图1（g））。之后做上金属正电极，然后对衬底进行减薄，做背电极。解理后得到激光器器件（图1（h））。

Claims

1.边耦合半导体激光器的制造方法，其特征是形成边耦合分布反馈半导体激光器，在n型InP材料上外延生长n型InP缓冲层、晶格匹配的InGaAsP/AlInGaAs下波导层、InGaAsP/AlInGaAs多量子阱、InGaAsP/AlInGaAs上波导层、InP覆盖层、InGaAsP/InGaAs欧姆接触层电极，其中边耦合制备的步骤如下：

1）在外延n型缓冲层表面生长一层二氧化硅；

2）用全息曝光将光栅制作到半导体表面沉积的二氧化硅中：先用全息曝光的方式在光刻胶上曝光显影出光栅图形；然后用湿法或干法刻蚀，将光栅从光刻胶转移到二氧化硅层并去除残余光刻胶；之后用光刻方式在光刻胶上形成脊条波导；随后用湿法或干法刻蚀去掉未被光刻胶掩盖的脊条外二氧化硅，并暴露出将被大范围刻蚀的半导体表面；在不去掉光刻胶的情况下，使用纯氧气干法刻蚀，去掉一定厚度的侧壁光刻胶，之前被光刻胶遮盖的部分二氧化硅光栅图形暴露在外；此时形成由两层材料构成的掩膜版：光刻胶部分，掩盖脊条中心区域，两侧暴露的二氧化硅，作为侧壁光栅的掩膜版；应用干法刻蚀对半导体材料进行腐蚀即刻蚀半导体材料至InGaAsP/AlInGaAs多量子阱有源区上部，之后去掉用作掩膜版的二氧化硅和光刻胶，形成带有侧壁光栅的脊条；

3）生长二氧化硅绝缘层并在脊条顶部开出窗口并制作电极；首先用PECVD生长一层二氧化硅绝缘层做电绝缘材料；之后在脊条顶部打开窗口；之后镀上金属正电极，然后对衬底进行减薄，制备背电极；解理后得到激光器器件。

2.根据权利要求1所述的边耦合半导体激光器的制造方法，其激光器激射波长在1250-1700纳米之间。

3.根据权利要求1的边耦合半导体激光器的制造方法，其特征是光栅刻蚀的深度由干法刻蚀半导体材料的时间控制；脊条的宽度由光刻控制；光栅的宽度由对光刻胶侧壁选择性去除控制。