CN103606816A

CN103606816A - 单片集成边耦合半导体激光器及多波长激光器阵列的制备方法

Info

Publication number: CN103606816A
Application number: CN201310513456.3A
Authority: CN
Inventors: 李静思; 唐松; 李思敏
Original assignee: Nanjing Weining Ruike Information Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Weining Ruike Information Technology Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: CN103606816B

Abstract

一种形成边耦合分布反馈（DFB）和重构等效啁啾（REC）等效相移的边耦合半导体激光器及激光器阵列制备方法，边耦合半导体激光器及激光器阵列从下到上结构为：在n型磷化铟衬底材料上外延n型缓冲层、晶格匹配下波导层、多量子阱、光栅材料层、上波导层、欧姆接触层。在外延片表面生长一层二氧化硅和薄金属铬层，用模板光刻技术，将设计好的采样光栅图案转移到薄金属铬层上；将采样光栅图案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曝光定义出脊条波导，随后用湿法刻蚀先后去掉未被光刻胶遮盖的铬和二氧化硅，并暴露出脊条波导两侧壁和侧部平面将被大范围刻蚀的半导体表面；形成由三层材料构成的掩膜版。

Description

单片集成边耦合半导体激光器及多波长激光器阵列的制备方法

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及激光器阵列有关，涉及边耦合分布反馈半导体激光器及激光器阵列的设计与制作，更具体而言，是基于即重构—等效啁啾和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行程并且开始实现。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及阵列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。单片集成模块可提供容量大、体积小、成本低的通信核心设备，从而很大幅度降低封装成本，并实现高性能。单片集成模块上的调制器、探测器响应方式均为宽带响应，实际制造不涉及波长概念，制造相对容易。因此单片集成多波长激光器阵列是实现高性能单片集成模块的最大难点之一。多波长分布反馈（DFB）激光器阵列是单片集成光纤传输模块的核心。同时在通信的许多领域都需要线宽窄、啁啾低、单模特性良好的DFB半导体激光器。单片集成多波长激光器阵列要绝对保证每个激光器均为单模工作，这就需要每个激光器具有复杂结构。因此，尽管单片集成多波长DFB激光器阵列非常重要，但其技术实现难度使其商品化非常困难。

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。

基于多波长分布反馈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。

所有基于全息曝光技术的均匀光栅都具有一些共同缺点：首先，全息曝光技术很难做出单片集成的多波长阵列。全息曝光的光栅周期确定，因此无法很轻易的实现对于波长的调整与控制。其次，基于传统全息曝光技术制成的折射率耦合DFB激光器的Bragg光栅是相对简单的均匀结构，因此，理论上全息曝光制成的激光器是具有两个相互竞争的模式。但在实际应用中因为激光器两侧端面反射相位不同，可以实现单模激射。但由于反射相位具有随机性，其单模成品率不高；且高速调制时，其边模抑制比（SMSR）小于20dB，不能满足高速光通信的需要。传统全息曝光技术制成的单个DFB激光器成品率从原理上来讲就比较低，一般为20％左右。因此，基于全息曝光技术制作单片集成的半导体激光器阵列难度非常大。

2004年，一种新的DFB光栅技术，即重构—等效啁啾（Reconstruction-equivalent-chirp)技术（REC技术）诞生。重构—等效啁啾技术包括可以为DFB半导体激光器的提供等效相移（等效相移技术）。等效相移技术实际上是对均匀光栅做选择性采样，并提供相移确保器件性能的方法。采样图形的尺寸在微米量级，可以通过普通光刻工艺实现，因此避免了高成本的复杂工艺环节。通过把边耦合激光器与等效相移技术结合，可以制作出高性能低成本的半导体激光器和激光器阵列。这种基于等效相移技术的边耦合激光器阵列不使用电子束曝光，不需要二次及多次外延，但是能形成单片集成的多波长半导体激光器阵列。从而在制造成本，可靠性，可集成性等方面具有很大优势。

发明内容

本发明的目的在于，使用普通全息曝光技术与即重构—等效啁啾技术（等效相移技术）相结合，制作出具有等效相移的采样一级光栅边耦合半导体激光器及激光器阵列。

本发明的技术方案是：一种形成边耦合分布反馈（DFB）和重构等效啁啾（REC）等效相移的边耦合半导体激光器及激光器阵列从下到上的结构为：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。然后在外延n型缓冲层表面生长一层二氧化硅（如200-500nm）和一薄金属铬层(如20-50nm)，用模板光刻技术，将设计好的采样光栅图案转移到薄金属铬层上（图1-1）；之后用光刻胶旋涂和全息曝光的方式在薄金属铬层制作采样光栅图案；并用湿法或干法刻蚀，将采样光栅图案从光刻胶转移到二氧化硅层并去除残余光刻胶：由于金属铬具有对二氧化硅极好的选择性，二氧化硅被铬金属层覆盖的部分不会被刻蚀，从而二氧化硅层形成采样光栅图案（图1-2）；涂上光刻胶，之后用光刻方式在光刻胶上曝光定义出脊条波导（图1-3），随后用湿法或干法刻蚀先后去掉未被光刻胶遮盖的铬和二氧化硅，并暴露出脊条波导两侧壁和侧部平面将被大范围刻蚀的半导体表面（图1-4）；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（200－500纳米）的侧壁光刻胶，之前被光刻胶遮盖的脊条部分二氧化硅光栅图形暴露凸出；此时形成由三层材料构成的掩膜版：有采样光栅图案的光刻胶部分，掩盖脊条中心区域；两侧壁暴露的二氧化硅光栅图案采样部分，作为侧壁光栅的掩膜版；两侧部暴露的铬和二氧化硅非光栅采样部分（图1-5）；此时应用干法刻蚀对半导体材料进行腐蚀（图1-6）。之后去掉两侧部的铬、二氧化硅和光刻胶，形成带有侧壁采样光栅和等效相移的脊条（图1-7）。

后续工艺中，首先用PECVD生长一层电绝缘材料，绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮硅化合物，之后在脊条顶部打开窗口（图1-8）。之后生长一层金属正电极，然后对衬底进行减薄，做背电极。解理后得到激光器器件（图1-9）。

制作激光器阵列时，相邻激光器的采样周期和等效相移发生变化，使得相邻激光器具有不同的激射波长。除光刻板设计外，其余制备工艺在不同波长的激光器中完全相同。

量子阱材料是InP/InGaAsP材料体系。

总体而言，本发明单片集成边耦合半导体激光器及多波长激光器阵列的制备方法， DFB光栅用全息曝光技术制作在半导体芯片表面。并通过普通光刻工艺制作出具有等效相移的采样光栅。通过可控的干法刻蚀，制作出三层叠加型掩膜。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，形成边耦合采样光栅。刻蚀深度可以选择在量子阱有缘层上方或者下方。然后完成后续工艺，制作成具有等效相移的边耦合半导体激光器。

本发明有益效果是，使用普通全息曝光技术与即重构—等效啁啾技术（等效相移技术）相结合，制作出具有等效相移的采样一级光栅边耦合半导体激光器及激光器阵列。达到预期的参数和效果。

附图说明

图1中图1-1至图1-9为本发明的制备工艺步骤的原理图；.

图2为边耦合激光器具有等效相移的采样光栅（对应于图1-7的构造图）。

图3为制作完成的器件（对应于图1-9的构造图）。

图4为本发明器件在常温下工作典型光谱图。

具体实施方式

参照附图，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。多量子阱可以是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。可以是上述多量子阱材料体系所形成的波长，例如1250-1350纳米，或者1450-1700纳米。

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。生长总体上采用现有的材料生长方法（如MOCVD或MBE方法）。本结构只需要一次外延，光栅于外延完成后制作。

制作具有等效相移的边耦合DFB激光器，首先在外延片表面生长1层二氧化硅和一层薄金属铬Cr，用模板光刻技术，将设计好的采样图案转移到Cr上（图1-1）。之后用全息曝光的方式在制作光栅图案，并用湿法或干法刻蚀，将光栅从光刻胶转移到二氧化硅层并去除残余光刻胶。由于金属铬具有对二氧化硅极好的选择性，二氧化硅被铬金属覆盖的部分不会被刻蚀，从而形成采样光栅图案（图1-2）。之后用普通光刻方式在光刻胶上定义出脊条波导（图1-3）。随后用湿法或干法刻蚀先后去掉未被光刻胶遮盖的铬和二氧化硅，并暴露出将被大范围刻蚀的半导体表面（图1-4）。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。此时行程由三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光栅采样部分，作为侧壁光栅的掩膜版；两侧暴露的铬和二氧化硅非光栅采样部分（图1-5）。此时应用干法刻蚀对半导体材料进行腐蚀（图1-6）。之后去掉铬，二氧化硅和光刻胶，形成带有侧壁采样光栅和等效相移的脊条（图1-7）。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1-8）。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1-9）。

Claims

1.一种形成边耦合分布反馈（DFB）和重构等效啁啾（REC）等效相移的边耦合半导体激光器的制备方法，边耦合半导体激光器及激光器阵列从下到上的结构为：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。然后在外延片表面生长一层二氧化硅和一薄金属铬层，用模板光刻技术，将设计好的采样光栅图案转移到薄金属铬层上；之后用光刻胶旋涂和全息曝光的方式在薄金属铬层制作采样光栅图案；并用湿法或干法刻蚀，将采样光栅图案从光刻胶转移到二氧化硅层并去除残余光刻胶：由于金属铬具有对二氧化硅极好的选择性，二氧化硅被铬金属层覆盖的部分不会被刻蚀，从而二氧化硅层形成采样光栅图案；涂上光刻胶，之后用光刻方式在光刻胶上曝光定义出脊条波导，随后用湿法或干法刻蚀先后去掉未被光刻胶遮盖的铬和二氧化硅，并暴露出脊条波导两侧壁和侧部平面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，去掉侧壁光刻胶，之前被光刻胶遮盖的脊条部分二氧化硅光栅图形暴露凸出；此时形成由三层材料构成的掩膜版：有采样光栅图案的光刻胶部分，掩盖脊条中心区域；两侧壁暴露的二氧化硅光栅图案采样部分，作为侧壁光栅的掩膜版；两侧部暴露的铬和二氧化硅非光栅采样部分；此时应用干法刻蚀对半导体材料进行腐蚀。之后去掉两侧部的铬、二氧化硅和光刻胶，形成带有侧壁采样光栅和等效相移的脊条。

2.由权利要求1所述的形成边耦合分布反馈（DFB）和重构等效啁啾（REC）等效相移的边耦合半导体激光器的制备方法，其特征是PECVD生长一层电绝缘材料，之后在脊条顶部打开窗口，再生长一层金属正电极，然后对衬底进行减薄，做背电极，解理后得到激光器器件。

3.由权利要求1所述的形成边耦合分布反馈（DFB）和重构等效啁啾（REC）等效相移的边耦合半导体阵列的制备方法，其特征是制作激光器阵列时，相邻激光器的采样周期和等效相移发生变化，使得相邻激光器具有不同的激射波长；除光刻板设计外，其余制备工艺在不同波长的激光器中完全相同。

4.根据权利要求1或3所述的边耦合具有等效相移的DFB半导体激光器及阵列，其量子阱材是InP/InGaAsP材料体系。

5.根据权利要求1或3所述的边耦合具有等效相移的DFB半导体激光器及阵列，其量子阱材是InP/AlGaInAs材料体系。

6.根据权利要求1或3所述的边耦合具有等效相移的DFB半导体激光器及阵列，其激光器激射波长在1250-1700纳米之间。

7.根据权利要求2所述的边耦合具有等效相移的DFB半导体激光器及阵列，其激光器激射波长在1250-1700纳米之间。

8.根据权利要求3所述的边耦合具有等效相移的DFB半导体激光器及阵列，其激光器激射波长在1250-1700纳米之间。