CN105356296A - 一种新型半导体激光器制作方法和结构 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体光电技术领域，提供了一种新型半导体激光器制作方法和结构，制作方法包括：在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层；并在上波导层上沉淀InP保护光栅层；在InP保护光栅层上生长SiO2台面构成掩蔽层，所示SiO2台面横跨调制器区域和激光器区域，并垂直于调制器区域和激光器区域的交界面；对于位于调制器区域的SiO2台面，利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层。本发明将掩埋异质结激光器和侧向p-i-n结调制器的优点结合，设计了一种新结构的EML，减小了寄生电容，进一步提高调制速率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，尤其涉及一种新型半导体激光器制作方法和结构。
背景技术
在我们所处的信息时代里，人们对多种多样的广泛信息的需求，促进了通信系统向更高速率和更大容量方向发展，单个光传输芯片的传输容量和元件的集成度的提高是主要趋势。电吸收调制激光器(EroabsorptionModulatedLaser，简写为：EML)是光通信系统中(尤其是长途干线网络中)的一种主要的光信号产生元件。由于材料生长技术的原因，现有的EML芯片的结构激光器端和调制器端的结构基本是一样的，为了提高EML芯片传输的带宽，如何降低调制器端的电容是关键。由于材料生长技术的原因，现有的EML芯片的结构激光器端和调制器端的结构基本是一样的，为了提高EML芯片传输的带宽，如何降低调制器端的电容是关键。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种新型半导体激光器制作方法和结构，以解决现有技术的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种新型半导体激光器制作方法，所述制作方法包括：
在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层；
在所述InP缓冲层和所述n-InP缓冲层上分别生成用于制造激光器和调制器的下限制层、多量子阱层、上限制层和上波导层，并在所述上波导层上沉淀InP保护光栅层；
在所述InP保护光栅层上生长SiO2台面构成掩蔽层，所示SiO2台面横跨所述调制器区域和激光器区域，并垂直于所述调制器区域和激光器区域的交界面；
对于位于所述调制器区域的SiO2台面，利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层。
优选的，在所述InP保护光栅层上生长SiO2台面，具体包括：
在所述InP保护光栅层上生长SiO2，涂覆并光刻出激光器和调制器条形的防腐层，腐蚀形成台面和台面两侧的缓坡台面。
优选的，所述利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层，具体包括：
在具有SiO2台面的InP保护光栅层上沉淀InP，并分别对于SiO2台两侧InP做掺杂处理，一侧形成第一p-InP层，另一侧形成第一n-InP层；
在由第一p-InP层、第一p-InP层和SiO2台上方的InP层构成平面上沉淀InGaAs；
对应所述第一p-InP层和第一n-InP层所在侧，掺杂生成相应第一p-InGaAs层和第一n-InGaAs层；
所述SiO2台面上，并位于所述第一p-InGaAs层和第一n-InGaAs层之间为InGaAs。
优选的，在所述激光器区域还包括：
将SiO2台面掩蔽，并在所述InP保护光栅层上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第二p-InP层；
将SiO2台面掩蔽，并在所述第二p-InP层上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第二n-InP层；
在所述第二n-InP层和SiO台面上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第三p-InP层；
在所述第三p-InP层生长InGaAs层。
优选的，所述制作方法还包括：在激光器区域和调制器区域的链接处刻蚀出隔离区域，其中，刻蚀深度抵达所述下限制层为止。
优选的，所述在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层，具体包括：
在衬底上处延生长非掺杂InP缓冲层，利用等离子体增强化学气相淀积方法生长一层SiO2用掩蔽，利用RIE刻蚀掉激光器区域的SiO2掩蔽，对激光器区域的InP定向掺杂，形成n-InP缓冲层。
另一方面，本发明实施例还提供了一种新型半导体激光器结构，所述结构包括激光器区域和调制器区域，两者共同位于同一衬底上，具体的：
在所述调制器区域的衬底上、从下到上依次包括InP缓冲层、第一下限制层、第一多量子阱层、第一上限制层、第一上波导层和InP保护光栅层；
在所述激光器区域的衬底上、从下到上依次包括n-InP缓冲层、第一下限制层、第二多量子阱层、第二上限制层、第二上波导层和InP保护光栅层；
在所述调制器区域的InP保护光栅层上设置有第一SiO2台面，所述第一SiO2台面的表面之上设置有InP和InGaAs；位于所述第一SiO2台面的两侧和InP保护光栅层之上分别设置第一p-InP层和第一n-InP层；位于所述第一SiO2台面上的InGaAs的两侧和第一p-InP层之上设置有第一p-InGaAs层；位于所述第一SiO2台面上的InGaAs的两侧和第一n-InP层之上设置有第一n-InGaAs层；
在所述激光器区域的InP保护光栅层上设置有第二SiO2台面，所述第二SiO2台面的两侧均设置有p-InP和n-InP，其中n-InP所归属的第二n-InP层的位置在p-InP所归属的第二p-InP层的位置之上；在所述第二n-InP层和第二SiO2台面的表面之上设置有第三p-InP层和InGaAs层。
优选的，所述第二量子阱层的厚度为所述第一量子阱层厚度的一半。
本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的有益效果包括：本发明将掩埋异质结激光器和侧向p-i-n结调制器的优点结合，设计了一种新结构的EML，由于调制器采用的是侧向p-i-n结构，将传统的纵向加电压的调制的寄生电容进一步减小，这样能达到在很小的调制电压变化下能够具有很大的消光比的优点，进一步提高调制速率，增加芯片的传输带宽，提高信息的传输容量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器制作方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器制作方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图5是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图9是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图10是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图11是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图12是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图；
图13是本发明实施例提供的一种新型半导体激光器结构的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
有源区采用侧向p-i-n结构能有效的降低芯片的寄生电容，但激光器有源区采用侧向p-i-n结构则会造成阈值电流过大的缺点，为了将掩埋异质结激光器与侧向p-i-n结构的调制器的优点集成，于是将低压金属有机化学气相外延(lowpressureMetalorganicChemicalVaporDeposition，简写为：LP-MOCVD)与选择掺杂技术相结合，制作出该种器件的一种新型结，其结构的主要特点是：光源这边采用BH(buriedheterojunction)掩埋异质结激光器结构，调制器采用侧p-i-n二极管结构。将两者集成的新型结构EML芯片具有阈值电流小，寄生电容小，传输损耗低，调制速率快，传输带宽高等优点。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
如图1所示为本发明提供的一种新型半导体激光器制作方法，所述制作方法包括：
在步骤201中，在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层。
在本发明实施例中，所述沉淀方式并非特指直接沉淀n-InP，还可以是通过先沉淀InP并后续掺杂的型式形成n-InP。上述两种方式均可，在此不作特殊限定。
在步骤202中，在所述InP缓冲层和所述n-InP缓冲层上分别生成用于制造激光器和调制器的下限制层、多量子阱层、上限制层和上波导层，并在所述上波导层上沉淀InP保护光栅层；
在步骤203中，在所述InP保护光栅层上生长SiO2台面构成掩蔽层，所示SiO2台面横跨所述调制器区域和激光器区域，并垂直于所述调制器区域和激光器区域的交界面；
在步骤204中，对于位于所述调制器区域的SiO2台面，利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层。
本发明实施例将掩埋异质结激光器和侧向p-i-n结调制器的优点结合，设计了一种新结构的EML，由于调制器采用的是侧向p-i-n结构，将传统的纵向加电压的调制的寄生电容进一步减小，这样能达到在很小的调制电压变化下能够具有很大的消光比的优点，进一步提高调制速率，增加芯片的传输带宽，提高信息的传输容量。
在本发明实施例中，在所述InP保护光栅层上生长SiO2台面，优选的采用以下方式实现：
在所述InP保护光栅层上生长SiO2，涂覆并光刻出激光器和调制器条形的防腐层，腐蚀形成台面和台面两侧的缓坡台面。
在本发明实施例中，步骤204中所述利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层，存在一种具体的实现方式，具体为：
在具有SiO2台面的InP保护光栅层上沉淀InP，并分别对于SiO2台两侧InP做掺杂处理，一侧形成第一p-InP层，另一侧形成第一n-InP层；
在由第一p-InP层、第一p-InP层和SiO2台上方的InP层构成平面上沉淀InGaAs；
对应所述第一p-InP层和第一n-InP层所在侧，掺杂生成相应第一p-InGaAs层和第一n-InGaAs层；
所述SiO2台面上，并位于所述第一p-InGaAs层和第一n-InGaAs层之间为InGaAs。
结合本发明实施，其中激光器区域的具体实现方式包括如下所述优选的方式，具体包括以下实现步骤：
在步骤301中，将SiO2台面掩蔽，并在所述InP保护光栅层上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第二p-InP层；
在步骤302中，将SiO2台面掩蔽，并在所述第二p-InP层上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第二n-InP层；
在步骤303中，在所述第二n-InP层和SiO台面上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第三p-InP层；
在步骤304中，在所述第三p-InP层生长InGaAs层。
在本发明实施例中，为了给所述激光器区域和调制器区域提供隔离区，优选的，在激光器区域和调制器区域的链接处刻蚀出隔离区域，其中，刻蚀深度抵达所述下限制层为止。
结合本发明实施例，在步骤201中的所述在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层，存在一种优选的实现方式，具体为：
在衬底上处延生长非掺杂InP缓冲层，利用等离子体增强化学气相淀积方法生长一层SiO2用掩蔽，利用RIE刻蚀掉激光器区域的SiO2掩蔽，对激光器区域的InP定向掺杂，形成n-InP缓冲层。
实施例二
本发明实施例还提供了一种新型半导体激光器结构，所述结构能够通过实施例一的制作方法实现，所述结构包括激光器区域和调制器区域，两者共同位于同一衬底上，具体的：
在所述调制器区域的衬底上、从下到上依次包括InP缓冲层3、第一下限制层4、第一多量子阱层6、第一上限制层8、第一上波导层10和InP保护光栅层11。
在所述激光器区域的衬底1上、从下到上依次包括n-InP缓冲层2、第一下限制层4、第二多量子阱层5、第二上限制层7、第二上波导层9和InP保护光栅层11。
在所述调制器区域的InP保护光栅层11上设置有第一SiO2台面17，所述第一SiO2台面17的表面之上设置有InP18和InGaAs19；位于所述第一SiO2台面17的两侧和InP保护光栅层11之上分别设置第一p-InP层20和第一n-InP层21；位于所述第一SiO2台面17上的InGaAs的两侧和第一p-InP层20之上设置有第一p-InGaAs层22；位于所述第一SiO2台面17上的InGaAs的两侧和第一n-InP层21之上设置有第一n-InGaAs层23。
在所述激光器区域的InP保护光栅层11上设置有第二SiO2台面12，所述第二SiO2台面12的两侧均设置有p-InP和n-InP，其中n-InP所归属的第二n-InP层14的位置在p-InP所归属的第二p-InP层13的位置之上；在所述第二n-InP层14和第二SiO2台面12的表面之上设置有第三p-InP层15和InGaAs层16。
结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，其中，所述第一多量子阱层6的厚度为所述第二多量子阱层5厚度的一半。
实施例三
本发明实施例将依据实施例所阐述的制作方法和实施二所阐述的结构，就针对一具备有具体参数的激光器芯片的加工过程，阐述本发明方法具体实现流程。具体阐述如下：
采用低压金属有机源化学汽相沉淀法(LP-MOCVD)，在经过严格清洗的掺(S)n-InP衬底1的平面上，顺次进行一次处延生长4um非掺杂InP缓冲层(InP-buffer)。如图3所示，利用等离子体增强化学气相淀积技术(PECVD)生长一层SiO2用掩蔽，利用光刻显影技术和RIE刻蚀技术，去掉激光器区域的SiO2掩蔽(如图4所示)，激光器区域的长度为400um，调制器区域的长度为300um，用热扩散工艺对激光区区域的InP进行掺杂行成n-InP(即n-InP层2)，调制区的InP没有掺杂(即InP层3)，作背面电极时，激光器区域就能进行纵向加电，而调制器因为没有n-InP，没有形成有效接触层，无法进行纵向加电，从而为平行加电压提供保障。
去掉所有的SiO2掩蔽，严格清洗晶元片后，依次外延下限制层4，激光器多量子阱层(即第二多量子阱层5)，效果图如图5所示。经过计算，量子阱QW中的源层InGaAsP的厚度为10nm，隔层的厚度为5nm，激射峰值设定在1.47um，量子阱的个数为14个。利用干法刻蚀或者化学腐蚀去掉除激光器区域之外的区域的量子阱，如图6所示。
利用对接生长法生长调制器多量子阱层(即第一多量子阱层6)，量子阱的材料成分与激光器量子阱材料成分相同，量子阱的个数为8个，如图7所示，其中，图8为激光器端面作为视角的结构示意图。
分别在激光器区域和调制器区域，依次外延上限制层和上波导层。利用电子束刻蚀技术只在激光器区域上波导层(即第二上波导层7)刻蚀出光栅，为了得到1550nm波长的光，光栅的等效折射率n为3.21，光栅周期为241.433nm。完成光栅制做后，再外延一层InP保护光栅层11，如图9所示，其中，图10为激光器端面作为视角的结构示意图。
PECVD生长SiO2作掩蔽层，光刻出约2um的激光器和调制器条形，用化学腐蚀形成宽1.5um高2um的台面。腐蚀液的成分为饱和溴水：氢溴酸：去离子水，腐蚀形成缓坡台面，如图11所示。
在激光器区域，用SiO2作为台面掩蔽选择生长半绝缘InP层，厚度600nm，去掉SiO2掩蔽重新生长，光刻加干法刻蚀保留台面与调制区的掩蔽层，利用选择性掺杂技术对激光区的半绝缘InP进行掺杂行成p-InP，如图12所示。重复上这种方法，在激光区区域形成p-InP层13，n-InP层14(厚1.4um)，p-InP层15(厚1.7um)，在纵向形成p-n-p结构。
对调制器的掺杂的深度要远大于激光器，在SiO2台面上生长半绝缘InP，并通过选择性掺杂形成p-InP层18和n-InP层13。对有源区上面的InP16不进行掺杂。
最后生长一层InGaAs作为电极接触层11，如图12-13所示。分别对激光器区和调制器区域的顶层InGaAs进行不同的掺杂。激光器区形成p-InGaAs层11，调制器两边分别为n-InGaAs层14和p-InGaAs层15，从而形成侧向p-i-n结。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新型半导体激光器制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层；
在所述InP缓冲层和所述n-InP缓冲层上分别生成用于制造激光器和调制器的下限制层、多量子阱层、上限制层和上波导层，并在所述上波导层上沉淀InP保护光栅层；
在所述InP保护光栅层上生长SiO2台面构成掩蔽层，所示SiO2台面横跨所述调制器区域和激光器区域，并垂直于所述调制器区域和激光器区域的交界面；
对于位于所述调制器区域的SiO2台面，利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述InP保护光栅层上生长SiO2台面，具体包括：
在所述InP保护光栅层上生长SiO2，涂覆并光刻出激光器和调制器条形的防腐层，腐蚀形成台面和台面两侧的缓坡台面。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述利用沉淀方式在其一侧形成第一p-InP层和第一p-InGaAs层，并在其另一侧形成第一n-InP层和第一n-InGaAs层，具体包括：
在具有SiO2台面的InP保护光栅层上沉淀InP，并分别对于SiO2台两侧InP做掺杂处理，一侧形成第一p-InP层，另一侧形成第一n-InP层；
在由第一p-InP层、第一p-InP层和SiO2台上方的InP层构成平面上沉淀InGaAs；
对应所述第一p-InP层和第一n-InP层所在侧，掺杂生成相应第一p-InGaAs层和第一n-InGaAs层；
所述SiO2台面上，并位于所述第一p-InGaAs层和第一n-InGaAs层之间为InGaAs。
4.根据权利要求1-3任一所述的制作方法，其特征在于，在所述激光器区域还包括：
将SiO2台面掩蔽，并在所述InP保护光栅层上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第二p-InP层；
将SiO2台面掩蔽，并在所述第二p-InP层上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第二n-InP层；
在所述第二n-InP层和SiO台面上生长半绝缘InP，利用选择性掺杂对激光器区域的半绝缘InP进行掺杂行成第三p-InP层；
在所述第三p-InP层生长InGaAs层。
5.根据权利要求1-4任一所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括：在激光器区域和调制器区域的链接处刻蚀出隔离区域，其中，刻蚀深度抵达所述下限制层为止。
6.根据权利要求1-4任一所述的制作方法，其特征在于，所述在衬底上的用于制造激光器区域沉淀InP缓冲层，并在用于制造调制器区域通过沉淀方式形成n-InP缓冲层，具体包括：
在衬底上处延生长非掺杂InP缓冲层，利用等离子体增强化学气相淀积方法生长一层SiO2用掩蔽，利用RIE刻蚀掉激光器区域的SiO2掩蔽，对激光器区域的InP定向掺杂，形成n-InP缓冲层。
7.一种新型半导体激光器结构，其特征在于，所述结构包括激光器区域和调制器区域，两者共同位于同一衬底上，具体的：
在所述调制器区域的衬底上、从下到上依次包括InP缓冲层、第一下限制层、第一多量子阱层、第一上限制层、第一上波导层和InP保护光栅层；
在所述激光器区域的衬底上、从下到上依次包括n-InP缓冲层、第一下限制层、第二多量子阱层、第二上限制层、第二上波导层和InP保护光栅层；
在所述调制器区域的InP保护光栅层上设置有第一SiO2台面，所述第一SiO2台面的表面之上设置有InP和InGaAs；位于所述第一SiO2台面的两侧和InP保护光栅层之上分别设置第一p-InP层和第一n-InP层；位于所述第一SiO2台面上的InGaAs的两侧和第一p-InP层之上设置有第一p-InGaAs层；位于所述第一SiO2台面上的InGaAs的两侧和第一n-InP层之上设置有第一n-InGaAs层；
在所述激光器区域的InP保护光栅层上设置有第二SiO2台面，所述第二SiO2台面的两侧均设置有p-InP和n-InP，其中n-InP所归属的第二n-InP层的位置在p-InP所归属的第二p-InP层的位置之上；在所述第二n-InP层和第二SiO2台面的表面之上设置有第三p-InP层和InGaAs层。
8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于，所述第二量子阱层的厚度为所述第一量子阱层厚度的一半。
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