CN106711761B - 一种dfb半导体激光器制备方法及制得的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种DFB半导体激光器制备方法，包括以下步骤：步骤S11、制备外延片：外延片采用波导和有源区结构；步骤S12、制备基片：在外延片表面的光栅层上制备均匀的部分光栅，并对光栅进行掩埋生长；步骤S13、制备脊型波导：对基片进行脊型控制腐蚀，制备多个脊型波导。本发明还涉及该方法制得的DFB半导体激光器。本发明在制备脊型波导结构时在单颗管芯靠近其中间位置制备多个脊型波导，多个脊型波导相互独立，并且有各自的电流注入区域，其中只要有一个脊型波导的出光特性合格，则该管芯合格，由此制备的芯片工艺简便、与常规工艺兼容，能大幅有效地提高DFB半导体激光器的成品率。

Description

一种DFB半导体激光器制备方法及制得的激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器，具体涉及一种DFB半导体激光器制备方法及制得的激光器。
背景技术
随着光纤通信的迅速发展，单纵模和高速直调器件成为未来光通信领域里的主流光器件，是长距离和大容量光纤通信的关键器件。其广泛应用在光纤到户、数据中心、有线电视以及微波光子领域。
分布反馈式(DFB，distributed feedback)半导体激光器激光器为一种边发射的半导体激光器，通过在激光器内部制备周期性分布的光栅对光进行耦合和选模，实现单模输出。目前在单模半导体激光器制备过程中其采用的方法大致有如下几种：(1)1/4波长相移光栅，该结构制作复杂，并且成品率低，同时对两个端面镀完减反膜后，其单边的输出功率低，不利于产业化生产；(2)采用增益或损耗耦合型光栅，该方法能实现较高的产品率，但其在有源区引入了材料缺陷，容易产生产品长期工作的可靠性问题，目前该方法还未见批量的生产报道；(3)目前生产上较为常用的是采用折射率耦合型光栅，实现DFB器件的制备，制备该器件要综合考虑到光栅的位置、耦合系数，以及光栅和材料增益谱线的匹配情况；即便是解决了如上的问题，对于折射率耦合光栅来说由于其芯片解离采用机械解离，因此光栅在端面会留下随机的相位，这些随机相位的光栅对反射光的影响导致了目前DFB器件良率低的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种DFB半导体激光器制备方法及制得的激光器。
本发明提出的技术方案如下。
一种DFB半导体激光器制备方法，包括以下步骤：
步骤S11、制备外延片：外延片采用波导和有源区结构；
步骤S12、制备基片：在外延片表面的光栅层上制备均匀的部分光栅，并对光栅进行掩埋生长；
步骤S13、制备脊型波导：对基片进行脊型控制腐蚀，制备多个脊型波导。
进一步地，还包括：
步骤S14、制备芯片：将步骤S13制得的样品依次经脊型波导区域开孔、P面金属镀膜、物理研磨减薄、N面金属镀膜、合金后进行解离，然后在出光端面和背光端面蒸镀光学膜。
进一步地，步骤S11包括如下步骤：
在N-InP衬底上，通过MOCVD外延生长N-InP缓冲层；
在N-InP缓冲层生长禁带宽度和折射率渐变的InAlGaAs下波导层；
在InAlGaAs下波导层上生长AlGaInAs多量子阱有源层；
在AlGaInAs多量子阱有源层上生长InAlGaAs上波导层；
在InAlGaAs上波导层上依次生长低掺杂的P-InP过渡层和P-InGaAsP过渡层；
在P-InGaAsP过渡层上生长低掺杂P-InP空间层；
在P-InP空间层上依次生长InGaAsP光栅层和InP保护层，从而完成一次生长。
进一步地，步骤S12包括以下步骤：
采用部分光栅光刻板，将靠近出光端面和背光端面一段区域内的光刻胶去掉；
采用双光束全息方法制备均匀光栅，采用搅拌腐蚀方法形成周期均匀光栅；
对光栅表面进行清洗处理；
放入MOCVD外延炉中在光栅表面依次生长InP光栅覆盖层、P-InP过渡层和P-InGaAsP过渡层和P-InGaAs重掺杂层，从而完成二次生长。
进一步地，步骤S13包括以下步骤：
采用PECVD沉积SiO2介质层，光刻；
采用H2SO4:H2O2:H2O腐蚀液腐蚀基片表面的P-InGaAs重掺杂层和P-InGaAsP过渡层，接着采用H3PO4:HCl腐蚀至InP光栅覆盖层，形成多个脊型波导；
去除表面SiO2介质层，再次PECVD沉积SiO2钝化层。
进一步地，所述多个脊型波导为四个脊型波导。
进一步地，对每个脊型波导采用单独供电的方式进行供电。
一种根据如前任一项所述的方法制得的DFB半导体激光器，所述DFB半导体激光器为包含多个激光器的单颗管芯，多个激光器各自的脊型波导相互独立，每个脊型波导由对应的激光器焊盘单独供电。
进一步地，所述多个脊型波导位于管芯的中间位置。
进一步地，所述管芯还包括金属覆盖区域，金属覆盖区域位于脊型波导的上表面。
本发明的有益效果：
本发明提出的DFB半导体激光器制备方法，采用的外延片为光通信波段InP基半导体激光器外延片，对一次外延片进行部分光栅制作和二次生长形成基片的结构，采用脊型工艺制备高良率的DFB半导体激光器。在制备脊型波导结构时在单颗管芯靠近其中间位置制备四个脊型波导，四个脊型波导相互独立，并且有各自的电流注入区域，其中只要有一个脊型波导的出光特性合格，则该管芯合格，由此制备的芯片工艺简便、与常规工艺兼容，能大幅有效地提高DFB半导体激光器的成品率。并且，在光栅制备时，采用部分的均匀光栅工艺，在靠近芯片出光端面和背光端面处的一段区域不制备光栅，这样处理能避免由于机械解离光栅而产生的端面光栅随机相位问题，提高成品率。另外，通过对打点区域的识别可以对不同管芯进行分类，工艺简便，可较快导入生产。
附图说明
图1为本发明提出的DFB半导体激光器制备方法的工艺流程图；
图2为本发明提出的DFB半导体激光器中含光栅的外延结构示意图；
图3为本发明提出的DFB半导体激光器的芯片结构图；
图4为本发明提出的DFB半导体激光器中管芯镀完金属膜后的芯片结构图。
附图标记说明：
1：N-InP衬底，2：N-InP缓冲层，3：InAlGaAs下波导层，4：多量子阱有源层，5：InAlGaAs上波导层，6：P-InP过渡层，7：P-InGaAsP过渡层，8：P-InP空间层，9：InGaAsP光栅层，10：InP光栅覆盖层，11：P-InP过渡层，12：P-InGaAsP过渡层，13：P-InGaAs重掺杂层，14：脊型波导，15：脊型波导，16：脊型波导，17：脊型波导，18：激光器焊盘，19：激光器焊盘，20：激光器焊盘，21：激光器焊盘，L：管芯腔长，W：管芯宽度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。
本发明提出的一种DFB半导体激光器制备方法如图1所示，包括以下步骤：
步骤S11、制备外延片：外延片采用波导和有源区结构，可以提高增益，降低损耗；
步骤S12、制备基片：去除外延片表面的保护层，在外延片表面的光栅层上制备均匀的部分光栅，并对光栅进行掩埋生长；
步骤S13、制备脊型波导：采用湿法腐蚀工艺进行脊型控制腐蚀，实现四个脊型波导的制备；
步骤S14、制备芯片：对样品进行常规工艺制作，依次经脊型波导区域开孔、P面金属镀膜、物理研磨减薄、N面金属镀膜、合金后进行解离，然后在出光和背光端面蒸镀光学膜。
其中，步骤S11可以包括如下步骤：
在N-InP衬底1上，通过MOCVD(金属有机化学汽相沉积法)外延生长N-InP缓冲层2,N-InP缓冲层2的厚度可以为1μm；
在N-InP缓冲层2上生长禁带宽度和折射率渐变的InAlGaAs下波导层3，其中InAlGaAs下波导层3的折射率和禁带宽度呈线性变化，并且越靠近有源区禁带宽度越窄，折射率越大，折射率增加起到光波导的作用，禁带宽度变小起到对载流子的限制作用；InAlGaAs下波导层3可以为N-InAlGaAs下波导层，其厚度可以为60nm；
在InAlGaAs下波导层3上生长AlGaInAs多量子阱有源层4，采用AlGaInAs多量子阱能够有效提高导带量子阱和势垒的能量差，提高载流子限制能力，并提高芯片高温下的注入效率，提高其特征温度；AlGaInAs多量子阱有源层4可以为四对周期为14nm的AlGaInAs应变多量子阱；
在AlGaInAs多量子阱有源层4上生长InAlGaAs上波导层5，InAlGaAs上波导层5的折射率和禁带宽度变化与InAlGaAs下波导层3类似；InAlGaAs上波导层5的厚度为60nm；
在InAlGaAs上波导层5上依次生长低掺杂的P-InP过渡层6和P-InGaAsP过渡层7，主要是为了降低掺杂层对载流子和光场的损耗，提高增益；其中P-InP过渡层6的厚度可以为80nm，P-InGaAsP过渡层7的厚度可以为20nm；
在P-InGaAsP过渡层7上生长低掺杂P-InP空间层8，P-InP空间层8的厚度可以为30nm；
在P-InP空间层8上依次生长InGaAsP光栅层9和InP保护层，从而完成一次生长；其中InGaAsP光栅层9可以为P-InGaAsP光栅层，厚度可以为30nm；InP保护层厚度可以为10nm。
步骤S12可以采用HCl腐蚀掉外延片表面的InP保护层后，在InGaAsP光栅层9上制备均匀的部分光栅，完成外延生长，如图2所示。具体步骤可以为：
匀胶后，采用部分光栅光刻板，将距离管芯出光端面和背光端面各20um区域内的光刻胶去掉，从而显影掉无光栅区域光刻胶；
采用双光束全息方法制备均匀光栅，采用HBr：HNO3：H2O溶液在0℃温度下进行搅拌腐蚀形成周期均匀光栅；制备的芯片腔长可以为250um，在靠近出光端面和背光端面各20um的区域内无光栅，其余部分为均匀光栅；
去除光栅表面的光刻胶和介质层，对光栅表面进行KOH和HF溶液的清洗，然后用异丙醇清洗，去离子水冲洗，氮气吹干；
放入MOCVD外延炉生长腔体内，生长InP光栅覆盖层10，然后生长P-InP过渡层11和P-InGaAsP过渡层12，最后生长P-InGaAs重掺杂层13，从而完成外延生长(即二次生长)；其中，InP光栅覆盖层10可以为P-InP光栅覆盖层，厚度可以为1.5μm；P-InP过渡层11和P-InGaAsP过渡层12的总厚度可以为50nm；P-InGaAs重掺杂层13作为电接触层，掺杂浓度可以为2×1019cm-3，厚度可以为200nm。
步骤S13可以采用湿法腐蚀工艺进行脊型控制腐蚀，实现四个脊型波导的制备，如图3所示。具体步骤可以为：
采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)沉积200nm SiO2介质层，光刻；
在脊型控制腐蚀过程中，采用H2SO4:H2O2:H2O腐蚀液腐蚀基片表面的P-InGaAs重掺杂层13和P-InGaAsP过渡层12，接着采用H3PO4:HCl腐蚀至InP光栅覆盖层10，形成四个脊型波导14、15、16、17。其中，四个脊型波导在芯片中间呈对称分布，脊型波导尺寸控制在上脊宽约2.0μm，下脊宽约1.8μm，脊型波导的两侧槽宽约15um，相邻脊型波导之间的间隔可以有效避免波导间的相互影响；脊深约1.7μm；
去除表面SiO2介质层，再次PECVD沉积350nm SiO2钝化层。
步骤S14可以依次采用以下工艺：光刻形成解个区，光刻，脊型顶部开孔，放入电子束蒸发腔体蒸发P面金属Ti/Pt/Au
Figure GDA0004023704240000051
物理研磨减薄N型层至厚度在110um左右，下片进行背面处理，电子束蒸发N面金属Ti/Pt/Au
Figure GDA0004023704240000052
在420℃温度下合金55s，解离成巴(bar)条，蒸镀端面光学薄膜，出光面(AR)采用一对Si/Al2O3高反膜实现2％左右的反射率，背光面(HR)采用两对Al2O3/Si高透膜实现90％左右的反射率，从而完成芯片制备，测试解离成单颗管芯。
图4中脊型波导表面为金属覆盖区域，箭头所示为出光方向。对于四个脊型波导，其波导上脊开孔在金属覆盖区域以下，因此四个脊型波导的电注入分别独立，图4中左右各两个金属焊盘区域，即激光器焊盘18、19、20、21，分别为四个独立的激光器供电。
本方法采用部分光栅的工艺在芯片端面避免了解离而引起的随机光栅相位，优化了成品率，同时在单颗管芯上实现了四个相互独立的激光器，使得其中有一个激光器正常工作这该管芯即合格，很大程度地提高了DFB激光器的成品良率。
本发明还提出一种通过上述方法制得的DFB半导体激光器，如图2、图3和图4所示，所述DFB半导体激光器为包含多个激光器的单颗管芯，多个激光器各自的脊型波导相互独立，每个脊型波导由对应的激光器焊盘单独供电，从而使得多个激光器相互独立，因此只要其中一个激光器正常工作，该管芯即为合格，很大程度地提高了DFB激光器的成品良率。
另外，所述多个脊型波导位于管芯的中间位置，在管芯靠近出光端面和背光端面处的一段区域不制备光栅，这种采用部分光栅的工艺在芯片端面避免了解离而引起的随机光栅相位，优化了成品率。
优选地，管芯包括四个脊型波导14、15、16、17。
其中，四个脊型波导在芯片中间呈对称分布，脊型波导尺寸控制在上脊宽约2.0μm，下脊宽约1.8μm，脊型波导的两侧槽宽约15um，相邻脊型波导之间的间隔可以有效避免波导间的相互影响；脊深约1.7μm。
优选地，管芯腔长L为250μm，宽度W为300μm。
优选地，距离管芯出光端面和背光端面20um的区域内不制备光栅。
所述管芯依次包括N-InP衬底1、N-InP缓冲层2、InAlGaAs下波导层3、多量子阱有源层4、InAlGaAs上波导层5、P-InP过渡层6、P-InGaAsP过渡层7、P-InP空间层8、InGaAsP光栅层9、InP光栅覆盖层10、P-InP过渡层11、P-InGaAsP过渡层12和P-InGaAs重掺杂层13，如图3所示。InP光栅覆盖层10、P-InP过渡层11、P-InGaAsP过渡层12和P-InGaAs重掺杂层13构成脊型波导14、15、16、17。
N-InP衬底1可以为两英寸。
N-InP缓冲层2的厚度可以为1μm。
InAlGaAs下波导层3可以为N-InAlGaAs下波导层，其厚度可以为60nm；InAlGaAs下波导层3的折射率和禁带宽度呈线性变化，并且越靠近有源区禁带宽度越窄，折射率越大，折射率增加起到光波导的作用，禁带宽度变小起到对载流子的限制作用。
AlGaInAs多量子阱有源层4可以为四对周期为14nm的AlGaInAs应变多量子阱。
InAlGaAs上波导层5的折射率和禁带宽度变化与InAlGaAs下波导层3类似；InAlGaAs上波导层5的厚度为60nm；
P-InP过渡层6的厚度可以为80nm，P-InGaAsP过渡层7的厚度可以为20nm。
P-InP空间层8的厚度可以为30nm。
InGaAsP光栅层9可以为P-InGaAsP光栅层，厚度可以为30nm。
InP光栅覆盖层10可以为P-InP光栅覆盖层，厚度可以为1.5μm。
P-InP过渡层11和P-InGaAsP过渡层12的总厚度可以为50nm。
P-InGaAs重掺杂层13作为电接触层，掺杂浓度可以为2×1019cm-3，厚度可以为200nm。
所述管芯还包括金属覆盖区域，金属覆盖区域位于脊型波导的上表面。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种DFB半导体激光器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S11、制备外延片：外延片采用波导和有源区结构；
步骤S12、制备基片：在外延片表面的光栅层上制备均匀的部分光栅，并对光栅进行掩埋生长；
步骤S13、制备脊型波导：对基片进行脊型控制腐蚀，制备多个脊型波导；
其中，步骤S11包括如下步骤：
在N-InP衬底上，通过MOCVD外延生长N-InP缓冲层；
在N-InP缓冲层生长禁带宽度和折射率渐变的InAlGaAs下波导层，其中，所述InAlGaAs下波导层越靠近有源区禁带宽度越窄，折射率越大；
在InAlGaAs下波导层上生长AlGaInAs多量子阱有源层；
在AlGaInAs多量子阱有源层上生长InAlGaAs上波导层；
在InAlGaAs上波导层上依次生长低掺杂的P-InP过渡层和P-InGaAsP过渡层；
在P-InGaAsP过渡层上生长低掺杂P-InP空间层；
在P-InP空间层上依次生长InGaAsP光栅层和InP保护层，从而完成一次生长；
步骤S12包括以下步骤：
采用部分光栅光刻板，将靠近出光端面和背光端面一段区域内的光刻胶去掉；
采用双光束全息方法制备均匀光栅，采用搅拌腐蚀方法形成周期均匀光栅；
对光栅表面进行清洗处理；
放入MOCVD外延炉中在光栅表面依次生长InP光栅覆盖层、P-InP过渡层和P-InGaAsP过渡层和P-InGaAs重掺杂层，从而完成二次生长；
步骤S13包括以下步骤：
采用PECVD沉积SiO2介质层，光刻；
采用H2SO4:H2O2:H2O腐蚀液腐蚀基片表面的P-InGaAs重掺杂层和P-InGaAsP过渡层，接着采用H3PO4:HCl腐蚀至InP光栅覆盖层，形成多个脊型波导；
去除表面SiO2介质层，再次PECVD沉积SiO2钝化层。
2.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器制备方法，其特征在于，还包括：
步骤S14、制备芯片：将步骤S13制得的样品依次经脊型波导区域开孔、P面金属镀膜、物理研磨减薄、N面金属镀膜、合金后进行解离，然后在出光端面和背光端面蒸镀光学膜。
3.根据权利要求1 所述的DFB半导体激光器制备方法，其特征在于，所述InAlGaAs下波导层的折射率和禁带宽度呈线性变化。
4.根据权利要求2所述的DFB半导体激光器制备方法，其特征在于，所述InAlGaAs下波导层的折射率和禁带宽度呈线性变化。
5.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器制备方法，其特征在于，所述多个脊型波导为四个脊型波导。
6.根据权利要求1所述的DFB半导体激光器制备方法，其特征在于，对每个脊型波导采用单独供电的方式进行供电。
7.一种根据如权利要求1至6中任一项所述的方法制得的DFB半导体激光器，其特征在于，所述DFB半导体激光器为包含多个激光器的单颗管芯，多个激光器各自的脊型波导相互独立，每个脊型波导由对应的激光器焊盘单独供电。
8.根据权利要求7所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述多个脊型波导位于管芯的中间位置。
9.根据权利要求7所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述管芯还包括金属覆盖区域，金属覆盖区域位于脊型波导的上表面。
10.根据权利要求8所述的DFB半导体激光器，其特征在于，所述管芯还包括金属覆盖区域，金属覆盖区域位于脊型波导的上表面。
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