CN107046227A - 一种bcb掩埋高速dfb半导体激光器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，包括以下步骤1.在基片的衬底层上一次外延生长出外延层，得到片子；再对所述片子进行光栅的制备，并对所述光栅进行外延生长成外延片；2.对所述外延片进行光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀，形成具有到台面的脊形波导结构，所述脊形波导结构的各壁均呈现开口朝外的圆弧状；进行湿法腐蚀至所述外延层的缓冲层上；在所述外延片通过PECVD生长SiO2钝化层，之后对所述外延片进行BCB胶的填充呈初成品；3.对所述初成品表面进行常规光刻、显影，去除所述波导层表面和圆弧区域缓冲层表面区域的BCB胶，并刻蚀去除该区域表面的钝化层形成金属覆盖区，一次性蒸镀P型和N型金属呈半成品；4.对所述半成品进行工艺加工。

Description

一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法。
背景技术
随着人们对信息容易日益提高的需求，高速直调半导体激光器是大容量光纤通信系统中的关键器件。其大量应用在数据中心、手机基站、波分复用等领域。
从理论上来讲，提高器件直调速率主要通过两个方面的方法：提高器件驰豫振荡频率，降低器件的RCL寄生参量。对于半导体激光器来说提高驰豫频率可以通过降低阈值、提高增益、降低光子寿命等方法实现。而降低器件的电阻、电容的因素是提高器件调制速率的另一方面因素。
常规的掩埋异质结结构可以实现对载流子和光子的限制，从而实现低的阈值和高的注入效率，通过减小脊宽可以进一步降低光子寿命，然而掩埋异质结工艺相对复杂，使用多次二次生长耗费设备和资源；采用RWG结构则不利于提高微分增益，同时其阈值一般偏高，要实现高速直调也有许多受限的因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，包括以下步骤，
S1：在基片的衬底层上一次外延生长出外延层，得到片子；再对所述片子进行光栅的制备，并对所述光栅进行外延生长得到外延片；
S2：对所述外延片进行光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀，形成具有到台面的脊形波导结构，所述脊形波导结构的四个侧壁均呈现开口朝外的圆弧状；进行湿法腐蚀时腐蚀至所述外延层的缓冲层上；
对形成脊椎波导结构后的所述外延片通过PECVD生长SiO2钝化层，之后对生长有所述SiO2钝化层的所述外延片进行BCB胶的填充，得到初成品；
S3：对所述初成品表面进行常规光刻以及显影，去除所述初成品的脊型波导结构表面和所述圆弧状上且在所述缓冲层表面区域的BCB胶，并刻蚀去除该区域表面的钝化层形成金属覆盖区域，一次性蒸镀P型和N型金属，得到半成品；
S4：对所述半成品进行合金，解离、出光以及背光端面蒸镀光学膜。
作为进一步改进，在步骤S1中：所述衬底层采用N-InP衬底层，在N-InP衬底上通过MOCVD依次外延生长N-InP缓冲层、N-InGaAsP过渡层、未掺杂InGaAsP的下波导层、5层InGaAsP多量子阱、未掺杂InGaAsP上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP覆盖层，完成一次外延生长。所述未掺杂InGaAsP的下波导层与所述未掺杂InGaAsP的下波导层组分渐变，使得材料的禁带宽度靠近有源区方向呈线性递减；来达到对载流子限制的目的；接着进行光栅制备，对所述外延层进行全息曝光，并用溴酸系腐蚀液在低温下进行搅拌腐蚀形成光栅，所述光栅从所述P-InP覆盖层腐蚀至所述P-InGaAsP光栅层。
作为进一步改进，在步骤S2中，采用RIE干法刻蚀对所述外延片上的所述SiO2介质层进行刻蚀，接着采用腐蚀液在室温下对脊型进一步腐蚀，腐蚀至所述外延层的缓冲层；
接着去除所述外延片表面残留的所述SIO2介质层，沉积SiO2钝化层，对初成品进行BCB胶的填充和掩埋。
作为进一步改进，在步骤S3中，进行对所述初成品进行常规光刻、显影，去除所述初成品表面和所述圆弧状上且在所述缓冲层表面区域的BCB胶，随后使BCB胶固化，干法刻蚀去除所述初成品表面以及凹槽区域表面的SiO2层，对所述初成品表面采用稀盐酸进行漂洗，去除氧化物，采用电子束蒸发Ti/Pt/Au金属，接着剥离形成N型和P型接触金属，随后合金形成欧姆接触。
5.作为进一步改进，在步骤S4中，对制备完的所述半成品进行解离，并对管芯出光面和背光端面进行光学薄膜的蒸镀，采用单层Al2O3膜和两对Al2O3/Si膜分别形成出光端面和背光端面的高透和高反膜。
6.作为进一步改进，步骤S1、步骤S2之间进一步包括步骤S12，对所述外延片PECVD生长SiO2介质层。
7.作为进一步改进，在形成所述脊形波导结构之后，生长SiO2钝化层之前需要去除所述初成品表面的Sio2介质层。
8.作为进一步改进，所述N-InP缓冲层厚度为0.8μm，所述N-InGaAsP过渡层45nm，所述InGaAsP下波导层厚度为50nm无掺杂，每一InGaAsP多量子阱光致发光波长为1285nm，厚度为8.5nm；所述无掺杂InGaAsP上波导层厚度为50nm，所述P-InP空间层厚度为100m；所述P-InGaAsP光栅层厚度为25nm，所述P-InP覆盖层厚度为20nm P-InP。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
本发明直接采用BCB对异质结进行掩埋，无需二次生长工艺，由于BCB的折射率相对低，因此可以实现在脊型区域良好的载流子限制和光子限制能力，同时有源区两侧采用BCB掩埋，有效降低了器件的寄生电容。此外在电极制备过程中采用P型和N型金属共面的方法，降低了载流子的传输距离，进一步降低电阻，提高注入效率，更加容易实现器件的高速直调特性。
附图说明
图1是本发明一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法中外延片的结构示意图，
图2是本发明一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法中外延片经过光刻、干法刻蚀以及湿法腐蚀的结构示意图。
图3是本发明一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法中外延片的结构示意图的管芯正表面结构示意图，其中沿着出光方向左右两边分别为共面的N型和P型接触电极。
主要元件符号说明
1 N-InP衬底，
2 N-InP缓冲层
3 N-InGaAsP过渡层
4 InGaAsP下波导层
5 多量子阱有源层
6 InGaAsP上波导层
7 P-InP空间层
8 P-InGaAsP/P-InP光栅层
9 P-InGaAsP过渡层，
10 P+-InGaAs电接触层。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，在两英寸基板的N-InP衬底层1上，通过金属有机化学汽相沉积依次生长厚度为0.8μm的N-InP缓冲层2，厚度为45nm的N-InGaAsP过渡层3，厚度为50nm的无掺杂InGaAsP下波导层4，数量为5个的InGaAsP多量子阱5，每一量子阱光致发光波长为1285nm，所述量子阱厚度8.5nm；厚度为50nm无掺杂InGaAsP上波导层6，100m P-InP空间层7；25nmP-InGaAsP光栅层8，20nm P-InP覆盖层9；得到片子；
随后进行光栅制备，光栅从所述P-InP覆盖层9腐蚀至所述P-InGaAsP光栅层8，形成光栅；依次将所述光栅在KOH溶液中，HF溶液中，在异丙醇溶液中漂洗，值得注意的是，每次漂洗后都要进行去离子水冲洗；最后用氮气吹干，外延生长2μm P-InP过渡层，50nm P-InGaAsP过渡9层，150nm P+-InGaAs接触层10。得到外延片。
2.在所述外延片上通过PECVD沉积200nm SiO2介质层；随后将所述外延片常规光刻形成脊型结构，接着采用，RIE干法刻蚀所述SiO2介质层，将所述光刻呈脊形结构后的所述外延片，所述刻蚀深度在1μm左右；接着进行湿法腐蚀，采用HBr:Br2：H2O腐蚀液对脊型进一步腐蚀，腐蚀至所述N-InP缓冲层2，腐蚀深度为3μm形成脊型波导结构；腐蚀后的所述脊型波导结构的上表面宽度在3μm左右，有源区宽度在1.6μm左右，使所述脊形波导结构的四个侧壁均呈现开口朝外的圆弧状。去除所述腐蚀后的脊形波导结构表面残留的所述SIO2介质层，随后PECVD沉积500nm SiO2钝化层，对样品进行旋涂BCB胶，使得BCB胶填充在腐蚀后的所述脊型波导结构两侧的圆弧区域。
3.常规光刻，显影，去除脊型波导表面和所述圆弧区域上的N-InP缓冲层2表面BCB胶，BCB固化处理；干法刻蚀去除BCB区域表面的SiO2层，对样品表面采用HCl：H2O漂洗20s，去除氧化物，采用电子束蒸发厚度为100nm的Ti金属、厚度为100nm的Pt金属、厚度为500nm的Au金属，剥离，形成N型和P型接触金属，在N2氛围400℃中合金1min，形成欧姆接触。
4.片子进行解离成腔长200μm的Bar条，并对Bar条出光和背光端面进行光学薄膜的蒸镀，采用单层厚度为120nm的Al2O3膜和两对Al2O3/Si(240/90nm)膜，每一Al2O3/Si膜中所述Al2O3厚度为240nm、Si厚度为90nm；
并分别形成出光和背光端面的高透和高反膜，所述出光端面和所述背光端面反射率分别为10％和90％左右(@1310nm)。
采用上述方法制备的管芯具有低的串联电阻、低寄生电容、高注入效率，更加容易实现管芯的高速调制。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1：在基片的衬底层上一次外延生长出外延层，得到片子；再对所述片子进行光栅的制备，并对所述光栅进行外延生长得到外延片；
S2：对所述外延片进行光刻、干法刻蚀和湿法腐蚀，形成具有到台面的脊形波导结构，所述脊形波导结构的四个侧壁均呈现开口朝外的圆弧状；进行湿法腐蚀时腐蚀至所述外延层的缓冲层上；
对形成脊椎波导结构后的所述外延片通过PECVD生长SiO2钝化层，之后对生长有所述SiO2钝化层的所述外延片进行BCB胶的填充，得到初成品；
S3：对所述初成品表面进行常规光刻以及显影，去除所述初成品的脊型波导结构表面和所述圆弧状上且在所述缓冲层表面区域的BCB胶，并刻蚀去除该区域表面的钝化层形成金属覆盖区域，一次性蒸镀P型和N型金属，得到半成品；
S4：对所述半成品进行合金，解离、出光以及背光端面蒸镀光学膜。
2.如权利要求1所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中：所述衬底层采用N-InP衬底层，在N-InP衬底上通过MOCVD依次外延生长N-InP缓冲层、N-InGaAsP过渡层、未掺杂InGaAsP的下波导层、5层InGaAsP多量子阱、未掺杂InGaAsP上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP覆盖层。完成一次外延生长，所述未掺杂InGaAsP的下波导层与所述未掺杂InGaAsP的下波导层组分渐变，使得材料的禁带宽度靠近有源区方向呈线性递减；来达到对载流子限制的目的；接着进行光栅制备，对所述外延层进行全息曝光，并用溴酸系腐蚀液在低温下进行搅拌腐蚀形成光栅，所述光栅从所述P-InP覆盖层腐蚀至所述P-InGaAsP光栅层。
3.如权利要求1所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，采用RIE干法刻蚀对所述外延片上的所述SiO2介质层进行刻蚀，接着采用腐蚀液在室温下对脊型进一步腐蚀，腐蚀至所述外延层的缓冲层；
接着去除所述外延片表面残留的所述SIO2介质层，沉积SiO2钝化层，对初成品进行BCB胶的填充和掩埋。
4.如权利要求1所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，进行对所述初成品进行常规光刻、显影，去除所述初成品表面和所述圆弧状上且在所述缓冲层表面区域的BCB胶，随后使BCB胶固化，干法刻蚀去除所述初成品表面以及凹槽区域表面的SiO2层，对所述初成品表面采用稀盐酸进行漂洗，去除氧化物，采用电子束蒸发Ti/Pt/Au金属，接着剥离形成N型和P型接触金属，随后合金形成欧姆接触。
5.如权利要求1所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，对制备完的所述半成品进行解离，并对管芯出光面和背光端面进行光学薄膜的蒸镀，采用单层Al2O3膜和两对Al2O3/Si膜分别形成出光端面和背光端面的高透和高反膜。
6.如权利要求1所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：步骤S1、步骤S2之间进一步包括步骤S12，对所述外延片PECVD生长SiO2介质层。
7.如权利要求6所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：在形成所述脊形波导结构之后，生长SiO2钝化层之前需要去除所述初成品表面的Sio2介质层。
8.如权利要求2所述的BCB掩埋高速DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：所述N-InP缓冲层厚度为0.8μm，所述N-InGaAsP过渡层45nm，所述InGaAsP下波导层厚度为50nm无掺杂，每一InGaAsP多量子阱光致发光波长为1285nm，厚度为8.5nm；所述无掺杂InGaAsP上波导层厚度为50nm，所述P-InP空间层厚度为100m；所述P-InGaAsP光栅层厚度为25nm，所述P-InP覆盖层厚度为20nm P-InP。
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