CN107154580A - 一种小发散角激光器及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小发散角激光器及其制备工艺，包括基板和和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基本内，且端面刻蚀区内生长有发散角改善层；衍射光栅层和发散角改善层上依次覆盖有第二包层、接触层和p‑金属电极层，基板下表面镀有n‑金属电极层，发散角改善层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层，通过改变出光端面附件的材料而来改善发散角，由于其并不改变激光器原有结构且不存在光波导形貌与耦光控制问题，因此实现的工艺简单，可接受的容错范围大，且不改变原有激光器本身的特性。
Description
技术领域
本发明属于激光器及其制造工艺技术领域，具体涉及一种小发散角的激光器及其制备工艺。
背景技术
目前应用于高速(10G，25G，100G速率)远距离传输的激光器芯片主流都是端面出光的设计，这是因为端面出光的激光器不管是在工艺的复杂度与稳定度或是器件的光电特性与可靠性都远远好于面射型激光器(VCSEL)，一般正常端面出光的激光器如图1所示，激光器的出光面位于激光器的自然解理面上。
对于端面发光型激光器来说，因为其在出光平面内有源区上下材料的及不对称分布，导致其在光传播方向上光场与电场的不对称，表现在光远场特性即大的发散角及很不对称的光斑形状，在器件封装时，不对称光斑及大发散角激光器芯片发出来的光难于耦合到光纤中。为了达到预期的光纤耦光功率，封装厂会对芯片的功率提出非常高的要求，并采用昂贵的透镜来改善耦光效果；对于不对称的光斑还需要手动调节耦光角度，这使封装厂的封装效率与成本大幅增加。
为了提升耦光效果，跨国大公司以及各国研究机构尝试了各种方式，其中最主要的方案有两种方式1、应用区域选择生长技术(SAG)实现端面有源区在垂直结构上的梯度分布以实现改善发散角；2、采用双波导型(TWG)设计，在出光端面去掉上方波导，利用下方波导来实现改善发散角的目的；这些解决方案可以将发散角做到很小，解决客户对耦光效率的需求，但是这些方案大大的增加了工艺的复杂性，芯片的制造工艺不稳定，并存在光束的光轴会出现歪斜影响封装生产效率，产品良率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一新的制造端面出光型小发散角激光器的方法，通过特定的刻蚀方式与出光端面MOCVD再生长方式，来减小激光器远场发散角，具有较高的耦光效率，本发明制造工艺简单稳定，可以大幅提高产出芯片的良率，同时也降低了客户封装过程中的成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种小发散角激光器，包括基板和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基本内，且端面刻蚀区内生长有发散角改善层；衍射光栅层和发散角改善层上依次覆盖有第二包层、接触层和p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层，发散角改善层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层。
发散角改善层为绝缘型InP材料。
端面刻蚀区的长度Ls为5～20um；端面刻蚀区的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，Dq为有源区11的厚度；端面刻蚀区在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为110°～90°。
端面刻蚀区的长度Ls为15um，端面刻蚀区的刻蚀底面距有源区底面的深度Db与有源区的厚度Dq相等。
本发明的一种小发射角激光器的制备工艺，包括以下工序：
工序一：在已经制作好的光栅表面用等离子体增强型化学气相沉积的方法沉积一层端面刻蚀的掩模层，然后采用光刻技术将刻蚀区域露出，即端面刻蚀区的顶面，首先采用干刻蚀的方式，将露出区域刻蚀至有源区下方；然后使用含有Br、HBr和H2O的刻蚀溶液进行刻蚀，干刻蚀侧壁角度保持在103°～90°，刻蚀后，刻蚀区域底部距有源区下表面的距离为有源区厚度的0～1.5倍，且在波导方向刻蚀侧面与底面夹角为110°～90°；
工序二，采用SAG技术使用MOCVD沉积一层绝缘型InP包层作为发散角改善层，其中：发散角改善层的沉积温度比有源区11生长的温度高10～30℃，发散角改善层的厚度为端面刻蚀总深度的1-1.8倍；
工序三，使用MOCVD方法在衍射光栅层与发散角改善层上方依次沉积InP包层与InGaAs接触层；
工序四，在工序三后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在其表面使用PECVD形成一层绝缘层，之后再去除波导上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层，然后在InGaAs接触层与绝缘层上方形成p-金属电极层，之后将InP基板背面减薄抛光至100um，镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后在有发散角改善层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层，至此，工艺完成，得到改善发散角的激光器芯片。
掩模层的材料为Si3N4或SiO2。
工序一的刻蚀溶液中，Br：HBr：H2O＝1：5：x，其中x范围是3-10，最佳值是5。
工序一中：
端面刻蚀区的长度Ls为5～20um，其中15um为最佳值；
端面刻蚀区的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，1*Dq为最佳值，Dq为有源区的厚度；
端面刻蚀区在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为70°～90°。
发散角改善层的总厚度Dg范围为1*Dt～1.5*Dt，最佳值为1.2*Dt，Dt为端面刻蚀区的刻蚀总深度；发散角改善层的生长温度范围是Tq+10℃～Tq+30℃，最佳值是Tq+15℃，Tq为激光器有源区11生长温度。
工序一中，采用SiO2作为绝缘层。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明可以用一种全新的方式来制造拥有小发散角的激光器芯片，通过改变出光端面附近的材料来改善发散角，由于其并不改变激光器原有结构且不存在光波导形貌与耦光控制问题。因此实现的工艺简单，可接受的容错范围大，且不改变原有激光器本身的特性；此外，本发明采用干法刻蚀与选择性刻蚀技术，结合MOCVD的选择区域性体材料生长技术完成出光端面的发散角改善，本方案的刻蚀与生长技术都十分的成熟，是业界最常用的技术，其工艺稳定且易于实现，且由于本方案不存在波导轴心偏斜的问题，因此出光轴向不会发生偏斜。与现有技术相比工艺简单稳定，模态稳定性增加，产出良率提升，同时帮助减少客户封装成本与效率。
附图说明
图1为现有的端面出光型激光器芯片结构示意图。
图2为本发明的制造工序图，其中，图2a为端面刻蚀工艺图，图2b为端面发散角改善层生长工艺图，图2c为外包层再生长工艺图，图2d为器件结构形成工艺图。
图3为一般芯片与本发明小发散角在出光平面内的电场分布对比图，其中，图3a为常规无小发散角设计在出光平面电场分布图，图3b为本发明有小发散角设计在出光平面电场分布图。
图4为一般芯片与本发明小发散角在出光平面内的远场光场分布对比图，其中，图4a为一般无小发散角设计的光场分布；图4b为本发明有小发散角设计的光场分布。
图5为激光器远场发散角曲线图，其中，图5a为垂直发散角曲线图；图5b为水平发散角曲线图；
图6为本发明小发散角设计端面刻蚀结构示意图。
图7为本发明小发散角设计端面生长结构示意图。
附图中：10-基板，11-有源区，12-第一包层，13-衍射光栅层，14-掩模层，15-端面刻蚀区，20-发散角改善层，30-第二包层，31-接触层，40-p-金属电极层，41-n-金属电极层，42-高反射镀膜层，43-抗反射镀膜层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图2d所示，本发明的小发散角激光器，一种小发散角激光器，包括基板10和和依次设置在基板10上的有源区11、第一包层12和衍射光栅层13，第一包层12为InP材料，第一包层12和衍射光栅层13一端设置有端面刻蚀区15，端面刻蚀区15底部位于基本10内，且端面刻蚀区15内生长有发散角改善层20，发散角改善层20为绝缘型InP材料；衍射光栅层13和发散角改善层20上依次覆盖有第二包层30、接触层31和p-金属电极层40，基板10下表面镀有n-金属电极层41，发散角改善层20的一端镀上抗反射镀膜层43，另一端镀上高反射镀膜层42；其中：
端面刻蚀区15的长度Ls为5～20um；端面刻蚀区15的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，Dq为有源区11的厚度；端面刻蚀区15在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为110°～90°。
在本发明的优选实施例中，端面刻蚀区15的长度Ls为15um，端面刻蚀区15的刻蚀底面距有源区底面的深度Db与有源区11的厚度Dq相等。
图2是本实施方案通过刻蚀与生长技术实现激光器小发散角的制造工序流程框图，本发明的制备工艺包括四个工序，如图2a～图2d所示：
工序一：为端面刻蚀工艺，参见图2a，在已经制作好的grating表面用等离子体增强型化学气相沉积的方法(PECVD)沉积一层端面刻蚀的掩模层14，掩模层的材料为Si3N4或SiO2，然后采用光刻技术将需要刻蚀的区域露出，需要刻蚀的区域为从出光端向内缩15um，即端面刻蚀区15的顶面，光刻技术使用常规的光刻技术即可；首先采用干刻蚀的方式，将露出区域刻蚀过有源区11，干刻蚀侧壁角度保持在103°～90°；然后使用含有Br：HBr：H2O刻蚀溶液刻蚀后，刻蚀区域底部距有源区11下表面的距离为有源区11厚度的0～1.5倍，且在波导方向刻蚀侧面与底面夹角在110°～90°内。
工序二，端面发散角改善层生长工序，参见图2b，采用SAG技术使用MOCVD沉积一层绝缘型InP包层作为发散角改善层20，其中：发散角改善层20的沉积温度比有源区11生长的温度高10～30℃，如有源区生长温度为700℃时，则发散角改善层20的沉积温度应为710-730℃，发散角改善层20的厚度为端面刻蚀总深度的1-1.8倍。
工序三，参见图2c，使用MOCVD方法在衍射光栅层13与发散角改善层20上方依次沉积第二包层30与InGaAs接触层31，第二包层30为p-InP材料。
工序四，参见图2d，在工序三后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在其表面使用PECVD形成一层绝缘层，在本实施例中，采用SiO2作为绝缘层，之后再去除波导上表面的SiO2绝缘层，露出InGaAs接触层31，接下来在InGaAs接触层31与绝缘层上方形成p-金属电极层40，之后将InP基板10背面减薄抛光至100um，镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后在有发散角改善层20的一端镀上抗反射镀膜层43，另一端镀上高反射镀膜层42，至此，工艺完成，得到改善发散角的激光器芯片。
本发明通过在出光端面去除有源区材料，再生长一特定长度与厚度的绝缘型的InP层来实现激光器光斑整形的目的，使激光器的光斑对称且远场发散角缩小，来提升激光器芯片的耦光效果。在去除有源区时我们通过理论模拟与实验发现，当延波导方向刻蚀倾角<70°时，出光会发生歪斜，原因是光束传播在有源区-InP交界面时，若此交界面有很大斜度，光束的传播方向就会发生扭折最终影响出光的方向。另一方面，我们通过理论计算表明，增加InP的端面层后，原来在出光平面内严重变形的电场可以将被拉散，形成较为对称的分布，如图3：a为常规无小发散角设计在出光平面电场分布，b为本发明有小发散角设计在出光平面电场分布；从图中可以看出，这种对称的电场分布可以使得激光器的远场发散角减小，光斑形状更对称，此外也可以大大降低端面的反射，增强激光器的模态稳定性。本发明利用该理论计算与实验相结合，改善激光器出光端面的材料分布，实现了高模态稳定性的远场发散角小的对称光斑激光器芯片。与其他方案相比极大的降低了芯片制造工艺复杂度和成本，同时也为客户带来了封装成本降低，封装效率提升。
图4为具有小发散角设计与无小发散角设计的远场光场分布图。可以看到，由于激器芯片在端面电场分布的聚集畸变，没有小发散角设计的远场光斑大且不对称。而具有小发散角设计的光场由于出光端电场被对称拉散，导致其远场光斑更小且对称，即其发散角更小。
图5为有/无发散角设计在出光平面的垂直与水平远场发散角曲线。可以看出本发明的发散角明显缩小，这将更有利于封装耦光，降低客户封装的成本与效率。
本发明设计的具有小发散角的激光器芯片在端面刻蚀与生长工艺的结构示意图如图6和图7所示，其中：
端面刻蚀区如图6中【6-0】所表示，其中Ls是端面刻蚀区的长度，Dq是有源区的厚度，Db是刻蚀底面距有源区底面的深度，α是刻蚀区在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角；本发明中，Ls的长度范围为5～20um，其中15um为最佳值；刻蚀溶液配比为Br：HBr：H2O＝1：5：x，其中x范围是3-10，最佳值是5；Db的深度范围为0*Dq-1.5*Dq,其中最佳设计为1*Dq；α的角度范围为70°～90°。
端面MOCVD生长结构如图7中【7-0】所表示，Dt是刻蚀总深度，Dg是生长InP总厚度，本发明中，生长InP总厚度Dg范围为1*Dt～1.5*Dt，最佳值为1.2*Dt；Tq是激光器有源区生长温度，本发明中，生长端面InP层的温度范围是Tq+10℃～Tq+30℃，最佳值是Tq+15℃。
Claims (10)
1.一种小发散角激光器，其特征在于，包括基板(10)和依次设置在基板(10)上的有源区(11)、第一包层(12)和衍射光栅层(13)，第一包层(12)和衍射光栅层(13)一端设置有端面刻蚀区(15)，端面刻蚀区(15)底部位于基本(10)内，且端面刻蚀区(15)内生长有发散角改善层(20)；衍射光栅层(13)和发散角改善层(20)上依次覆盖有第二包层(30)、接触层(31)和p-金属电极层(40)，基板(10)下表面镀有n-金属电极层(41)，发散角改善层(20)的一端镀上抗反射镀膜层(43)，另一端镀上高反射镀膜层(42)。
2.根据权利要求1所述的一种小发散角激光器，其特征在于，发散角改善层(20)为绝缘型InP材料。
3.根据权利要求1所述的一种小发散角激光器，其特征在于，端面刻蚀区(15)的长度Ls为5～20um；端面刻蚀区(15)的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，Dq为有源区11的厚度；端面刻蚀区(15)在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为110°～90°。
4.根据权利要求1所述的一种小发散角激光器，其特征在于，端面刻蚀区(15)的长度Ls为15um，端面刻蚀区(15)的刻蚀底面距有源区底面的深度Db与有源区(11)的厚度Dq相等。
5.一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，包括以下工序：
工序一：在已经制作好的光栅(grating)表面用等离子体增强型化学气相沉积的方法(PECVD)沉积一层端面刻蚀的掩模层(14)，然后采用光刻技术将刻蚀区域露出，即端面刻蚀区(15)的顶面，首先采用干刻蚀的方式，将露出区域刻蚀至有源区(11)下方；然后使用含有Br、HBr和H2O的刻蚀溶液进行刻蚀，干刻蚀侧壁角度保持在103°～90°，刻蚀后，刻蚀区域底部距有源区(11)下表面的距离为有源区(11)厚度的0～1.5倍，且在波导方向刻蚀侧面与底面夹角为110°～90°；
工序二，采用SAG技术使用MOCVD沉积一层绝缘型InP包层作为发散角改善层(20)，其中：发散角改善层(20)的沉积温度比有源区11生长的温度高10～30℃，发散角改善层(20)的厚度为端面刻蚀总深度的1-1.8倍；
工序三，使用MOCVD方法在衍射光栅层(13)与发散角改善层(20)上方依次沉积InP包层(30)与InGaAs接触层(31)；
工序四，在工序三后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成波导结构，然后在其表面使用PECVD形成一层绝缘层，之后再去除波导上表面的绝缘层，露出InGaAs接触层(31)，然后在InGaAs接触层(31)与绝缘层上方形成p-金属电极层(40)，之后将InP基板(10)背面减薄抛光至100um，镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后在有发散角改善层(20)的一端镀上抗反射镀膜层(43)，另一端镀上高反射镀膜层(42)，至此，工艺完成，得到改善发散角的激光器芯片。
6.根据权利要求5所述的一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，掩模层(14)的材料为Si3N4或SiO2。
7.根据权利要求5所述的一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，工序一的刻蚀溶液中，Br：HBr：H2O＝1：5：x，其中x范围是3-10，最佳值是5。
8.根据权利要求5所述的一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，工序一中：
端面刻蚀区(15)的长度Ls为5～20um，其中15um为最佳值；
端面刻蚀区(15)的刻蚀底面距有源区底面的深度Db为0*Dq-1.5*Dq，1*Dq为最佳值，Dq为有源区(11)的厚度；
端面刻蚀区(15)在波导方向的侧面与刻蚀底面的夹角α的角度为70°～90°。
9.根据权利要求5所述的一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，发散角改善层(20)的总厚度Dg范围为1*Dt～1.5*Dt，最佳值为1.2*Dt，Dt为端面刻蚀区(15)的刻蚀总深度；发散角改善层(20)的生长温度范围是Tq+10℃～Tq+30℃，最佳值是Tq+15℃，Tq为激光器有源区11生长温度。
10.根据权利要求5所述的一种小发射角激光器的制备工艺，其特征在于，工序一中，采用SiO2作为绝缘层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Address after: 712000 area C, No.20 accelerator plant, North District, Tsinghua Science Park, 55 Century Avenue, Fengxi new town, Xixian New District, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee after: Shaanxi Yuanjie Semiconductor Technology Co.,Ltd. Address before: 712000 area C, No.20 accelerator plant, North District, Tsinghua Science Park, 55 Century Avenue, Fengxi new town, Xixian New District, Xi'an City, Shaanxi Province Patentee before: SHAANXI YUANJIE SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY Co.,Ltd. |