CN107248697B - 一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法 - Google Patents

一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，通过MOCVD外延生长技术在N‑InP衬底上依次生长N‑InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层、AlGaInAs上波导层、P‑InP空间层、P‑InGaAsP光栅层和P‑InP覆盖层，完成一次外延结构的生长；在外延结构的P‑InGaAsP光栅层上制备两种不同周期结构的光栅，并对光栅进行后续的掩埋生长；在两种不同周期结构的光栅上分别制备脊型波导结构，形成管芯样品，所述脊型波导结构采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备；依次对管芯样品进行P面金属、物理减薄、N面金属、合金、解离bar条和端面光学镀膜，完成管芯制备。本发明的有益效果在于：通过调整两种不同光栅的周期和两种量子阱增益谱的位置实现在宽温度范围内波长可调的长波长单模半导体激光器。

Description

一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法。
背景技术
随着信息技术的迅速发展，长波长技术（如:THz波段）由于其信噪比高、能量低、损耗低等优点越来越多地应用到无损检测、通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域。
目前在长波长激光器的产生在半导体领域主要采用两个分离的半导体激光器或者是两个集成在单个激光器内；采用分立的激光器增加了集成的难度，采用在单个激光器内的集成管芯制作工艺相对较为复杂。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，可以实现在宽温度范围内波长可调的长波长单模半导体激光器。
本发明解决技术问题所采用的方案是：一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过MOCVD外延生长技术在N-InP衬底上依次生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层、AlGaInAs上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层和P-InP覆盖层，完成一次外延结构的生长；
步骤S2：在一次外延结构的P-InGaAsP光栅层上制备两种不同周期结构的光栅，并对光栅进行后续的掩埋生长；
步骤S3：在两种不同周期结构的光栅上分别制备脊型波导结构，形成管芯样品，所述脊型波导结构采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备；
步骤S4：依次对管芯样品进行P面金属、物理减薄、N面金属、合金、解离bar条和端面光学镀膜，完成管芯制备。
进一步的，在步骤S1中，所述AlGaInAs多量子阱有源层为交替生长的3对光致发光波长为1270nm和1300nm的量子阱，量子阱厚度为10nm。
进一步的，在步骤S1中，N-InP缓冲层的厚度为0.8μm， N-AlInGaAs下波导层的厚度为100nm， AlInGaAs上波导层的厚度为100nm， P-InP空间层的厚度为150nm； P-InGaAsP光栅层的厚度为25nm， P-InP覆盖层的厚度为10nm。
进一步的，在步骤S2中，采用全息曝光方法制备两种不同周期均匀光栅，其中管芯的腔长为300μm，靠近出光端面100μm区域不制备光栅，在靠近背光区域200μm的左右两侧区域制备两种不同周期光栅。
进一步的，在制备光栅前采用光刻方法，去除不制备光栅区域上的光刻胶，对曝光后的样品采用湿法工艺腐蚀形成光栅，光栅制备深度为P-InGaAsP光栅层和P-InP覆盖层；然后对光栅进行表面处理，在MOCVD外延炉中外延生长P-InP光栅覆盖层、P-InGaAsP过渡层和P+-InGaAs欧姆接触层，完成后续的掩埋生长。
进一步的，采用湿法工艺腐蚀形成光栅具体如下：采用HBr：HNO3：H2O腐蚀液，在冰水氛围中进行搅拌腐蚀，形成光栅，光栅深度为35nm；去除光栅表面残留的光刻胶和介质层，并依次在KOH溶液、HF溶液、异丙醇里清洗，去离子水冲洗，氮气吹干；然后将光栅放置于外延炉中进行二次生长，依次生长1.8μm P-InP光栅覆盖层、50nm P-InGaAsP过渡层和150nm P-InGaAs欧姆接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3。
进一步的，在步骤 S3中，对制备完的外延结构表面沉积SiO2介质层，进行光刻，采用CH4+H2进行RIE干法刻蚀形成脊型结构；然后采用H3PO4：HCl溶液对脊型进行进一步的腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP光栅层附近，完成脊型波导的制备。
进一步的，在步骤S4中，对脊型波导结构在靠近背光端面处进行脊型的顶部开孔，去除表面SiO2层，沉积SiO2钝化层；通过电子束蒸发蒸镀P面金属Ti/Pt/Au；对脊型表面匀光刻胶进行保护，并对背面进行研磨减薄至厚度在100μm左右，电子束蒸发蒸镀N面金属Ti/Pt/Au，在N2氛围中合金，并沿晶向进行解离成bar条，对bar条端面蒸镀光学薄膜，在出光面采用一对的Al2O3/Si膜，背光面采用三对的Al2O3/Si膜，完成管芯的制备。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明采用在单个管芯内集成了两个出光波长的方法，本发明采用两个不相重叠的增益谱实现了宽温度范围内的单模，同时采用两种不同周期的光栅实现两个独立的输出波长，并采用端面镀膜的方法实现对原始波长的高反，对干涉而产生的长波长高透，提高了反馈的增益，降低阈值。该管芯制备方法与常规DFB激光器制备工艺兼容，在后续应用上对其余出光波长进行滤波，可以实现单一长波长的输出，并且可以实现输出波长的调控。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的带有光栅的外延结构图。
图2为本发明实施例的AlGaInAs多量子阱有源层两种量子阱的增益谱线，
图3为本发明实施例的管芯的结构示意图。
图中：1为N-InP衬底，2为N-InP缓冲层，3为InAlGaAs下波导层，4为多量子阱有源层，5为InAlGaAs上波导层，6为P-InP空间层，7为P-InGaAsP光栅层，8为P-InP光栅覆盖层，9为P-InP覆盖层，10为P-InGaAsP过渡层，11为P-InGaAs欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～3所示，本实施例的一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过MOCVD外延生长技术在N-InP衬底1上依次生长N-InP缓冲层2、AlGaInAs下波导层3、AlGaInAs多量子阱有源层4、AlGaInAs上波导层5、P-InP空间层6、P-InGaAsP光栅层7和P-InP覆盖层9，完成一次外延结构的生长；
步骤S2：在一次外延结构的P-InGaAsP光栅层7上制备两种不同周期结构的光栅，并对光栅进行后续的掩埋生长；
步骤S3：在两种不同周期结构的光栅上分别制备脊型波导结构，形成管芯样品，所述脊型波导结构采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备；
步骤S4：依次对管芯样品进行P面金属、物理减薄、N面金属、合金、解离bar条和端面光学镀膜，完成管芯制备。
从上述可知，本发明的有益效果在于：为了实现在-40℃至85℃范围内的单模工作，有源区采用两种交替的量子阱，两种量子阱的增益峰错开一定的距离，实现在宽温度范围内的单模。对一次外延片进行光栅制备，在靠近管芯背光面制备两种周期光栅，对光栅进行掩埋生长，在两种不同周期光栅上分别制备脊型波导结构，在靠近出光端面时二者脊波导连接到一起，由于不同周期光栅而产生的两种不同波长单模，在相互干涉时产生差频，从而实现THz频率范围的长波长半导体激光器；另外对管芯进行光学镀膜，实现在出光端面对长波长高透而对原始波长高反，从而充分利用反射光，降低能耗和阈值。
在本实施例中，在步骤S1中，所述AlGaInAs多量子阱有源层4为交替生长的3对光致发光波长为1270nm和1300nm的量子阱，量子阱厚度为10nm。两个量子阱产生的增益谱线峰值波长对应1270nm和1300nm；两个不同周期的DFB光栅室温下其对应的DFB波长分别为1275nm和1295nm；由于量子阱的增益曲线随温度变化大约在0.4-0.5nm/℃，DFB的波长随温度变化大约在0.1nm/℃，如图2所示的增益谱线可以实现在-40℃至85℃温度范围内的单模工作。
在本实施例中，在步骤S1中，N-InP缓冲层2的厚度为0.8μm， N-AlInGaAs下波导层3的厚度为100nm， AlInGaAs上波导层5的厚度为100nm， P-InP空间层6的厚度为150nm； P-InGaAsP光栅层7的厚度为25nm， P-InP覆盖层9的厚度为10nm。
在本实施例中，在步骤S2中，采用全息曝光方法制备两种不同周期均匀光栅，其中管芯的腔长为300μm，靠近出光端面100μm区域不制备光栅，在靠近背光区域200μm的左右两侧区域制备两种不同周期光栅。如图3所示，管芯的腔长和宽度分别为300μm和250um，两个DFB激光器的靠近背光面脊型波导间距为20um左右，靠近背光区域沿腔长方向200μm长度内为两个DFB激光器直波导区域，紧接着50um区域两个激光器的波导逐渐合并到一起，在靠近出光端面50um区域为合并的波导区域，使得两束单模激光相互干涉产生差频。
在本实施例中，在制备光栅前采用光刻方法，去除不制备光栅区域上的光刻胶，对曝光后的样品采用湿法工艺腐蚀形成光栅，光栅制备深度为P-InGaAsP光栅层7和P-InP覆盖层9；然后对光栅进行表面处理，在MOCVD外延炉中外延生长P-InP光栅覆盖层8、P-InGaAsP过渡层10和P+-InGaAs欧姆接触层11，完成后续的掩埋生长。其中P-InP光栅覆盖层8位于P-InGaAsP光栅层7和P-InP覆盖层9之间，P-InGaAsP过渡层10和P+-InGaAs欧姆接触层11依次位于P-InP覆盖层9外侧。制备光栅时，通过光刻，显影去除不制备光栅区域的光刻胶，全息曝光，在靠近管芯背光端面200um区域的左侧制备周期均匀光栅；同样采样相同的方法：光刻、显影、全息曝光，在靠近背光200um区域另一侧制备另一种周期均匀光栅。
在本实施例中，采用湿法工艺腐蚀形成光栅具体如下：采用HBr：HNO3：H2O腐蚀液，在冰水氛围中进行搅拌腐蚀，形成光栅，光栅深度为35nm；去除光栅表面残留的光刻胶和介质层，并依次在KOH溶液、HF溶液、异丙醇里清洗，去离子水冲洗，氮气吹干；然后将光栅放置于外延炉中进行二次生长，依次生长1.8μm P-InP光栅覆盖层、50nm P-InGaAsP过渡层和150nm P-InGaAs欧姆接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3。
在本实施例中，在步骤 S3中，对制备完的外延结构表面沉积SiO2介质层，进行光刻，采用CH4+H2进行RIE干法刻蚀形成脊型结构，刻蚀深度在1μm左右；然后采用H3PO4：HCl溶液对脊型进行进一步的腐蚀，腐蚀深度至2μm左右，腐蚀至P-InGaAsP光栅层附近，完成脊型波导的制备。腐蚀完，脊宽在2um，脊深在2um左右，形成样品。
在本实施例中，在步骤S4中，去除表面残留SiO2和光刻胶，沉积SiO2钝化层，常规光刻，对脊型波导结构在靠近背光端面200μm长度进行脊型顶部开孔，刻蚀去除其表面SiO2层；干法去胶并采用HCl: H2O（4: 1）漂洗去除金属接触区域上的胶和氧化层；采用电子束蒸发P面金属Ti/Pt/Au（50/50/600nm），研磨减薄至管芯样品厚度在100±10um范围内，蒸镀N面金属Ti/Pt/Au（100/100/200nm），在氮气氛围中410℃合金1min，对样品进行解条，并在出光端面和背光端面分别蒸镀1对和3对的Al2O3/Si（220/110nm）光学薄膜，完成管芯的制备。
综上所述，本发明提供的一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，采用组合的量子阱增益谱，实现宽温度工作；并结合采用两个不同的DFB波长进行干涉产生差频和长波长；同时采用端面光学镀膜，实现对原始光的高反对差频光的高透来降低阈值提高增益；并在实际应用中通过滤光来实现单一长波长输出；并通过调整增益谱线和光栅位置可以实现对输出波光的调控。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：通过MOCVD外延生长技术在N-InP衬底上依次生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层、AlGaInAs上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层和P-InP覆盖层，完成一次外延结构的生长；
步骤S2：在一次外延结构的P-InGaAsP光栅层上制备两种不同周期结构的光栅，并对光栅进行后续的掩埋生长；
步骤S3：在两种不同周期结构的光栅上分别制备脊型波导结构，形成管芯样品，所述脊型波导结构采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺制备；
步骤S4：依次对管芯样品进行P面金属、物理减薄、N面金属、合金、解离bar条和端面光学镀膜，完成管芯制备；
在步骤S1中，所述AlGaInAs多量子阱有源层为交替生长的3对光致发光波长为1270nm和1300nm的量子阱，量子阱厚度为10nm；N-InP缓冲层的厚度为0.8μm， N-AlInGaAs下波导层的厚度为100nm， AlInGaAs上波导层的厚度为100nm， P-InP空间层的厚度为150nm； P-InGaAsP光栅层的厚度为25nm， P-InP覆盖层的厚度为10nm；
在步骤S2中，采用全息曝光方法制备两种不同周期均匀光栅，其中管芯的腔长为300μm，靠近出光端面100μm区域不制备光栅，在靠近背光区域200μm的左右两侧区域制备两种不同周期光栅。
2.根据权利要求1所述的一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，其特征在于，在制备光栅前采用光刻方法，去除不制备光栅区域上的光刻胶，对曝光后的样品采用湿法工艺腐蚀形成光栅，光栅制备深度为P-InGaAsP光栅层和P-InP覆盖层；然后对光栅进行表面处理，在MOCVD外延炉中外延生长P-InP光栅覆盖层、P-InGaAsP过渡层和P+-InGaAs欧姆接触层，完成后续的掩埋生长。
3.根据权利要求1所述的一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，其特征在于，采用湿法工艺腐蚀形成光栅具体如下：采用HBr：HNO3：H2O腐蚀液，在冰水氛围中进行搅拌腐蚀，形成光栅，光栅深度为35nm；去除光栅表面残留的光刻胶和介质层，并依次在KOH溶液、HF溶液、异丙醇里清洗，去离子水冲洗，氮气吹干；然后将光栅放置于外延炉中进行二次生长，依次生长1.8μm P-InP光栅覆盖层、50nm P-InGaAsP过渡层和150nm P-InGaAs欧姆接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，其特征在于，在步骤 S3中，对制备完的外延结构表面沉积SiO2介质层，进行光刻，采用CH4+H2进行RIE干法刻蚀形成脊型结构；然后采用H3PO4：HCl溶液对脊型进行进一步的腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP光栅层附近，完成脊型波导的制备。
5.根据权利要求1所述的一种长波长InP基DFB半导体激光器管芯的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，对脊型波导结构在靠近背光端面处进行脊型的顶部开孔，去除表面SiO2层，沉积SiO2钝化层；通过电子束蒸发蒸镀P面金属Ti/Pt/Au；对脊型表面匀光刻胶进行保护，并对背面进行研磨减薄至厚度在100μm左右，电子束蒸发蒸镀N面金属Ti/Pt/Au，在N2氛围中合金，并沿晶向进行解离成bar条，对bar条端面蒸镀光学薄膜，在出光面采用一对的Al2O3/Si膜，背光面采用三对的Al2O3/Si膜，完成管芯的制备。
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