CN107863686A - 一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法及集成芯片 - Google Patents

一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法及集成芯片 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种二极管激光器与背光探测器集成的方法，该方法包括：形成脊的步骤，形成隔离区的步骤，SiN填充隔离区的步骤，蒸发P、N型电极的步骤，合金的步骤，镀膜的步骤。本公开还涉及上述制备方法制得二极管激光器与背光探测器(LD‑MPD)集成的芯片。本发明制备的芯片具有光功率高，探测功率高，隔离效果好，耦合效率高，暗电流小的特点。

Description

一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法及集成芯片
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，特别涉及一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法及集成芯片。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。
在光纤通信系统中，常用的光发射组件或光模块中，为监控或控制激光器出光功率，通常会在背光面加一个背光探测器。由于一般的组件中激光器和探测器是分离的。对于现在半导体集成技术的发展要求，希望将激光器和探测器集成到一块，并且不影响其激光器的性能指标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种保持激光器性能稳定，如：光功率，低阈值等，并将探测器集成的一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法及集成芯片。
本发明提出了一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S100、生成一次性外延样品：在n-InP衬底(1)上依次生长n-InP缓冲层(2)、InGaAlAs下分别限制层(3)、有源层(4)、InGaAlAs上分别限制层(5)、p-InP腐蚀停止层(6)、p-InGaAsP接触层(7)和p-InP盖层(8)；
S200、形成脊：在步骤S100中得到的外延样品表面沉积一层的SiO2，然后对外延样品依次进行光刻、刻蚀SiO2、湿法腐蚀，腐蚀到p-InP腐蚀停止层(6)；
S300、形成隔离区：基于步骤S200，在外延样品上沉淀SiO2，并通过光刻形成隔离区(9)，通过隔离区(9)将外延样品分为吸收区(13)和激光区(10)；
S400、利用SiN填充隔离区：基于S300，在外延样品上沉淀SiN，通过光刻将隔离区(9)以外的SiN曝光，并通过RIE刻蚀将隔离区(9)以外的SiN刻蚀；
S500、形成开孔：基于步骤S400，在外延样品上沉淀SiO2，并通过光刻在脊上形成开孔用于后期通电，再除去外沿样品上的SiO2；
S600、蒸发P型电极：在S500得到的外延样品表面生成SiO2，光刻形成P面金属图形，刻蚀吸收区(13)和激光区(10)的SiO2介质层，通过电子束蒸发P面金属图形，剥离，合金后得到带有P面金属的样品；
S700、蒸发N型电极、合金：对步骤S600中得到的外延样品进行N型减薄，电子束蒸发N型电极，对外延样品进行合金；
S800、镀膜步骤：将步骤S700中得到的外延样品沿解离面，解离成Bar条，对激光区出光面(11)和吸收区(13)所对应的面分别进行蒸镀光学增透膜和高反射膜，完成激光二极管与背光探测器集成芯片的制备。
本公开还揭示了一种的激光二极管与背光探测器集成芯片所述芯片包括：一次外延样品；
所述一次外延样品包括：n-InP衬底(1)上依次生长n-InP缓冲层(2)，InGaAlAs下分别限制层(3)，有源层(4)，InGaAlAs上分别限制层(5)，p-InP腐蚀停止层(6)，p-InGaAsP接触层(7)，p-InP盖层(8)；
所述一次性外沿样品上形成了脊和隔离区，垂直脊的方向通过隔离区形成2个区域，包括吸收区和激光区。
本公开的有益效果：
本公开采用湿法和干法刻蚀对外延片进行脊刻蚀和隔离区的刻蚀，并采用SiN填充隔离区，具体有以下特点：
1.先用湿法腐蚀到腐蚀停止层，然后采用CH4和H2对隔离区进行干法刻蚀，保证隔离区激光器墙面的垂直不被破坏，从而能谐振。
2.在隔离区采用SiN填充，为了保证吸收区吸收激光器的光，从而更高的耦合效率，也充分隔离激光和探测区，使得激光器的电流不会流到探测器。并采用一定的比例，对激光有益的吸收。
3.本发明制备的芯片具有高功率，高耦合效率，低暗电流，光电耦合线性效应好的特点。
附图说明
图1是本公开一个实施例中激光二极管与背光探测器集成的制备方法的流程图；
图2是本公开一个实施例中激光二极管与背光探测器集成芯片外延结构图；
图3(a)是本公开一个实施例中激光二极管与背光探测器集成芯片结构示意图；
图3(b)是本公开一个实施例中激光二极管与背光探测器集成芯片结构示意图；
其中，1表示n-InP衬底、2表示n-InP缓冲层、3表示InGaAlAs下分别限制层、4表示有源层、5表示InGaAlAs上分别限制层、6表示p-InP腐蚀停止层、7表示p-InGaAsP接触层、8表示p-InP盖层、9表示隔离区、10表示激光区、11表示激光区出光面、12表示脊、13表示吸收区。
具体实施方式
为了本公开的目的，技术方案等更加清楚，以下结合附图对本公开进一步详细说明。但本领域技术人员了解，下述实施方式不是对本公开保护范围的限制。任何在本公开基础上做出的改进和变化，都在本公开的保护范围之内。
在一个实施例中，如图1所示：本公开揭示了一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S100、生成一次性外延样品：在n-InP衬底(1)上依次生长n-InP缓冲层(2)、InGaAlAs下分别限制层(3)、有源层(4)、InGaAlAs上分别限制层(5)、p-InP腐蚀停止层(6)、p-InGaAsP接触层(7)和p-InP盖层(8)；
S200、形成脊：在步骤S100中得到的外延样品表面沉积一层的SiO2，然后对外延样品依次进行光刻、刻蚀SiO2、湿法腐蚀，腐蚀到p-InP腐蚀停止层(6)；
S300、形成隔离区：基于步骤S200，在外延样品上沉淀SiO2，并通过光刻形成隔离区(9)，通过隔离区(9)将外延样品分为吸收区(13)和激光区(10)；
S400、利用SiN填充隔离区：基于S300，在外延样品上沉淀SiN，通过光刻将隔离区(9)以外的SiN曝光，并通过RIE刻蚀将隔离区(9)以外的SiN刻蚀；
S500、形成开孔：基于步骤S400，在外延样品上沉淀SiO2，并通过光刻在脊上形成开孔用于后期通电，再除去外沿样品上的SiO2；
S600、蒸发P型电极：在S500得到的外延样品表面生成SiO2，光刻形成P面金属图形，刻蚀吸收区(13)和激光区(10)的SiO2介质层，通过电子束蒸发P面金属图形，剥离，合金后得到带有P面金属的样品；
S700、蒸发N型电极、合金：对步骤S600中得到的外延样品进行N型减薄，电子束蒸发N型电极，对外延样品进行合金；
S800、镀膜步骤：将步骤S700中得到的外延样品沿解离面，解离成Bar条，对激光区出光面(11)和吸收区(13)所对应的面分别进行蒸镀光学增透膜和高反射膜，完成激光二极管与背光探测器集成芯片的制备。
在本实施例中，先用湿法腐蚀到腐蚀停止层，然后采用CH4和H2对隔离区进行干法刻蚀，保证隔离区激光器墙面的垂直不被破坏，从而能谐振。在隔离区采用SiN填充，为了保证吸收区吸收激光器的光，从而更高的耦合效率，也充分隔离激光和探测区，使得激光器的电流不会流到探测器。并采用一定的比例，对激光有益的吸收。
在一个实施例中，所述脊沿晶向方向将外沿样品分成直波导区和隔离区；
其中，靠近出光面的是直波导区，靠近背光面的是隔离区；
所述直波导与隔离区的比例为1：1-10：1。
在本实施例中，所述直波导与隔离区的比例为1：1—10：1，优选为2:1-8:1；更优选3:1-7:1；例如5:1，隔离区宽度为5-30μm，更优选10μm，隔离区采用干法刻蚀保证腔面垂直；其隔离区宽度为10um，采用SiN填充。
所述直波导区与隔离区的比例可以调整，当为5:1时，对器件的性能比较好。而且，所述隔离区宽度要尽量宽，这样直波导区的电流不会通过隔离区流入到吸收区，但又不能太宽，否则激光器的光无法耦合到吸收区。
在一个实施例中，步骤S300中形成隔离区的具体步骤包括：在形成脊后，在样品表面生成SiO2，采用RIE刻蚀，将隔离区的SiO2刻蚀，采用湿法腐蚀腐蚀到InGaAs腐蚀停止层(6)，再通过干法刻蚀刻蚀到有源层(4)；从而形成光放大区和反向偏压区。
在本实施例中，形成隔离区的具体步骤包括：在形成脊后，在样品表面生成SiO2，通过光刻将脊形成5：1的区域，采用RIE刻蚀，将隔离区的SiO2刻蚀，采用湿法腐蚀腐蚀到InGaAs腐蚀停止层，再通过干法刻蚀刻蚀到有源层。从而形成光放大区和反向偏压区。
在一个实施例中，步骤S400中利用SiN填充隔离区具体包括：通过PECVD在样品表面沉淀一层SiN，然后通过光刻将非隔离区的SiN曝光后进行RIE刻蚀；
其中，沉淀SiN的范围为超过有源层(4)，但不超过p-InP腐蚀停止层(6)。
在一个实施例中，步骤S500中形成开孔的具体包括，在外延样品表面沉淀SiO2，通过两次0.8s光刻曝光，然后通过RIE刻蚀SiO2，形成开孔。
在一个实施例中，所述蒸发P型电极的具体步骤包括：在外延样品表面通过PECVD生成SiO2介质层，光刻形成P面电极金属图形，RIE刻蚀电极区表面介质层，电子束蒸发Ti/Pt/Au为50nm/100nm/100nm，剥离，在氮气中420℃合金，然后电子束蒸发二次金属图形，Cr2.5nm/Au 10nm,剥离。
在一个实施例中，所述蒸发N型电极、合金的具体步骤包括：对外延样品进行减薄至样品总厚度110μm，电子束蒸发GeAu 50nm/Ni 6.6nm/Au 100nm，对样品进行N、P型金属合金。
在一个实施例中，本公开揭示了一种激光二极管与背光探测器集成芯片，所述芯片包括：一次外延样品；
所述一次外延样品包括：n-InP衬底(1)上依次生长n-InP缓冲层(2)，InGaAlAs下分别限制层(3)，有源层(4)，InGaAlAs上分别限制层(5)，p-InP腐蚀停止层(6)，p-InGaAsP接触层(7)，p-InP盖层(8)；
所述一次性外沿样品上形成了脊和隔离区，垂直脊的方向通过隔离区形成2个区域，包括吸收区和激光区。
更优的，所述脊深1.5um，靠近出光面的脊宽为1.7um；
所述吸收区(13)沿着腔长方向为120um，激光区(10)沿着腔长方向为600um；
所述隔离区宽度5-30μm，SiN填充厚度260nm。
在本实施例中，所述一次性外延结构中，n-InP衬底层为3000-5000nm，n-InP缓冲层为2000-3000nm，InGaAlAs下分别限制层为20-50nm，InGaAsP有源层为50-100nm，InGaAlAs上分别限制层为20-50nm，p-InP腐蚀停止层为50-100nm，p-InGaAsP接触层为1000-2000nm，p-InP盖层为100-300nm。
更进一步的，所述外延结构中，n-InP衬底层3000nm，以及n-InP缓冲层2000nm，InGaAlAs下分别限制层20nm，InGaAsP有源层65nm，InGaAlAs上分别限制层20nm，p-InP腐蚀停止层60nm，p-InGaAsP接触层1000nm，p-InP盖层150nm。
所述脊深1.5m，靠近出光面的脊宽1.7μm，激光器腔长600μm，所述吸收区(探测器)沿波导长度为120μm，所述激光器区腔长为600μm。
所述隔离区宽度为10μm。SiN填充厚度260nm。
根据本公开，所述芯片在外延结构上沿晶向形成脊形状，所述芯片还包括在垂直晶向方向形成的隔离区，以及通过该隔离区分成的激光区和吸收区。优选地，所述隔离区采用SiN填充。更优选通过PECVD(等离子体化学气相沉积)在隔离区(9)中填充SiN，增加激光器耦合到吸收区的效率。
在一个实施例中，本公开揭示了一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法，包括以下具体步骤：
1.外延芯片：在n-InP衬底1上通过MOCVD沿着晶向100方向生长衬底层3000nm，n-InP缓冲层2是生长2000nm，InGaAlAs下分别限制层3生长20nm，InGaAsP有源层4生长65nm，InGaAlAs上分别限制层5生长20nm，p-InP腐蚀停止层6生长60nm，p-InGaAsP接触层7生长1000nm，p-InP盖层8生长150nm。其结构如图2所示。
2.形成脊的步骤：通过PECVD在外延片表面生长一层300nm的SiO2掩膜层，然后通过光刻，刻蚀掉SiO2，形成脊的形状。其中脊深1.5um，脊宽1.7um。如图3中的(12)、(13)部分。
3.形成隔离区的步骤：通过PECVD在上述形成脊片子上生长400nm的SiO2，然后通过光刻将脊分成两个区域，如图3中(9)，先用湿法腐蚀将隔离区腐蚀到腐蚀停止层，然后用氢气和甲烷的混合气体采用干法刻蚀刻蚀到波导区。其中激光器的脊对应的腔长为600um，吸收区的脊为120nm，两个长度比例为5：1.除去SiO2。然后再通过PECVD再片子上生长260nm的SiN，再通过光刻将9以外的SiN光刻曝光后利用RIE刻蚀掉。
4.形成开孔步骤：通过PECVD在片子上生长250nm的SiO2，然后经过两次光刻刻蚀在脊上形成一个0.8um的开孔。
5.蒸发P型电极步骤：在样品表面生长SiO2，然后经过光刻形成P面金属图形，RIE刻蚀电极区表面介质层后，电子束蒸发Ti/Pt/Au为50nm/100nm/100nm，剥离，在氮气中420℃合金，然后电子束蒸发二次金属图形，Cr 2.5nm/Au 10nm，剥离。
6.蒸发N型电极，合金步骤：对样品进行减薄至样品总厚度110μm，电子束蒸发GeAu50nm/Ni 6.6nm/Au 100nm，对样品进行N面，P面合金，410℃，N2中30s。
7.沿着晶向解离成720um腔长的bar条，进行bar条测试。完成1.3um LD-MPD芯片制作。
本发明涉及根据前面的方法制得LD-MPD集成的芯片，如图3(a)和图3(b)所示，该芯片包括：外延结构，其中外延结构包括n-InP衬底，n-InP缓冲层，InGaAlAs下分别限制层，InGaAsP有源层，InGaAlAs上分别限制层，p-InP腐蚀停止层，p-InGaAsP接触层，p-InP盖层。并在外延结构上沿晶向形成脊形状，采用湿法和干法刻蚀在垂直晶向方向形成隔离区，将芯片分成激光区和吸收区，隔离区采用SiN填充。
以上对本公开进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (9)

1.一种激光二极管与背光探测器集成的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100、生成一次性外延样品：在n-InP衬底(1)上依次生长n-InP缓冲层(2)、InGaAlAs下分别限制层(3)、有源层(4)、InGaAlAs上分别限制层(5)、p-InP腐蚀停止层(6)、p-InGaAsP接触层(7)和p-InP盖层(8)；
S200、形成脊：在步骤S100中得到的外延样品表面沉积一层的SiO2，然后对外延样品依次进行光刻、刻蚀SiO2、湿法腐蚀，腐蚀到p-InP腐蚀停止层(6)；
S300、形成隔离区：基于步骤S200，在外延样品上沉淀SiO2，并通过光刻形成隔离区(9)，通过隔离区(9)将外延样品分为吸收区(13)和激光区(10)；
S400、利用SiN填充隔离区：基于S300，在外延样品上沉淀SiN，通过光刻将隔离区(9)以外的SiN曝光，并通过RIE刻蚀将隔离区(9)以外的SiN刻蚀；
S500、形成开孔：基于步骤S400，在外延样品上沉淀SiO2，并通过光刻在脊上形成开孔用于后期通电，再除去外沿样品上的SiO2；
S600、蒸发P型电极：在步骤S500得到的外延样品表面生成SiO2，光刻形成P面金属图形，刻蚀吸收区(13)和激光区(10)的SiO2介质层，通过电子束蒸发P面金属图形，剥离，合金后得到带有P面金属的样品；
S700、蒸发N型电极、合金：对步骤S600中得到的外延样品进行N型减薄，电子束蒸发N型电极，对外延样品进行合金；
S800、镀膜步骤：将步骤S700中得到的外延样品沿解离面，解离成Bar条，对激光区出光面(11)和吸收区(13)所对应的面分别进行蒸镀光学增透膜和高反射膜，完成激光二极管与背光探测器集成。
2.根据权利1所述的制备方法，其特征在于：所述脊沿晶向方向将外沿样品分成直波导区和隔离区；
其中，靠近出光面的是直波导区，靠近背光面的是隔离区；
所述直波导与隔离区的比例为1：1-10：1。
3.根据权利1所述的制备方法，其特征在于，步骤S300形成隔离区的具体步骤包括：在形成脊后，在样品表面生成SiO2，采用RIE刻蚀，将隔离区的SiO2刻蚀，采用湿法腐蚀腐蚀到InGaAs腐蚀停止层(6)，再通过干法刻蚀刻蚀到有源层(4)；从而形成激光区(10)和吸收区(13)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S400中利用SiN填充隔离区具体包括：通过PECVD在外延样品表面沉淀一层SiN，然后通过光刻将非隔离区的SiN曝光后进行RIE刻蚀；
其中，沉淀SiN的范围为超过有源层(4)，但不超过p-InP腐蚀停止层(6)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S500中形成开孔的具体包括，在外延样品表面沉淀SiO2，通过两次0.8s光刻曝光，然后通过RIE刻蚀SiO2，形成开孔。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S600中所述蒸发P型电极的具体步骤包括：在外延样品表面通过PECVD生成SiO2介质层，光刻形成P面电极金属图形，RIE刻蚀电极区表面介质层，电子束蒸发Ti/Pt/Au为50nm/100nm/100nm，剥离，在氮气中420℃合金，然后电子束蒸发二次金属图形，Cr 2.5nm/Au 10nm,剥离。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S700中所述蒸发N型电极、合金的具体步骤包括：对外延样品减薄至110μm，电子束蒸发GeAu 50nm/Ni 6.6nm/Au 100nm，对样品进行N、P型金属合金。
8.一种根据权利要求1-7任一制备方法制得的激光二极管与背光探测器集成芯片，其特征在于，该芯片包括：一次外延样品；
所述一次外延样品包括：n-InP衬底(1)上依次生长n-InP缓冲层(2)，InGaAlAs下分别限制层(3)，有源层(4)，InGaAlAs上分别限制层(5)，p-InP腐蚀停止层(6)，p-InGaAsP接触层(7)，p-InP盖层(8)；
所述一次性外沿样品上形成了脊和隔离区，垂直脊的方向通过隔离区形成2个区域，包括吸收区和激光区。
9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于：
所述脊深1.5um，靠近出光面的脊宽为1.7um；
所述吸收区(13)沿着腔长方向为120um，激光区(10)沿着腔长方向为600um；
所述隔离区宽度5-30μm，SiN填充厚度260nm。
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