CN108233175A - 一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法 - Google Patents

一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电子技术领域，提供了一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，包括S1～S8八个步骤。本发明的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，通过采用非选择性湿法腐蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方法，无需使用高温离子刻蚀设备，制作工艺简单，成本较低，同时避免高温离子刻蚀带来的损伤，保证有源层AlGaInAs无损伤缺陷，降低AlGaInAs氧化的风险，同时在电流阻挡层生长前通过高温热处理消除AlGaInAs侧向的氧化薄层，保证后续电流阻挡层的生长质量，以实现高可靠性的AlGaInAs DFB激光器。

Description

一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，具体为一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法。
背景技术
DFB激光器主要有两种结构：(1)脊形波导RWG结构；(2)掩埋异质结BH结构。与传统的RWG结构相比，BH结构一方面能够通过掩埋低折射率InP材料对有源区进行光限制，同时掩埋PN反向电流阻挡层对有源区进行载流子限制，从而具有较小阈值电流和发散角，能够更好的应用于光器件耦合。此外，由于脊形通过PN掩埋和接触层掩埋生长得到较好的保护，与传统RWG结构相比，具有更好的抗静电及封装冲击特性，能够更好的保证可靠性。
对于BH结构激光器，有源层通常有两种材料体系，一种材料体系为 InGaAsP，另一种材料体系为AlGaInAs。与InGaAsP材料体系相比，AlGaInAs 导带带阶(ΔEc＝0.72ΔEg)远大于InGaAsP/InP的导带带阶(ΔEc＝0.4ΔEg)，横向上对有源区电子的限制更强，具有更好的温度特性，更好的适合10Gbps及以上DFB激光器。由于BH结构激光器制作过程涉及多次外延生长，工艺过程较为复杂，外延生长对外延片表面状态具有严格的要求，特别是AlGaInAs DFB激光器，AlGaInAs材料体系中Al容易氧化，若无法消除Al的氧化， AlGaInAs激光器的良好的温度特性和可靠性将无法保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，通过采用非选择性湿法腐蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方法，无需使用高温离子刻蚀设备，制作工艺简单，成本较低，同时避免高温离子刻蚀带来的损伤，保证有源层AlGaInAs无损伤缺陷，降低AlGaInAs氧化的风险，同时在电流阻挡层生长前通过高温热处理消除AlGaInAs侧向的氧化薄层，保证后续电流阻挡层的生长质量，以实现高可靠性的AlGaInAs DFB激光器。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1，在N型磷化铟衬底上依次生长N型InP缓冲层、多量子阱结构、P 型InP层、InGaAsP光栅层及InP光栅层，制得外延片；
S2，在所述外延片的外表面涂覆光刻胶，该光刻胶作为保护层，对光刻胶进行一次处理后获得分布反馈布拉格光栅，接着对该光刻胶进行二次处理，形成光栅图形；
S3，将涂覆了光刻胶并经过处理后的外延片进行光栅掩埋生长，依次获得P型InP层及本征InGaAsP层；
S4，于所述本征InGaAsP层采用掩膜层进行脊形掩膜光刻，形成脊条和掩膜区域，并通过非选择性湿法腐蚀液和选择性腐蚀液进行脊形腐蚀，以形成两个凹槽；
S5，对两个凹槽进行650～750℃的高温处理，从而在每一凹槽靠近底部处生长第一电流阻挡层，在每一凹槽靠近顶部处生长第二电流阻挡层，所述第一电流阻挡层为P型InP层，所述第二电流阻挡层为N型InP层；
S6，将腐蚀后所述脊条上形成的介质膜去除，并采用InGaAsP选择性腐蚀液来腐蚀本征InGaAsP层，并在两个所述凹槽的所述第二电流阻挡层上依次外延生长P型InP覆盖层和P型InGaAs接触层；
S7，再次采用光刻胶作为掩膜层，并对S6步骤中获得的整体进行非选择性腐蚀，以形成双沟；
S8，完成非选择性腐蚀后，在整体的顶部生长二氧化硅或氮化硅介质膜，并进行P面电极制作，N面减薄及电极制作，解理，以及端面镀膜。
进一步，所述S1步骤、所述S3步骤、所述S5步骤、所述S6步骤以及所述S8步骤中的生长方式均采用金属有机化学气相沉积设备进行生长。
进一步，所述S5步骤中的高温处理采用所述金属有机化学气相沉积设备进行。
进一步，所述S5步骤中，采用的非选择性腐蚀液为HBr、H2O2和H2O 组成的混合腐蚀液，各成分体积比为50:0.5:80；采用的选择性腐蚀液为H3PO4、 H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为5:1:50。
进一步，在所述S2步骤中，一次处理的方式具体为：全息曝光法，或电子束缚光及显影法；二次处理的方式具体为：反应离子刻蚀技术和光栅湿法腐蚀技术。
进一步，所述反应离子刻蚀技具体为：采用的反应气体为CH4/H2混合气体，其中CH4流量为8～12sccm，H2流量为30～50sccm，射频功率为50～150W，反应气压为30～50mTorr，反应温度为20～25℃，反应时间为4～6分钟。
进一步，所述光栅湿法腐蚀技术所用的腐蚀液为HBr、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为21:0.5:1600。
进一步，所述S6步骤中，采用的InGaAsP选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为5:1:10，腐蚀时间为1～2min。
进一步，生长的所述多量子阱结构包括下限制层，位于所述下限制层上方的上限制层，以及位于所述上限制层和所述下限制层之间的多量子阱层；所述下限制层和所述上限制层的厚度均在50～100nm之间，所述多量子阱层的厚度在100～200nm之间。
进一步，在所述S4步骤中，采用的掩膜层为一次生长二氧化硅膜或氮化硅膜；在所述S6中，去除的介质膜为氧化硅膜或氮化硅膜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过采用非选择性湿法腐蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方法，无需使用高温离子刻蚀设备，制作工艺简单，成本较低，同时避免高温离子刻蚀带来的损伤，保证有源层AlGaInAs无损伤缺陷，降低AlGaInAs氧化的风险，同时在电流阻挡层生长前通过高温热处理消除AlGaInAs侧向的氧化薄层，保证后续电流阻挡层的生长质量，以实现高可靠性的AlGaInAs DFB激光器。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的一次外延多量子阱的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的光栅光刻后的截面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的光刻刻蚀和腐蚀后的截面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的光栅掩埋后的截面示意图；
图6为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的脊条及掩膜区域成型后的截面示意图；
图7为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的脊形非选择性和选择性湿法腐蚀后截面示意图；
图8为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的脊形掩埋生长电流阻挡层的截面示意图；
图9为本发明实施例提供的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法制作的InP覆盖层及InGaAs接触层生长后的截面示意图；
附图标记中：1-N型磷化铟衬底；2-N型InP缓冲层；3-多量子阱结构； 4-P型InP层；5-InGaAsP光栅层；6-InP光栅层；7-光刻胶；8-光栅掩埋P型 InP层；9-本征InGaAsP层；10-脊条；11-掩膜区域；12-第一电流阻挡层；13- 第二电流阻挡层；14-P型InP覆盖层；15-P型InGaAs接触层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图9，本发明实施例提供一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：S1，在N型磷化铟衬底1上依次生长N型InP缓冲层2、多量子阱结构3、P型InP层4、InGaAsP光栅层5及InP光栅层6，制得外延片；S2，在所述外延片的外表面涂覆光刻胶7，该光刻胶7作为保护层，对光刻胶7进行一次处理后获得分布反馈布拉格光栅，接着对该光刻胶进行二次处理，形成光栅图形；S3，将涂覆了光刻胶7并经过处理后的外延片进行光栅掩埋生长，依次获得光栅掩埋P型InP层8及本征InGaAsP层9；S4，于所述本征InGaAsP层采用掩膜层进行脊形掩膜光刻，形成脊条10和掩膜区域11，并通过非选择性湿法腐蚀液和选择性腐蚀液进行脊形腐蚀，以形成两个凹槽；S5，对两个凹槽进行650～750℃的高温处理，从而在每一凹槽靠近底部处生长第一电流阻挡层12，在每一凹槽靠近顶部处生长第二电流阻挡层13，所述第一电流阻挡层12为P型InP层，所述第二电流阻挡层13为N型InP 层；S6，将腐蚀后所述脊条上形成的介质膜去除，并采用InGaAsP选择性腐蚀液来腐蚀本征InGaAsP层，并在两个所述凹槽的所述第二电流阻挡13层上依次外延生长P型InP覆盖层14和P型InGaAs接触层15；S7，再次采用光刻胶作为掩膜层，并对S6步骤中获得的整体进行非选择性腐蚀，以形成双沟； S8，完成非选择性腐蚀后，在整体的顶部生长二氧化硅或氮化硅介质膜，并进行P面电极制作，N面减薄及电极制作，解理，以及端面镀膜。通过采用非选择性湿法腐蚀和选择性湿法腐蚀相结合的方法，无需使用高温离子刻蚀设备，制作工艺简单，成本较低，同时避免高温离子刻蚀带来的损伤，保证有源层AlGaInAs无损伤缺陷，降低AlGaInAs氧化的风险，同时在电流阻挡层生长前通过高温热处理消除AlGaInAs侧向的氧化薄层，高温热处理的温度控制在650～750℃之间保持10～30min，优选的，采用所述金属有机化学气相沉积设备进行高温处理，保证后续电流阻挡层的生长质量，以实现高可靠性的AlGaInAs DFB激光器。
作为本发明实施例的优化方案，采用的生长设备为金属有机化学气相沉积设备。具体的，所述S1步骤、所述S3步骤、所述S5步骤、所述S6步骤以及所述S8步骤中的生长方式均采用金属有机化学气相沉积设备进行生长，例如，在S3步骤中，请参阅图5，将涂覆了光刻胶7并经过处理后的外延片置于金属有机化学气相沉积设备中进行光栅掩埋生长，依次获得光栅掩埋P 型InP层8及本征InGaAsP层9，获得的光栅掩埋P型InP层8厚度为 200～500nm，本征InGaAsP层9厚度为50～200nm，在S5步骤中，请参阅图8，同样是采用金属有机化学气相沉积设备对两个凹槽进行650～750℃的高温处理，从而在每一凹槽靠近底部处生长第一电流阻挡层12，在每一凹槽靠近顶部处生长第二电流阻挡层13，所述第一电流阻挡层12为P型InP层，所述第二电流阻挡层13为N型InP层，获得的生长第一电流阻挡层12厚度为0.8～1.0um，生长第二电流阻挡层13厚度为0.8～1.0um。
作为本发明实施例的优化方案，如图6和图7所示，为脊条10及掩膜区域11成型后的截面示意图，还有脊形非选择性和选择性湿法腐蚀后截面示意图，在S4步骤中，采用的非选择性腐蚀液为HBr、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为50:0.5:80；采用的选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和 H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为5:1:50。采用本实施例，能够无需使用高温离子刻蚀设备，制作工艺简单，成本较低，同时避免高温离子刻蚀带来的损伤，保证有源层AlGaInAs无损伤缺陷，降低AlGaInAs氧化的风险。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3和图4，图3为光栅光刻后的截面示意图，图4为光刻刻蚀和腐蚀后的截面示意图，在S2步骤中，一次处理的方式具体为：全息曝光法，或电子束缚光及显影法，二次处理的方式具体为：反应离子刻蚀技术和光栅湿法腐蚀技术。其中，反应离子刻蚀技具体为：采用的反应气体为CH4/H2混合气体，其中CH4流量为8～12sccm，H2流量为30～50sccm，射频功率为50～150W，反应气压为30～50mTorr，反应温度为20～25℃，反应时间为4～6分钟。光栅湿法腐蚀技术所用的腐蚀液为HBr、 H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为21:0.5:1600。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图9，为InP覆盖层及InGaAs接触层生长后的截面示意图，S6步骤中，采用的InGaAsP选择性腐蚀液为H3PO4、 H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为5:1:10，腐蚀时间为1～2min。在本实施例中，P型InP覆盖层14厚度为1.5～1.8um，P型InGaAs接触层15 厚度为0.15～0.25um。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2，为一次外延多量子阱的结构示意图。生长的所述多量子阱结构3包括下限制层，位于所述下限制层上方的上限制层，以及位于所述上限制层和所述下限制层之间的多量子阱层；所述下限制层和所述上限制层的厚度均在50～100nm之间，所述多量子阱层的厚度在100～200nm之间。另外，N型InP缓冲层2厚度为500～1000nm，P型InP 层4厚度为10～100nm，InGaAsP光栅层5厚度为30～100nm，InP光栅层6厚度为10～20nm。使用这些厚度范围内的结构层可提高激光器的性能。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图6和图7，在所述S4步骤中，采用的掩膜层为一次生长二氧化硅膜或氮化硅膜，二氧化硅脊条10宽度为 4～5um，二氧化硅掩膜区域11宽度为20～30um，非选择性湿法腐蚀深度为 1.8～2.2um，腐蚀后脊条10宽度为1.5～2.0um，选择性湿法腐蚀时间为10～30s；请参阅图9，在所述S6中，去除的介质膜为氧化硅膜或氮化硅膜。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在N型磷化铟衬底上依次生长N型InP缓冲层、多量子阱结构、P型InP层、InGaAsP光栅层及InP光栅层，制得外延片；
S2，在所述外延片的外表面涂覆光刻胶，该光刻胶作为保护层，对光刻胶进行一次处理后获得分布反馈布拉格光栅，接着对该光刻胶进行二次处理，形成光栅图形；
S3，将涂覆了光刻胶并经过处理后的外延片进行光栅掩埋生长，依次获得P型InP层及本征InGaAsP层；
S4，于所述本征InGaAsP层采用掩膜层进行脊形掩膜光刻，形成脊条和掩膜区域，并通过非选择性湿法腐蚀液和选择性腐蚀液进行脊形腐蚀，以形成两个凹槽；
S5，对两个凹槽进行650～750℃的高温处理，从而在每一凹槽靠近底部处生长第一电流阻挡层，在每一凹槽靠近顶部处生长第二电流阻挡层，所述第一电流阻挡层为P型InP层，所述第二电流阻挡层为N型InP层；
S6，将腐蚀后所述脊条上形成的介质膜去除，并采用InGaAsP选择性腐蚀液来腐蚀本征InGaAsP层，并在两个所述凹槽的所述第二电流阻挡层上依次外延生长P型InP覆盖层和P型InGaAs接触层；
S7，再次采用光刻胶作为掩膜层，并对S6步骤中获得的整体进行非选择性腐蚀，以形成双沟；
S8，完成非选择性腐蚀后，在整体的顶部生长二氧化硅或氮化硅介质膜，并进行P面电极制作，N面减薄及电极制作，解理，以及端面镀膜。
2.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述S1步骤、所述S3步骤、所述S5步骤、所述S6步骤以及所述S8步骤中的生长方式均采用金属有机化学气相沉积设备进行生长。
3.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述S5步骤中的高温处理采用所述金属有机化学气相沉积设备进行。
4.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述S5步骤中，采用的非选择性腐蚀液为HBr、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为50:0.5:80；采用的选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为5:1:50。
5.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于，在所述S2步骤中，一次处理的方式具体为：全息曝光法，或电子束缚光及显影法；二次处理的方式具体为：反应离子刻蚀技术和光栅湿法腐蚀技术。
6.如权利要求5所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述反应离子刻蚀技具体为：采用的反应气体为CH4/H2混合气体，其中CH4流量为8～12sccm，H2流量为30～50sccm，射频功率为50～150W，反应气压为30～50mTorr，反应温度为20～25℃，反应时间为4～6分钟。
7.如权利要求5所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述光栅湿法腐蚀技术所用的腐蚀液为HBr、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为21:0.5:1600。
8.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述S6步骤中，采用的InGaAsP选择性腐蚀液为H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，各成分体积比为5:1:10，腐蚀时间为1～2min。
9.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于：生长的所述多量子阱结构包括下限制层，位于所述下限制层上方的上限制层，以及位于所述上限制层和所述下限制层之间的多量子阱层；所述下限制层和所述上限制层的厚度均在50～100nm之间，所述多量子阱层的厚度在100～200nm之间。
10.如权利要求1所述的一种掩埋AlGaInAs DFB激光器的制作方法，其特征在于：在所述S4步骤中，采用的掩膜层为一次生长二氧化硅膜或氮化硅膜；在所述S6中，去除的介质膜为氧化硅膜或氮化硅膜。
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