CN108400523A - 一种高速集成dfb半导体激光器芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速集成DFB半导体激光器芯片及制备方法，所述高速集成DFB半导体激光器芯片包括：衬底层、激光器结构、介质层、探测器结构、BCB层；所述激光器结构与所述探测器结构分别生长在所述衬底层上的两侧；在所述激光器结构与所述探测器结构之间生长所述介质层，且所述介质层位于所述衬底层上，所述BCB层填充在所述探测器结构的四周，且位于所述衬底层上。本发明采用选择区域生长的方法实现激光器结构与探测器结构的单片集成，提高器件封装效率、降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种高速集成DFB半导体激光器芯片及制备方法。
背景技术
随着光纤通信的快速发展，单模和高速直调激光器成为未来光通信领域里的主流光器件，是长距离和大容量光纤通信的关键器件，主要应用在数据中心、光纤入户、手机基站、波分复用等领域。通常在实际应用时，为了检测激光器的实际工作性能，通常在激光器的背光处增加接受探测器芯片，这种封装结构增加了器件的封装成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速集成DFB半导体激光器芯片及制备方法，采用选择区域生长的方法实现激光器结构与探测器结构的单片集成，提高器件封装效率、降低成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述高速集成DFB半导体激光器芯片包括：
衬底层、激光器结构、介质层、探测器结构、BCB层；
所述激光器结构与所述探测器结构分别生长在所述衬底层上的两侧；在所述激光器结构与所述探测器结构之间生长所述介质层，且所述介质层位于所述衬底层上，所述BCB层填充在所述探测器结构的四周，且位于所述衬底层上。
可选的，所述高速集成DFB半导体激光器芯片还包括：P型金属和N型金属，所述N型金属蒸镀在所述激光器结构与所述探测器结构的背面，所述P型金属分别蒸镀在所述激光器结构和所述探测器结构的上表面，形成欧姆接触。
可选的，所述激光器结构由底到顶依次生长包括：第一缓冲层、下波导层、多量子阱有源层、上波导层、空间层、光栅层、光栅覆盖层、过渡层、第一电接触层。
可选的，所述第一缓冲层为1.4μm的N-InP缓冲层；所述下波导层为100nm的InAlGaAs下波导层；所述多量子阱有源层生长5对周期为16nm的AlGaInAs应变多量子阱；所述上波导层为100nm的InAlGaAs上波导层；所述空间层为110nm的P-InP空间层；所述光栅层为35nm的InGaAsP光栅层；所述光栅覆盖层为1.8μm的P-InP光栅覆盖层；所述过渡层为50nm的P-InGaAsP过渡层；所述第一电接触层为200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs电接触层。
可选的，所述探测器结构由底到顶依次生长包括：第二缓冲层、第一结构层、吸收层、第二结构层、第二电接触层。
可选的，所述第二缓冲层为1.2μm的N-InP缓冲层；所述第一结构层为300nm的N-InP结构层；所述吸收层为50nm的InGaAsP吸收层；所述第二结构层为200nm的P-InGaAsP结构层；所述第二电接触层为200nm的P-InGaAs电接触层。
可选的，所述激光器结构的所述多量子阱有源层与所述探测器结构的所述吸收层位于同一高度。
可选的，所述高速集成DFB半导体激光器芯片还包括：高透膜和高反膜，所述高透膜蒸镀在所述激光器结构的出光端面；所述高反膜蒸镀在所述探测器的背光端面。
本发明还提供了一种高速集成DFB半导体激光器芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底层上表面的一侧生长激光器结构；
在衬底层上表面、所述激光器结构的一侧生长SiO2介质层，光刻形成探测器生长区域，在所述探测器生长区域进行外延生长探测器结构；
在所述探测器结构的四周，采用干法刻蚀、湿法腐蚀相结合的工艺，腐蚀至衬底层，并填充BCB胶形成BCB层，以实现所述激光器结构和所述探测器结构的电隔离作用；
制备脊型波导的激光器结构、蒸镀P型金属、减薄、蒸镀N型金属、解离、光学镀膜，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
可选的，所述制备脊型波导的激光器结构、蒸镀P型金属、减薄、蒸镀N型金属、解离、光学镀膜，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备，具体包括：
采用光刻方法制备激光器结构为脊型波导结构；
分别对所述脊型波导结构和所述探测器结构的表面进行开孔，蒸镀P型金属，形成欧姆接触；
减薄所述激光器结构与所述探测器结构至厚度为110μm，然后在所述激光器结构与所述探测器结构的背面蒸镀N型金属；
解离并对所述激光器结构的出光端面蒸镀高透膜，所述探测器结构的背光端面蒸镀高反膜，以提高接收光的效率，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种高速集成DFB半导体激光器芯片，包括：衬底层、激光器结构、介质层、探测器结构、BCB层；所述激光器结构与所述探测器结构分别生长在所述衬底层上的两侧；在所述激光器结构与所述探测器结构之间生长所述介质层，且所述介质层位于所述衬底层上，所述BCB层填充在所述探测器结构的四周，且位于所述衬底层上。本发明采用选择区域生长的方法实现激光器结构与探测器结构的单片集成，提高器件封装效率、降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例高速集成DFB半导体激光器芯片外延结构示意图；
图2为本发明实施例高速集成DFB半导体激光器芯片俯视图。
其中，1、衬底层，2、第一缓冲层，3、下波导层，4、多量子阱有源层，5、上波导层，6、空间层，7、光栅层，8、光栅覆盖层，9、过渡层，10、第一电接触层，11、第二缓冲层，12、第一结构层，13、吸收层，14、第二结构层，15、第二电接触层，16、介质层和BCB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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高速集成DFB半导体激光器芯片及制备方法，采用选择区域生长的方法实现激光器结构与探测器结构的单片集成，提高器件封装效率、降低成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例高速集成DFB半导体激光器芯片外延结构示意图；图2为本发明实施例高速集成DFB半导体激光器芯片俯视图，如图1-图2所示，本发明提供一种高速集成DFB半导体激光器芯片，所述高速集成DFB半导体激光器芯片包括：
衬底层1、激光器结构、介质层、探测器结构、BCB层；
所述激光器结构与所述探测器结构分别生长在所述衬底层1上的两侧；在所述激光器结构与所述探测器结构之间生长所述介质层，且所述介质层位于所述衬底层1上，所述BCB层填充在所述探测器结构的四周，且位于所述衬底层1上。
本发明所述高速集成DFB半导体激光器芯片还包括：P型金属和N型金属，所述N型金属蒸镀在所述激光器结构与所述探测器结构的背面，所述P型金属分别蒸镀在所述激光器结构和所述探测器结构的上表面，形成欧姆接触。
本发明所述激光器结构由底到顶依次生长包括：第一缓冲层2、下波导层3、多量子阱有源层4、上波导层5、空间层6、光栅层7、光栅覆盖层8、过渡层9、第一电接触层10。
具体的：所述第一缓冲层2为1.4μm的N-InP缓冲层；所述下波导层3为100nm的InAlGaAs下波导层；所述多量子阱有源层4生长5对周期为16nm的AlGaInAs应变多量子阱；所述上波导层5为100nm的InAlGaAs上波导层；所述空间层6为110nm的P-InP空间层；所述光栅层7为35nm的InGaAsP光栅层；所述光栅覆盖层8为1.8μm的P-InP光栅覆盖层；所述过渡层9为50nm的P-InGaAsP过渡层；所述第一电接触层10为200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs电接触层。
本发明在所述光栅层7上设置周期均匀性的布拉格光栅。
本发明所述上波导层5的禁带宽度与所述下波导层3的禁带宽度相同；所述上波导层5的折射率变化与所述下波导层3的折射率变化相同。
本发明所述探测器结构由底到顶依次生长包括：第二缓冲层11、第一结构层12、吸收层13、第二结构层14、第二电接触层15。
具体的：所述第二缓冲层11为1.2μm的N-InP缓冲层；所述第一结构层12为300nm的N-InP结构层；所述吸收层13为50nm的InGaAsP吸收层；所述第二结构层14为200nm的P-InGaAsP结构层；所述第二电接触层15为200nm的P-InGaAs电接触层。
本发明所述激光器结构的所述多量子阱有源层4与所述探测器结构的所述吸收层13位于同一高度，提高探测器的接收效率。
本发明所述高速集成DFB半导体激光器芯片还包括：高透膜和高反膜，所述高透膜蒸镀在所述激光器结构的出光端面；所述高反膜蒸镀在所述探测器的背光端面。
本发明所述衬底层1为两英寸的N-InP衬底层。
本发明所述激光器结构为脊形波导结构。
本发明所述介质层为SiO2介质层。
本发明还提供一种高速集成DFB半导体激光器芯片的制备方法，所述制备方法包括：
步骤S1：在衬底层1上表面的一侧生长激光器结构；
步骤S2：在衬底层1上表面、所述激光器结构的一侧生长SiO2介质层，光刻形成探测器生长区域，在所述探测器生长区域进行外延生长探测器结构；
步骤S3：在所述探测器结构的四周，采用干法刻蚀、湿法腐蚀相结合的工艺，腐蚀至衬底层1，并填充BCB胶形成BCB层，以实现所述激光器结构和所述探测器结构的电隔离作用；
步骤S4：制备脊型波导的激光器结构、蒸镀P型金属、减薄、蒸镀N型金属、解离、光学镀膜，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
下面对各个步骤进行详细论述：
步骤S1：在衬底层1上表面的一侧生长激光器结构；具体包括：
步骤S11：在InP衬底层1上表面生长激光器初级结构；具体包括：
在衬底层1表面上，通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)依次生长第一缓冲层2、下波导层3、多量子阱有源层4、上波导层5、空间层6、光栅层7，获得激光器初级结构。
具体为：在N-InP衬底层片上，通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)依次生长1.4μm的N-InP缓冲层、100nm的N-InAlGaAs下波导层、包括5对周期为16nm的AlGaInAs应变多量子阱的量子阱有源层、100nm的P-InAlGaAs上波导层、110nm的P-InP空间层、35nm的P-InGaAsP光栅层，获得激光器初级结构。所述上波导层5的禁带宽度与所述下波导层3的禁带宽度相同；本发明中的所述上波导层5的折射率变化与所述下波导层3的折射率变化相同。
步骤S12：在所述激光器初级结构的光栅层7上，采用双光束曝光制备周期均匀性布拉格光栅；具体包括：
结合双光束全息曝光的方法和湿法腐蚀工艺形成周期均匀性布拉格光栅。
步骤S13：制备周期均匀性布拉格光栅后，完成激光器结构生长；具体包括：
制备完光栅后，对光栅表面进行处理，在MOCVD外延炉中依次生长光栅覆盖层8、过渡层9，最后生长第一电接触层10，完成激光器结构生长。
进一步具体包括：采用HBr：HNO3：H2O溶液在0℃温度下进行搅拌腐蚀形成周期均匀光栅，去除制备完光栅后样品表面的光刻胶和介质层16，对样品表面进行KOH和HF溶液的清洗，然后用异丙醇清洗，去离子水冲洗，氮气吹干，放入MOCVD外延炉生长腔体内，依次生长：生长1.8μm的P-InP光栅覆盖层，生长50nm的P-InGaAsP过渡层，最后生长200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs电接触层，完成激光器结构生长。
步骤S2：在衬底层1上表面、所述激光器结构的一侧生长SiO2介质层，光刻形成探测器生长区域，在所述探测器生长区域进行外延生长探测器结构；具体包括：
在衬底层1上表面、所述激光器结构的一侧生长SiO2介质层作为掩膜，光刻形成探测器生长区域，干法刻蚀至衬底层1，并采用湿法腐蚀修饰损伤层，在MOCVD中烘烤提高表面生长质量，依次生长第二缓冲层11、第一结构层12、吸收层13、第二结构层14和第二电接触层15；调整探测器结构的吸收层13的厚度，使得探测器结构的吸收层13的厚度与激光器结构的有源区的厚度相同，提高探测接收光的效率。
进一步具体包括：
采用PECVD生长250nm SiO2介质层，光刻形成探测器生长区域，采用RIE刻蚀至衬底层1，再用H3PO4:HCl腐蚀溶液进行湿法腐蚀，去除损伤层，进行再生长前要进行有机和无机清洗，放入MOCVD中进行选择区域再生长。在再生长前进行650℃、20min的烘烤，使得生长区域发生质量输运效应形成相对光滑的生长表面，在表面上依次生长1.2μm的N-InP缓冲层，300nm的N-InP结构层，50nm的本征InGaAsP吸收层，200nm的P-InGaAsP结构层，200nm的P-InGaAs电接触层，完成探测器的生长。
步骤S3：在所述探测器结构的四周，采用干法刻蚀、湿法腐蚀相结合的工艺，腐蚀至衬底层1，并填充BCB胶形成BCB层，以实现所述激光器结构和所述探测器结构的电隔离作用；具体包括：
在所述探测器结构的四周进行RIE干法刻蚀，刻蚀至衬底层1，采用H3PO4：HCl(3:1)腐蚀液对刻蚀损伤层进行腐蚀，腐蚀5s，去离子水冲洗，并填充BCB胶形成BCB层，以实现所述激光器结构和所述探测器结构的电隔离作用。
步骤S4：制备脊型波导的激光器结构、蒸镀P型金属、减薄、蒸镀N型金属、解离、光学镀膜，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备，具体包括：
采用光刻方法制备激光器结构为脊型波导结构；分别对所述脊型波导结构和所述探测器结构的表面进行开孔，蒸镀P型金属，形成欧姆接触；减薄所述激光器结构与所述探测器结构至厚度为110μm，然后在所述激光器结构与所述探测器结构的背面蒸镀N型金属；解离并对所述激光器结构的出光端面蒸镀高透膜，所述探测器结构的背光端面蒸镀高反膜，以提高接收光的效率，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
进一步具体包括：
采用光刻方法制备激光器结构为脊型波导结构，脊型波导结构的顶部宽度控制在3.6μm，脊波导底部宽度为1.5μm，脊深为2.0μm，形成倒台脊型结构，进行激光器的BCB填充和固化工艺；接着进行激光器脊型波导和探测器的开孔，放入电子束蒸发腔体蒸发P面金属Ti/Pt/Au(500/1000/)；物理研磨减薄所述激光器结构与所述探测器结构至厚度为110μm，在所述激光器结构与所述探测器结构的背面采用电子束蒸发N面金属Ti/Pt/Au(500/2000/)，在420℃温度下合金55s，解离成bar条，夹条镀膜，采用单层SiO2材料作为出光面的高透膜，反射率控制在≤3％；采用Si/Al2O3/Si/Al2O3高反膜，实现反射率90％，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
本发明制备的所述高速集成DFB半导体激光器芯片的宽度为250μm，激光器段沿腔长方向长度为250μm，探测器段沿腔长方向长度为180μm，其中探测器段包括前后左右各20μm的BCB层。
本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，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发明的限制。
Claims (10)
1.一种高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述高速集成DFB半导体激光器芯片包括：
衬底层、激光器结构、介质层、探测器结构、BCB层；
所述激光器结构与所述探测器结构分别生长在所述衬底层上的两侧；在所述激光器结构与所述探测器结构之间生长所述介质层，且所述介质层位于所述衬底层上，所述BCB层填充在所述探测器结构的四周，且位于所述衬底层上。
2.根据权利要求1所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述高速集成DFB半导体激光器芯片还包括：P型金属和N型金属，所述N型金属蒸镀在所述激光器结构与所述探测器结构的背面，所述P型金属分别蒸镀在所述激光器结构和所述探测器结构的上表面，形成欧姆接触。
3.根据权利要求1所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述激光器结构由底到顶依次生长包括：第一缓冲层、下波导层、多量子阱有源层、上波导层、空间层、光栅层、光栅覆盖层、过渡层、第一电接触层。
4.根据权利要求3所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述第一缓冲层为1.4μm的N-InP缓冲层；所述下波导层为100nm的InAlGaAs下波导层；所述多量子阱有源层生长5对周期为16nm的AlGaInAs应变多量子阱；所述上波导层为100nm的InAlGaAs上波导层；所述空间层为110nm的P-InP空间层；所述光栅层为35nm的InGaAsP光栅层；所述光栅覆盖层为1.8μm的P-InP光栅覆盖层；所述过渡层为50nm的P-InGaAsP过渡层；所述第一电接触层为200nm掺杂浓度2×1019cm-3的P-InGaAs电接触层。
5.根据权利要求4所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述探测器结构由底到顶依次生长包括：第二缓冲层、第一结构层、吸收层、第二结构层、第二电接触层。
6.根据权利要求5所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述第二缓冲层为1.2μm的N-InP缓冲层；所述第一结构层为300nm的N-InP结构层；所述吸收层为50nm的InGaAsP吸收层；所述第二结构层为200nm的P-InGaAsP结构层；所述第二电接触层为200nm的P-InGaAs电接触层。
7.根据权利要求6所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述激光器结构的所述多量子阱有源层与所述探测器结构的所述吸收层位于同一高度。
8.根据权利要求1所述的高速集成DFB半导体激光器芯片，其特征在于，所述高速集成DFB半导体激光器芯片还包括：高透膜和高反膜，所述高透膜蒸镀在所述激光器结构的出光端面；所述高反膜蒸镀在所述探测器的背光端面。
9.一种权利要求1-8任一项所述的高速集成DFB半导体激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底层上表面的一侧生长激光器结构；
在衬底层上表面、所述激光器结构的一侧生长SiO2介质层，光刻形成探测器生长区域，在所述探测器生长区域进行外延生长探测器结构；
在所述探测器结构的四周，采用干法刻蚀、湿法腐蚀相结合的工艺，腐蚀至衬底层，并填充BCB胶形成BCB层，以实现所述激光器结构和所述探测器结构的电隔离作用；
制备脊型波导的激光器结构、蒸镀P型金属、减薄、蒸镀N型金属、解离、光学镀膜，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备脊型波导的激光器结构、蒸镀P型金属、减薄、蒸镀N型金属、解离、光学镀膜，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备，具体包括：
采用光刻方法制备激光器结构为脊型波导结构；
分别对所述脊型波导结构和所述探测器结构的表面进行开孔，蒸镀P型金属，形成欧姆接触；
减薄所述激光器结构与所述探测器结构至厚度为110μm，然后在所述激光器结构与所述探测器结构的背面蒸镀N型金属；
解离并对所述激光器结构的出光端面蒸镀高透膜，所述探测器结构的背光端面蒸镀高反膜，以提高接收光的效率，高速集成DFB半导体激光器芯片的制备。
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