CN108418094A - 一种高速dfb半导体激光器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种高速DFB半导体激光器的制备方法。首先在N‑InP衬底上，通过MOCVD生长缓冲层、波导和量子阱结构、光栅层，采用电子束光刻的方法在单颗芯片内写两种不同周期局部相移光栅，腐蚀形成光栅；再生长InP盖层、InGaAsP过渡层，InGaAs欧姆接触层，完成材料的结构生长。在单颗芯片内制备两个倒台脊型波导，分别对应两种不同周期的光栅，并采用BCB进行脊型以外区域的填充；接着进行常规的芯片制备工艺，并对芯片进行解离和镀膜完成芯片制备。采用写局部相移光栅的方法，有效提高了电子束的效率和芯片的成品率；并采用两种不同周期的光栅，来进一步改善光栅和增益谱匹配的问题，从而提高芯片的整体良率。
Description
技术领域
本申请的实施方式涉及DFB(Distributed Feedback Laser，分布式反馈激光器)的制备技术领域，更具体地，涉及一种高速DFB半导体激光器的制备方法。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本申请的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
随着信息技术的不断进步，信息向大容量方向快速发展。其中无冷却单模直调高速半导体激光器是大容量光纤通信系统的核心光器件，其已经大量应用在PON((PassiveOptical Network，无源光纤网络))、短距离数据中心、4G手机基站等商业化领域。
现有技术中，通常采用双光束全息曝光的方法来制备单模半导体激光器。
然而由于曝光的均匀性等各方面问题，使得全息曝光的光栅均匀性相对较差，从而引起良率偏低的问题。
发明内容
本申请提供一种高速DFB半导体激光器的制备方法，用于解决现有技术中采用双光束全息曝光的方法制备的激光器良率偏低的问题。
本申请实施例提供的高速DFB半导体激光器的制备方法，包括：
在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片；
采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的局部光栅，并采用湿法腐蚀形成光栅；
采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀法)再生长形成材料完整的外延结构；
在两种周期光栅位置分别制备倒台脊型波导；其中，倒台脊型波导具有预设上脊宽、预设下脊宽和预设脊深；
进行BCB工艺，实现脊型波导表面区域无BCB，脊型波导以外区域覆盖BCB；对脊型表面开孔，蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触；对片子进行解离、光学膜蒸镀，完成激光器的制备。
进一步的，在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片，包括：
在N-InP衬底上，通过MOCVD外延依次生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、多层压应变AlGaInAs多量子阱、AlGaInAs上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP保护层，完成一次外延结构的生长。
进一步的，采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的局部光栅，并采用湿法腐蚀形成光栅，包括：
采用HCl去除P-InP保护层，并采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的相移光栅，其中：
两种周期的相移光栅沿芯片的腔长方向的长度小于该芯片的腔长，且靠近出光和背光端面的指定区域内无光栅；
在芯片横向上，两种周期光栅的宽度，与芯片的横向中心呈对称分布，且光栅具有指定间隔；
两种周期光栅的发光波长与材料增益谱峰值成左右对称分布，且发光波长间隔为指定间隔。
进一步的，在250μm*250μm的单颗芯片内：
两种周期光栅沿腔长方向长度为230μm；
靠近出光和背光端面的10μm内无光栅；
在芯片横向上，两种周期光栅的宽度为10μm；
在横向上两种周期光栅的间隔5μm；
两种周期光栅的发光波长间隔为15μm。
进一步的，采用MOCVD再生长形成材料完整的外延结构，包括：
采用MOCVD掩埋生长P-InP光栅盖层、P-InGaAsP过渡层，P+-InGaAs欧姆接触层，完成外延结构生长。
进一步的，在两种周期光栅位置分别制备倒台脊型波导，包括：
在外延片表面沉积SiO2介质层，光刻形成脊型波导图形，刻蚀SiO2，采用反应离子刻蚀RIE(Reactive Ion Etching反应离子刻蚀)干法刻蚀对脊型结构进行刻蚀，去除欧姆接触层；
采用HBr:H3PO4腐蚀液在室温下对脊型进一步腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP光栅层形成双倒台脊型结构，其中，脊型波导的位置在对应周期光栅的中间位置；
去除SiO2，生长SiO2钝化层。
进一步的，进行BCB工艺，实现脊型波导表面区域无BCB，脊型波导以外区域覆盖BCB；对脊型表面开孔，蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触；对片子进行解离、光学膜蒸镀，完成激光器的制备，包括：
BCB涂覆，光刻显影，BCB固化，刻蚀脊型顶部BCB和钝化层；
光刻，电子束蒸发Ti/Pt/Au P型金属，减薄，电子束蒸发GeAu/Ni/Au N型金属，合金形成欧姆接触；
将片子解离成腔长为芯片腔长的巴条，电子束蒸发单层SiO，在激光器的两个端面形成反射率≤2％的光学膜。
进一步的，压应变AlGaInAs多量子阱的层数为10层。
根据本申请提供的高速DFB半导体的制备方法，采用电子束写两种不同周期光栅，结合在两种周期光栅位置分别制备倒台脊型波导，能够效提高了电子束的效率和芯片的成品率。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本申请示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本申请的若干实施方式，其中：
图1示意性地示出了根据本申请实施方式的高速DFB半导体激光器的制备流程示意图；
图2示意性地示出了根据本申请实施方式的外延结构示意图；其中，1为N-InP衬底，2为N-InP缓冲层，3为AlGaInAs下波导层，4为含有10层压应变AlGaInAs量子阱的有源层，5为AlGaInAs上波导层，6为P-InP空间层，7为P-InGaAsP/P-InP光栅层，8为P-InGaAsP过渡层，9为P+-InGaAs欧姆接触层；
图3示意性地示出了根据本申请实施方式的单颗芯片表面示意图；
图4示意性地示出了根据本申请实施方式的单颗芯片正表面示意图；
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
下面将参考示例性实施方式来描述本申请的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本申请，而并非以任何方式限制本申请的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本申请的实施方式，提出了一种高速DFB半导体激光器的制备方法。
在本文中，需要理解的是，所涉及的术语：
DFB激光器，即分布式反馈激光器。
MOCVD，在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料
RIE，反应离子刻蚀，是一种微电子干法腐蚀工艺。
光刻，是平面型晶体管和集成电路生产中的一个主要工艺。是对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔，以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术。
PECVD，全称(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，是指等离子体增强化学的气相沉积法。
为便于理解本申请实施例提供的技术方案，这里对本方案的原理做一些简单介绍：在以前，电子束光刻由于速率较慢无法满足商业化的使用需求。随着技术的进步以及采用电子束写局部光栅的区域完全满足激光器的使用要求，且通常DFB半导体激光器的横向近场光斑尺寸在5μm以内，因此只要在光场区域制备光栅，即可满足激光器实现单模的要求。所以本申请实施例中采用电子束写局部光栅不仅能够满足商业化的使用要求，还能够使得光栅具有较好的均匀性，从而提高成品率。此外，采用双周期光栅和双脊型结构进一步提高了芯片在宽温度范围内光栅和材料增益曲线的匹配情况，从而能够提高激光器的整体成品率。
下面结合具体实施例，对本申请实施例提供的高速DFB半导体激光器的制备方法做进一步说明。
如图1所示，为本申请实施例提供的高速DFB半导体激光器的制备方法的流程示意图，该方法包括：
步骤201：在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片。
步骤11：在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片；采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的局部光栅，并采用湿法腐蚀形成光栅；采用金属有机化合物化学气相沉淀法MOCVD再生长形成材料完整的外延结构。
其中，在一个实施例中，在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片，包括：在N-InP衬底上，通过MOCVD外延依次生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、多层压应变AlGaInAs多量子阱、AlGaInAs上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP保护层，完成一次外延结构的生长。在该实施例中，上下波导层组分呈梯度变化，能够有效提高载流子的限制效率。其中，压应变AlGaInAs多量子阱的层数可以为10层。具体实施时，可以根据实际需求设定层数，这里不做具体限定。
其中，在一个实施例中，采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的局部光栅，并采用湿法腐蚀形成光栅，包括：采用HCl去除P-InP保护层，并采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的相移光栅，其中：
两种周期的相移光栅沿芯片的腔长方向的长度小于该芯片的腔长，且靠近出光和背光端面的指定区域内无光栅；借此能够避免由于机械解离而引起端面光栅随机相位的问题；
在芯片横向上，两种周期光栅的宽度，与芯片的横向中心呈对称分布，且光栅具有指定间隔；两种周期光栅的发光波长与材料增益谱峰值成左右对称分布，且发光波长间隔为指定间隔。借此，能够进一步有效改善由于材料生长增益谱不均而引起的良率偏低问题。
优选的，以250μm*250μm的单颗芯片为例，制备时两种周期光栅沿腔长方向长度为230μm；靠近出光和背光端面的10μm内无光栅；在芯片横向上，两种周期光栅的宽度为10μm；在横向上两种周期光栅的间隔5μm；两种周期光栅的发光波长间隔为15μm。
其中，进一步的，采用MOCVD再生长形成材料完整的外延结构，包括：
采用MOCVD掩埋生长P-InP光栅盖层、P-InGaAsP过渡层，P+-InGaAs欧姆接触层，完成外延结构生长。
具体的，参照图2，其为本申请实施方式提供的外延结构示意图；其中，1为N-InP衬底，2为N-InP缓冲层，3为AlGaInAs下波导层，4为含有10层压应变AlGaInAs量子阱的有源层，5为AlGaInAs上波导层，6为P-InP空间层，7为P-InGaAsP/P-InP光栅层，8为P-InGaAsP过渡层，9为P+-InGaAs欧姆接触层。需要说明的是，7和8之间具有P-InP光栅盖层(图中未示出)。需要说明的是，图中各层的相对厚度并不用于限定本申请实施例，具体实施时，可以根据实际需求确定。
步骤12：在两种周期光栅位置分别制备倒台脊型波导；其中，倒台脊型波导具有预设上脊宽、预设下脊宽和预设脊深。
具体实施时，可以在外延片表面沉积SiO2介质层，光刻形成脊型波导图形，刻蚀SiO2，采用反应离子刻蚀RIE干法刻蚀对脊型结构进行刻蚀，去除欧姆接触层；采用HBr:H3PO4腐蚀液在室温下对脊型进一步腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP光栅层形成双倒台脊型结构，其中，脊型波导的位置在对应周期光栅的中间位置；去除SiO2，生长SiO2钝化层。
图3为以250μm*250μm为例的单颗芯片的表面示意图。其中，x方向为芯片横向，长度为250μm；z方向为腔长方向，长度为250μm；10和11分别为两种不同周期的相移光栅，10和11沿腔长方向长度为230μm，其中靠近芯片端面的10μm范围内无光栅，10和11沿x方向的间距为5μm。
相应的，图4为与图3对应的单颗芯片正表面示意图；13和14分别对应10和11光栅位置处的脊型波导及其电极图形。
步骤13：进行BCB工艺，实现脊型波导表面区域无BCB，脊型波导以外区域覆盖BCB；对脊型表面开孔，蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触；对片子进行解离、光学膜蒸镀，完成激光器的制备。
具体实施时，可以进行BCB涂覆，光刻显影，BCB固化，刻蚀脊型顶部BCB和钝化层；光刻，电子束蒸发Ti/Pt/Au P型金属，减薄，电子束蒸发GeAu/Ni/Au N型金属，合金形成欧姆接触；将片子解离成腔长为芯片腔长的巴条，电子束蒸发单层SiO，在激光器的两个端面形成反射率≤2％的光学膜。其中，以250μm*250μm的单颗芯片为例，巴条的腔长为250μm。
为便于进一步理解本申请提供的技术方案，下面举例更为具体的实施方式对此进行说明：
在N-InP衬底片上，通过金属有机化学汽相沉积依次生长1.0μm N-InP缓冲层，100nm无掺杂AlGaInAs下波导层，10层5nm压应变AlGaInAs量子阱，量子阱光致发光波长为1290nm；100nm无掺杂AlGaInAs上波导层，100m P-InP空间层；35nm P-InGaAsP光栅层，10nmP-InP光栅保护层；采用电子束光刻两种周期的局部相移光栅，光栅1阶对应的发光波长分别为1303nm被1318nm，采用溴素系溶液在低温下搅拌腐蚀形成光栅形貌；在KOH溶液中漂洗，去离子水冲洗；BOE溶液中漂洗，去离子水冲洗氮气吹干，外延生长1.8μm P-InP光栅盖层，50nm P-InGaAsP过渡层，150nm P+-InGaAs接触层。
PECVD沉积150nm SiO2介质层，常规光刻形成双脊型结构，RIE刻蚀SiO2，RIE干法刻蚀欧姆接触层；接着采用HBr:H3PO4腐蚀液在室温下搅拌腐蚀，形成倒台脊型结构，脊型波导上脊控制在3.5μm，下脊为1.5μm，脊深为2μm。去除介质层，接着生长400nm SiO2钝化层。
BCB涂覆，光刻，BCB显影，BCB固化，BCB干法刻蚀去除脊型顶部的BCB底膜，干法刻蚀去除脊型顶部的钝化层，短时间过BOE去除氧化层，去离子水冲洗，氮气吹干，光刻，电子束蒸发Ti/Pt/Au(100/100/500nm)P面金属，减薄片子至110μm左右，电子束蒸发GeAu/Ni/Au(1000/100/2000nm)N面金属，在N2氛围400℃中合金55s，形成欧姆接触；解离成腔长250μm巴条，对激光器两端面蒸镀单层SiO膜，端面反射率≤2％(@1310nm)，完成芯片制备。
本申请实施例提供的高速DFB半导体的制备方法中，首先采用压应变量子阱结构实现载流子在阱中的均匀分布，提高材料的微分增益，降低阈值；此外进一步采用倒台脊型波导和BCB工艺来降低芯片的RC参数，优化高速调制特性；采用电子束光刻局部相移光栅的方法来有效提高芯片单模的良率，并采用双周期光栅和双脊型结构进一步提高了高速DFB半导体激光器的整体良率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种高速DFB半导体激光器，其特征在于，所述方法包括：
在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片；采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的局部光栅，并采用湿法腐蚀形成光栅；采用金属有机化合物化学气相沉淀法MOCVD再生长形成材料完整的外延结构；
在两种周期光栅位置分别制备倒台脊型波导；其中，倒台脊型波导具有预设上脊宽、预设下脊宽和预设脊深；
进行BCB工艺，实现脊型波导表面区域无BCB，脊型波导以外区域覆盖BCB；对脊型表面开孔，蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触；对片子进行解离、光学膜蒸镀，完成激光器的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在衬底层上外延生长基片的包含光栅层的外延结构，实现一次基片，包括：
在N-InP衬底上，通过MOCVD外延依次生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、多层压应变AlGaInAs多量子阱、AlGaInAs上波导层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP保护层，完成一次外延结构的生长。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的局部光栅，并采用湿法腐蚀形成光栅，包括：
采用HCl去除P-InP保护层，并采用电子束光刻的方法在光栅层上写两种周期的相移光栅，其中：
两种周期的相移光栅沿芯片的腔长方向的长度小于该芯片的腔长，且靠近出光和背光端面的指定区域内无光栅；
在芯片横向上，两种周期光栅的宽度，与芯片的横向中心呈对称分布，且光栅具有指定间隔；
两种周期光栅的发光波长与材料增益谱峰值成左右对称分布，且发光波长间隔为指定间隔。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
在250μm*250μm的单颗芯片内：
两种周期光栅沿腔长方向长度为230μm；
靠近出光和背光端面的10μm内无光栅；
在芯片横向上，两种周期光栅的宽度为10μm；
在横向上两种周期光栅的间隔5μm；
两种周期光栅的发光波长间隔为15μm。
5.根据权利要求2-4任一所述的制备方法，其特征在于，采用MOCVD再生长形成材料完整的外延结构，包括：
采用MOCVD掩埋生长P-InP光栅盖层、P-InGaAsP过渡层，P+-InGaAs欧姆接触层，完成外延结构生长。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在两种周期光栅位置分别制备倒台脊型波导，包括：
在外延片表面沉积SiO2介质层，光刻形成脊型波导图形，刻蚀SiO2，采用反应离子刻蚀RIE干法刻蚀对脊型结构进行刻蚀，去除欧姆接触层；
采用HBr:H3PO4腐蚀液在室温下对脊型进一步腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP光栅层形成双倒台脊型结构，其中，脊型波导的位置在对应周期光栅的中间位置；
去除SiO2，生长SiO2钝化层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，进行BCB工艺，实现脊型波导表面区域无BCB，脊型波导以外区域覆盖BCB；对脊型表面开孔，蒸发P面金属、减薄、蒸发N面金属，合金形成欧姆接触；对片子进行解离、光学膜蒸镀，完成激光器的制备，包括：
BCB涂覆，光刻显影，BCB固化，刻蚀脊型顶部BCB和钝化层；
光刻，电子束蒸发Ti/Pt/Au P型金属，减薄，电子束蒸发GeAu/Ni/Au N型金属，合金形成欧姆接触；
将片子解离成腔长为芯片腔长的巴条，电子束蒸发单层SiO，在激光器的两个端面形成反射率≤2％的光学膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，压应变AlGaInAs多量子阱的层数为10层。
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