CN108963754B - 一种光通信波段低发散角dfb半导体激光器的制备方法 - Google Patents

一种光通信波段低发散角dfb半导体激光器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，首先在N‑InP衬底上外延生长增益区；表面沉积SiO2介质层，光刻形成光场扩展结构选择生长区域，湿法腐蚀选择生长区域至衬底层；在生长增益区制备均匀布拉格光栅，腐蚀形成光栅，生长光栅覆盖层；上沉积SiO2介质层，光刻形成脊型结构，并采用溴素系腐蚀液腐蚀形成脊波导结构，脊波导在增益区域为直波导，在光场扩展区域为锥形波导；采用MOCVD完成外延生长，并进行后续激光器制备工艺：阻挡层再生长、最后生长；双沟槽制作，脊型开孔，蒸镀P面金属、减薄、蒸镀N面金属，氮气氛围中合金，解离，蒸镀端面光学膜，完成激光器芯片的制备。本发明降低激光器芯片发散角，提高器件至单模光纤的耦合效率。

Description

一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体涉及一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法。
背景技术
DFB半导体激光器是光通信中的核心光信号发射器件，其大量应用于：PON、WDM、数据中心等领域。通常为了使得光信号在长距离光纤传输之后具有一定的信噪比，一般采用增大单模光纤耦合功率的方法；常规的半导体激光器芯片由于其芯片结构的因素，通常耦合效率偏低，这使得要保证一定的耦合效率需要提高工作电流，然而大的工作电流提高了器件的功耗、同时也降低了器件的可靠性和寿命。通常采用锥形的波导结构来降低器件的水平发散角，然而锥形的出光波导结构使得在锥形出光端面由于光栅的随机相位问题而引起良率的大幅降低；此外，通过调整外延结构来降低垂直方向的发散角通常存在如下的几方面问题：光场在掺杂区域的损耗过大，载流子在量子阱中的分布均匀性差从而引起阈值增大、微分增益降低，通常半导体激光器芯片的垂直发散角较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，用以解决激光器芯片的垂直发散角大的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:在N-InP衬底片上通过MOCVD外延生长增益区；
步骤S2:接着采用PECVD在片子上沉积SiO2介质层，通过光刻形成选择生长区域，并在选择生长区域外延生长光场扩展区域；
步骤S3:在生长增益区制备均匀布拉格光栅，腐蚀形成光栅，生长光栅覆盖层；
步骤S4:接着在片子上沉积SiO2介质层，光刻形成脊型结构，并采用溴素系腐蚀液腐蚀形成脊波导结构，脊波导在生长增益区域为直波导，在光场扩展区域为锥形波导；波导层厚度与增益区的上、下波导及量子阱总厚度一致，且位置在同一高度；该波导层折射率呈弱折射率阶梯分布在有源区的高度处折射率为最大，弱的波导折射率差异有利于光场在垂直方向的扩展，从而降低垂直方向的发散角。
步骤S5:片子上采用MOCVD完成掩埋异质结结构的再生长；
步骤S6:在N-InP衬底片上制备与脊型波导平行的双沟结构，并在脊型表面开孔；
步骤S7:最后通过蒸镀P面金属，减薄，蒸镀N面金属，合金，解离成巴条，蒸镀光学膜，完成激光器芯片制备。
进一步的，所述步骤S1具体为：在N-InP衬底上，通过MOCVD依次在片子表面生长N-InP缓冲层；InGaAsP下波导层；7层压应变InGaAsP量子阱； InGaAsP上波导层，P-InP间隔层，P-InGaAsP光栅层，P-InP光栅覆盖层，完成外延生长增益区。
进一步的，所述步骤S2具体为：
步骤S21:采用PECVD在片子上沉积SiO2介质层光刻形成光场扩展生长区域，刻蚀该区域SiO2介质层；
步骤S22:采用溴素系腐蚀溶液在室温下进行搅拌腐蚀，腐蚀深度至衬底层；
步骤S23:N-InP衬底片在外延炉中生长光场扩展结构,依次生长N-InP缓冲层、InGaAsP光场扩展波导层。
进一步的，所述步骤S5具体为：
步骤S51:光刻腐蚀形成脊结构，MOCVD再生长P-InP、N-InP和P-InP的电流阻挡层；
步骤S52:去除片子表面介质层和P-InGaAs；
步骤S53：通过MOCVD生长P-InP间隔层和P-InGaAs接触层，完成外延生长。
进一步的，依次采用BOE、硫酸、去离子水冲洗氮气吹干的方法去除片子表面介质层和P-InGaAs。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明通过采用选择区域生长光场扩展的外延结构，来扩展光场在芯片出光端面的分别，进而降低发散角，提高器件的耦合效率。
附图说明
图1是本发明一实施例中外延结构图；
图2是本发明一实施例中进行电流阻挡层掩埋再生长前，脊型波导的表面图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:在N-InP衬底片上通过MOCVD外延生长增益区;
步骤S2:采用PECVD在片子沉积SiO2介质层，通过光刻形成选择生长区域，并在选择生长区域外延生长光场扩展区域；
步骤S3:在生长增益区制备均匀布拉格光栅，腐蚀形成光栅，生长光栅覆盖层；
步骤S4:在片子表面沉积SiO2介质层，光刻形成脊型结构，并采用溴素系腐蚀液腐蚀形成脊波导结构，脊波导在生长增益区域为直波导，在光场扩展区域为锥形波导;
步骤S5:MOCVD完成掩埋再生长；
步骤S6:在N-InP衬底片上制备与脊型波导平行的双沟结构，并在脊型表面开孔；
步骤S7:最后通过蒸镀P面金属，减薄，蒸镀N面金属，合金，解离成巴条，蒸镀光学膜，完成芯片制备。
实施例1：
1）. 在两英寸N-InP衬底片上，MOCVD外延生长：1.0μm N-InP缓冲层，150nm无掺杂InGaAsP下波导层，7层周期13nm压应变InGaAsP量子阱，量子阱电致发光峰值波长为1310nm；150nm无掺杂InGaAsP上波导层，100nm P-InP间隔层；40nm P-InGaAsP光栅层，10nmP-InP光栅保护层，完成增益区生长。
2). PECVD沉积150nm SiO2介质层，光刻形成光场扩展结构的选择生长区域，单颗芯片内该生长区域的长度见图2，单颗芯片宽度为250μm。刻蚀生长区域介质层，在室温下采用溴素系腐蚀液搅拌腐蚀，腐蚀深度至衬底层，接着在外延设备中依次外延生长1.0μm N-InP缓冲层，390nm的InGaAsP光场扩展波导层，波导层呈弱折射率阶梯状分布，在波导层中间区域折射率最大；生长100nm P-InP层；40nm P-InGaAsP层，10nm P-InP层，完成光场扩展区域生长。
3).PECVD沉积250nm SiO2介质层，光刻，形成图2所示的脊型波导结构，刻蚀波导以外的介质层，在室温下采用溴素系腐蚀液进行搅拌腐蚀，腐蚀深度为1.5μm；接着在外延炉中依次生长：600nm P-InP、700nm N-InP、100nm P-InP电流阻挡层；去除片子表面的介质层和P-InGaAs，接着依次外延生长：2100nm P-InP、50nm P-InGaAsP、200nm P-InGaAs完成外延结构生长。
4).PECVD沉积250nm SiO2介质层，光刻形成双沟图案，可以该区域介质层，并采用溴素系腐蚀液腐蚀形成双沟结构，双沟深度为5μm，双沟与脊型波导平行，在增益区双沟间间距为8~10μm。去除表面介质层，沉积400nm SiO2，光刻，脊型顶部开孔，蒸发Ti/Pt/Au P面金属，减薄片子至厚度110μm左右，蒸发Ti/Pt/Au N面金属，氮气氛围中合金形成欧姆接触，解离片子成巴条，腔长300μm，靠近锥形波导光场扩展区表面蒸镀高透膜，反射率≤3%；靠近增益区端面蒸镀高反膜，反射率为90~95%，完成芯片制备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1:在N-InP衬底片上通过MOCVD外延生长增益区；
步骤S2:采用PECVD沉积SiO2介质层，通过光刻形成选择生长区域，并在选择生长区域外延生长光场扩展区域；
所述步骤S2具体为：
步骤S21:采用PECVD沉积SiO2介质层光刻形成光场扩展生长区域，刻蚀该区域SiO2介质层；
步骤S22:采用溴素系腐蚀溶液在室温下进行搅拌腐蚀，腐蚀深度至衬底层；
步骤S23:在外延炉中生长光场扩展结构,依次生长N-InP缓冲层、InGaAsP光场扩展波导层；
步骤S3:在生长增益区制备均匀布拉格光栅，腐蚀形成光栅，生长光栅覆盖层；
步骤S4：采用PECVD沉积SiO2介质层，光刻形成脊型结构，并采用溴素系腐蚀液腐蚀形成脊波导结构，脊波导在增益区域为直波导，在光场扩展区域为锥形波导；
步骤S5:采用MOCVD完成掩埋再生长；
所述步骤S5具体为：
步骤S51:进行掩埋异质结结构的制备工艺，接着MOCVD生长P-InP、N-InP和P-InP的电流阻挡层；
步骤S52:去除表面介质层和P-InGaAs；
步骤S53：通过MOCVD生长P-InP间隔层和P-InGaAs接触层，完成外延生长；
步骤S6:制备与脊型波导平行的双沟结构，并在脊型表面开孔；
步骤S7:最后通过蒸镀P面金属，减薄，蒸镀N面金属，合金，解离成巴条，蒸镀光学膜，完成激光器芯片制备。
2.根据权利要求1所述的一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：在N-InP衬底上，通过MOCVD依次在片子表面生长N-InP缓冲层；InGaAsP下波导层；7层压应变InGaAsP量子阱； InGaAsP上波导层，P-InP间隔层，P-InGaAsP光栅层，P-InP光栅覆盖层，完成外延生长增益区。
3.根据权利要求1所述的一种光通信波段低发散角DFB半导体激光器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S52中依次采用BOE、硫酸、去离子水冲洗氮气吹干的方法去除表面介质层和P-InGaAs。
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