CN109167253A - 一种小发散角掩埋异质结dfb激光器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电子技术领域，提供了一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，包括S1‑S6六个步骤。本发明的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法采用部分区域设置光栅光刻版，一方面能够改善小发散角DFB激光器的光谱特性，提高良率，另一方面能够有效提高光输出功率；且通过采用反应离子刻蚀技术和非选择性湿法腐蚀形成渐变式波导结构，一方面，结合普通的异质结掩埋工艺，无需对接无源波导，可实现远场发散角为圆形，进一步提高光输出功率，提高器件耦合效率高，从而有效降低光器件TO的封装成本；另一方面，制作工艺与常规异质结掩埋工艺相同，未增加新的工艺，适合批量生产。

Description

一种小发散角掩埋异质结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，具体为一种小发散角掩埋异质结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，远场发散角有一定的优势，但其远场光斑仍然为一个椭圆，垂直方向角度比水平方向角度大8-10度。
由于DFB激光器的远场发散角大小直接与TO器件封装后光输出功率相关，远场发散角越小，光输出功率越大，TO器件封装成本越低。因此，为了进一步降低DFB激光器的远场发散角，国内外技术人员开始尝试各种技术方案，主要包括：1.对接无源波导；2.选区生长。然而对于第一种方案，在BH工艺基础增加对接生长工艺，工艺制程增加，不利于批量生产，对于第二种方案，选区生长控制工艺要求高，难度大，不利于批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1，制备外延片，且所述外延片的最上层为InP光栅层；
S2，于所述InP光栅层上涂覆光刻胶且于部分区域所述光刻胶上通过光栅光刻版形成布拉格光栅区域，其它部分区域为布拉格非光栅区域，且于所述布拉格光栅区域形成光栅图形；
S3，将形成有光栅图形的所述光刻胶上依次生长光栅掩埋P型InP层及本征InGaAsP层；
S4，于所述本征InGaAsP层上通过一次生长进行脊形掩膜光刻，形成脊条，对所述脊条下方各层结构的两侧均依次进行脊形腐蚀，以使所述脊条下方的各层结构沿腐蚀方向整体呈渐扩状结构；
S5，在所述渐扩状结构的两个渐扩的边沿上均进行高温热处理，且在高温热处理后的所述渐扩的边沿上依次生长第一电流阻挡层和第二电流阻挡层，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，对所述S5步骤后成型的整体结构进行后续工艺，以获得激光器。
进一步，所述S4步骤中，两个渐扩的边沿均为平滑的曲面，且所述曲面的斜率逐渐变小。
进一步，所述S4步骤中，所述脊条的形成具体为：
S40，先将所述第一掩膜层制作为三段式结构，所述三段式结构包括依次连接的第一段、第二段以及第三段，其中，所述第二段的首端和尾端分别与所述第一段和所述第三段连接，所述第二段的首端的尺寸小于所述第二段的尾端的尺寸，且沿所述首端至所述尾端方向所述第二段的尺寸渐扩；
S41，然后采用该第一掩膜层进行脊形掩膜光刻，以获得具有渐变结构的脊形。
进一步，将渐扩的差值控制在-1.2～-1.4μm之间。
进一步，沿所述第二段的首端至所述第二段的尾端的方向，将所述第一段的尺寸、所述第二段的尺寸以及所述第三段的尺寸分别设置在8-10μm之间、40-80μm之间以及210-250μm之间。
进一步，将所述第一段和所述第三段均设为方形，并将所述第一段与所述第二段连接的部位的尺寸设置在1.8-2.6μm之间，将所述第三段与所述第二段连接的部位的尺寸设置在3.0-4.0μm之间。
进一步，所述S2步骤中，获得布拉格光栅区域和布拉格非光栅区域的具体方式为：通过部分光栅光刻版，先在光刻机下进行曝光，然后利用全息曝光及显影。
进一步，所述S1步骤以及所述S3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，所述S5步骤中的高温处理也采用所述金属有机化学气相沉积设备进行。
进一步，所述S2步骤中，获得光栅图形具体为：先利用光刻胶作为保护层，并采用反应离子刻蚀技术和光栅湿法腐蚀获得；所述反应离子刻蚀技术具体为：采用的反应气体为Cl2/CH4/H2的混合气体，其中Cl2流量为6-12sccm，CH4流量为8-15sccm，H2流量为18-30sccm，射频功率为60-100W，ICP功率为1200-1800w，反应气压为4mTorr，反应温度为60℃，反应时间为2min-2min30s。
进一步，所述外延片的截面形状为方形，所述S2步骤中，其中，将形成的所述布拉格光栅区的长度设置在200-250μm之间，将所述布拉格非光栅区的长度设置在50-100μm之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、采用部分区域设置光栅光刻版，一方面能够改善小发散角DFB激光器的光谱特性，提高良率，另一方面能够有效提高光输出功率。
2、通过采用反应离子刻蚀技术和非选择性湿法腐蚀形成渐变式波导结构，一方面，结合普通的异质结掩埋工艺，无需对接无源波导，可实现远场发散角为圆形，进一步提高光输出功率，提高器件耦合效率高，从而有效降低光器件TO的封装成本；另一方面，制作工艺与常规异质结掩埋工艺相同，未增加新的工艺，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的一次外延多量子阱的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的光栅光刻后的截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的光刻刻蚀腐蚀后的截面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的光栅掩埋后的截面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的脊条及掩膜区域成型后的截面示意图；
图6为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的脊条及掩膜区域成型后的俯视图；
图7为本发明实施例提供的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的脊形反应离子刻蚀和非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小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法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小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法的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-布拉格光栅区域；9-布拉格非光栅区域；10-光栅掩埋P型InP层；11-本征InGaAsP层；12-脊条；13-第一电流阻挡层；14-第二电流阻挡层；15-P型InP覆盖层；16-P型InGaAs接触层；17-渐扩的边沿；18-第一段；19-第二段；20-第三段。
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8，本发明实施例提供一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：S1，制备外延片，且所述外延片的最上层为InP光栅层6，具体是，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，以制得外延片；S2，于所述InP光栅层6上涂覆光刻胶7且于部分区域所述光刻胶7上通过光栅光刻版形成布拉格光栅区域8，其它部分区域为布拉格非光栅区域9，且于所述布拉格光栅区域8形成光栅图形；S3，将形成有光栅图形的所述光刻胶7上依次进行光栅掩埋生长光栅掩埋P型InP层10及本征InGaAsP层11；S4，于所述本征InGaAsP层11上通过一次生长进行脊形掩膜光刻，形成脊条12，所述脊条12为SiO2脊条12，对所述脊条12下方各层结构的两侧均依次采用反应离子刻蚀技术和非选择性湿法进行脊形腐蚀，以使所述脊条12下方的各层结构沿腐蚀方向整体呈渐扩状结构；S5，在所述渐扩状结构的两个渐扩的边沿17上均进行高温热处理，且在高温热处理后的所述渐扩的边沿17上依次生长第一电流阻挡层13和第二电流阻挡层14，所述第一电流阻挡层13为P型InP层，所述第二电流阻挡层14为N型InP层；S6，对所述S5步骤后成型的整体结构进行后续工艺，以获得激光器。其中，后续工艺具体为：S7，将腐蚀后所述脊条12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11，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15和P型InGaAs接触层16；S8，再次采用光刻胶7作为第二掩膜层，并对S7步骤中获得的整体进行非选择性腐蚀，以形成双沟；S9，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。在本实施例中，通过在InP光栅层6上的部分区域设置光栅光刻版，以得到光栅区域和非光栅区域，如此，一方面能够改善小发散角DFB激光器的光谱特性，提高良率，另一方面能够有效提高光输出功率。而且，渐扩状结构可以实现远场发散角为圆形，提高了光输出率和器件耦合效率，从而降低了光器件TO的封装成本。
作为本发明实施例的优化方案，所述S4步骤中，两个渐扩的边沿17均为平滑的曲面，且所述曲面的斜率逐渐变小。采用这种平滑的曲面可以进一步提高光输出率和器件耦合效率。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图6，图6为制作的激光器的俯视图，所述S4步骤中，所述脊条12的形成具体为：S40，先将所述第一掩膜层制作为三段式结构，所述三段式结构包括依次连接的第一段18、第二段19以及第三段20，其中，所述第二段19的首端和尾端分别与所述第一段18和所述第三段20连接，所述第二段19的首端的尺寸小于所述第二段19的尾端的尺寸，且沿所述首端至所述尾端方向所述第二段19的尺寸渐扩；S41，然后采用该第一掩膜层进行脊形掩膜光刻，以获得具有渐变结构的脊形。通过采用反应离子刻蚀技术和非选择性湿法腐蚀形成渐变式波导结构，一方面，结合普通的异质结掩埋工艺，无需对接无源波导，可实现远场发散角为圆形，进一步提高光输出功率，提高器件耦合效率高，从而有效降低光器件TO的封装成本；另一方面，制作工艺与常规异质结掩埋工艺相同，未增加新的工艺，适合批量生产。
优化上述方案，将渐扩的差值控制在-1.2～-1.4μm之间。在本实施例中，形成的脊形可以看成三段，如图6所示，第二段19即上述的渐变结构，从下到上的方向，它逐渐变大，因此其差值为负数。
继续优化上述方案，沿所述第二段19的首端至所述第二段19的尾端的方向，将所述第一段18的尺寸、所述第二段19的尺寸以及所述第三段20的尺寸分别设置在8-10μm之间、40-80μm之间以及210-250μm之间。在本实施例中，所述的尺寸即图6中所示的竖直的方向上的尺寸，优选的，三段尺寸之和等于本征InGaAsP的宽度(激光器俯视图视角)。
继续优化上述方案，将所述第一段18和所述第三段20均设为方形，并将所述第一段18与所述第二段19连接的部位的尺寸设置在1.8-2.6μm之间，将所述第三段20与所述第二段19连接的部位的尺寸设置在3.0-4.0μm之间。在本实施例中，将第一段18和第三段20设为方形，第二段19设为渐变结构，且通过将该脊形的尺寸设计在这些数值范围内，能够提高光输出功率，提高器件耦合效率高，从而有效降低光器件TO的封装成本。
作为本发明实施例的优化方案，所述S2步骤中，获得布拉格光栅区域8和布拉格非光栅区域9的具体方式为：通过部分光栅光刻版，先在光刻机下进行曝光，然后利用全息曝光及显影。
作为本发明实施例的优化方案，在S1步骤中，所述多量子阱结构3包括厚度在20-60nm之间的下限制层InGaAsP，厚度在100-200nm之间的多量子阱层InGaAsP及厚度在20-60nm之间的上限制层InGaAsP，所述下限制层位于所述上限制层下方。
作为本发明实施例的优化方案，在S1步骤中，所述N型InP缓冲层2的厚度在500-1000nm之间，所述P型InP层4的厚度在10-100nm之间，所述InGaAsP光栅层5的厚度在20-60nm，所述InP光栅层6的厚度在10-20nm之间，光栅掩埋P型InP层10的厚度在200-500nm之间，本征InGaAsP层11的厚度在50-200nm之间，第一电流阻挡层的厚度在0.8-1.0um之间，第二电流阻挡层的厚度为在0.8-1.0um之间2，所述P型InP覆盖层15的厚度在1.5-1.8um之间，P型InGaAs接触层16的厚度在0.15-0.25um之间。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，在S5步骤中，所述高温热处理为650-750℃下保持10-30min，以消除反应离子刻蚀和湿法腐蚀形成的表面缺陷，进而生长的第一电流阻挡层13的厚度在0.8-1.0um之间，第二电流阻挡层14的厚度在0.8-1.0um之间。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。同样，所述S1步骤以及S3步骤中的生长方式也均采用金属有机化学气相沉积设备进行生长。
作为本发明实施例的优化方案，所述S2步骤中，获得光栅图形具体为：先利用光刻胶7作为保护层，并采用反应离子刻蚀技术和光栅湿法腐蚀获得；所述反应离子刻蚀技术具体为：采用的反应气体为Cl2/CH4/H2的混合气体，其中Cl2流量为6-12sccm，CH4流量为8-15sccm，H2流量为18-30sccm，射频功率为60-100W，ICP功率为1200-1800w，反应气压为4mTorr，反应温度为60℃，反应时间为2min-2min30s。当然除此以外，所述的反应离子刻蚀技术还可以采用：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4-8分钟。
作为本发明实施例的优化方案，所述S2步骤中，所述外延片的截面形状为方形，其中，将形成的所述布拉格光栅区的长度设置在200-250μm之间，将所述布拉格非光栅区的长度设置在50-100μm之间。二者之和等于InP光栅层6的长度(激光器俯视图视角)。
作为本发明实施例的优化方案，所述光栅湿法腐蚀所用的腐蚀液为HBr、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，腐蚀液体积比为21:0.5:1600。
作为本发明实施例的优化方案，脊形湿法腐蚀所用的非选择性腐蚀液为HBr、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液，腐蚀液体积比为105:3:800，腐蚀时间为4-6min。
作为本发明实施例的优化方案，反应离子刻蚀深度在1.3-1.6um之间，非选择性腐蚀后总深度在2.0-2.3um之间。
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)

1.一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制备外延片，且所述外延片的最上层为InP光栅层；
S2，于所述InP光栅层上涂覆光刻胶且于部分区域所述光刻胶上通过光栅光刻版形成布拉格光栅区域，其它部分区域为布拉格非光栅区域，且于所述布拉格光栅区域形成光栅图形；
S3，将形成有光栅图形的所述光刻胶上依次生长光栅掩埋P型InP层及本征InGaAsP层；
S4，于所述本征InGaAsP层上通过一次生长进行脊形掩膜光刻，形成脊条，对所述脊条下方各层结构的两侧均依次进行脊形腐蚀，以使所述脊条下方的各层结构沿腐蚀方向整体呈渐扩状结构；
S5，在所述渐扩状结构的两个渐扩的边沿上均进行高温热处理，且在高温热处理后的所述渐扩的边沿上依次生长第一电流阻挡层和第二电流阻挡层，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，对所述S5步骤后成型的整体结构进行后续工艺，以获得激光器。
2.如权利要求1所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述S4步骤中，两个渐扩的边沿均为平滑的曲面，且所述曲面的斜率逐渐变小。
3.如权利要求1所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述S4步骤中，所述脊条的形成具体为：
S40，先将所述第一掩膜层制作为三段式结构，所述三段式结构包括依次连接的第一段、第二段以及第三段，其中，所述第二段的首端和尾端分别与所述第一段和所述第三段连接，所述第二段的首端的尺寸小于所述第二段的尾端的尺寸，且沿所述首端至所述尾端方向所述第二段的尺寸渐扩；
S41，然后采用该第一掩膜层进行脊形掩膜光刻，以获得具有渐变结构的脊形。
4.如权利要求3所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：将渐扩的差值控制在-1.2～-1.4μm之间。
5.如权利要求3所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：沿所述第二段的首端至所述第二段的尾端的方向，将所述第一段的尺寸、所述第二段的尺寸以及所述第三段的尺寸分别设置在8-10μm之间、40-80μm之间以及210-250μm之间。
6.如权利要求3所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：将所述第一段和所述第三段均设为方形，并将所述第一段与所述第二段连接的部位的尺寸设置在1.8-2.6μm之间，将所述第三段与所述第二段连接的部位的尺寸设置在3.0-4.0μm之间。
7.如权利要求1所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述S2步骤中，获得布拉格光栅区域和布拉格非光栅区域的具体方式为：通过部分光栅光刻版，先在光刻机下进行曝光，然后利用全息曝光及显影。
8.如权利要求1所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述S1步骤以及所述S3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，所述S5步骤中的高温处理也采用所述金属有机化学气相沉积设备进行。
9.如权利要求1所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述S2步骤中，获得光栅图形具体为：先利用光刻胶作为保护层，并采用反应离子刻蚀技术和光栅湿法腐蚀获得；所述反应离子刻蚀技术具体为：采用的反应气体为Cl2/CH4/H2的混合气体，其中Cl2流量为6-12sccm，CH4流量为8-15sccm，H2流量为18-30sccm，射频功率为60-100W，ICP功率为1200-1800w，反应气压为4mTorr，反应温度为60℃，反应时间为2min-2min30s。
10.如权利要求1所述的一种小发散角掩埋异质结DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述外延片的截面形状为方形，所述S2步骤中，其中，将形成的所述布拉格光栅区的长度设置在200-250μm之间，将所述布拉格非光栅区的长度设置在50-100μm之间。
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