CN110007399A - 高阶光栅光电器件及其制造方法 - Google Patents

高阶光栅光电器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种高阶光栅光电器件，其包括两个或两个以上的单模半导体激光器，单模半导体激光器为叠层外延结构。波导层被构造为脊波导结构，在脊波导结构上形成有高阶光栅结构；在脊波导结构的脊顶上形成有欧姆接触层；在欧姆接触层的上表面的第一区域以及脊波导结构的侧面之上覆盖有绝缘层；在欧姆接触层的上表面的第二区域以及绝缘层之上覆盖有电极，其中第二区域为欧姆接触层的上表面中未覆盖绝缘层的区域。本发明能够利用紫外接触式光刻制造可实现密集波分复用的频率通道间隔均匀的半导体激光器阵列，从而大幅降低了可用于密集波分复用和芯片上并行光互连数据传输的光源的制造成本，并使其制造工艺得以简化。

Description

高阶光栅光电器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及利用紫外接触式光刻产生的可实现密集波分复用的频率通道间隔均匀的高阶光栅光电器件及其制造方法。
背景技术
多波长半导体激光器阵列在实现光纤通信系统中的密集波分复用(DWDM)和芯片上光互连的数据传输中是必不可少的。作为DWDM系统和并行光互连中的核心元件，激光器阵列有望满足通信和数据传输网络中日益增长的带宽需求。小尺寸，高速度，高可靠性和低成本的单片可集成的激光器阵列势必推动高性能光互连网络和数据传输的发展。
到目前为止，已有一些方法实现了激光器阵列的制作，例如使用分布式反馈(DFB)激光器和垂直腔面发射激光器(VCSEL)。对于DFB激光器阵列，其可以实现稳定的高功率单纵模激光输出。但是考虑到对于这些DFB激光器阵列的制造工艺而言，EBL是一种点串行制造流程，由于耗时、昂贵，因此无法进行大批量生产。在使用选择性区域生长(SAG)制造工艺中，材料参数(例如厚度，成分和应力)的偏差不可避免的引起设计波长的偏移。同时在制造高性能DFB激光器阵列过程中，昂贵的掩埋材料及材料再生长的工艺步骤是不可避免的。VCSEL阵列可为数据传输应用提供低功耗和低成本的光源。但是对于VCSEL阵列，低输出功率和其相对较弱的横向模式控制能力限制了它的应用。同时，由于这些技术中涉及到的纳米级超微结构将采用高分辨率光刻技术，从而导致其制造成本非常昂贵。
最近，可以采用廉价的紫外接触式光刻工艺制造的激光器阵列被进行研究。与其他激光器阵列相比，高阶光栅激光器阵列由于其不需要采用二次材料生长和可以采用廉价的紫外接触式光刻而具有优于其他方法的成本优势。通过利用紫外接触式光刻工艺，可以显著地降低成本并为商业应用打下坚实的基础。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用紫外接触式光刻产生可以实现密集波分复用的频率通道间隔均匀的高阶光栅单模激光器阵列的方法，达到低成本制作可应用于DWDM和芯片上并行光互连数据传输的光源的目的。
一方面，本申请提供了一种高阶光栅光电器件，其包括两个或两个以上的单模半导体激光器，所述单模半导体激光器为叠层外延结构，其包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底之下的第一电极；形成于所述半导体衬底上表面与衬底同种极性掺杂的限制层；形成于所述与衬底同种极性掺杂的限制层之上的有源层；形成于所述有源层之上的与衬底异种极性掺杂的限制层；以及形成于所述与衬底异种极性掺杂的限制层之上的波导层。所述波导层被构造为脊波导结构，在所述脊波导结构上形成有高阶光栅结构；在所述脊波导结构的脊顶上形成有欧姆接触层；在所述欧姆接触层的上表面的第一区域以及所述脊波导结构的侧面之上覆盖有绝缘层；在所述欧姆接触层的上表面的第二区域以及所述绝缘层之上覆盖有第二电极，其中所述第二区域为所述欧姆接触层的上表面中未覆盖所述绝缘层的区域。所述高阶光栅光电器件是利用紫外接触式光刻产生的，并且能够产生频率通道间隔均匀的激光，从而实现密集波分复用。
可选的，所述脊波导结构上有两个以上的高阶光栅结构，且高阶光栅的阶数为大于1的整数；所述第一高阶光栅阶数分量被设定为使得所述高阶光栅宽度能够通过接触式紫外光刻实现；所述第二高阶光栅阶数分量被设定为使得所述高阶光栅结构之间的介质层的宽度能够通过接触式紫外光刻实现。
可选的，所述高阶光栅光电器件产生的激光中的第一预定波长和第二预定波长之间通道间隔为第一预定通道间隔，所述第一预定通道间隔被设定为25GHz到800GHz的范围内的任意值，所述高阶光栅光电器件产生的激光中其他的相邻预定波长之间的波长通道间隔是均匀的，并且为所述第一预定通道间隔N倍，其中N为大于或等于1的正整数。
可选的，高阶光栅光电器件高阶光栅光电器件高阶光栅光电器件还可以利用高精度光刻方法制造，所述高精度光刻方法包括步进式光刻和全息光刻。
可选的，所述的高阶光栅光电器件高阶光栅光电器件，进一步包括镀在所述脊波导结构的前腔面和后腔面的双面增透氧化膜，或者镀在所述脊波导结构的前腔面的增透氧化膜和镀在所述脊波导结构的后腔面的高反射氧化膜。
可选的，高阶光栅光电器件高阶光栅光电器件所述第一电极和所述第二电极能够实现正面嵌入封装或倒装焊结构封装。
可选的，所述高阶光栅光电器件包括的两个以上的单模半导体激光器全部同时被施加电压或电流而工作，或者其中一个或几个被同时施加电压或电流而工作。高阶光栅光电器件。
另一方面，本申请提供了一种高阶光栅光电器件的制造方法，所述高阶光栅单模激光器阵列能够产生频率通道间隔均匀的激光，并且所述频率通道间隔处于25GHz到800GHz的范围内，从而实现密集波分复用，所述制造方法包括：
基于反射效率、布拉格反射定律、预定波长和外延材料芯片的结构设定高阶光栅单模激光器结构参数；
根据所述高阶光栅结构参数利用紫外接触式光刻在外延材料芯片上刻蚀脊波导结构，并在所述脊波导结构上刻蚀形成高阶光栅结构，其中，所述脊波导结构的刻蚀和所述脊波导结构上高阶光栅结构的刻蚀的工艺步骤顺序可调换或同时完成；
在欧姆接触层的上表面的第一区域以及所述脊波导结构的侧面之上生长绝缘层；
在所述欧姆接触层的上表面的第二区域刻蚀电极窗口；
在所述欧姆接触层的上表面的第二区域以及所述绝缘层之上生长一种电极和在半导体衬底之下生长另一种电极。
可选地，所述制造方法还包括，
基于散射传输矩阵模拟，所述高阶光栅的深度被设计为使得在所述第一预定波长提供足够的所述反射强度效率以实现选模，从而达到单模激射；
基于高阶光栅提供反射强度效率设定所述高阶光栅结构的高阶光栅深度；
基于布拉格定律，根据第一有效折射率、第一预定波长和所述高阶光栅结构的第一高阶光栅阶数分量设定所述高阶光栅结构的高阶光栅宽度；
基于布拉格定律，根据第二有效折射率、所述第一预定波长和所述高阶光栅结构之间的介质层部分的第二高阶光栅阶数分量设定所述高阶光栅结构之间的介质层的宽度,
其中，所述高阶光栅部分的第一有效折射率由所述高阶光栅宽度和所述高阶光栅深度决定；
所述高阶光栅结构之间的介质层的第二有效折射率由所述高阶光栅结构之间的介质层宽度和所述高阶光栅深度决定。
可选地，所述的制造方法包括：
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成脊波导结构；
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成高阶光栅结构；
利用等离子体增强化学的气相沉积法形成绝缘层；
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成电注入窗口；
利用热蒸发或磁控溅射形成金属电极；
利用解理形成激光器阵列。
本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：
1、本发明利用紫外接触式光刻工艺即可产生可实现密集波分复用的频率通道间隔均匀的高阶光栅光电器件，从而大幅降低了可应用于密集波分复用和芯片上并行光互连数据传输的光源的制造成本，并使其制造工艺得以简化，从而能够实现大规模工业化生产。
2、本发明提供的这一种激光器阵列，结构紧凑，易于和光纤或CMOS兼容的硅基波导阵列集成，在光通讯和芯片上并行光互连等领域中具有广阔的应用前景。
附图说明
将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
图1为示出根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的基本结构的示意图；
图2为示出根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的平视图；
图3为沿图2中的LINE 2线的剖面图；
图4为沿图2中的LINE 1线的剖面图；
图5为制造根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的工艺流程图；
图6为本申请实施例中可采用的外延材料芯片量子阱或量子点芯片结构的示意图；
图7为根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的脊波导阵列结构的示意图；
图8为根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列在所述脊波导结构上形成的高阶光栅结构的示意图；
图9为根据本申请实施例的单模激光器阵列在所述欧姆接触层的上表面的第一区域以及所述脊波导结构的侧面之上生长绝缘层并在所述欧姆接触层的上表面的第二区域刻蚀电极窗口之后的结构的示意图；
图10为根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列生长P电极和N电极的结构的示意图；
图11为根据本申请实施例中的高阶光栅单模激光器阵列的光谱图；
图12为本申请实施例中的高阶光栅单模激光器阵列的功率-电流-电压曲线图；
图13为采用统一整体P电极的高阶光栅单模激光器阵列的示意图；
图14为根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列被不需刻蚀不需电注入的欧姆层和波导层分隔的高阶光栅单模激光器阵列的示意图；
图15为根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列被不需刻蚀不需电注入的欧姆层和波导层分隔的高阶光栅单模激光器阵列的剖面图；
图16为通过一步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的高阶光栅单模激光器阵列的示意图；
图17为通过一步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的脊波导结构的俯视图；
图18为通过一步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的具有统一整体P电极的高阶光栅单模激光器阵列的示意图；
图19为通过分步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的高阶光栅单模激光器阵列的示意图；
图20为通过分步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的具有统一整体P电极的高阶光栅单模激光器阵列的示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本申请的具体实施例进行详细的描述，但不作为本申请的限定。
应理解的是，可以对此处公开的实施例做出各种变型。因此，下述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本领域的技术人员将想到在本公开的范围和精神内的其他变型。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与上面给出的对本公开的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本公开的原理。通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
此后参照附图描述本公开的具体实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本公开的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本公开模糊不清。因此，本文所公开的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本公开。
本说明书可使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。
下面，结合附图详细的说明本申请实施例。
本发明高阶光栅光电器件的具体实施例为一种基于紫外接触式光刻产生可以实现密集波分复用且频率通道间隔均匀的高阶光栅单模激光器阵列。
本申请的实施例一示出了能够在C波段内实现密集波分复用的4通道具有100GHz通道间隔的激光器阵列。
首先，将参照图1和图2，对本申请实施例一中的4通道具有100GHz通道间隔的高阶光栅单模激光器阵列的基本结构进行具体描述。图1为根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的基本结构的示意图。图2为示出根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的平视图。
如图1所示，本申请实施例中的利用紫外接触式光刻制造的100GHz通道间隔的激光器阵列包括N电极100(即第一电极)；形成于N电极100之上的N型衬底101；形成于N型衬底101上的N型限制层102；形成于N型限制层102之上的有源层103；形成于有源层103之上的P型限制层104；形成于P型限制层104之上的P型波导层105。
P型波导层105向上凸起形成脊波导结构112。在脊波导结构112的脊顶上形成有欧姆接触层108。在欧姆接触层108的上表面的第一区域110以及脊波导结构112的侧面之上覆盖有绝缘层106；在欧姆接触层108的上表面的第二区域109以及绝缘层106之上覆盖有P电极107(即，第二电极)，其中第二区域109为欧姆接触层108的上表面中未覆盖绝缘层106的区域。也就是说，仅在第二区域109内，P电极107可以直接与欧姆接触层108接触。因此，在第二区域109处形成窗口电极，从而可以通过金属线电注入或倒装焊封装模式对脊波导上的窗口电极实现电注入。
参照图2，在本实施例中，第一区域110为矩形形状，第二区域109位于第一区域110内，也为矩形形状，并且第二区域109的长和宽尺寸均小于第一区域110。应注意，第一区域110和第二区域109的形状和大小可以按照实际需要进行设定，并不限于本实施例中的限定。
此外，在脊波导结构112的脊顶上形成有高阶光栅结构111。
根据本实施的高阶光栅单模激光器阵列能够产生频率通道间隔均匀的激光，从而实现密集波分复用。
在本发明一个实施例中，脊波导结构112上有两个以上的高阶光栅结构111，且高阶光栅结构111的阶数为大于1的整数；其中，第一高阶光栅阶数分量被设定为使得所述高阶光栅结构111的宽度能够通过接触式紫外光刻实现；所述第二高阶光栅阶数分量被设定为使得相邻高阶光栅结构111之间的介质层的宽度能够通过接触式紫外光刻实现。
在本发明另一个实施例中，高阶光栅单模激光器阵列产生的激光中的第一预定波长和第二预定波长之间通道间隔为第一预定通道间隔，所述第一预定通道间隔被设定为25GHz到800GHz的范围内的任意值。其他的相邻预定波长之间的波长通道间隔是均匀的，并且为所述第一预定通道间隔N倍，其中N为大于或等于1的正整数。
需要强调的是，利用紫外接触式光刻工艺即可完成上述根据本实施的高阶光栅单模激光器阵列的制造，从而大幅降低了可应用于密集波分复用和芯片上并行光互连数据传输的光源的制造成本，并使其制造工艺得以简化，从而能够实现大规模工业化生产。
此外，根据本实施的高阶光栅单模激光器阵列还可以利用精度高于接触式紫外光刻方法的高精度光刻方法制造的。例如，所述高精度光刻方法可以包括步进式光刻和全息光刻，但不限于此。在本发明另一个实施例中，高阶光栅单模激光器阵列还可以包括镀在所述脊波导结构的前腔面和后腔面的双面增透氧化膜，或者镀在所述脊波导结构的前腔面的增透氧化膜和镀在所述脊波导结构的后腔面的高反射氧化膜。
接下来，将参照图3和图4，对根据本申请实施例中的高阶光栅单模激光器阵列的脊波导的结构进行详细说明。图3为沿图2中的LINE 2线的剖面图；图4为沿图2中的LINE 1线的剖面图。
如图4所示，所述高阶光栅的宽度L3和相邻高阶光栅结构之间的介质层宽度L1满足布拉格定律，即，符合以下等式(1)：
4n3d3＝(2p3+1)λB和4n1d1＝(2p1+1)λB……等式(1)，
其中，p3是高阶光栅结构111的所述第一高阶光栅阶数分量；p1是相邻高阶光栅结构111之间的介质层部分的所述第二高阶光栅阶数分量，λB是布拉格波长，n3和n1分别是所述第一有效折射率和所述第二有效折射率。
基于散射传输矩阵模拟，所述高阶光栅结构的深度被设计为使得在所述第一预定波长提供足够的所述反射强度效率以实现选模，从而达到单模激射；
基于高阶光栅提供反射强度效率设定所述高阶光栅结构的高阶光栅深度；
基于布拉格定律，根据第一有效折射率、第一预定波长和所述高阶光栅结构的第一高阶光栅阶数分量设定所述高阶光栅结构的高阶光栅宽度；
基于布拉格定律，根据第二有效折射率、所述第一预定波长和所述高阶光栅结构之间的介质层部分的第二高阶光栅阶数分量设定所述高阶光栅结构之间的介质层的宽度,
其中，所述高阶光栅部分的第一有效折射率由所述高阶光栅宽度和所述高阶光栅深度决定；
所述高阶光栅结构之间的介质层的第二有效折射率由所述高阶光栅结构之间的介质层宽度和所述高阶光栅深度决定。
阵列中的布拉格波长设定为C波段满足DWDM的4个相邻波长，4个波长的相邻波长之间的间隔均为0.8nm，即100GHz。对于每个通道的高阶光栅区域，其第一高阶光栅阶数分量为5。相邻高阶光栅之间的第二高阶光栅阶数分量对应于从第一到第四通道，所述第二高阶光栅阶数分量变化从21到24。通过芯片结构和高阶光栅结构计算有效折射率、第一有效折射率n3和第二有效折射率n1。
当然，在具体实现过程中，本申请所属技术人员可以根据实际需要来进行选择激光器阵列以及其他具体参数，本申请不作具体的限制。本实施例一中提供的电注入结构利用脊波导上电注入改善反射引起的选模作用，提供高的侧模抑制比(SMSR)。基于散射矩阵法模拟的分析，通过计算损耗强度和反射强度效率幅度对应波长变化从而优化了高阶光栅结构的几何参数。相对窄的反射光谱确保了每个通道能够实现单模输出。
根据本发明的又一实施例，第一电极和第二电极能够实现正面嵌入封装或倒装焊结构封装。
此外，根据本发明的再一实施例，所述高阶光栅单模激光器阵列包括的两个以上的单模半导体激光器可以全部同时被施加电压或电流而工作，或者其中一个或几个同时被施加电压或电流而工作。
下面参照图5至图10对本实施例中利用紫外接触式光刻制造的具有100GHz通道间隔的高阶光栅激光器阵列的工艺流程进行具体描述。图5示出了制造根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的工艺流程图。
首先，根据上述参照图4进行说明的高阶光栅单模激光器结构参数的设定方法，基于反射效率、布拉格反射定律、预定波长和芯片材料结构设定高阶光栅单模激光器结构参数。在设定号高阶光栅单模激光器结构参数之后，开始进行制造根据本申请实施例的高阶光栅单模激光器阵列的工艺流程，如图5所示，根据本发明实施例的高阶光栅单模激光器阵列的工艺流程包括：步骤S101：生长外延材料芯片。可选地，外延材料芯片可以为量子阱或量子点芯片，但不限于此。本实施例中采用的外延材料芯片量子阱或量子点芯片的结构如图6所示。
步骤S102：制作脊波导结构。根据预先设定的高阶光栅单模激光器的结构参数，利用紫外接触式光刻在外延材料芯片上刻蚀脊波导结构。根据本实施例的高阶光栅单模激光器阵列的脊波导阵列结构如图7所示。
步骤S103:制作高阶光栅结构。在所述脊波导结构上刻蚀形成高阶光栅结构。根据本实施例的高阶光栅单模激光器阵列在所述脊波导结构上形成的高阶光栅结构如图8所示。此外，步骤S102中脊波导结构的刻蚀和步骤S103中脊波导结构上高阶光栅结构的刻蚀的工艺步骤顺序可调换或同时完成。
步骤S104：制作绝缘层。在欧姆接触层的上表面的第一区域以及脊波导结构的侧面之上生长绝缘层。
步骤S105：制作电注入窗口。在欧姆接触层的上表面的第二区域刻蚀电极窗口。图9示出了根据本实施例的单模激光器阵列在所述欧姆接触层的上表面的第一区域以及所述脊波导结构的侧面之上生长绝缘层并在所述欧姆接触层的上表面的第二区域刻蚀电极窗口之后的结构。
步骤S106：在欧姆接触层的上表面的第二区域和在绝缘层之上生长P电极(即，第二电极)。
步骤S106：在N型衬底之下生长N电极(即第一电极)。图10为根据实施例的单模激光器阵列生长P电极和N电极的机构。
此外，根据本发明的另一实施例的制造方法进一步包括：
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成脊波导结构；
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成高阶光栅结构；
利用等离子体增强化学的气相沉积法形成绝缘层；
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成电注入窗口；
利用热蒸发或磁控溅射形成金属电极；
利用解理形成激光器阵列。
具体而言，通过一系列流片工艺程序将AlGaInAs MQWs外延片加工成脊波导3μm宽的高阶光栅激光器阵列，所述流片工艺程序包括例如PECVD SiO2生长、紫外接触式光刻、电感耦合等离子体(ICP)干法蚀刻、金属生长、磨抛和解理技术，但并不限于此。
接下来，紫外接触式光刻法用于实现制作图案在微米量级和亚微米量级的高阶光栅结构。高阶光栅和脊波导按照两步ICP干法蚀刻制造。
然后，在脊波导上构造一组1μm宽的电流注入窗口以增加来自高阶光栅结构的反射强度效率。
结构显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
图11对本申请实施例一中在直流电流下实验测量4通道激光阵列的光谱进行具体描述。
在本实施例一中对4通道激光阵列的PIV曲线测试中，将流片后的外延芯片解理成4通道激光器阵列(bar)条。阵列中的激光器互相电隔离。将解理后的激光器阵列放置在铜热沉上烧结，然后分析其特性。阵列中的每个激光器在室温下，经过直流电流下通过探针系统单独测量。
图12显示了对应于一个阵列内所有4个激光器的测量功率-电流-电压(PIV)曲线。
需要说明的是，本领域技术人员应该理解，本申请实施例中的附图中使用不同线条示出的4通道激光阵列的PIV曲线仅为根据某一次具体实验测量的数据，仅仅是为了说明每个激光器的输出特性的大体趋势，在具体实现过程中，每个激光器的输出并不一定严格按照图中数据实现。
每个通道的激光光谱宽度约为1MHz。激光波长为1551.72nm、1552.52nm、1553.33nm、1554.12nm。其中，4个波长内的通道间隔为100GHz。
当然，在具体实现过程中，本申请所属技术人员可以根据实际需要来进行选择激光器阵列的通道数以及其他具体参数，本申请不作具体的限制。
图13示出了本申请的实施例二。在实施例二示出了利用统一整体P电极可以实现密集波分复用的频率通道间隔均匀从25GHz到800GHz的高阶光栅单模激光器阵列。在本实施例中，由于利用统一整体P电极进行统一电注入，阵列里面所有激光器一起加电，从而同时工作。
图14和图15示出了本申请的实施例三。在实施例三示出的高阶光栅单模激光器阵列中，高阶光栅单模激光器阵列被不需刻蚀不需电注入的欧姆层和波导层分隔。图14为高阶光栅单模激光器阵列被不需刻蚀不需电注入的欧姆和波导层分隔的四通道激光器阵列。图15为高阶光栅单模激光器阵列被不需刻蚀不需电注入的欧姆和波导层分隔的剖面图。其中，L5是未刻蚀部分的间距宽度，L4是高阶光栅单模激光器与相邻的未刻蚀部分的间距宽度。在本实施例中，在高阶光栅单模激光器阵列的各个单模半导体激光器之间的欧姆层和波导层不需要全部被刻蚀掉。例如，可以通过在脊波导两侧刻蚀两条窄缝来形成脊波导结构。从而简化了工艺。
图16和图17示出了本申请的实施例四。在实施例四示出的高阶光栅单模激光器阵列中，脊波导结构和高阶光栅结构为通过一步光刻和刻蚀的方法而形成的。图17为通过一步光刻和刻蚀的方法形成的脊波导结构和高阶光栅结构的俯视图。其中脊波导宽度为L6；H型单元宽度为L7；高阶光栅狭槽宽度为L8；选模侧壁宽度为L9；高阶光栅单元周期为L10。
图18示出了本申请的实施例五。在实施例五示出的高阶光栅单模激光器阵列中，脊波导结构和高阶光栅结构为通过一步光刻和刻蚀的方法而形成的，并且采用统一整体P电极，由于利用统一整体P电极进行统一电注入，阵列里面所有激光器一起加电，从而同时工作。
图19为通过分步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的高阶光栅单模激光器阵列的示意图。
图19示出了本申请的实施例六。在实施例六示出的高阶光栅单模激光器阵列中，为了简化光刻对准工艺难度，采用分步光刻和刻蚀的方法。由于采用分步光刻和刻蚀的方法，在高阶光栅两侧形成深坑，无论其是否刻蚀到量子阱结构的有源区，均不损伤器件性能，从而增加了光刻步骤的对准容差。
图20为通过分步光刻和刻蚀的方法形成脊波导结构和高阶光栅结构的具有统一整体P电极的高阶光栅单模激光器阵列的示意图。
图20示出了本申请的实施例七。在实施例七示出的高阶光栅单模激光器阵列中，为了简化光刻对准工艺难度，采用分步光刻和刻蚀的方法。由于采用分步光刻和刻蚀的方法，在高阶光栅两侧形成深坑，无论其是否刻蚀到量子阱结构的有源区，均不损伤器件性能，从而增加了光刻步骤的对准容差。
此外，在本实施例中，由于利用统一整体P电极进行统一电注入，阵列里面所有激光器一起加电，从而同时工作。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高阶光栅光电器件，其包括两个以上的单模半导体激光器，所述单模半导体激光器为叠层外延结构，其包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底之下的第一电极；形成于所述半导体衬底上表面与衬底同种极性掺杂的限制层；形成于所述与衬底同种极性掺杂的限制层之上的有源层；形成于所述有源层之上的与衬底异种极性掺杂的限制层；以及形成于所述与衬底异种极性掺杂的限制层之上的波导层；
其特征在于，
所述波导层被构造为脊波导结构，在所述脊波导结构上形成有高阶光栅结构；在所述脊波导结构的脊顶上形成有欧姆接触层；在所述欧姆接触层的上表面的第一区域以及所述脊波导结构的侧面之上覆盖有绝缘层；在所述欧姆接触层的上表面的第二区域以及所述绝缘层之上覆盖有第二电极，其中所述第二区域为所述欧姆接触层的上表面中未覆盖所述绝缘层的区域，
所述高阶光栅光电器件是利用紫外接触式光刻产生的，并且能够产生频率通道间隔均匀的激光，从而实现密集波分复用。
2.根据权利要求1所述的高阶光栅光电器件，其特征在于，所述脊波导结构上有两个以上的高阶光栅结构，且高阶光栅的阶数为大于1的整数；所述第一高阶光栅阶数分量被设定为使得所述高阶光栅结构的宽度能够通过接触式紫外光刻实现；所述第二高阶光栅阶数分量被设定为使得相邻所述高阶光栅结构之间的介质层的宽度能够通过接触式紫外光刻实现。
3.根据权利要求1所述的高阶光栅光电器件，其特征在于，所述高阶光栅光电器件产生的激光中的第一预定波长和第二预定波长之间通道间隔为第一预定通道间隔，所述第一预定通道间隔被设定为25GHz到800GHz的范围内的任意值，其他的相邻预定波长之间的波长通道间隔是均匀的，并且为所述第一预定通道间隔N倍，其中N为大于或等于1的正整数。
4.根据权利要求1所述的高阶光栅光电器件，其特征在于，所述高阶光栅光电器件是利用高精度光刻方法制造的，所述高精度光刻方法包括步进式光刻和全息光刻。
5.根据权利要求1所述的高阶光栅光电器件，进一步包括镀在所述脊波导结构的前腔面和后腔面的双面增透氧化膜，或者镀在所述脊波导结构的前腔面的增透氧化膜和镀在所述脊波导结构的后腔面的高反射氧化膜。
6.根据权利要求1所述的高阶光栅光电器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极能够实现正面嵌入封装或倒装焊结构封装。
7.根据权利要求1所述的高阶光栅光电器件，其特征在于，所述高阶光栅光电器件包括的两个以上的单模半导体激光器全部同时被施加电压或电流而工作，或者其中一个或几个被同时施加电压或电流而工作。
8.一种高阶光栅光电器件的制造方法，所述高阶光栅光电器件能够产生频率通道间隔均匀的激光，并且所述频率通道间隔处于25GHz到800GHz的范围内，从而实现密集波分复用，所述制造方法的特征在于，包括：
基于反射效率、布拉格反射定律、预定波长和外延材料芯片的结构设定高阶光栅单模激光器结构参数；
根据所述高阶光栅结构参数利用紫外接触式光刻在外延材料芯片上刻蚀脊波导结构，并在所述脊波导结构上刻蚀形成高阶光栅结构，其中，所述脊波导结构的刻蚀和所述脊波导结构上高阶光栅结构的刻蚀的工艺步骤顺序可调换或同时完成；
在欧姆接触层的上表面的第一区域以及所述脊波导结构的侧面之上生长绝缘层；
在所述欧姆接触层的上表面的第二区域刻蚀电极窗口；
在所述欧姆接触层的上表面的第二区域以及所述绝缘层之上生长一种电极和在半导体衬底之下生长另一种电极。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，
基于散射传输矩阵模拟，所述高阶光栅的深度被设计为使得在所述第一预定波长提供足够的所述反射强度效率以实现选模，从而达到单模激射；
基于高阶光栅提供反射强度效率设定所述高阶光栅结构的高阶光栅深度；
基于布拉格定律，根据第一有效折射率、第一预定波长和所述高阶光栅结构的第一高阶光栅阶数分量设定所述高阶光栅结构的高阶光栅宽度；
基于布拉格定律，根据第二有效折射率、所述第一预定波长和所述高阶光栅结构之间的介质层部分的第二高阶光栅阶数分量设定所述高阶光栅结构之间的介质层的宽度,
其中，所述高阶光栅部分的第一有效折射率由所述高阶光栅宽度和所述高阶光栅深度决定；
所述高阶光栅结构之间的介质层的第二有效折射率由所述高阶光栅结构之间的介质层宽度和所述高阶光栅深度决定。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，包括：
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成脊波导结构；
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成高阶光栅结构；
利用等离子体增强化学的气相沉积法形成绝缘层；
利用接触式紫外光刻和电感耦合等离子体干法刻蚀形成电注入窗口；
利用热蒸发或磁控溅射形成金属电极；
利用解理形成激光器阵列。
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