CN110048304B - 一种集成dfb半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

一种集成dfb半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成DFB半导体激光器及其制备方法。从激光器一半腔长处沿腔长方向朝向激光器出光端面引出一分支圆弧状分支波导，且在激光器出光端面处所述分支圆弧状分支波导与直脊波导具有一间距，所述分支圆弧状分支波导与直脊波导之间形成有离子注入区域。本发明可以达到出光和探测一体的功能，从而降低器件成本，而发散角的改善又能达到提高耦合出光功率的效果。

Description

一种集成DFB半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种集成DFB半导体激光器及其制备方法。
背景技术
DFB半导体激光器由于其单色性好、线宽在，非常适合做高速直接调制和长距离传输，是光纤通信中未来发展的主流激光器件。通常TO封装激光器件，采用内置背光探测器来监测激光器的工作情况，达到反馈激光器寿命性能的特点；此外由于采用全息方法制备的DFB激光器存在背光端面随机光栅相位的问题，使得激光器的背面出光功率变化较大，而这部分的变化引起DFB激光器良率的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成DFB半导体激光器及其制备方法，该激光器可以达到出光和探测一体的功能，从而降低器件成本，而发散角的改善又能达到提高耦合出光功率的效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种集成DFB半导体激光器，从激光器一半腔长处沿腔长方向朝向激光器出光端面引出一分支圆弧状分支波导，且在激光器出光端面处所述分支圆弧状分支波导与直脊波导具有一间距，所述分支圆弧状分支波导与直脊波导之间形成有离子注入区域。
在本发明一实施例中，所述间距为10~20微米。
在本发明一实施例中，所述离子注入区域，从激光器出光端面起沿腔长方向的长度为30微米。
本发明还提供了一种基于上述所述的激光器的制备方法，（1）在衬底上通过MOCVD外延生长基片结构，制备均匀光栅，光栅掩埋再生长，完成外延结构生长；（2）制备激光器的直脊波导和分支波导结构，并完成激光器芯片的制备。
在本发明一实施例中，所述步骤（1）的具体实现过程为：在N-InP衬底上，通过MOCVD依次生长N-InP缓冲层、N-InAlAs电子阻挡层、InGaAlAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱层、InGaAlAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP光栅保护层，完成基片结构生长；而后，采用双光束全息曝光，形成均匀光栅，接着外延生长InP间隔层、InGaAsP腐蚀停止层、InP空间层、InGaAsP过渡层、P+-InGaAs欧姆接触层，完成外延结构生长。
在本发明一实施例中，所述步骤（2）的具体实现过程为：在外延结构表面沉积介质层，采用湿法腐蚀形成激光器的直脊波导和分支波导结构，接着在直脊波导和分支波导之间采用离子注入形成离子注入区域，退火；而后进行激光器芯片工艺，完成激光器芯片的制备。
在本发明一实施例中，所述激光器芯片工艺，包括：在直脊波导和分支波导表面开孔，形成激光器和探测区域的欧姆接触；蒸发P面电极金属；外延片N面研磨减薄至厚度再100微米左右；蒸发N面金属电极；合金；解离成激光器bar条；腔面蒸发高反和高透膜，完成激光器芯片的制备。
在本发明一实施例中，所述直脊波导和分支波导在激光器出光端面处的间距为10~20微米。
在本发明一实施例中，所述离子注入区域，从激光器出光端面起沿腔长方向的长度为30微米。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明采用分支波导，在激光器谐振腔内部引出一部分光场，通过这部分光产生的光生载流子来实现激光器背光监测的功能，并避免了背面出光由于相位问题而引起的背光波动大的问题；通过合理调整分支波导和脊波导间的距离，采用小剂量的离子注入进一步改善电隔离和调整横向光场，这在激光器的量产上是容易实现的，这种方面能有效降低器件的成本，并适当提高芯片良率。
附图说明
图1为本发明激光器形成波导结构后的芯片结构图。
图2为本发明激光器蒸镀完金属后的芯片图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种集成DFB半导体激光器，从激光器一半腔长处沿腔长方向朝向激光器出光端面引出一分支圆弧状分支波导，且在激光器出光端面处所述分支圆弧状分支波导与直脊波导具有一间距（10~20微米），所述分支圆弧状分支波导与直脊波导之间形成有离子注入区域。所述离子注入区域，从激光器出光端面起沿腔长方向的长度为30微米。
本发明还提供了一种基于上述所述的激光器的制备方法，（1）在衬底上通过MOCVD外延生长基片结构，制备均匀光栅，光栅掩埋再生长，完成外延结构生长；（2）制备激光器的直脊波导和分支波导结构，并完成激光器芯片的制备。
所述步骤（1）的具体实现过程为：在N-InP衬底上，通过MOCVD依次生长N-InP缓冲层、N-InAlAs电子阻挡层、InGaAlAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱层、InGaAlAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP光栅保护层，完成基片结构生长；而后，采用双光束全息曝光，形成均匀光栅，接着外延生长InP间隔层、InGaAsP腐蚀停止层、InP空间层、InGaAsP过渡层、P+-InGaAs欧姆接触层，完成外延结构生长。
所述步骤（2）的具体实现过程为：在外延结构表面沉积介质层，采用湿法腐蚀形成激光器的直脊波导和分支波导结构，接着在直脊波导和分支波导之间采用离子注入形成离子注入区域，退火；而后进行激光器芯片工艺，包括：在直脊波导和分支波导表面开孔，形成激光器和探测区域的欧姆接触；蒸发P面电极金属；外延片N面研磨减薄至厚度再100微米左右；蒸发N面金属电极；合金；解离成激光器bar条；腔面蒸发高反和高透膜，完成激光器芯片的制备。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1为激光器形成波导结构后的芯片结构图，激光器的沿腔长方向的长度和芯片宽度为250微米，图中1为激光器直脊型波导；2为分支波导和直脊波导间形成离子注入的区域，其沿腔长方向长度为30微米，靠近出光端面；3为分支圆弧状分支波导，其起始于激光器一半腔长处，在出光端面处分支波导和直脊波导之间的距离为10~20微米；4为激光器出光端面；5为激光器背光端面。图2为激光器蒸镀完金属后的芯片图，6为激光器P面金属电极，7为探测器P面金属电极。
本发明激光器的制备方法如下：
1、在N-InP衬底片上，通过MOCVD外延生长500nm N-InP缓冲层，生长45nm N-InAlAs电子阻挡层，45nm AlGaInAs下波导层，生长6层AlGaInAs应变量子阱，生长45nmAlGaInAs上波导层，生长45nm P-InAlAs电子阻挡层，生长10nm P-InP间隔层，生长20nm P-InGaAsP光栅层，生长10nm P-InP光栅保护层，完成基片生长。采用双光束全息曝光制备均匀光栅，接着在外延炉中再生长：
2、采用双光束全息曝光发制备均匀光栅，采用常规光刻工艺以SiO2为掩膜去除芯片靠近背光面区域一半的光栅（芯片腔长为250μm），对片子表面进行清洗放入外延炉中进行再生长；依次生长25nm P-InP，15nm P-InGaAsP腐蚀停止层，1800nm P-InP空间层，50nmP-InGaAsP过渡层，250nm P+-InGaAs欧姆接触层，完成材料的再生长工艺。
3、PECVD沉积150nm SiO2作为介质层，采用湿法腐蚀工艺形成激光器的脊型波导和探测区域的弧形分支波导结构，波导上脊宽控制在2.0微米，下脊宽为1.8微米。以400nmSiO2作为掩膜层，采用质子注入，在探测器和激光器波导之间形成电阻大于1000欧电隔离区域，退火改善离子注入区域材料质量，离子注入区域靠近出光端面，其沿腔长方向长度为30微米。接着以400nm SiO2作为钝化层，对分支波导和直脊型波导顶部进行开孔，其中分支波导开孔区域为靠近出光端面，沿腔长方向开孔长度不超过30微米。蒸发Ti/Pt/Au P面金属，减薄N面至厚度为100微米，N面蒸发Ti/Pt/Au金属，在N2氛围420℃温度下，合金35s，形成欧姆接触；将激光器解离成腔长250微米的bar条，出光和背光端面分别蒸镀反射率低于2%和高于95%的高透和高反膜，完成激光器芯片的制备。
本发明采用分支波导的结构来达到背光探测的效果，改善了光栅相位对反射光影响而导致的良率低问题，降低了器件整体的成本；而分支波导的光场扩展有利于降低水平发散角，改善器件的性能。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种集成DFB半导体激光器，其特征在于，从激光器一半腔长处沿腔长方向朝向激光器出光端面引出一分支圆弧状分支波导，且在激光器出光端面处所述分支圆弧状分支波导与直脊波导具有一间距，所述间距为10~20微米，所述分支圆弧状分支波导与直脊波导之间形成有离子注入区域，所述离子注入区域，从激光器出光端面起沿腔长方向的长度为30微米。
2.一种基于权利要求1所述的激光器的制备方法，其特征在于，（1）在衬底上通过MOCVD外延生长基片结构，制备均匀光栅，光栅掩埋再生长，完成外延结构生长；（2）制备激光器的直脊波导和分支波导结构，并完成激光器芯片的制备。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）的具体实现过程为：在N-InP衬底上，通过MOCVD依次生长N-InP缓冲层、N-InAlAs电子阻挡层、InGaAlAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱层、InGaAlAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP空间层、P-InGaAsP光栅层、P-InP光栅保护层，完成基片结构生长；而后，采用双光束全息曝光，形成均匀光栅，接着外延生长InP间隔层、InGaAsP腐蚀停止层、InP空间层、InGaAsP过渡层、P+-InGaAs欧姆接触层，完成外延结构生长。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）的具体实现过程为：在外延结构表面沉积介质层，采用湿法腐蚀形成激光器的直脊波导和分支波导结构，接着在直脊波导和分支波导之间采用离子注入形成离子注入区域，退火；而后进行激光器芯片工艺，完成激光器芯片的制备。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述激光器芯片工艺，包括：在直脊波导和分支波导表面开孔，形成激光器和探测区域的欧姆接触；蒸发P面电极金属；外延片N面研磨减薄至厚度100微米；蒸发N面金属电极；合金；解离成激光器bar条；腔面蒸发高反和高透膜，完成激光器芯片的制备。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述直脊波导和分支波导在激光器出光端面处的间距为10~20微米。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述离子注入区域，从激光器出光端面起沿腔长方向的长度为30微米。
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