CN110459952A - 通过选择性区域生长sag提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法 - Google Patents

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张明洋
邹易
王任凡
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Abstract

本发明公开了一种通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，包括步骤：在有源区的下光限制层上面制作出光栅后，在光栅上面制作出选择性区域生长SAG的掩膜遮挡图形，该掩膜图形覆盖在有源区部分，且掩膜遮挡图形中间留有一缝隙，设置在有源区两侧的波导区无掩膜遮挡；有源区和波导区的量子阱结构外延生长，生成的有源区量子阱的厚度比波导区的量子阱厚度大；量子阱结构生长完成后去掉掩膜遮挡图形，继续外延生长半导体激光器芯片的其他层。本发明可提高半导体激光器芯片可靠性。

Description

通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制 作方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器芯片的制作方法，尤其涉及一种通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法。
背景技术
在光通信系统中，光通信器件主要可以分为有源和无源两大类，其中有源器件主要负责光电信号或者电光信号的产生、放大或者接收。半导体激光器芯片是把电信号转换为光信号的重要组成部分，随着高速光通信系统的发展，高容量、长距离、低损耗的需求对光源提出了更多更高的要求，特别是高速半导体激光器的需求日益增加，对于半导体激光器芯片的可靠性的要求也越来越高。
半导体激光器芯片的可靠性失效主要有三种失效方式：第一种是有源区的失效，这种失效主要是因为有源区在外延生长时引入的缺陷如空位或者位错缺陷，这种缺陷有可能作为非辐射复合中心使得注入载流子的寿命降低导致阈值电流增加，这种缺陷的失效模式在BH结构中涉及到二次掩埋的外延结构中表现的更为明显。第二种是接触界面的失效，其中接触界面失效主要有两种形式，一种是外延生长界面之间的界面失效，主要是不同外延层之间接触界面之间存在位错缺陷，这种位错缺陷很容易进入有源区产生进一步的非辐射复合从而造成失效。另外一种是后期的半导体激光器芯片倒装封装时，焊料与半导体激光器芯片之间的界面失效。第三种失效是激光器半导体芯片端面失效，在激光器芯片工作过程中，在激光器的端面发光区域存在光吸收使得端面温度急剧上升，在高速半导体激光器中表现的更为明显，高速半导体激光器的有源区一般都是AlGaInAs作为有源区材料，与InGaAsP作为有源区材料相比，AlGaInAs因为具有更强的电子限制效果，从而具有更高的微分增益，也具有更好的高温性能。然而含有Al的成分也使得AlGaInAs更容易被氧化，使得激光器的阈值电流升高，从而造成半导体激光器的失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中半导体激光器芯片的可靠性易失效的缺陷，提供一种通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，包括步骤：
在有源区的下光限制层上面制作出光栅后，在光栅上面制作出选择性区域生长SAG的掩膜遮挡图形，该掩膜图形覆盖在有源区部分，且掩膜遮挡图形中间留有一缝隙，设置在有源区两侧的波导区无掩膜遮挡；
有源区和波导区的量子阱结构外延生长，生成的有源区量子阱的厚度比波导区的量子阱厚度大；
量子阱结构生长完成后去掉掩膜遮挡图形，继续外延生长半导体激光器芯片的其他层。
接上述技术方案，具体通过电子束刻蚀EBL的方法在下光限制层上面制作光栅。
接上述技术方案，具体通过光刻的方法制作选择性区域生长SAG的掩膜遮挡图形。
接上述技术方案，有源区的量子阱层生长完成后，继续依次外延生长有源区的上限制层，InP间隔层，InGaAsP腐蚀停止层，存在一定p型掺杂浓度梯度的InP覆盖层以及InGaAs欧姆接触层。
接上述技术方案，还包括步骤：
在激光器芯片MQW有源区和MQW波导区用湿法腐蚀的方法，在InP覆盖层腐蚀出脊波导的双沟，利用光刻的方法将MQW波导层上方的InGaAs欧姆接触层暴露出来，用溶液湿法腐蚀去掉这部分的InGaAs欧姆接触层。
接上述技术方案，还包括步骤：在MQW有源区的脊波导上面开出介质膜窗口形成限制电流的结构，然后做上金属电极，最后将整个外延片减薄做n面电极，解理后在两个端面上分别镀AR增透膜和HR高反膜。
接上述技术方案，掩膜遮挡图形中间的缝隙宽度为10um-15um。
本发明产生的有益效果是：本发明的半导体激光器芯片制作方法，在MQW有源区附近设置掩膜遮挡，使得MQW(多量子阱)有源区的量子阱生长速率比MQW波导区的量子阱生长速率要快，从而MQW有源区量子阱的厚度要比旁边MQW波导区的量子阱厚度大，量子限制效应的作用导致MQW有源区量子阱的带隙比MQW波导区的带隙小。在MQW有源区光激射增益后，MQW波导区的量子阱材料对有源区的增益光谱透明低损耗，从而避免激光器在端面发生对增益光谱的吸收作用使得端面温度过高从而造成激光器失效的风险。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的半导体激光器芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例在有源区的光栅上面制作出选择性区域生长SAG的掩膜遮挡图形的示意图；
图3是本发明实施例通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的半导体激光器芯片的机构示意图。由下往上依次为：金属电极层15、n型InP衬底1，有源区下光限制层2，光栅层3，MQW有源层4，MQW波导层5、6，有源区上光限制层7，InP间隔层8，InGaAsP腐蚀停止层9，InP覆盖层10，InGaAs欧姆接触层11，SiO2介质膜层12，13，金属电极层14，两侧为AR增透膜16和HR高反膜17。
如图3所示，本发明实施例通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法具体包括以下步骤：
S1、在n型的InP衬底上外延生长有源区的下光限制层。
S2、在下光限制层上面制作光栅。芯片外延层有源区下光限制层上的光栅可通过EBL电子束刻蚀的方式制作出来，后续的MQW有源区外延生长可以起到掩埋光栅的作用。
S3、制作SAG生长的掩膜遮挡图形，可通过普通光刻的方法制作。如图2所示，该掩膜图形覆盖在有源区部分，且掩膜遮挡图形中间留有一缝隙，设置在有源区两侧的波导区无掩膜遮挡；将波导区设置在有源区的两端，可以很好的保护有源区跟外部的界面接触，增强有源区很窄时的高速率激光器的可靠性。
S4、将外延片表面清洗干净。
S5、进行InAlGaAs MQW量子阱结构的外延生长，MQW有源区的部分生长的有源区量子阱对光栅起到掩埋的作用。因为MQW有源区附近存在掩膜遮挡，使得MQW有源区的量子阱生长速率比MQW波导区的量子阱生长速率要快，从而MQW有源区量子阱的厚度要比旁边MQW波导区的量子阱厚度大，量子限制效应的作用导致MQW有源区量子阱的带隙比MQW波导区的带隙小。在MQW有源区光激射增益后，MQW波导区的量子阱材料对有源区的增益光谱透明低损耗。
S6、去掉SAG掩膜遮挡图形。
S7、依次外延生长有源区的上限制层，InP间隔层，InGaAsP腐蚀停止层，存在一定掺杂浓度梯度的InP覆盖层以及最外面的InGaAs欧姆接触层。
本发明的实施例中，MQW有源区的掩膜遮挡图形中间留有的缝隙大约在10um-15um左右，掩模版每一侧的宽度大约在20um左右。
以上是利用选区外延生长的方法对半导体激光器芯片的外延生长具体步骤，仅需要两次外延生长就可以得到预期的外延结构，将MQW有源区包裹在半导体激光器的芯片内部，在激光器芯片的MQW有源增益区的两端是对增益光谱透明的MQW波导区，使得光吸收发热的区域避免存在于半导体激光器的端面，解决了半导体激光器在工作过程中端面的过热问题，而且可以进一步避免MQW有源增益区的InAlGaAs量子阱材料与空气接触后存在Al被氧化的风险。
半导体激光器芯片的外延生长完成后，可在激光器芯片MQW有源区和MQW波导区用湿法腐蚀的方法，在上面p型掺杂的InP覆盖层腐蚀出脊波导的双沟后，利用光刻的方法将MQW波导层上方的InGaAs欧姆接触层(图1的12、13部分)暴露出来，可用H2SO4:H2O2:H2O＝1：1：10的溶液湿法腐蚀去掉无源波导上面的InGaAs欧姆接触层，避免激光器芯片工作时电流注入影响半导体激光器的端面，进一步的提高半导体激光器芯片的可靠性。然后沉积介质膜，再在MQW有源区的脊波导上面开出介质膜窗口形成限制电流的结构，然后做上金属电极，最后将整个外延片减薄做n面电极，解理后在两个端面上分别镀膜AR增透膜和HR高反膜。将镀膜完成的条解理单管后就可以进行后续的封装测试。在工作状态时，在MQW有源区电极上加正向偏压，有源区的光增益经过两端的MQW透明波导区在两端端面振荡放大后在AR增透膜端光功率输出。
综上，本发明在有源区表面通过掩膜遮挡图形的阻挡，使得外延时存在从掩膜遮挡图形上排斥过来的侧向浓度梯度，实现不同区域的生长速度不一样。在生长量子阱材料时候，使得有掩膜遮挡图形的部分(有源区)与没有掩膜遮挡图形部分(波导区)的量子阱厚度不一样，由于量子限制效应从而实现在同一外延片上不同带隙的材料生长，导致MQW有源区量子阱的带隙比MQW波导区的带隙小。在MQW有源区光激射增益后，MQW波导区的量子阱材料对有源区的增益光谱透明低损耗，从而避免激光器在端面发生对增益光谱的吸收作用使得端面温度过高从而造成激光器失效的风险，提高半导体激光器的可靠性。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，包括步骤：
在有源区的下光限制层上面制作出光栅后，在光栅上面制作出选择性区域生长SAG的掩膜遮挡图形，该掩膜图形覆盖在有源区部分，且掩膜遮挡图形中间留有一缝隙，设置在有源区两侧的波导区无掩膜遮挡；
有源区和波导区的量子阱结构外延生长，生成的有源区量子阱的厚度比波导区的量子阱厚度大；
量子阱结构生长完成后去掉掩膜遮挡图形，继续外延生长半导体激光器芯片的其他层。
2.根据权利要求1所述的通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，具体通过电子束刻蚀EBL的方法在下光限制层上面制作光栅。
3.根据权利要求1所述的通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，具体通过光刻的方法制作选择性区域生长SAG的掩膜遮挡图形。
4.根据权利要求1所述的通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，有源区的量子阱层生长完成后，继续依次外延生长有源区的上限制层，InP间隔层，InGaAsP腐蚀停止层，存在一定p型掺杂浓度梯度的InP覆盖层以及InGaAs欧姆接触层。
5.根据权利要求1所述的通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，还包括步骤：
在激光器芯片MQW有源区和MQW波导区用湿法腐蚀的方法，在InP覆盖层腐蚀出脊波导的双沟， 利用光刻的方法将MQW波导层上方的InGaAs欧姆接触层暴露出来，用溶液湿法腐蚀去掉这部分的InGaAs欧姆接触层。
6.根据权利要求5所述的通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，还包括步骤：在MQW有源区的脊波导上面开出介质膜窗口形成限制电流的结构，然后做上金属电极，最后将整个外延片减薄做n面电极，解理后在两个端面上分别镀AR增透膜和HR高反膜。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的通过选择性区域生长SAG提高半导体激光器芯片可靠性的制作方法，其特征在于，掩膜遮挡图形中间的缝隙宽度为10um-15um。
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