CN111244756A - 半导体激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器及其制作方法，包括如下步骤：在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层、量子阱材料层、光栅层；刻蚀去除位于模斑转换器区的光栅层，将保留的位于激光器区的光栅层制作光栅；在制作有光栅的基片上依次生长间隙层、腐蚀停止层、包层及接触层；利用包层及接触层制作上脊波导，其中激光器区的上脊波导宽度不变，模斑转换器区的上脊波导宽度由激光器端向器件发光端逐渐减小；通过选择性湿法腐蚀去除上脊波导以外的腐蚀停止层后，使腐蚀停止层在上脊波导下发生侧向腐蚀；自模斑转换器区的间隙层刻蚀至缓冲层，制作下脊波导。本发明在半导体激光器上集成的模斑转换器可以采用普通接触式光刻工艺实现，有利于降低器件制作成本。

Description

半导体激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别涉及一种半导体激光器及其制作方法。

背景技术

基于化合物半导体材料的波导的近场光斑小且不对称，导致远场发散角大且不对称。当半导体器件与光纤直接耦合时，由于光纤和半导体波导的模场不匹配，耦合损耗可高达10dB，同时对准容差较小，这无疑增加了封装难度和成本。模斑转换器可以几乎绝热地将波导的不对称近场分布转换为对称的输入或输出近场，这样既可以提高有源器件和光纤的耦合效率，又可以提高其耦合容差。水平楔形波导模斑转换器是一种结构简单的模斑转换器，应用较为广泛。但是，模斑转换器的尖端宽度很小，在0.5-1微米范围，难于使用传统的接触光刻工艺加工制作。使用电子束曝光工艺可以获得精细的微结构，但是这种设备价格昂贵，加工耗时长，不利于器件的批量生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种半导体激光器及其制作方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层、量子阱材料层和光栅层；步骤2：刻蚀去除部分的光栅层，去除的部分位于模斑转换器区，保留的部分位于激光器区，在所述激光器区的光栅层内制作光栅；步骤3：在步骤2得到的制作有光栅的基片上依次生长间隙层、腐蚀停止层、包层及接触层；步骤4：通过刻蚀将包层及接触层制作为上脊波导，其中，位于激光器区的上脊波导宽度不变，位于模斑转换器区的上脊波导宽度自激光器区的上脊波导端向器件发光端逐渐减小；步骤5：通过选择性湿法腐蚀去除所述上脊波导以外的腐蚀停止层后，使所述腐蚀停止层在上脊波导下发生侧向腐蚀，以使所述腐蚀停止层的宽度小于上脊波导的宽度；步骤6：自模斑转换器区的间隙层刻蚀至缓冲层形成下脊波导，完成器件的制作。

作为本发明的一个方面，提供了一种利用如上所述的半导体激光器的制作方法制成的半导体激光器，包括模斑转换器区和激光器区，形成于同一衬底上的缓冲层上，其中：

模斑转换器区自下而上包括：远场缩减层、间隔层、量子阱材料层、间隙层、腐蚀停止层、包层和接触层，所述间隙层、量子阱材料层、间隔层和远场缩减层形成所述模斑转换器区的下脊波导，所述包层和接触层形成所述模斑转换器区的上脊波导；

激光器区自下而上包括远场缩减层、间隔层、量子阱材料层、间隙层、腐蚀停止层、包层和接触层，分别与所述模斑转换器区的各层等高且相贴合，且在所述激光器区的量子阱材料层和间隙层之间还设置有光栅层，所述间隙层、光栅层、量子阱材料层、间隔层和远场缩减层形成所述激光器区的下脊波导，所述包层和接触层形成所述激光器区的上脊波导；

其中，所述激光器区的上脊波导宽度不变，所述模斑转换器区的上脊波导宽度自激光器区的上脊波导端向器件发光端逐渐减小，所述模斑转换器区和激光器区的上脊波导的宽度分别大于下方的腐蚀停止层的宽度。

从上述技术方案可以看出，本发明的半导体激光器及其制作方法具有以下有益效果：

(1)本发明提供的这种半导体激光器及其制作方法，在半导体激光器上集成模斑转换器，通过采用选择性腐蚀工艺在模斑转换器的楔形上脊波导下形成宽度较小的腐蚀停止层，由此可以适当增加上脊波导宽度，降低了模斑转换器楔形波导的加工难度，使得模斑转换器可以采用普通接触式光刻工艺制作，可有效降低器件制作成本。

(2)本发明通过楔形上脊波导、腐蚀停止层和下脊波导的特定结构实现模斑转换器功能，可有效减小激光器输出波导的远场发散角，提高器件与光纤间的耦合效率和耦合容差。

附图说明

图1为本发明实施例半导体激光器的立体结构示意图；

图2为本发明实施例半导体激光器的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例半导体激光器分别对应器件发光端S和激光器波导端的截面波导结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

10、InP衬底； 20、InP缓冲层；

30、InGaAsP远场缩减层； 40、InP间隔层；

50、InGaAsP量子阱材料层； 60、光栅层；

70、InP间隙层； 80、InGaAsP腐蚀停止层；

90、P型掺杂InP包层； 91、P型掺杂InGaAsP接触层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种半导体激光器及其制作方法，在半导体激光器上集成的模斑转换器可以采用普通接触式光刻工艺实现，有利于降低器件制作成本。

具体而言，根据本发明的一些实施例，提供了一种半导体激光器的制作方法，请参阅图1、2及3，以InP基材料体系为例，但并不局限于此，还可是其他材料体系如硅基材料体系等，该半导体激光器的制作方法，包含如下步骤：

(1)在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层、量子阱材料层和光栅层；

本实施例中，如图1所示，在InP衬底10上依次生长InP缓冲层20、InGaAsP远场缩减层30、InP间隔层40、InGaAsP量子阱材料层50、光栅层60。其中InGaAsP量子阱材料层包括下分别限制层、多量子阱层及上分别限制层，光栅层包括InP层及InGaAsP层；

InGaAsP远场缩减层30的折射率大于InP缓冲层20及InP间隔层40的折射率，InGaAsP远场缩减层30的厚度小于InP间隔层40的厚度。

(2)刻蚀去除部分的光栅层，去除的部分位于模斑转换器区，保留的部分位于激光器区，在所述激光器区的光栅层内制作光栅；

在本实施例中，可通过常规的干法刻蚀或湿法刻蚀来选择性去除器件模斑转换器区SSC的光栅层60，然后在激光器区LD的光栅层60内制作光栅，光栅的制作可以采用传统的全息曝光技术或者采用电子束曝光技术实现，由于已为本领域所熟知，故在此不作赘述。

(3)在步骤(2)得到的制作有光栅的基片上依次生长间隙层、腐蚀停止层、包层及接触层；

在本实施例中，在制作有光栅的基片上依次生长InP间隙层70、InGaAsP腐蚀停止层80、P型掺杂InP包层90及P型掺杂InGaAsP接触层91。

(4)通过刻蚀将包层及接触层制作为上脊波导，其中，位于激光器区的上脊波导宽度不变，位于模斑转换器区的上脊波导宽度自激光器区的上脊波导端向器件发光端逐渐减小；

在本实施例中，使用常规的干法或湿法刻蚀技术在包层材料90及接触层材料91制作脊型波导，即上脊波导，其中激光器区的上脊波导L宽度W1不变，模斑转换器区的上脊波导T宽度由激光器端的W1向器件发光端S逐渐减小至W2；

(5)通过选择性湿法腐蚀去除所述上脊波导以外的腐蚀停止层后，使所述腐蚀停止层在上脊波导下发生侧向腐蚀，以使所述腐蚀停止层的宽度小于上脊波导的宽度；

在本实施例中，可利用硫酸、双氧水、水的混合溶液选择性腐蚀去除上脊波导以外的InGaAsP腐蚀停止层80。适当控制腐蚀时间，在上脊波导以外区域的InGaAsP腐蚀停止层80被腐蚀去除后，使上脊波导以下的InGaAsP腐蚀停止层80发生侧向腐蚀，从而使其宽度小于脊波导宽度。这时，如图2所示，模斑转换器区的上脊波导T下的InGaAsP腐蚀停止层材料的激光器端宽度W1’<W1，发光端宽度W2’<W2。且有W1’＝W1-2e、W2’＝W2-2e，其中e为InGaAsP腐蚀停止层单侧的侧蚀深度，而两侧的侧蚀深度一致。这样，模斑转换器区的上脊波导T中P型掺杂InP包层90及P型掺杂InGaAsP接触层91宽度较大，可以用普通接触光刻工艺制作，有利于降低器件制作成本，而通过采用选择性湿法腐蚀工艺，获得了难于用普通接触光刻工艺制作的宽度较小的InGaAsP腐蚀停止层80。

(6)自模斑转换器区的间隙层刻蚀至缓冲层形成下脊波导，完成器件的制作。

本实施例中，利用干法或湿法刻蚀技术自InP间隙层70向下刻蚀至InP缓冲层20，刻蚀可以停止于InGaAsP远场缩减层30和InP缓冲层20之间的界面，也可以停止于InP缓冲层20中，此时由InP间隙层70、InGaAsP量子阱材料层50、InP间隔层材料40、InGaAsP远场缩减层30及部分InP缓冲层20形成下脊波导X。

可以理解，下脊波导x可以仅在模斑转换器区域制作，也可以在包括激光器区域在内的整个芯片区域制作。在器件中，如图3的右图所示，激光器区的上脊波导L的宽度W1小于下脊波导X的宽度W3，如图3的左图所示，模斑转换器区的上脊波导T的宽度W1～W2均小于下脊波导X的宽度W3，且上脊波导L及T位于下脊波导X中间位置，以获得对称分布的光场分布，有利于提高光纤与探测器的耦合效率。

基于上述制作方法制成的半导体激光器，如图1-3所示，包括模斑转换器区SSC和激光器区LD，形成于同一InP衬底10上的InP缓冲层20上，其中：

模斑转换器区SSC自下而上包括：InGaAsP远场缩减层30、InP间隔层40、InGaAsP量子阱材料层50、InP间隙层70、InGaAsP腐蚀停止层80、P型掺杂InP包层90和P型掺杂InGaAsP接触层91，InP间隙层70、InGaAsP量子阱材料层50、InP间隔层40和InGaAsP远场缩减层30形成模斑转换器区的下脊波导，P型掺杂InP包层90和P型掺杂InGaAsP接触层91形成模斑转换器区SSC的上脊波导；

激光器区LD自下而上包括：InGaAsP远场缩减层30、InP间隔层40、InGaAsP量子阱材料层50、InP间隙层70、InGaAsP腐蚀停止层80、P型掺杂InP包层90和P型掺杂InGaAsP接触层91，分别与模斑转换器区SSC的各层等高且相贴合，且在激光器区LD的InGaAsP量子阱材料层50和InP间隙层70之间还设置有光栅层60，InP间隙层70、光栅层60、InGaAsP量子阱材料层50、InP间隔层40和InGaAsP远场缩减层30形成激光器区的下脊波导，P型掺杂InP包层90和P型掺杂InGaAsP接触层91形成激光器区LD的上脊波导；

其中，激光器区LD的上脊波导宽度不变，模斑转换器区SSC的上脊波导宽度自激光器区LD的上脊波导端向器件发光端逐渐减小，模斑转换器区SSC和激光器区LD的上脊波导的宽度分别大于下方的InGaAsP腐蚀停止层80的宽度。

在器件发光端S，由于InGaAsP腐蚀停止层80宽度小，有效折射率减小，光场强度主要分布于下脊波导X。由于远场缩减层厚度较小，下脊波导X的主要部分是厚度较大InP间隔层，这使器件发光端S处波导的近场光斑较大，从而可以获得小且对称的远场发散角，提高与光纤的耦合效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次生长缓冲层、远场缩减层、间隔层、量子阱材料层和光栅层；

步骤2：刻蚀去除部分的光栅层，去除的部分位于模斑转换器区，保留的部分位于激光器区，在所述激光器区的光栅层内制作光栅；

步骤3：在步骤2得到的制作有光栅的基片上依次生长间隙层、腐蚀停止层、包层及接触层；

步骤4：通过刻蚀将包层及接触层制作为上脊波导，其中，位于激光器区的上脊波导宽度不变，位于模斑转换器区的上脊波导宽度自激光器区的上脊波导端向器件发光端逐渐减小；

步骤5：通过选择性湿法腐蚀去除所述上脊波导以外的腐蚀停止层后，使所述腐蚀停止层在上脊波导下发生侧向腐蚀，以使所述腐蚀停止层的宽度小于上脊波导的宽度；

步骤6：自模斑转换器区的间隙层刻蚀至缓冲层形成下脊波导，完成器件的制作。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法，其中，所述激光器区和模斑转换器区的上脊波导的宽度分别小于下脊波导的宽度，且分别位于所述下脊波导的中间位置处。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法，其中，所述远场缩减层的折射率大于所述缓冲层及间隔层的折射率，所述远场缩减层的厚度小于所述间隔层的厚度。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法，其中，通过控制选择性湿法腐蚀的时间以控制所述腐蚀停止层发生侧向腐蚀的深度。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法，其中，形成下脊波导的刻蚀步骤停止于所述远场缩减层和缓冲层之间的界面或者停止于所述缓冲层内。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器的制作方法，其中，形成下脊波导的刻蚀步骤还包括自位于激光器区的间隙层刻蚀至缓冲层。

7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的半导体激光器的制作方法制成的半导体激光器，包括模斑转换器区和激光器区，形成于同一衬底上的缓冲层上，其中：

模斑转换器区自下而上包括：远场缩减层、间隔层、量子阱材料层、间隙层、腐蚀停止层、包层和接触层，所述间隙层、量子阱材料层、间隔层和远场缩减层形成所述模斑转换器区的下脊波导，所述包层和接触层形成所述模斑转换器区的上脊波导；

激光器区自下而上包括：远场缩减层、间隔层、量子阱材料层、间隙层、腐蚀停止层、包层和接触层，分别与所述模斑转换器区的各层等高且相贴合，且在所述激光器区的量子阱材料层和间隙层之间还设置有光栅层，所述间隙层、光栅层、量子阱材料层、间隔层和远场缩减层形成所述激光器区的下脊波导，所述包层和接触层形成所述激光器区的上脊波导；

其中，所述激光器区的上脊波导宽度不变，所述模斑转换器区的上脊波导宽度自激光器区的上脊波导端向器件发光端逐渐减小，所述模斑转换器区和激光器区的上脊波导的宽度分别大于下方的腐蚀停止层的宽度。

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