CN111541149B - 一种10g抗反射激光器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种10G抗反射激光器及其制备工艺，10G抗反射激光器包括基板和和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基板内，且端面刻蚀区内生长有抗反射改善层；衍射光栅层和抗反射层上依次覆盖有第二包层、接触层和p‑金属电极层，基板下表面镀有n‑金属电极层，抗反射层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层。对接区域的光波导层厚度加厚以及光波导层对有源区端面的包覆，有效的提高了有源区光耦合至光波导层的耦光效率；并且出光端面的反射光在经过光波导的反向传输路径中，能有效衰减至不影响原激光器增益区域的谐振行为。

Description

一种10G抗反射激光器及其制备工艺

技术领域

本发明属于激光器及其制备技术领域，具体涉及一种10G抗反射激光器及其制备工艺。

背景技术

目前，光纤入户的工程已经全面展开，常用的边发射激光器对于高速需求(>10Gbps)的光纤入户网路环境来说，是最为重要的光学器件。但是，对于边发射激光器来说，激光器在出光后，有一定量的光从系统链路上反射回到芯片端，必然会影响高速激光器的性能，为避免此问题发生，在芯片封装的过程中，不得不加入光隔离器来阻挡反射光，但是光隔离器主要依赖于进口，而且价格昂贵，因而加入光隔离器的同时增加了建构成本。对于这种问题，陕西源杰半导体技术有限公司，华为技术有限公司，博创科技股份有限公司联合发表的“一种10G抗反射分布反馈式激光器”专利提出了一种能有效解决反射光造成有源区扰动的结构，这种设计结构可以在芯片封装时不采用光隔离器，从而达到抗反射的效果。对于光纤入户工程来说，如果封装时不采用光隔离器，那么一年节省的成本可达到1亿美金，而且封装厂可以摆脱对于进口光隔离器的依赖，降低了封装成本。

然而，目前现有的边发射激光器的制备工艺中，采用常见的刻蚀工艺和选择性区域长晶技术(Selective Area Growth, SAG)可以有效的改善SSC(Spot Size Converter)的波导形貌，进而改善了激光器的发散角。但是对于出光端的光反射造成有源区的扰动问题，现有的制备工艺并没有达到改善的效果。

发明内容

为了解决反射光造成有源区扰动的问题，本发明提供了一种10G抗反射分布反馈式激光器及其制备工艺，通过特定的刻蚀方法和出光端面选择性区域长晶技术(SelectiveArea Growth, SAG)，来减小了出光端的反射光对有源区造成的扰动。一是可以使有源区的光高效的耦合至出光端光波导中，二是外界光返回耦合至原出光端面后，再经过光波导的反向传输路径中，能有效衰减至不影响原激光器增益区域的谐振行为，具有较高的抗反射效率。

为达到上述目的，本发明所述一种10G抗反射激光器，包括基板和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基板内，且端面刻蚀区内生长有抗反射层，反射层包括光波导层和InP覆盖层；光波导层靠近有源区一侧的上端面高于衍射光栅层的上端面，光波导层下端面低于有源区的下端面，光波导层下端的长度大于光波导层上端的长度与InP覆盖层上端的长度之和，且在水平方向上，光波导层自对接端至出光端厚度逐渐减小，当减小至D_q时，光波导层的厚度不再减小，其中D_q为设定值，对接端为光波导层远离出光端的一端。衍射光栅层和抗反射层上依次覆盖有第二包层、接触层和p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层。

端面刻蚀区的长度L₁为20μm~70μm。

端面刻蚀区域的底面距离有源区底面深度L₂为20nm~100nm。

掩膜层底面的横向刻蚀距离L₃为0um~2um。

芯片的光波导结构采用脊波导结构。

一种抗反射激光器的制备工艺，包括以下工序：

工序一：在InP基板上采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法依次沉积有源区层和光栅层，然后在已经制作好的光栅表面用等离子体增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-PECVD)的方法沉积一层端面刻蚀的掩模层，掩模层的材料为Si₃N₄或SiO₂。然后采用光刻技术制作掩膜图案，掩膜层材料Si₃N₄或SiO₂的掩膜图案为矩形状，面积为200um²~15000um²，其中L_宽为2um~50um，L_长为100um~300um，在此面积范围内，二次长晶时能更好的体现SAG效应。掩膜图案做成矩形主要可以有效的局限有源区的出光和电流，使光能集中的从有源区发出，耦合至光纤中。

工序二，进行端面刻蚀区域刻蚀，首先采用干刻技术进行干刻，干刻蚀掩膜层结束后，然后使用含Br₂、H₃PO₄和H₂O的刻蚀溶液进行刻蚀，含Br₂、H₃PO₄和H₂O的刻蚀溶液具有各向同性刻蚀特点，且刻蚀速率快。刻蚀溶液比例为Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:x，其中x范围是10-20，最佳值是15，x=15时，掩膜层底部的横向刻蚀速率易于控制，并且整个晶圆上的刻蚀深度均匀。刻蚀溶液温度为21℃~22℃，端面刻蚀区域长度L₁为20μm~70μm，湿刻结束后，端面刻蚀区域底部距有源区底面的距离L₂为20nm~100nm，横向的刻蚀距离L₃为0~2um。

工序三，使用选择区域生长技术(Selective Area Growth, SAG)在端面刻蚀区域依次沉积光波导层21和InP覆盖层（20）作为抗反射区域，其中：光波导层21的厚度在端面刻蚀区域形成渐变状，且出光端面的光波导层21厚度为20nm~100nm，且二次长晶的环境温度为650℃~750℃。

工序四，使用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法在衍射光栅层与抗反射层上方依次沉积InP包层30，InGaAs接触层31及InP覆盖层；

工序五，在工序四后，首先使用通用光刻技术在晶圆上方形成脊型波导结构，然后湿刻掉脊型波导上的InP覆盖层，露出InGaAs接触层31，然后在InGaAs接触层与绝缘层上方形成p-金属电极层40，之后将InP基板背面减薄抛光至100μm±10，镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后在芯片出光端面镀膜，至此，工艺完成，得到抗反射的激光器芯片。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

一种10G抗反射激光器制备工艺，由于掩膜层为非晶体的Si₃N₄或SiO₂材料，所以在二次长晶时，光波导层和InP覆盖层无法在掩膜层上外延，因此形成选择区域生长技术效应。本发明的掩膜层图案成矩形，面积为200um²~15000um²，主要因为掩膜层是非晶体的Si₃N₄或SiO₂材料，在二次长晶时，原子不会沉积在掩膜层上，原子会沿着掩膜层的边界滑落到端面刻蚀区；因此，在相同的长晶速率下，原子会在端面刻蚀区与掩膜区的交界处沉积的更快，更多，从而更容易形成SAG效应。而如果掩膜图案面积过大，由于原子的能量限制，原子不能移出掩膜层区，会在掩膜层上堆积，形成磊晶斑，影响后续的工艺。

步骤2中的Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:x刻蚀溶液具有刻蚀快，速率均匀，而且有各向同性刻蚀性，可以更有效的刻蚀出横向距离。横向端面刻蚀区域的形成可以在二次长晶时，由于SAG效应，使得光波导层可以更好的与量子阱形成对接，也使光波导层对量子阱有更好的包覆性，L₃的刻蚀距离为0~2um。含Br₂：H₃PO₄：H₂O刻蚀溶液对温度敏感，温度太高，刻蚀速率太快，对于端面刻蚀区的深度不好控制，并且刻蚀深度不均匀。实验结果显示，温度在21℃~22℃之间，含Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:15的溶液刻蚀深度均匀，整片晶圆上的深度最大相差10nm。

二次长晶温度为650℃~750℃，在高温的生长环境下，可以有效的减小碳氧并入，并减少晶体缺陷；高温环境长晶，纵向的生长速率比横向的生长速率快，生长的光波导层形状更容易形成渐变状。

一种10G抗反射激光器，D_q为20nm~100nm，光波导层在此范围内不仅不影响激光器的出光，而且还可以有效降低反射光进入光波导层的概率。

进一步的，端面刻蚀区15的刻蚀底面距有源区11底面的垂直距离L₂为20nm~100nm，可以提高有源区的光输出耦合至光波导的耦光效率。

进一步的，光波导层的长度L₁为20μm~70μm，可以增加反射光沿光波导层反向传输的光损耗。

进一步的，激光器的光波导结构采用脊波导结构，此结构有高功率、远距离传输等优点。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2a为抗反射激光器芯片制作工序一沉积掩模层后的示意图；

图2b为抗反射激光器芯片制作工序一中的掩膜图案示意图；图2c为抗反射激光器芯片制作工序二示意图；

图2d为抗反射激光器芯片制作工序三示意图；

图2e为抗反射激光器芯片制作工序四示意图；

图2f为抗反射激光器芯片制作工序五示意图；

图3为端面刻蚀区生长结构示意图；

图4a为实施例1的反射光损耗图；

图4b为实施例2的反射光损耗图；

图4c为实施例3的反射光损耗图；

附图中：10-基板，11-有源区，12-第一包层，13-衍射光栅层，14-掩模层，15-端面刻蚀区，20-InP覆盖层，21-光波导层，30-第二包层，31-接触层，40-p-金属电极层，41-n-金属电极层，42-高反射镀膜层，43-抗反射镀膜层。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

参照图1，图1中箭头所在位置为出光端，一种10G抗反射激光器，包括基板10和自下至上依次设置在基板10上的有源区11、第一包层12和衍射光栅层13，第一包层12为InP材料，第一包层12和衍射光栅层13靠近出光端的一端刻蚀出端面刻蚀区15，端面刻蚀区15的纵截面为直角梯形，纵截面的下底长为L₁+L₃，上底长为L₁，L₃为附加刻蚀长度，端面刻蚀区15底部位于基板10内，且端面刻蚀区15内生长有光波导层21和InP覆盖层20，光波导层21和InP覆盖层20作为抗反射层；光波导层21的下端长度为L₁+L₃，上端和InP覆盖层20的上端长度之和为L₁，光波导层21在水平方向上，自对接端（和有源区11相接触的一端）至出光端厚度逐渐减小，当减小至D_q时，光波导层21的厚度不再减小，其中D_q为设定值。

光波导层21靠近对接端一侧的上端面高于衍射光栅层13的上端面；衍射光栅层13和抗反射层上自下至上依次覆盖有第二包层30、接触层31和p-金属电极层40，基板10下表面镀有n-金属电极层41，抗反射层的一端镀上抗反射镀膜层43，另一端镀上高反射镀膜层42。

如图3所示，端面刻蚀区15的长度L₁为20μm~70μm；端面刻蚀区15的刻蚀底面距有源区底面的垂直距离L₂为20nm~100nm，横向刻蚀距离L₃为0~2um，光波导层21最薄处的厚度D_q为20nm~100nm。

10G抗反射激光器的光波导层采用脊波导结构。

本发明的芯片定义出光端反射光的功率为P_输入功率，经端面刻蚀区域反向传输L₁后的功率为P_输出功率。根据测量P_输入功率、P_输出功率和光功率损耗公式：

计算出了不同厚度下光损耗结果，如图4a，图4b和图4c所示。在设定值D_q范围（20nm-100nm）内，实施例1反射光反向传输L₁距离后到达有源区的光损耗均大于15dB，实施例2的光损耗均大于18dB，实施例3的光损耗均大于16dB，其中实施例2的设计参数为三个实施例中的最优值。三个实施例的出光端反射光反向传输L₁距离后到达有源区的光损耗都均已达到了15dB，达到了反射光光损耗要求，实现了抗反射效果。

图2是本实施方案通过刻蚀与选择区域生长技术实现抗反射激光器制造工序流程框图，本发明的制备工艺包括以下五个工序：

工序一：掩膜层刻蚀工艺，在InP基板（晶圆）上采用MOCVD(Metal-organicChemical Vapor Deposition)方法依次沉积有源区11、第一包层12和衍射光栅层13，在已经制作好的衍射光栅层13表面用等离子体增强型化学气相沉积（Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition-PECVD）的方法沉积一层端面刻蚀的掩模层14，得到如图2a所示的结构，掩模层14的材料为Si₃N₄或SiO₂，然后采用光刻技术制作矩形的掩膜图案，掩膜图案如图2b所示，掩膜层材料Si₃N₄或SiO₂的掩膜图案面积需要制备大，面积为200um²~15000um²，L_宽为2um~50um，L_长为100um~300um，在使用MOCVD方法沉积时能更好的体现SAG效应，掩膜层14的形状为矩形。掩膜层14的刻蚀后的长度L_长大于衍射光栅层13的长度。

工序二，参见图2c，进行端面刻蚀区域刻蚀，首先采用RIE(Reactive IonEtching)技术进行干刻掩膜层，将需要刻蚀的区域露出，即端面刻蚀区15的顶面，干刻蚀掩膜层结束后，然后使用含Br₂、H₃PO₄和H₂O的刻蚀溶液进行湿法刻蚀以刻蚀出端面刻蚀区15。刻蚀溶液比例为Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:x，其中x范围是10-20，最佳值是15。刻蚀溶液温度为21℃~22℃，端面刻蚀区15的纵截面为直角梯形，所述纵截面的上底L₁为20μm~70μm，下底L₃为0~2um；湿法刻蚀结束后，端面刻蚀区15底部距有源区11底面的距离L₂为20nm~100nm，。

工序三，参见图2d，端面抗反射区域单一块材生长工序，采用MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法，使用选择区域生长技术(Selective AreaGrowth, SAG)先在端面刻蚀区15内长晶，生长一层光波导层21，然后在光波导层21上生长InP覆盖层20，整个光波导层21和InP覆盖层20作为抗反射层，且光波导层21和InP覆盖层20长晶的环境温度为650℃~750℃。其中：光波导层21填满横向刻蚀的端面刻蚀区15，并且光波导层21的厚度沿着端面刻蚀区域水平方向形成一种厚度渐变状，自对接处至出光端光波导层厚度逐渐减小，光波导层21最薄处的厚度D_q为20nm~100nm，抗反射层的上端面和掩模层14的上端面齐平。

工序四，参见图2e，使用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法在衍射光栅层13与抗反射层上方沉积第二包层30与InGaAs接触层31，第二包层30为p-InP材料；

工序五，参见图2f，在工序四后，首先使用PECVD技术在工序四得到的晶圆上形成一层SiO₂作为绝缘层，然后用通用光刻技术绝缘层上方形成脊波导图案，然后通过刻蚀形成脊波导结构，之后再去除脊波导上表面的SiO₂，露出InGaAs接触层31，接下来在InGaAs接触层31与绝缘层上方形成p-金属电极层40，之后将InP基板10背面减薄抛光至100μm，并在背面镀上n-金属电极层41；晶圆经过切割后在有抗反射层的一端镀上抗反射镀膜层43，另一端镀上高反射镀膜层42，至此，工艺完成，得到抗反射的激光器芯片。

本发明实施例分别为：

实施例1：掩膜层图案尺寸L_宽为2um，L_长为100um，横向刻蚀距离L₃为0um，二次长晶温度为650℃。L₁为20μm；L₂为20nm；步骤2中，刻蚀溶液比例为Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:10，刻蚀溶液温度为21摄氏度。

实施例2：掩膜层图案尺寸L_宽为25um，L_长为200um，横向刻蚀距离L₃为1um，二次长晶温度为700℃。L₁为45μm；L₂为60nm；步骤2中，刻蚀溶液比例为Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:15，刻蚀溶液温度为21.5摄氏度。

实施例3：掩膜层图案尺寸L_宽为50um，L_长为300um，横向刻蚀距离L₃为2um，二次长晶温度为750℃。L₁为70μm；L₂为100nm；步骤2中，刻蚀溶液比例为Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:20，刻蚀溶液温度为22摄氏度。

本发明公开了一种10G抗反射激光器的制备工艺，包括基板和和依次设置在基板上的有源区、第一包层和衍射光栅层，第一包层和衍射光栅层一端设置有端面刻蚀区，端面刻蚀区底部位于基板内，且端面刻蚀区内生长有抗反射改善层；衍射光栅层和抗反射层上依次覆盖有第二包层、接触层和p-金属电极层，基板下表面镀有n-金属电极层，抗反射层的一端镀上抗反射镀膜层，另一端镀上高反射镀膜层。本发明的激光器芯片制备方法采用了溶液湿刻和MOCVD高温长晶技术，利用含Br₂、H₃PO₄和H₂O刻蚀溶液的各向同性，结合非晶体材料Si₃N₄或SiO₂表面不能外延光波导和InP的特性，成功的实现了刻蚀端面的横向刻蚀以及单一块材的生长。通过在端面刻蚀区生长一层厚度沿着端面刻蚀区域水平方向渐变的光波导层，使对接区域的光波导层完全包覆量子阱，有效的提高了有源区光耦合至光波导层的耦光效率；并且出光端面的反射光在经过光波导的反向传输路径中，能有效衰减至不影响原激光器增益区域的谐振行为，具有较高的抗反射效率，且在封装过程中不用再使用价格昂贵的光隔离器件，降低了封装的成本。本发明制造工艺简单稳定，可以大幅提高产出芯片的良率，同时也降低了客户封装过程中的成本。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种10G抗反射激光器，其特征在于，包括基板（10），所述基板（10）上端沿水平方向设置有源区（11）和光波导层（21），所述有源区（11）上端面自下至上依次设置有第一包层（12）和衍射光栅层（13），所述光波导层（21）上生长有InP覆盖层（20），所述光波导层（21）靠近有源区（11）一侧的上端面高于衍射光栅层（13）的上端面，光波导层（21）下端面低于有源区（11）的下端面，所述光波导层（21）下端的长度大于光波导层（21）上端的长度与InP覆盖层（20）上端的长度之和，且在水平方向上，光波导层（21）自对接端至出光端厚度逐渐减小，当减小至D_q时，光波导层（21）的厚度不再减小，其中D_q为设定值，对接端为光波导层（21）远离出光端的一端。

2.根据权利要求1所述的一种10G抗反射激光器，其特征在于，所述D_q为20nm~100nm。

3.根据权利要求1所述的一种10G抗反射激光器，其特征在于，所述光波导层（21）下端的长度为20μm~72μm。

4.一种10G抗反射激光器制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在晶圆上依次沉积有源区（11）和光栅层（13），在光栅层（13）表面沉积一层端面刻蚀的掩模层（14），掩膜层材料Si₃N₄或SiO₂，然后采用光刻技术制作矩形的掩膜图案，掩膜图案的面积为200 μ m²~15000 μ m²；

步骤2，使用含Br₂、H₃PO₄和H₂O的刻蚀溶液进行湿法刻蚀以刻蚀出端面刻蚀区（15）；端面刻蚀区（15）的纵截面为直角梯形，所述纵截面的上底L₁为20μm~70μm，所述纵截面的下底为L₁+L₃，L₃为0~2 μ m；湿法刻蚀结束后，端面刻蚀区（15）底部位置低于有源区（11）的底面；刻蚀溶液比例为Br₂：H₃PO₄：H₂O=2:1:x，其中x为10-20；步骤3，使用选择区域生长技术先在端面刻蚀区（15）内生长一层光波导层（21），然后在光波导层（21）上生长InP覆盖层（20），整个光波导层（21）和InP覆盖层（20）作为抗反射层，其中：光波导层（21）填满端面刻蚀区（15），并且光波导层（21）的厚度沿着端面刻蚀区域水平方向形成一种厚度渐变状，自对接处至出光端光波导层厚度逐渐减小，抗反射层的上端面和掩模层（14）的上端面齐平；光波导层（21）和InP覆盖层（20）生长的环境温度为650℃~750℃；步骤4，在光栅层（13）与抗反射层上方沉积第二包层（30）与InGaAs接触层（31），第二包层（30）为p-InP材料；

步骤5，在步骤4得到的晶圆上形成一层SiO₂作为绝缘层，然后在绝缘层上方形成脊波导图案，然后通过刻蚀形成脊波导结构，再去除脊波导上表面的SiO₂，露出InGaAs接触层（31），接下来在InGaAs接触层（31）与绝缘层上方形成p-金属电极层（40），之后将晶圆背面减薄抛光，并在背面镀上n-金属电极层（41）；将晶圆切割后，在有抗反射层的一端镀上抗反射镀膜层（43），另一端镀上高反射镀膜层（42），至此，得到抗反射的激光器芯片。

5.根据权利要求4所述的一种10G抗反射激光器，其特征在于，所述端面刻蚀区（15）的刻蚀底面距有源区（11）底面的垂直距离L₂为20nm~100nm。

6.根据权利要求4所述的一种10G抗反射激光器制备工艺，其特征在于，所述步骤1中，在光栅层（13）表面用等离子体增强型化学气相沉积的方法沉积掩模层（14）。

7.根据权利要求4所述的一种10G抗反射激光器制备工艺，其特征在于，x=15。

8.根据权利要求4所述的一种10G抗反射激光器制备工艺，其特征在于，步骤2中，刻蚀溶液温度为21℃~22℃。

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