CN112366520B - 一种高速dfb激光器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高速DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：1）在N型InP衬底上依次生长第一N型InP层、N型光栅层、第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层；2）光刻形成光波导区和非光波导区，将非光波导区的第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层腐蚀掉；3）在非光波导区制作光栅；4）对外延片先进行低温热处理，再进行高温热处理；接着依次生长第二N型InP层、AlGaInAs多量子阱、第一P型InP层、P型InGaAsP停止层、第二P型InP层、P型InGaAs接触层；5）光刻形成脊形波导；6）进行脊条注电区套刻光刻；7）在脊条两侧形成BCB区域；8）光刻形成P面电极；9）N面电极制作。本发明中芯片尺寸与2.5G DFB产品相当，还能消除含Al材料的氧化，显著提高高速DFB的可靠性。

Description

一种高速DFB激光器的制作方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种高速DFB激光器的制作方法。
背景技术
随着互联网信息时代的不断发展，数据中心和5G网络快速推进，数据信息传输量不断增加，迫使作为信息传输媒介的DFB激光器的传输速率不断提高，特别是25G DFB激光器已成为应用的主流方案，因此高速DFB激光器的可靠性将是高速传输的重要保证。
目前，25G DFB激光器主要采用短腔长的（一般为150um）AlGaInAs材料体系的RWG和BH方案。（1）采用BH方案，需要增加半绝缘（Fe或Ru）掩埋生长，制作工艺复杂，同时半绝缘生长容易引入生长缺陷，从而影响可靠性；（2）采用RWG方案，制作工艺简单，但芯片尺寸较小，芯片解理和夹条难度增加，同时解理后腔面含Al材料在空气中容易氧化，需要增加复杂的镀膜工艺来保证其可靠性，但仍然不能完全消除解理和镀膜所导致的不确定性。此外，芯片尺寸减小，芯片散热差，芯片的贴片封装难度和封装成本增加，导致芯片可靠性风险增加。因此，对于高速DFB激光器，不论采用哪种方案，我们都需要解决芯片尺寸减小和腔面含Al氧化对产品可靠性的影响。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高速DFB激光器的制作方法，采用含有InGaAsP波导的RWG结构，芯片尺寸可与常规2.5G DFB产品相当，芯片加工和封装工艺简单，芯片的散热改善明显；同时可消除含Al材料的端面氧化，且采用N面光栅结构避免P面光栅掩埋时Zn扩散至量子阱导致芯片的可靠性降低，显著提高高速含Al结构DFB的可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种高速DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：
1）在N型InP衬底上依次生长第一N型InP层、N型光栅层、第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层，形成外延片；
2）在外延片表面生长第一掩膜层，进行光波导区光刻，形成光波导区和非光波导区，将非光波导区的第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层完全腐蚀掉；
3）在非光波导区进行光栅制作，并形成光栅图形；
4）对外延片先进行低温热处理，再进行高温热处理；接着再依次生长第二N型InP层、AlGaInAs多量子阱、第一P型InP层、P型InGaAsP停止层、第二P型InP层、P型InGaAs接触层；
5）在外延片表面生长第二掩膜层，进行脊形波导光刻，形成脊形波导；
6）生长钝化层，进行脊条注电区套刻光刻，将非光波导区的脊条注电区的钝化层完全刻蚀，光波导区的脊条注电区的钝化层保留；
7）采用光敏BCB光刻在脊条两侧形成BCB区域；
8）在BCB区域和脊条表面进行P面电极光刻，并蒸镀TiPtAu形成P面电极；
9）对外延片N面进行减薄抛光、N面电极制作，解理及腔面镀膜。
进一步地，步骤1）中N型光栅层包括依次生长的厚度为40-60nm的InGaAsP、厚度为10-20nm的N型InP以及厚度为10-20nm的N型InGaAsP。
进一步地，步骤1）中第一本征InP层的厚度为100-200nm；本征InGaAsP层的厚度为50-150nm，PL波长为1120-1180nm；第二本征InP层的厚度为50-100nm。
进一步地，步骤2）中光波导区的长度为30-100um，宽度为12-50um；非光波导区的长度为120-180um，宽度为12-50um。
进一步地，步骤2）中采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法腐蚀液将非光波导区的第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层完全腐蚀掉。
更进一步地，步骤2）中反应离子刻蚀技术具体为：采用的反应气体为Cl2/CH4/H2的混合气体，其中Cl2流量为6-12sccm，CH4流量为8-15sccm，H2流量为18-30sccm，射频功率为60-100W，ICP功率为1200-1800w，反应气压为4mTorr，反应温度为60℃，反应时间为30s，刻蚀深度大于本征InGaAsP层与第二本征InP层的总厚度。
更进一步地，步骤2）中采用选择性湿法腐蚀液的腐蚀方法具体为：1）采用HCl和H3PO4的混合腐蚀液腐蚀，各成分体积比为1:10，腐蚀时间为30s；2）或者采用H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液腐蚀，各成分体积比为5:1:10，腐蚀时间为30-60s。
进一步地，步骤1）中的生长方式、步骤4）中的生长方式以及步骤4）中的热处理均采用金属有机化学气相沉积设备进行；且步骤4）中低温热处理的温度比生长温度低50-100℃，保持5-10min，高温热处理的温度比生长温度高30-50℃，保持2-10min；其中生长温度范围为600-650℃。
进一步地，步骤3）中采用全息光刻或者电子束光刻在非光波导区进行光栅制作，采用反应离子刻蚀技术和湿法腐蚀形成光栅图形；步骤5）中采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法腐蚀液形成脊形波导。
进一步地，所述第一掩膜层为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜，所述第二掩膜层为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜，所述钝化层为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明在常规RWG结构基础上，增加不含Al的InGaAsP/InP光波导区，将含Al的光增益区有效保护，完全消除光增益区含Al材料的氧化，芯片的长期可靠性显著提高；
（2）本发明中光波导区的增加使得高速DFB芯片的尺寸与常规2.5G DFB产品相当，芯片的解理夹条工艺难度降低，芯片的贴片封装难度降低，芯片加工和封装对芯片可靠性影响的风险降低，工艺效率提升，成本降低；同时芯片尺寸增加，芯片的散热面积将增加，进一步提升芯片的长期可靠性；
（3）本发明在常规RWG基础上，采用N面光栅方案，可有效避免P面光栅掩埋时活性较强的Zn原子扩散至量子阱对芯片可靠性的影响；同时未增加外延生长次数，制作工艺与常规RWG DFB相同，非常适合高速如25Gb/s DFB的批量制作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的一次外延生长材料结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的光波导区掩膜光刻后截面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的光波导区刻蚀腐蚀后截面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的N型光栅形成后的截面结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的光栅掩埋后生长量子阱的截面结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的脊形波导成型后表面结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的接触区刻蚀后表面结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的BCB成型后表面结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种高速 DFB激光器的制作方法的P面电极完成后表面结构示意图；
图中：1、N型InP衬底；2、第一N型InP层；3、N型光栅层；4、第一本征InP层；5、本征InGaAsP层；6、第二本征InP层；7、第一掩膜层；8、光波导区；9、非光波导区；10、第二N型InP层；11、AlGaInAs多量子阱；12、第一P型InP层；13、P型InGaAsP停止层；14、第二P型InP层；15、P型InGaAs接触层；16、第二掩膜层；17、钝化层；18、BCB区域；19、P面电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图9所示，本实施例提供一种高速DFB激光器的制作方法，包括如下步骤：
1）在N型InP衬底1上进行一次外延生长，依次生长出第一N型InP层2、N型光栅层3、第一本征InP层4、本征InGaAsP层5、第二本征InP层6，形成外延片；其中，本征InGaAsP层5为光波导保护层；
2）在外延片表面生长第一掩膜层7，进行光波导区光刻，形成光波导区8和非光波导区9，将非光波导区9的第一本征InP层4、本征InGaAsP层5、第二本征InP层6完全腐蚀掉；
3）在非光波导区9进行光栅制作，并形成光栅图形；
4）对外延片先进行低温热处理，再进行高温热处理；接着再进行二次外延生长，依次生长出第二N型InP层10、AlGaInAs多量子阱11、第一P型InP层12、P型InGaAsP停止层13、第二P型InP层14、P型InGaAs接触层15；由于光波导区8和非光波导区9界面经过低温热处理和高温热处理后，界面上材料生长速率较慢，可保证光波导区8和非光波导区9平面的生长保持独立，非光波导区9生长的材料能够很好的与光波导区8的本征InGaAsP连接，非光波导区9产生的光增益能够很好的耦合到光波导区8，从而腔面出光通过本征InGaAsP波导导出；
5）在外延片表面生长第二掩膜层16，进行脊形波导光刻，形成脊形波导；
6）生长钝化层17，进行脊条注电区套刻光刻，通过干法刻蚀将非光波导区9的脊条注电区的钝化层17完全刻蚀，光波导区8的脊条注电区的钝化层17保留，保证光波导区8无电流注入，同时光波导区8为P-I-N-I-N电结构，电流无法导通，从而不产生光增益；
7）采用光敏BCB光刻在脊条两侧形成BCB区域18，通过BCB固化工艺将BCB固化在脊条两侧；
8）在BCB区域18和脊条表面进行P面电极光刻，并蒸镀TiPtAu形成P面电极19；
9）对外延片N面进行减薄抛光、N面电极制作，bar条解理及腔面镀膜。
本实施例提供的高速DFB激光器的制作方法，采用传统可批量生产的RWG结构，在N型InP衬底1上增加N型光栅层3和本征InGaAsP层5，通过调整第一本征InP层4、本征InGaAsP层5和第二本征InP层6的厚度和形貌，在光栅掩埋生长量子阱的同时完成光波导区与量子阱的对接生长，大大减少了外延生长次数，芯片尺寸可与常规2.5G DFB产品相当，芯片加工和封装工艺简单；同时芯片腔面无含Al材料氧化问题，结合N型光栅方案，高速DFB激光器的可靠性和温度特性能够有效保证。
作为本发明实施例的优化方案，步骤1）中N型光栅层3包括依次生长的厚度为40-60nm的InGaAsP、厚度为10-20nm的N型InP以及厚度为10-20nm的N型InGaAsP。
作为本发明实施例的优化方案，步骤1）中第一本征InP层4的厚度为100-200nm；本征InGaAsP层5的厚度为50-150nm，PL波长为1120-1180nm；第二本征InP层6的厚度为50-100nm。
作为本发明实施例的优化方案，步骤2）中光波导区8的长度为30-100um，宽度为12-50um；非光波导区9的长度为120-180um，宽度为12-50um；在满足高速芯片的性能要求的同时，提高量子阱材料的生长质量。
作为本发明实施例的优化方案，步骤2）中采用反应离子刻蚀技术（RIE或ICP）和选择性湿法腐蚀液将非光波导区9的第一本征InP层4、本征InGaAsP层5、第二本征InP层6完全腐蚀掉。更进一步地，步骤2）中反应离子刻蚀技术具体为：采用的反应气体为Cl2/CH4/H2的混合气体，其中Cl2流量为6-12sccm，CH4流量为8-15sccm，H2流量为18-30sccm，射频功率为60-100W，ICP功率为1200-1800w，反应气压为4mTorr，反应温度为60℃，反应时间为30s，刻蚀深度大于本征InGaAsP层5与第二本征InP层6的总厚度。更进一步地，步骤2）中采用选择性湿法腐蚀液的腐蚀方法具体为：1）采用HCl和H3PO4的混合腐蚀液腐蚀，各成分体积比为1:10，腐蚀时间为30s；2）采用H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液腐蚀，各成分体积比为5:1:10，腐蚀时间为30-60s。
作为本发明实施例的优化方案，步骤1）中的生长方式、步骤4）中的生长方式以及步骤4）中的热处理均采用在金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）中进行；例如在步骤4）中，将外延片置于金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）中先进行低温热处理，再进行高温热处理，接着依次生长出第二N型InP层10、AlGaInAs多量子阱11、第一P型InP层12、P型InGaAsP停止层13、第二P型InP层14、P型InGaAs接触层15；且步骤4）中低温热处理的温度比生长温度低50-100℃，保持5-10min，高温热处理的温度比生长温度高30-50℃，保持2-10min，其中生长温度范围为600-650℃，从而使得非光波导区9生长的材料能够很好的与光波导区8的本征InGaAsP连接。
作为本发明实施例的优化方案，步骤3）中采用全息光刻或者电子束光刻在非光波导区9进行光栅制作，采用反应离子刻蚀技术（RIE或ICP）和湿法腐蚀形成光栅图形；步骤5）中采用反应离子刻蚀技术（RIE或ICP）和选择性湿法腐蚀液形成脊形波导。
作为本发明实施例的优化方案，所述第一掩膜层7为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜，所述第二掩膜层16为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜，所述钝化层17为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在N型InP衬底上依次生长第一N型InP层、N型光栅层、第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层，形成外延片；
2）在外延片表面生长第一掩膜层，进行光波导区光刻，形成光波导区和非光波导区，将非光波导区的第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层完全腐蚀掉；
3）在非光波导区进行光栅制作，并形成光栅图形；
4）对外延片先进行低温热处理，再进行高温热处理；接着再依次生长第二N型InP层、AlGaInAs多量子阱、第一P型InP层、P型InGaAsP停止层、第二P型InP层、P型InGaAs接触层；其中，低温热处理的温度比生长温度低50-100℃，保持5-10min，高温热处理的温度比生长温度高30-50℃，保持2-10min，生长温度范围为600-650℃；
5）在外延片表面生长第二掩膜层，进行脊形波导光刻，形成脊形波导；
6）生长钝化层，进行脊条注电区套刻光刻，将非光波导区的脊条注电区的钝化层完全刻蚀，光波导区的脊条注电区的钝化层保留；
7）采用光敏BCB光刻在脊条两侧形成BCB区域；
8）在BCB区域和脊条表面进行P面电极光刻，并蒸镀TiPtAu形成P面电极；
9）对外延片N面进行减薄抛光、N面电极制作，解理及腔面镀膜。
2.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤1）中N型光栅层包括依次生长的厚度为40-60nm的InGaAsP、厚度为10-20nm的N型InP以及厚度为10-20nm的N型InGaAsP。
3.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤1）中第一本征InP层的厚度为100-200nm；本征InGaAsP层的厚度为50-150nm，PL波长为1120-1180nm；第二本征InP层的厚度为50-100nm。
4.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤2）中光波导区的长度为30-100um，宽度为12-50um；非光波导区的长度为120-180um，宽度为12-50um。
5.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤2）中采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法腐蚀液将非光波导区的第一本征InP层、本征InGaAsP层、第二本征InP层完全腐蚀掉。
6.如权利要求5所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤2）中反应离子刻蚀技术具体为：采用的反应气体为Cl2/CH4/H2的混合气体，其中Cl2流量为6-12sccm，CH4流量为8-15sccm，H2流量为18-30sccm，射频功率为60-100W，ICP功率为1200-1800w，反应气压为4mTorr，反应温度为60℃，反应时间为30s，刻蚀深度大于本征InGaAsP层与第二本征InP层的总厚度。
7.如权利要求5所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤2）中采用选择性湿法腐蚀液的腐蚀方法具体为：1）采用HCl和H3PO4的混合腐蚀液腐蚀，各成分体积比为1:10，腐蚀时间为30s；2）采用H3PO4、H2O2和H2O组成的混合腐蚀液腐蚀，各成分体积比为5:1:10，腐蚀时间为30-60s。
8.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤1）中的生长方式、步骤4）中的生长方式以及步骤4）中的热处理均采用金属有机化学气相沉积设备进行。
9.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：步骤3）中采用全息光刻或者电子束光刻在非光波导区进行光栅制作，采用反应离子刻蚀技术和湿法腐蚀形成光栅图形；步骤5）中采用反应离子刻蚀技术和选择性湿法腐蚀液形成脊形波导。
10.如权利要求1所述的一种高速DFB激光器的制作方法，其特征在于：所述第一掩膜层为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜，所述第二掩膜层为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜，所述钝化层为二氧化硅介质膜或氮化硅介质膜。
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