CN113300218B - 硅基光通信c波段高线性面发射激光光源及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源，包括左激光芯片、右激光芯片和二阶光栅波导；所述二阶光栅波导两侧设置有喇叭口波导；所述左激光芯片、右激光芯片分别与二阶光栅波导两侧设置的喇叭口波导相连。本发明采用P面朝下生长的方法解决了常规激光器通过表面发热困难的问题，激光器量子阱发热直接通过衬底进行导热，有效改善激光器的高温线性度和特征温度；采用绝缘的掺Fe InP实现脊条型的电注入区域，并实现相邻激光芯片的电隔离，但光学上又相互耦合形成相干光，左右激光芯片实现激光器有效增益体积的增大，有效提高输出光功率。

Description

硅基光通信C波段高线性面发射激光光源及其制作方法
技术领域
本发明涉及光通信激光芯片领域，具体涉及一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源及其制备方法。
背景技术
由于半导体激光可在空气和光纤中传播、且体积小、寿命长、低成本等有点是下一代激光光源及其光电子集成发展的主要方向；其中光通信C波段，其中心波长接近1550nm，为人眼安全波段，该波长波导耦合损耗小、光纤传播损耗低，是硅光光源、无人驾驶激光雷达光源、长距离主干网的主要激光光源。通常半导体激光器由于发光和发热在有源区域，其靠近芯片的P型表面，散热大部分通过表面和空气散热，使得激光器在高温下散热特性差，芯片工作容易饱和，线性度和特征温度差；相关的研究报道也早已表明采用倒装封装形式，即激光器P面朝下封装，对于改善激光芯片在高温和大电流下的散热和提高出光功率及线性度有重要作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源，解决了常规激光器通过表面发热困难的问题，激光器量子阱发热直接通过衬底进行导热，有效改善激光器的高温线性度和特征温度；并通过波导耦合左、右激光芯片出光，有效提高出光功率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源，包括左激光芯片、右激光芯片和二阶光栅波导；所述二阶光栅波导两侧设置有喇叭口波导；所述左激光芯片、右激光芯片分别与二阶光栅波导两侧设置的喇叭口波导相连。
进一步的，所述激光芯片的宽度和沿谐振腔方向长度分别为400微米和1毫米，左右解离端面蒸镀光学高反膜。
进一步的，所述喇叭口波导的角度为3至5度。
进一步的，所述激光芯片包括从下至上依次设置的P-Si衬底、低掺杂P-InP过渡层和缓冲层、掺Fe绝缘InP层；所述掺Fe绝缘InP层上还设置有光刻区域和二阶波导选择再生长区域；所述光刻区域生长包括从下至上依次设置的低掺杂P-InP间隔层、低掺杂P-AlGaInAs光场扩展层、P-InP间隔层、P-InAlAs电子阻挡层、P-AlGaInAs分别限制层、应变多量子阱、N-AlGaInAs分别限制层、N-AlGaInAs波导层和N-InP盖层；所述二阶光栅波导选择再生长区域生长包括从下至上依次设置的的掺Fe绝缘InP层、N型InGaAsP波导层和N-InP盖层。
进一步的，所述应变多量子阱包括3层张应变量子阱和4层压应变量子垒。
一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1:将P型Si衬底放入MOCVD生长腔体，依次生长P-InP过渡层、低掺杂P-InP缓冲层和掺Fe绝缘InP层，取出片子，PECVD沉积 SiO2介质层；
步骤S2:光刻、腐蚀去除光刻区域介质层和掺Fe InP层，形成脊形状的电流注入区域，接着去除片子表面的介质层，将片子放入MOCVD中，依次生长低掺杂P-InP层，P-AlGaInAs光场扩展高折射率层，接着生长P-InP间隔层， P-InAlAs电子阻挡层， P-AlGaInAs分别限制层，然后生长应变多量子阱、 N-AlGaInAs分别限制层，N-AlGaInAs波导层和 N-InP盖层，完成基片材料生长；
步骤S3:在片子表面PECVD沉积150nm SiO2介质层，光刻、腐蚀去除光刻区域的介质层和半导体材料至掺Fe InP层处，将片子放入MOCVD腔体，通磷烷烘烤，依次生长掺Fe绝缘InP层、N-InGaAsP波导层和 N-InP盖层，完成材料生长；
步骤S4:去除片子表面的介质层，再通过PECVD沉积SiO2介质层，光刻并腐蚀，在再生长区域形成激光芯片耦合连接的波导，并通过电子束光刻在波导中间区域形成二阶光栅；
步骤S5:去除片子表面介质层，在片子表面PECVD沉积iO2钝化层，光刻、腐蚀形成N型电极蒸镀区，电子束蒸发Ti/Pt/Au金属，形成N型金属；将硅衬底物理减薄至预设值，背面蒸镀Ti/Pt/Au金属，形成P型金属，解离bar条，在激光器解离腔面蒸镀高反射膜，形成谐振腔，完成芯片的制备。
进一步的，所述应变多量子阱包括3层9nm -1.4%张应变量子阱和4层11nm 0.5%压应变量子垒，沿着生长顺序3层量子阱PL分别设置为1520nm、1540nm和1560nm，垒的PL波长为1200nm。
进一步的，所述通过电子束光刻在波导中间区域形成二阶光栅，具体为:采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺形成光栅，腐蚀深度至掺Fe绝缘InP层，光栅激射波长在1550+/-10nm范围内。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用区别于常规生长顺序的倒生长顺序方法，将量子阱生长在靠近衬底区域，解决了常规激光器通过表面发热困难的问题，激光器量子阱发热直接通过衬底进行导热，有效改善激光器的高温线性度和特征温度；
2、本发明采用绝缘的掺Fe InP实现脊条型的电注入区域，并实现相邻激光芯片的电隔离，但光学上又相互耦合形成相干光；
3、本发明采用P-AlGaInAs光场扩展层和喇叭口波导来扩展光场的Y方向和X方向光场，改善激光发散角，而在喇叭口波导相连区域制备二阶光栅来实现激光的面发射，该激光光源在二阶光栅的左右两边具有两个激光器，从而有效改善激光器的增益体积，大幅提高激光器输出功率和线性度。
附图说明
图1是本发明一实施例中基片长完掺Fe InP层，光刻腐蚀后形成脊形电注入区域示意图；其中，区域1为激光芯片区域，区域2为激光芯片间的相连波导和光栅区域，其沿着谐振腔方向长度为250微米；1和2区域表面均为掺Fe InP材料；
图2是本发明一实施例中平行脊波导方向的芯片材料结构示意图；其中，1为P-Si衬底，2为低掺杂P-InP过渡层和缓冲层；3为掺Fe绝缘InP层，4为低掺杂P-InP间隔层，5为低掺杂P-AlGaInAs光场扩展层，6为P-InP间隔层，7为P-InAlAs电子阻挡层，8为P-AlGaInAs分别限制层；9为应变多量子阱；10为N-AlGaInAs分别限制层，11为N-AlGaInAs波导层，12为N-InP盖层，13、14和15分别为选择再生长区域生长的掺Fe绝缘InP层、N型InGaAsP波导层和N-InP盖层；
图3是本发明一实施例中芯片表面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图3，本发明提供一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源，由左、右激光芯片和中间的连接耦合波导及二阶光栅波导组成，左、右激光芯片的宽度和沿谐振腔方向长度分别为400微米和1毫米，左右解离端面蒸镀光学高反膜；中间区域由150微米的二阶光栅波导区域和左、右各50微米的喇叭口波导组成，喇叭口波导的角度为3至5度。
参考图2，本实施例中，激光芯片包括从下至上依次设置的P-Si衬底、低掺杂P-InP过渡层和缓冲层、掺Fe绝缘InP层；所述掺Fe绝缘InP层上还设置有光刻区域和二阶光栅波导选择再生长区域；所述光刻区域包括从下至上依次设置的低掺杂P-InP间隔层、低掺杂P-AlGaInAs光场扩展层、P-InP间隔层、P-InAlAs电子阻挡层、P-AlGaInAs分别限制层、应变多量子阱、N-AlGaInAs分别限制层、N-AlGaInAs波导层和N-InP盖层；所述二阶光栅波导选择再生长区域生长包括从下至上依次设置的的掺Fe绝缘InP层、N型InGaAsP波导层和N-InP盖层。
本实施例，还提供一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1:将P型Si衬底放入MOCVD生长腔体，在690℃下通氮气烘烤20min，生长300nm低掺杂P-InP过渡层；接着在690℃下通入大量磷烷气体烘烤20min，生长300nm低掺杂P-InP缓冲层接着生长200nm掺Fe绝缘InP层；取出片子，PECVD沉积150nm SiO2介质层。
步骤S2:通过光刻、腐蚀等工艺，去除光刻区域介质层和掺Fe InP层，形成脊形状的电流注入区域，脊型宽度为1.5微米，具体如附图1所示。接着去除片子表面的介质层，将片子放入MOCVD中，在640℃下通磷烷烘烤10min，接着依次生长250nm低掺杂P-InP层，100nmP-AlGaInAs光场扩展高折射率层，高折射率层耦合部分光场降低Y方向发散角，使光斑更靠近衬底改善散热；接着生长50nm P-InP间隔层，40nm P-InAlAs电子阻挡层，40nm P-AlGaInAs分别限制层；生长3层9nm -1.4%张应变量子阱和4层11nm 0.5%压应变量子垒，沿着生长顺序3层量子阱PL分别设置为1520nm、1540nm和1560nm，垒的PL波长为1200nm，压应变量子阱有利于进一步降低态密度，降低阈值、提高光功率，不同PL波长量子阱加宽了材料激发的增益谱可以实现在宽温度范围内足够的单模增益和单纵模工作。生长40nm N-AlGaInAs分别限制层，40nm N-AlGaInAs波导层，接着生长500nm N-InP盖层，完成基片材料生长。
步骤S3:在片子表面PECVD沉积150nm SiO2介质层，通过光刻、腐蚀等工艺去除光刻区域的介质层和半导体材料至掺Fe InP层处，将片子放入MOCVD腔体，在640℃下通磷烷烘烤10min，依次生长250nm掺Fe绝缘InP层、350nm N-InGaAsP波导层和50nm N-InP盖层，完成材料生长。
步骤S4:去除片子表面的介质层，再通过PECVD沉积150nm SiO2介质层，光刻并腐蚀，在再生长区域形成激光芯片耦合连接的波导，并通过电子束光刻在波导中间区域形成二阶光栅，采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺形成光栅，腐蚀深度至掺Fe绝缘InP层，光栅激射波长在1550+/-10nm范围内。
步骤S5:去除片子表面介质层，在片子表面PECVD沉积400nm SiO2钝化层，光刻、腐蚀形成N型电极蒸镀区，电子束蒸发Ti/Pt/Au金属，形成N型金属；将硅衬底物理减薄至200微米，背面蒸镀Ti/Pt/Au金属，形成P型金属，解离bar条，在激光器解离腔面蒸镀高反射膜，形成谐振腔，完成芯片的制备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述硅基光通信C波段高线性面发射激光光源包括左激光芯片、右激光芯片和二阶光栅波导；所述二阶光栅波导两侧设置有喇叭口波导；所述左激光芯片、右激光芯片分别与二阶光栅波导两侧设置的喇叭口波导相连，具体制备方法如下：
步骤S1:将P型Si衬底放入MOCVD生长腔体，依次生长P-InP过渡层、低掺杂P-InP缓冲层和掺Fe绝缘InP层，取出片子，PECVD沉积 SiO2介质层；
步骤S2:光刻、腐蚀去除光刻区域介质层和掺Fe InP层，形成脊形状的电流注入区域，接着去除片子表面的介质层，将片子放入MOCVD中，依次生长低掺杂P-InP层，P-AlGaInAs光场扩展高折射率层，接着生长P-InP间隔层， P-InAlAs电子阻挡层， P-AlGaInAs分别限制层，然后生长应变多量子阱、 N-AlGaInAs分别限制层，N-AlGaInAs波导层和 N-InP盖层，完成基片材料生长；
步骤S3:在片子表面PECVD沉积150nm SiO2介质层，光刻、腐蚀去除光刻区域的介质层和半导体材料至掺Fe InP层处，将片子放入MOCVD腔体，通磷烷烘烤，依次生长掺Fe绝缘InP层、N-InGaAsP波导层和 N-InP盖层，完成材料生长；
步骤S4:去除片子表面的介质层，再通过PECVD沉积SiO2介质层，光刻并腐蚀，在再生长区域形成激光芯片耦合连接的波导，并通过电子束光刻在波导中间区域形成二阶光栅；
步骤S5:去除片子表面介质层，在片子表面PECVD沉积SiO2钝化层，光刻、腐蚀形成N型电极蒸镀区，电子束蒸发Ti/Pt/Au金属，形成N型金属；将硅衬底物理减薄至预设值，背面蒸镀Ti/Pt/Au金属，形成P型金属，解离bar条，在激光器解离腔面蒸镀高反射膜，形成谐振腔，完成芯片的制备。
2.根据权利要求1所述的硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述激光芯片的宽度和沿谐振腔方向长度分别为400微米和1毫米，左右解离端面蒸镀光学高反膜。
3.根据权利要求1所述的硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述喇叭口波导的角度为3至5度。
4.根据权利要求1所述的硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述激光芯片包括从下至上依次设置的P-Si衬底、低掺杂P-InP过渡层和缓冲层、掺Fe绝缘InP层；所述掺Fe绝缘InP层上还设置有光刻区域和二阶波导选择再生长区域；所述光刻区域生长包括从下至上依次设置的低掺杂P-InP间隔层、低掺杂P-AlGaInAs光场扩展层、P-InP间隔层、P-InAlAs电子阻挡层、P-AlGaInAs分别限制层、应变多量子阱、N-AlGaInAs分别限制层、N-AlGaInAs波导层和N-InP盖层；所述二阶光栅波导选择再生长区域生长包括从下至上依次设置的掺Fe绝缘InP层、N型InGaAsP波导层和N-InP盖层。
5.根据权利要求4所述的硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述应变多量子阱包括3层张应变量子阱和4层压应变量子垒。
6.根据权利要求1所述的一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述应变多量子阱包括3层9nm -1.4%张应变量子阱和4层11nm 0.5%压应变量子垒，沿着生长顺序3层量子阱PL分别设置为1520nm、1540nm和1560nm，垒的PL波长为1200nm。
7.根据权利要求1所述的一种硅基光通信C波段高线性面发射激光光源的制备方法，其特征在于，所述通过电子束光刻在波导中间区域形成二阶光栅，具体为:采用干法刻蚀和湿法腐蚀工艺形成光栅，腐蚀深度至掺Fe绝缘InP层，光栅激射波长在1550+/-10nm范围内。
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