CN113594858A - 宽温度工作单片多波长高速dfb激光光源外延层结构、芯片及其制备方法 - Google Patents

宽温度工作单片多波长高速dfb激光光源外延层结构、芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构、芯片及其制备方法，其特征在于：在下波导层和上波导层之间设置有应变补偿多量子阱；所述应变补偿多量子阱包括：下部的经第一高温处理的压应变AlGaInAs量子阱、中部的经第二高温处理的压应变AlGaInAs量子阱、以及上部的不经高温处理的压应变AlGaInAs量子阱。其可实现超过工业级温度范围单模工作，并实现在单片上的多波长DFB阵列激光光源，同时可实现不同DFB波长的精确调控，产品可应用在5G无线网、数据中兴等应用领域，提高应用端的集成度并降低应用成本。

Description

宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构、芯片及 其制备方法
技术领域
本发明涉及激光芯片技术领域，尤其涉及一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构、芯片及其制备方法，其一般用于形成高速DFB激光光源阵列。
背景技术
通常由于应用场景的需求，要求DFB激光器在宽温度范围内（工业级甚至更宽温度范围）能实现单模工作，另外为了保证芯片工作在商业级温度范围内能有一定的冗余量，通常对芯片的低温工作温度范围要求更严格，因此工业级等宽温度工作的高速DFB激光芯片被大量应用在5G前传、数据中心、大容量接入网等应用领域；通常的设计无法同时保证芯片在高温和低温下的工作性能，使得芯片在全温范围内单模良率往往偏低；本发明通过在单片上不同芯片增加加热电阻的方法，实现在低温下对增益谱的调控，在保证高温性能的情况下，极大地提高了DFB单模激光芯片的低温工作温度。
此外，随着信息技术的快速发展，大容量、集成化、小型化是下一代光芯片发展的必然方向。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构、芯片及其制备方法。利用分步量子混杂效应实现在单片阵列上的宽增益谱，通过选择区域再生长的方法，实现在单片阵列上，不同芯片间光栅折射率的不同，从而实现单片上均匀周期光栅的多波长DFB工作，利用双光栅层和不连续光栅的制备方法，改善了DFB激光器内，谐振腔内的非线性现象以及高温的单模工作性能，并可以通过不同芯片加热电阻的控制方法，实现在单片上波长可调控的多波长高速DFB激光光源阵列。
考虑到通常工业级工作激光器无法同时兼顾高低温性能，使得工业级甚至更宽温度范围内单模工作的DFB芯片良率低；本发明首先采用分步的高温量子阱混杂效应来拓宽激光器工作的增益谱；并采用选择区域生长的办法在单片上不同区域实现不同的光栅折射率，实现单片上的多波长DFB工作，通过采用双光栅层和不连续的光栅制作方法来提高芯片在高温下的单模性能改善谐振腔内的非线性现象；通过合理设置增益谱，在保证芯片高温工作性能的情况下，在低温下采用加热电阻的方式，实现对芯片增益谱和单模波长的精确控制，从而极大地提高了芯片工作的温度范围，并实现在单片上波长可精确调控的多波长DFB激光光源阵列。
在工艺上，其在InP衬底上实现单片宽温度工作多波长高速DFB阵列激光光源。首先在MOCVD生长应变补偿量子阱后通过采用分步高温烘烤，使得量子阱发生波长蓝移，从而实现单片上组合量子阱的宽增益谱宽特性；接着在生长量子阱之外的光栅层时，采用选择区域生长的办法在单片上不同选择生长区域实现不同的光栅折射率，实现在相同的均匀周期光栅下，单片上多个DFB波长的工作；并采用双光栅层和不连续的光栅结构来提高芯片在高温下的单模性能改善激光器各种模式间的非线性现象。通过合理设置材料增益谱的位置，在保证芯片高温工作性能下，在单片上通过不同芯片增加加热电阻的方式，来调控低温工作下的材料增益谱和单模工作波长，极大地提高了芯片工作的低温温度范围；利用加热电阻的控制，可以在单片上精确控制不同DFB的波长，实现单片上WDM多波长的高速阵列DFB激光光源，通过本发明方案制备的多波长高速阵列激光光源可实现超过工业级温度范围工作，可以应用在4G/5G无线网、高速光接入网、数据中心等应用领域，提高系统集成度并降低使用成本。
本发明具体采用以下技术方案：
一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构，其特征在于：在下波导层和上波导层之间设置有应变补偿多量子阱；所述应变补偿多量子阱包括：下部的经第一高温处理的压应变AlGaInAs量子阱、中部的经第二高温处理的压应变AlGaInAs量子阱、以及上部的不经高温处理的压应变AlGaInAs量子阱所述第一高温高于第二高温。
进一步地，该宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构包括：InP衬底，以及在所述InP衬底上以此生长的：InP缓冲层、下电子阻挡层、下波导层、应变补偿多量子阱、上波导层、上电子阻挡层、InP间隔层和腐蚀阻止层。
以及一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：采用如上所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构，包括在外延层结构表面设置的：一对SiO2介质条、InP间隔层、以及双光栅层；所述双光栅层为2层折射率不同的光栅，位于一对SiO2介质条之间。
进一步地，所述双光栅层表面设置有周期相同的均匀光栅，并在沿着谐振腔的方向交替形成有光栅和无光栅区域。
进一步地，采用多个芯片构成芯片阵列时，每一芯片的双光栅层的宽度相同；对于每一行芯片，所述SiO2介质条的宽度呈递减。
进一步地，靠近谐振腔面的10微米区域内无光栅，其余区域为光栅和无光栅各20微米连续交替。
进一步地，在光栅区域的上方还包括有P-InP空间层、P-InGaAsP间隔层和P-InGaAs欧姆接触层；并带有脊型波导结构。
进一步地，P面电极连接有加热电阻。
以及，一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片的制备方法，其特征在于：在MOCVD生长应变补偿量子阱时通过采用分步高温烘烤，形成经过不同高温处理的第一压应变AlGaInAs量子阱、第二压应变AlGaInAs量子阱和不经过高温处理的第三压应变AlGaInAs量子阱；所述应变补偿量子阱位于下波导层和上波导层之间。
进一步地，采用选择区域生长的方法在外延层上生长2层折射率不同的光栅层；并在双光栅层表面生长周期相同的均匀光栅，在沿着谐振腔的方向交替形成有光栅和无光栅区域；在芯片的钝化层表面形成有加热金属作为加热电阻、以及与加热电阻构成电气连接的加热电阻焊盘和P面电极。
本发明及其优选方案首先采用分步的高温量子阱混杂效应来拓宽激光器工作的增益谱；并采用选择区域生长的办法在单片上不同区域实现不同的光栅折射率，实现单片上的多波长DFB工作，通过采用双光栅层和不连续的光栅制作方法来提高芯片在高温下的单模性能改善谐振腔内的非线性现象；通过合理设置增益谱，在保证芯片高温工作性能的情况下，在低温下采用加热电阻的方式，实现对芯片增益谱和单模波长的精确控制，从而极大地提高了芯片工作的温度范围，并实现在单片上波长可精确调控的多波长DFB激光光源阵列。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例导带的量子阱能带结构示意图；通过量子阱混在效应使得量子阱的有效禁带宽度提高，波长蓝移，图中量子阱1、2和3分别为在710℃下烘烤、690℃下烘烤和不烘烤的能带示意。
图2为本发明实施例选择区域生长示意图；其中选择区域生长垂直谐振腔方向生长的宽度为100微米不变，以图中4芯片阵列为例，选择区域生长的左右两侧氧化硅条宽分别从左边的45微米等差递减至右边的22.5微米，由于材料生长元素的扩散长度不同，在不同条宽区域生长的光栅层组分、波长和折射率由此而不同。
图3为本发明实施例不连续光栅制备方法示意图；其中，靠近谐振腔面的10微米区域内无光栅，其余区域为光栅和无光栅各20微米连续交替。
图4为本发明实施例阵列激光芯片表面示意图；图中P面电极为激光器通电电极，加热电阻通过焊盘注入电流控制其加热温度，实现对芯片工作的增益谱和单模波长调控。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图1-图4所示，本实施例提供一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构、芯片及其制备方法，其主要目的是为了基于此制作形成在宽温度范围内工作的单片多波长高速DFB激光光源阵列。
首先在MOCVD腔体中，在高温下通大量磷烷、烘烤清洁2英寸InP衬底表面；生长2微米的InP缓冲层结构；接着生长下电子阻挡层、下波导层；生长应变补偿多量子阱：首先生长3层压应变AlGaInAs量子阱，升高腔体温度至710℃，在高温下烘烤片子10min，使量子阱发生混杂现象，高组份垒Al元素迁移至量子阱，从而使得波长蓝移；接着再生长3层压应变AlGaInAs量子阱，升高腔体温度至690℃，在高温下烘烤片子10min；生长3层压应变AlGaInAs量子阱，不烘烤，通过2次高温烘烤的量子阱混杂效应，使得不同量子阱产生不同的蓝移，从而有效拓宽组合量子阱的增益谱；生长上波导层、上电子阻挡层、InP间隔层、腐蚀阻止层，完成基片生长；接着在片子表面制备不同宽度的SiO2介质条，生长InP间隔层和2层组份不同的光栅层，首先利用选择区域生长效应，由于不同材料元素的扩散长度不同，因此不同条宽介质层中间选择区域生长的光栅层折射率不同，从而实现了在单片上相同光栅周期下折射率不同而引起的DFB波长不同，实现了单片上的多波长DFB阵列，另一方面在同个选择生长区域制备高低两种折射率的光栅层，实现在高温下宽温度的单模增益和单模工作。完成选择区域生长后，在双光栅层表面制备周期相同的均匀光栅，在沿着谐振腔方向交替制备有光栅和无光栅区域，主要目的是为了优化光栅对光的反射而引起谐振腔内的光强不均和空间烧孔效应；接着进行最后掩埋，生长P-InP空间层、P-InGaAsP间隔层、P-InGaAs欧姆接触层，完成材料生长。接着进行脊型波导结构激光器芯片的制备，进行脊型腐蚀、钝化工艺、脊型开孔、P面加热金属工艺、P面欧姆接触金属工艺、N面减薄和N面金属工艺完成芯片制备。其中在每颗芯片的钝化层上制备P面加热金属，通常激光器芯片需要工作在工业级低温时，需要牺牲高温下的性能，同时高温下的良率大幅下降；本实施例采用在钝化层上电子束蒸发蒸镀Cr/Au金属工艺，Cr作为加热金属，Au作为保护金属，对激光器无电串扰影响；通过合理设置增益谱，优先保证芯片高温性能和良率，当芯片工作在低温温度下，对芯片进行加热移动增益谱从而实现宽温度范围的单模工作，极大地提高了芯片工作的低温范围；此外，通过精确控制加热可以实现对激光波长的精确调控。由此实现在宽温度范围内单模工作，波长可精确调控的单片多波长DFB激光光源阵列。
以下结合具体的实施工艺对本实施例内容做更进一步的阐述：
1.将N型InP衬底放置与MOCVD生长腔体内，在650℃下，通大量的PH3气体烘烤和清洁衬底片表面，接着生长2微米厚的N-InP缓冲层，掺杂3E17；接着生长不掺杂45nm InAlAs下电子阻挡层，生长45nm的AlGaInAs下波导层；生长应变多量子阱结构：首先生长3层压应变AlGaInAs量子阱（一个周期内阱垒的总厚度为10nm），升温至710℃，烘烤片子10分钟；降温接着再生长3层量子阱，升温至690℃，烘烤10分钟；降温生长最后三层量子阱，在单片上实现宽的增益谱宽度，最终形成的能带结构如图1所示；生长AlGaInAs上波导层，生长P-InAlAs上电子阻挡层，生长30nm P-InP间隔层、30nm P-InGaAsP腐蚀阻止层，完成基片生长。
2.在片子表面通过PECVD沉积200nm SiO2介质层，在单片上不同的芯片间形成不同条宽的介质层，如图2所示。在片子上生长，30nm P-InP间隔层、20nm P-InGaAsP光栅层1、20nm P-InGaAsP光栅层2（2层光栅层的PL波长不同），20nm P-InP盖层，完成光栅层生长，利用选择区域生长效应在单片上不同选择区域实现不同的光栅层折射率。去除片子表面介质层，采用光刻和全息曝光的方法制备不连续光栅，如图3所示，不连续光栅沿着腔长方向制备长度20微米的均匀光栅，均匀光栅间隔20微米，靠近腔面10微米区域无光栅，激光器芯片的腔长为200微米。接着进行最后生长：依次生长2微米P-InP空间层，50nm P-InGaAsP过渡层，250nm P-InGaAs欧姆接触层，完成材料的生长。
3.接着PECVD沉积200nm SiO2介质层，光刻刻蚀介质层，形成脊型波导图形，采用溴素溶液和盐酸等溶液进行分步腐蚀，腐蚀至腐蚀阻止层，形成脊型波导，典型脊波导上脊宽度在1.9微米附近；去除片子表面介质层，沉积400nm SiO2钝化层，接着制备芯片的解离区域，脊型顶部开孔。
4.接着在芯片的钝化层表面电子束蒸发200nm Cr金属和5nm的Au金属，其中Cr电阻率较大作为加热金属，Au化学性质稳定作为Cr的保护金属；接着蒸镀Ti/Pt/Au作为激光芯片的P型金属和加热电阻金属的焊盘，最终形成如图4所示的结构，P面电极为激光器通电电极，加热电阻通过焊盘注入电流控制其加热温度，通过对加热电阻金属焊盘通电起到加热的目的，以便实现通过控制加热电流精确控制增益谱的漂移和单模工作波长调控；将片子的背面进行减薄至厚度在100微米左右，蒸镀N面金属，解离bar条，蒸镀激光器谐振腔的光学高反和高透膜，完成芯片的制备。
本实施例制备的芯片可实现超过工业级温度范围单模工作，并实现在单片上的多波长DFB阵列激光光源，同时可实现不同DFB波长的精确调控，产品可应用在5G无线网、数据中兴等应用领域，提高应用端的集成度并降低应用成本。
本专利不局限于最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构、芯片及其制备方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构，其特征在于：在下波导层和上波导层之间设置有应变补偿多量子阱；所述应变补偿多量子阱包括：下部的经第一高温处理的压应变AlGaInAs量子阱、中部的经第二高温处理的压应变AlGaInAs量子阱、以及上部的不经高温处理的压应变AlGaInAs量子阱；所述第一高温高于第二高温。
2.根据权利要求1所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构，其特征在于，包括：InP衬底，以及在所述InP衬底上以此生长的：InP缓冲层、下电子阻挡层、下波导层、应变补偿多量子阱、上波导层、上电子阻挡层、InP间隔层和腐蚀阻止层。
3.一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：采用如权利要求1或2所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源外延层结构，包括在外延层结构表面设置的：一对SiO2介质条、InP间隔层、以及双光栅层；所述双光栅层为2层折射率不同的光栅，位于一对SiO2介质条之间。
4.根据权利要求3所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：所述双光栅层表面设置有周期相同的均匀光栅，并在沿着谐振腔的方向交替形成有光栅和无光栅区域。
5.根据权利要求3所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：采用多个芯片构成芯片阵列时，每一芯片的双光栅层的宽度相同；对于每一行芯片，所述SiO2介质条的宽度呈递减。
6.根据权利要求4所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：靠近谐振腔面的10微米区域内无光栅，其余区域为光栅和无光栅各20微米连续交替。
7.根据权利要求4所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：在光栅区域的上方还包括有P-InP空间层、P-InGaAsP间隔层和P-InGaAs欧姆接触层；并带有脊型波导结构。
8.根据权利要求7所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片，其特征在于：P面电极连接有加热电阻。
9.一种宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片的制备方法，其特征在于：在MOCVD生长应变补偿量子阱时通过采用分步高温烘烤，形成经过不同高温处理的第一压应变AlGaInAs量子阱、第二压应变AlGaInAs量子阱和不经过高温处理的第三压应变AlGaInAs量子阱；所述应变补偿量子阱位于下波导层和上波导层之间。
10.根据权利要求9所述的宽温度工作单片多波长高速DFB激光光源芯片的制备方法，其特征在于：采用选择区域生长的方法在外延层上生长2层折射率不同的光栅层；并在双光栅层表面生长周期相同的均匀光栅，在沿着谐振腔的方向交替形成有光栅和无光栅区域；在芯片的钝化层表面形成有加热金属作为加热电阻、以及与加热电阻构成电气连接的加热电阻焊盘和P面电极。
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