CN114284865B

CN114284865B - 有源反馈分布式反馈激光器及其制作方法

Info

Publication number: CN114284865B
Application number: CN202111595855.XA
Authority: CN
Inventors: 朱旭愿; 剌晓波; 梁松
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2041-12-24
Also published as: CN114284865A

Abstract

本发明公开了一种有源反馈DFB的制作方法，包括：在衬底上形成两个掩膜条、位于两个掩膜条中间的生长窗口，每个掩膜条包括有源区掩膜和反馈区掩膜，有源区掩膜的宽度大于反馈区掩膜的宽度；在生长窗口上依次形成缓冲层、有源层、光栅层、光栅覆盖层；由光栅层形成横向延伸的均匀光栅；在光栅覆盖层上依次形成包层、电接触层；由包层形成纵向延伸的倒台型脊波导、以及位于倒台型脊波导两侧的沟槽；在倒台型脊波导上形成电隔离区；在电接触层上形成电隔离层，在电隔离层、倒台型脊波导和沟槽上形成BCB覆层；刻蚀BCB覆层，使BCB覆层仅存在于方形掩膜，和倒台型脊波导两侧的沟槽内；在方形掩膜上制备Pad电极。本发明还提供一种利用上述方法制作的DFB激光器。

Description

有源反馈分布式反馈激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种分布式反馈激光器，特别涉及一种有源反馈分布式反馈激光器及其制作方法。

背景技术

随着现代信息技术快速发展，对于光纤通信技术提出了更高的要求，具体表现为通信容量的需求越来越大，这使得以半导体激光器为代表的半导体光电子器件得到了越来越多的关注，其中，高速直接调制的半导体激光器因其具有体积小、功率高、成本低等优势成为研究热点。为了提高直接调制激光器的调制带宽，主要有两种途径：一是通过优化外延材料，包括量子阱垒的数量厚度、限制层的掺杂、增益波长的选择等；二是采用多段式结构，通过集成无源反馈区，引入光谐振效应提高调制带宽，还可以制备DBR(分布反射器)激光器利用光栅反射镜的DL(失谐负载)效应提高调制带宽。

通过优化外延材料来提高调制带宽的效果有限，目前普遍采用多段式结构来提高器件的调制带宽，但采用多段式结构都需要在激光器的一端通过对接生长无源反馈区，这导致器件的工艺复杂度与不稳定性提高。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述或者其他方面的至少一种技术问题，本发明提出了一种有源反馈分布式反馈激光器(DFB)及其制作方法，以实现有源反馈分布式反馈激光器的高频特性，并能实现减少反馈区吸收光损耗。

本发明提供一种有源反馈分布式反馈激光器的制作方法，包括：

在衬底上形成掩膜层；

对掩膜层执行图形化工艺，以形成两个掩膜条、位于两个掩膜条中间的生长窗口，每个掩膜条包括有源区掩膜和反馈区掩膜，有源区掩膜的宽度大于反馈区掩膜的宽度；

在生长窗口上依次形成缓冲层、有源层、光栅层、光栅覆盖层；

对光栅层和光栅覆盖层进行刻蚀，以由光栅层形成横向延伸的均匀光栅；

在光栅覆盖层上依次形成包层、电接触层；

由包层形成纵向延伸的倒台型脊波导、以及位于倒台型脊波导两侧的沟槽；

在倒台型脊波导上形成电隔离区；

在电接触层上形成电隔离层，在电隔离层、倒台型脊波导和沟槽上形成BCB覆层；

刻蚀BCB覆层，使BCB覆层仅存在于方形掩膜区域内，和倒台型脊波导两侧的沟槽内；以及

在方形掩膜区域上制备Pad电极。

本发明还提供一种利用上述的方法制作得到的有源反馈分布式反馈激光器，包括：衬底；依次形成在生长窗口上的缓冲层、有源层、光栅层、光栅覆盖层，有源层包括有源区和反馈区，有源区材料的带隙宽度小于反馈区材料的带隙宽度，光栅层包括横向延伸的均匀光栅；依次形成在光栅覆盖层上的包层、电接触层；由包层形成的纵向延伸的倒台型脊波导，倒台型脊波导两侧具有沟槽；形成在倒台型脊波导上的电隔离区；形成在电接触层上的电隔离层，形成在电隔离层的方形掩膜区域内、倒台型脊波导两侧的沟槽上的BCB覆层；以及形成在方形掩膜区域上的Pad电极。

根据本发明的实施例提供的有源反馈分布式反馈激光器，利用选区生长技术在同一有源层上形成有源区和反馈区，无需在激光器的一端对接生长无源反馈区，简化了激光器器件的制备工艺。

根据本发明的实施例提供的有源反馈分布式反馈激光器，利用选区生长技术在同一有源层上形成有源区和反馈区，由于选区生长导致的量子阱厚度和组分的变化，使有源区和反馈区的有源层带隙波长不同，反馈区的有源层不会对有源区注入的光有吸收，降低了反射区光吸收损耗。

附图说明

图1为根据本发明实施例的在衬底上形成有掩膜层的示意图；

图2为根据本发明实施例的在生长窗口依次形成有缓冲层、有源层、光栅层和光栅覆盖层的示意图；

图3为根据本发明实施例的由光栅层形成横向延伸的均匀光栅的示意图；

图4为根据本发明实施例的在光栅覆盖层上依次形成有包层和电接触层的示意图；

图5为根据本发明实施例的在电接触层上制作有波导掩膜条的截面示意图；

图6为根据本发明实施例的形成有倒台型脊波导的截面示意图；

图7为根据本发明实施例的有源反馈分布式反馈激光器的示意图；以及

图8为根据本发明实施例的有源反馈分布式反馈激光器的制作流程图。

【附图标记说明】

1-衬底；

2-掩膜层；

21-有源区掩膜；

22-反馈区掩膜；

3-缓冲层；

4-有源层；

5-光栅层；

6-光栅覆盖层；

7-包层；

8-电接触层；

9-波导掩膜条；

10-倒台型脊波导；

11-电隔离区；

12-BCB覆层；

13-Pad电极；

14-P型金属电极层；

15-N型金属电极层。

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。

近年来相关研究已提出分布式反馈激光器有源反馈的方案，有源区和反馈区采用同一有源层，这一方法不需要采用对接生长工艺，仅需一次外延便可生长有源区和反馈区材料，其制备工艺和标准分布式反馈激光器制备工艺相同，降低了工艺复杂度，提高了器件的稳定性。

但现阶段所制备的有源反馈激光器的不足之处在于激光器结构采用同一有源层，由于材料带隙波长相同，反馈区的有源层对有源区注入的光有吸收，造成光损耗。

基于此，本发明提供一种利用选区生长技术制作的有源反馈分布式反馈激光器及其制作方法。

一方面，本发明提供一种有源反馈分布式反馈激光器的制作方法，包括：步骤S01～S09，如图1～8所示。

在步骤S01，在衬底1上形成掩膜层2，对掩膜层2执行图形化工艺。

根据本发明的实施例，利用等离子体化学气相沉积(PECVD)在衬底1上形成掩膜层2，其中，衬底1为n型InP，衬底1的厚度不作具体限制；掩膜层2为300nm厚的二氧化硅。

参考图1所示，对掩膜层2执行图形化工艺包括：对掩膜层2匀胶、光刻，利用HF湿法腐蚀出两个掩膜条和位于两个掩膜条中间的生长窗口，每个掩膜条包括有源区掩膜21和反馈区掩膜22，有源区掩膜21的宽度大于反馈区掩膜22的宽度。

在步骤S02，在生长窗口上依次形成缓冲层3、有源层4、光栅层5、光栅覆盖层6。

参考图2所示，利用金属有机气相外延(MOCVD)在生长窗口上依次形成缓冲层3、有源层4、光栅层5、光栅覆盖层6。

根据本发明的实施例，缓冲层3为n型InP，缓冲层3的厚度为500～1000nm；有源层4为300nm的InGaAlAs量子阱有源层；光栅层5为60nm的InGaAsP；光栅覆盖层6为20nm的InP。

根据本发明的实施例，利用选区生长技术在同一有源层上形成有源区和反馈区，无需在激光器的一端对接生长无源反馈区，简化了激光器器件的制备工艺。

根据本发明的实施例，利用选区生长技术在同一有源层上形成有源区和反馈区，选区生长的材料的波长、带隙宽度及厚度与掩膜条的宽度相关，通过改变不同生长区域掩膜条的宽度，来调整不同生长区域的材料的带隙宽度，进而在不同生长区域得到不同波长的材料。

根据本发明的实施例，在生长窗口上生长半导体材料时，生长气氛会在有源区掩膜和反馈区掩膜上发生横向扩散，由于有源区掩膜的宽度大于反馈区掩膜的宽度，生长气氛横向扩散的速率不同导致有源区生长的半导体材料的带隙宽度小于反馈区生长的半导体材料的带隙宽度，有源区生长的半导体材料的波长大于反馈区生长的半导体材料的波长。

根据本发明的实施例，有源区产生的激光由于具有较大的波长，在进入反馈区后，不会发生电子跃迁，即有源层上的反馈区不会对有源区注入的光有吸收，降低了反射区光吸收损耗。

在步骤S03，对光栅层5和光栅覆盖层6进行刻蚀，以由光栅层5形成横向延伸的均匀光栅。

参考图3所示，由光栅层5形成横向延伸的均匀光栅包括：采用全息曝光技术和反应离子刻蚀法由光栅层5形成均匀光栅，以实现单模激射。

根据本发明的实施例，采用材料波长为1.2μm的InGaAsP(简称1.2Q)作为光栅层5，并在光栅层5上深刻蚀50～60nm形成均匀光栅，提高了光栅耦合系数，提高了光在器件内的反馈，有利于激光器实现高频特性。

在步骤S04，在光栅覆盖层6上依次形成包层7、电接触层8。

根据本发明的实施例，在光栅覆盖层6上依次形成包层7、电接触层8之前，利用氢氟酸腐蚀去除掩膜层2。

参考图4所示，利用金属有机气相外延(MOCVD)在光栅覆盖层6上依次形成包层7、电接触层8。

根据本发明的实施例，包层7为InP，厚度为1.5-1.7μm；电接触层8为300nm厚的P型InGaAs。

在步骤S05，由包层7形成纵向延伸的倒台型脊波导10、以及位于倒台型脊波导10两侧的沟槽。

参考图5～6所示，由包层7形成纵向延伸的倒台型脊波导10、以及位于倒台型脊波导10两侧的沟槽包括：在电接触层8上制作波导掩膜条9；利用第一腐蚀液，腐蚀去除波导掩膜条9外侧的电接触层8；利用第二腐蚀液，在包层7上腐蚀出倒台型脊波导10、以及位于倒台型脊波导10两侧的沟槽。

根据本发明的实施例，第一腐蚀液为溴水；第二腐蚀液为磷酸与氢溴酸的混合液，磷酸与氢溴酸的质量比为1:1。

根据本发明的实施例，倒台型脊波导10的上脊宽度为3.5～3.7μm，下脊宽度为2μm，从而保证激光器在激射光时具有较小的电阻。

在步骤S06，在倒台型脊波导10上形成电隔离区11。

根据本发明的实施例，在倒台型脊波导10上形成电隔离区11包括：利用溴水腐蚀部分倒台型脊波导10，形成电隔离区11，参考图7所示。

根据本发明的实施例，电隔离区11用于有源区和反馈区电隔离。

在步骤S07，在电接触层8上形成电隔离层(图中未示出)，在电隔离层(图中未示出)、倒台型脊波导10和沟槽上形成BCB覆层12。

根据本发明的实施例，电隔离层(图中未示出)为350nm的SiO₂。

根据本发明的实施例，在电接触层8上利用PECVD生长350nm的SiO₂，在SiO₂上匀BCB，并在250℃下固化，使固化后的BCB的厚度约为3μm，同时在倒台型脊波导10和两侧的沟槽上匀BCB，形成BCB覆层12。

在步骤S08，刻蚀BCB覆层12，使BCB覆层12仅存在于方形掩膜区域内，和倒台型脊波导10的两侧的沟槽内。

根据本发明的实施例，在BCB覆层12上生长500nm SiO₂，作为干法刻蚀BCB覆层12的掩膜层。利用HF腐蚀SiO₂掩膜层，得到方形掩膜区域，再利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)刻蚀BCB覆层12，直至露出倒台型脊波导10的上表面，进而使BCB覆层12仅存在于方形掩膜区域内和倒台型脊波导10的两侧的沟槽内。

根据本发明的实施例，在方形掩膜区域上制备Pad电极13。

在步骤S09，在倒台型脊波导10上形成P型金属电极层14。

根据本发明的实施例，参考图7所示，上述制作方法还包括：利用磁控溅射法在位于倒台型脊波导10上的电接触层8上形成P型金属电极层14，在衬底1背面形成N型金属电极层15。

根据本发明的实施例，刻蚀去除倒台型脊波导10上的BCB覆层后，露出电隔离层(图中未示出)。利用HF腐蚀去除倒台型脊波导10上的SiO₂电隔离层后，露出倒台型脊波导10上的电接触层8。在电接触层8上制备P型金属电极层。

根据本发明的实施例，Pad电极作为电流输入窗口将电流输入到P型金属电极层。

根据本发明的实施例，P型金属电极层为Ti/Au或Ti/Pt/Au，N型金属电极层为AuGeNi/Au。

根据本发明的实施例，在沉积N型金属电极层之前先对衬底1减薄抛光，衬底1减薄厚度控制在小于130μm。

根据本发明的实施例，仅在Pad电极下和倒台型脊波导两侧的沟槽内保留BCB，提高Pad电极金属与BCB粘附性，减少器件RC效应限制，有利于器件实现高频特性。同时，倒台型脊波导两侧的沟槽内保留的BCB可起到支撑作用，且可提高散热性能。

本发明还提供一种利用上述的方法制作得到的有源反馈分布式反馈激光器，包括：衬底1；依次形成在生长窗口上的缓冲层3、有源层4、光栅层5、光栅覆盖层6，有源层4包括有源区和反馈区，有源区材料的带隙宽度小于反馈区材料的带隙宽度，光栅层5包括横向延伸的均匀光栅；依次形成在光栅覆盖层6上的包层7、电接触层8；由包层7形成的纵向延伸的倒台型脊波导10，倒台型脊波导10两侧具有沟槽；形成在倒台型脊波导10上的电隔离区11；形成在电接触层8上的电隔离层(图中未示出)，形成在电隔离层(图中未示出)的方形掩膜区域内和沟槽上的BCB覆层；以及形成在方形掩膜区域上的Pad电极13。

根据本发明的实施例提供的有源反馈分布式反馈激光器，仅在Pad电极下和倒台型脊波导两侧的沟槽内保留BCB，提高Pad电极与BCB粘附性，减小P型金属电极层与N型金属电极层之间的电容，减少器件RC效应限制，有利于器件实现高频特性。

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

1.一种有源反馈分布式反馈激光器的制作方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成掩膜层；

对所述掩膜层执行图形化工艺，以形成两个掩膜条、位于所述两个掩膜条中间的生长窗口，每个所述掩膜条包括有源区掩膜和反馈区掩膜，所述有源区掩膜的宽度大于所述反馈区掩膜的宽度；

在所述生长窗口上依次形成缓冲层、有源层、光栅层、光栅覆盖层；

对所述光栅层和所述光栅覆盖层进行刻蚀，以由所述光栅层形成横向延伸的均匀光栅；

在所述光栅覆盖层上依次形成包层、电接触层；

由所述包层形成纵向延伸的倒台型脊波导、以及位于所述倒台型脊波导两侧的沟槽；

在所述倒台型脊波导上形成电隔离区；

在所述电接触层上形成电隔离层，在所述电隔离层、所述倒台型脊波导和所述沟槽上形成BCB覆层；

刻蚀BCB覆层，使BCB覆层仅存在于方形掩膜区域内，和倒台型脊波导的两侧的沟槽内；以及

在所述方形掩膜区域上制备Pad电极。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，还包括：在位于所述倒台型脊波导上的所述电接触层上形成P型金属电极层，在所述衬底背面形成N型金属电极层。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述P型金属电极层为Ti/Au或Ti/Pt/Au，所述N型金属电极层为AuGeNi/Au。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，在沉积所述N型金属电极层之前先对所述衬底减薄抛光，所述衬底减薄厚度控制在小于130μm。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述缓冲层为n型InP，所述缓冲层的厚度为500~1000nm；

所述有源层为300nm的InGaAlAs量子阱有源层；

所述光栅层为60nm的InGaAsP；

所述光栅覆盖层为20nm的InP；

所述电隔离层为350nm的SiO₂。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，由所述光栅层形成横向延伸的均匀光栅包括：

采用全息曝光技术和反应离子刻蚀法由所述光栅层形成均匀光栅。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，采用1.2Q并在所述光栅层上深刻蚀50~60nm。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述光栅覆盖层上依次形成包层、电接触层之前，利用氢氟酸腐蚀去除所述掩膜层。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，由所述包层形成纵向延伸的倒台型脊波导、以及位于所述倒台型脊波导两侧的沟槽包括：

在所述电接触层上制作波导掩膜条；

利用第一腐蚀液，腐蚀去除所述波导掩膜条外侧的所述电接触层；

利用第二腐蚀液，在所述包层上腐蚀出倒台型脊波导、以及位于所述倒台型脊波导两侧的沟槽。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述第一腐蚀液为溴水；

所述第二腐蚀液为磷酸与氢溴酸的混合液，磷酸与氢溴酸的质量比为1:1。

11.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述倒台型脊波导的上脊宽度为3.5~3.7μm，下脊宽度为2μm。

12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述倒台型脊波导上形成电隔离区包括：利用溴水腐蚀部分所述倒台型脊波导，形成电隔离区。

13.一种利用权利要求1~12中任一项所述的方法制作得到的有源反馈分布式反馈激光器，其特征在于，包括：

衬底；

依次形成在生长窗口上的缓冲层、有源层、光栅层、光栅覆盖层，所述有源层包括有源区和反馈区，所述有源区材料的带隙宽度小于所述反馈区材料的带隙宽度，所述光栅层包括横向延伸的均匀光栅；

依次形成在所述光栅覆盖层上的包层、电接触层；

由所述包层形成的纵向延伸的倒台型脊波导，所述倒台型脊波导两侧具有沟槽；

形成在所述倒台型脊波导上的电隔离区；

形成在所述电接触层上的电隔离层，形成在所述电隔离层的方形掩膜区域内和所述沟槽上的BCB覆层；以及

形成在所述方形掩膜区域上的Pad电极。