CN115133397B - 脊波导半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

脊波导半导体激光器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脊波导半导体激光器制备方法，包括如下步骤：S1，在衬底上生长缓冲层，并于缓冲层上生长量子阱；S2，在量子阱的一相对侧分别对接生长第一InP层，第一InP层生长的高度与量子阱的高度一致；S3，继续在量子阱和第一InP层上依次生长覆盖层和接触层，并在量子阱所在的区域制作脊波导，两第一InP层包裹脊波导；S4，接着完成后续生长制作工艺后得到激光器。还提供一种脊波导半导体激光器。本发明在激光器量子阱的两侧对接生长InP，利用InP高热导率散热，解决器件工作时结温高的问题；同时两侧对接生长的InP增加了激光器的腔长，同时将脊波导包裹起来，在生产制备中易解理，不会出现解理腔面损伤，可显著提高激光器的良率，降低生产成本。

Description

脊波导半导体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光通信激光器技术领域，具体为一种脊波导半导体激光器制备方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小，重量轻，成本低，易于规模生产的优点，在光存储，光通信，国防等领域有广阔的发展前景。
激光器的调制速率与激光器光子寿命有关，而光子寿命与激光器有效体积相关。为了提高激光器的调制速率和降低光子寿命，通常采用短腔长结构，但激光器的腔长短至200um以内，将导致激光器解理容易出现腔面损伤，老化失效；与此同时，短腔长还使得激光器的热阻很大，器件工作时结温很高，严重影响了器件性能和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脊波导半导体激光器制备方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种脊波导半导体激光器制备方法，包括如下步骤：
S1，在衬底上生长缓冲层，并于所述缓冲层上生长量子阱；
S2，在所述量子阱的一相对侧分别对接生长第一InP层，所述第一InP层生长的高度与所述量子阱的高度一致；
S3，继续在所述量子阱和所述第一InP层上依次生长覆盖层和接触层，并在所述量子阱所在的区域制作脊波导，两所述第一InP层包裹所述脊波导；
S4，接着完成后续生长制作工艺后得到激光器。
进一步，所述量子阱包括于所述缓冲层上依次生长的有源层、第二InP层以及光栅层。
进一步，所述量子阱还包括光栅掩埋层，在所述光栅层上制作光栅后，在所述光栅层上外延生长所述光栅掩埋层。
进一步，在对接生长第一InP层前，先在所述量子阱上生长掩膜层，然后利用光刻和刻蚀去掉所述掩膜层的一相对侧，接着通过干法和湿法向下刻蚀所述量子阱未覆盖所述掩膜层的部位直至所述缓冲层形成两个缺口，然后在这两个缺口处对接生长第一InP层，两个所述第一InP层补齐两个所述缺口。
进一步，沿两个所述缺口之间的方向，两个所述缺口的尺寸均小于被光刻和刻蚀后的掩膜层的尺寸，被光刻和刻蚀后的掩膜层尺寸和两个所述缺口的尺寸之和为激光器的腔长。
进一步，沿两个所述缺口之间的方向，两个所述缺口的尺寸均控制在1-500μm之间。
进一步，沿两个所述缺口之间的方向，被光刻和刻蚀后的掩膜层的尺寸控制在10-200μm。
进一步，所述后续生长制作工艺包括制作电极，所述电极和所述第一InP层之间增加绝缘材料。
进一步，所述第一InP层为本征InP ，非意向掺杂浓度小于
Figure 50244DEST_PATH_IMAGE001
；或者所述第一InP层为半绝缘InP ，掺杂元素为Fe或Ru，掺杂浓度大于
Figure 701805DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种脊波导半导体激光器，包括于衬底上依次生长的缓冲层和量子阱，于所述量子阱的一相对侧分别对接生长第一InP层，在所述量子阱和所述第一InP层上依次生长覆盖层和接触层，所述量子阱所在的区域具有脊波导，两所述第一InP层包裹所述脊波导，所述第一InP层生长的高度与所述量子阱的高度一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在激光器量子阱的两侧对接生长InP，利用InP高热导率散热，解决器件工作时结温高的问题；同时两侧对接生长的InP增加了激光器的腔长，同时将脊波导包裹起来，在生产制备中易解理，不会出现解理腔面损伤，可显著提高激光器的良率，降低生产成本；同时通过芯片工艺设计和外延生长设计，保证两侧对接InP无电流注入，这样不影响激光器高频性能，保证和短腔激光器一致的高调制速率。相较于传统的脊波导短腔脊波导激光器，本发明的激光器，既具备短腔激光器的高调制速率，同时又具备长腔激光器易于解理，散热性能好的优点。
附图说明
图1a为传统脊波导半导体激光器脊波导俯视图；
图1b为传统脊波导半导体激光器脊波导左视图；
图1c为传统脊波导半导体激光器电极俯视图；
图2为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器光栅掩埋后的结构示意图；
图3a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层前的主视图
图3b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层前的俯视图；
图3c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层前的左视图；
图4a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层后的主视图；
图4b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层后的俯视图；
图4c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层后的左视图；
图5a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器进行InP覆盖层和接触层生长的主视图；
图5b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器进行InP覆盖层和接触层生长的俯视图；
图5c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器进行InP覆盖层和接触层生长的左视图；
图6a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器去掉接触层的两侧的主视图；
图6b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器去掉接触层的两侧的俯视图；
图6c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器去掉接触层的两侧的左视图；
图7a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器脊波导制作完成后的主视图；
图7b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器脊波导制作完成后的俯视图；
图7c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器脊波导制作完成后的左视图；
图7d为图7b的剖面图；
图8为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器脊波导上开电注入窗口结构示意图；
图9a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层区域覆盖电极的主视图；
图9b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层区域覆盖电极的俯视图；
图9c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层区域覆盖电极的左视图；
图9d为图9b的剖面图；
图10a为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层区域无电极的主视图；
图10b为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层区域无电极的俯视图；
图10c为本发明实施例提供的一种脊波导半导体激光器对接生长第一InP层区域无电极的左视图；
图10d为图10b的剖面图；
图11为传统脊波导半导体激光器解理脊损的示意图；
附图标记中：1-衬底；2-缓冲层；3-有源层；4-第二InP层；5-光栅层；6-光栅掩埋层；8-接触层；9-第一InP层；10-掩膜层；11-电极；12-覆盖层；13-钝化层；14-解理脊损。
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。
请参阅图2至图10d，本发明实施例提供一种脊波导半导体激光器制备方法，包括如下步骤：S1，在衬底1上生长缓冲层2，并于所述缓冲层2上生长量子阱；S2，在所述量子阱的一相对侧分别对接生长第一InP层9，所述第一InP层9生长的高度与所述量子阱的高度一致；S3，继续在所述量子阱和所述第一InP层9上依次生长覆盖层12和接触层8，并在所述量子阱所在的区域制作脊波导，两所述第一InP层9包裹所述脊波导；S4，接着完成后续生长制作工艺后得到激光器。在本实施例中，在激光器量子阱的两侧对接生长InP，利用InP高热导率散热，解决器件工作时结温高的问题；同时两侧对接生长的InP增加了激光器的腔长，同时将脊波导包裹起来，在生产制备中易解理，不会出现解理腔面损伤，可显著提高激光器的良率，降低生产成本。具体地，为了便于对接生长的InP层与另外的InP层进行区分，将其定义为第一InP层9。通过先在缓冲层2上生长量子阱，然后在量子阱的两侧分别对接生长第一InP层9，如此可以利用InP的高热导率散热，解决结温高的问题，然后再生长其他的并制作脊波导，使得两侧的第一InP层9包裹住脊波导，解决传统解理中腔面损伤的问题，如图1a、图1b、图1c和图11所示，解理脊损14示出了损伤的情况。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2，所述量子阱包括于所述缓冲层2上依次生长的有源层3、第二InP层4以及光栅层5。所述量子阱还包括光栅掩埋层6，在所述光栅层5上制作光栅后，在所述光栅层5上外延生长所述光栅掩埋层6。在本实施例中，先利用MOCVD一次外延生长缓冲层2、有源层3、第二InP层4以及光栅层5，然后利用全息或电子束光刻在光栅层5上制作光栅，再利用MOCVD二次外延光栅掩埋层6。其中，缓冲层2为InP缓冲层2，光栅掩埋层6为光栅掩埋InP层。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3a、图3b、图3c、图4a、图4b、图4c，在对接生长第一InP层9前，先在所述量子阱上生长掩膜层10，然后利用光刻和刻蚀去掉所述掩膜层10的一相对侧，接着通过干法和湿法向下刻蚀所述量子阱未覆盖所述掩膜层10的部位直至所述缓冲层2形成两个缺口，然后在这两个缺口处对接生长第一InP层9，两个所述第一InP层9补齐两个所述缺口。沿两个所述缺口之间的方向，两个所述缺口的尺寸均小于被光刻和刻蚀后的掩膜层10的尺寸，被光刻和刻蚀后的掩膜层10尺寸和两个所述缺口的尺寸之和为激光器的腔长。沿两个所述缺口之间的方向，两个所述缺口的尺寸均控制在1-500μm之间。沿两个所述缺口之间的方向，被光刻和刻蚀后的掩膜层10的尺寸控制在10-200μm。在本实施例中，在外延生长完光栅掩埋层6后，生长SiO2为掩膜层10，利用光刻和刻蚀技术去掉激光器两侧SiO2，再结合干法和湿法将两侧刻蚀到缓冲层2中，见图3a、图3b、图3c。接着，再以SiO2为掩膜层10，MOCVD进行三次外延，对接生长第一InP层9，见图4a、图4b、图4c，其中俯视图中L1为激光器有源层3长度，L2和L3为激光器两侧对接生长第一InP 层长度，那么激光器腔长L=L1+L2+L3，其中，L2和L3 长度可以相等，也可以不相等；图中对接生长第一InP层9可为本征InP，非意向掺杂浓度小于
Figure 215963DEST_PATH_IMAGE003
，或者掺杂Fe、Ru，掺杂浓度大于
Figure 80014DEST_PATH_IMAGE002
。接着，去掉掩膜层10，进行整面的p型掺杂InP覆盖层12和接触层8的生长，见图5a、图5b、图5c。然后利用光刻和湿法腐蚀方法，去掉激光器有源层3两侧的接触层8，见图6a、图6b、图6c。然后再次生长SiO2为掩膜层10，光刻，干法刻蚀和湿法腐蚀相结合，在激光器有源层3上方进行脊波导制作，两侧对接的第一InP层9为平面结构，其中俯视图剖面图为激光器脊波导结构示意图，见图7a、图7b、图7c和图7d。脊波导制作完成后，去掉掩膜层10，整面生长钝化层13，去掉脊波导上钝化层13，制作电注入窗口，见图8。在激光器有源层3和对接生长第一InP层9区域覆盖电极11，见图9a、图9b、图9c和图9d，其中俯视图剖面图为激光器脊波导覆盖电极11结构示意图。最后进行后续常规减薄，合金，解条，镀膜，解个等激光器制作工艺得到本实施例的激光器。在另外的实施例中，如图10a、图10b、图10c和图10d所示，仅在激光器有源层3上覆盖电极11，对接生长第一InP层9区域无电极11覆盖。图9a、图9b、图9c和图9d，以及图10a、图10b、图10c和图10d是电极11的两种不同的实施方式。
作为本发明实施例的优化方案，所述后续生长制作工艺包括制作电极11，所述电极11和所述第一InP层9之间增加绝缘材料。在本实施例中，对接生长的第一InP层9上面覆盖电极11，第一InP层9与电极11间增加SiO2或SiNx绝缘材料，避免电流注入到第一InP层9中。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在衬底上生长缓冲层，并于所述缓冲层上生长量子阱；
S2，在所述量子阱的一相对侧分别对接生长第一InP层，所述第一InP层生长的高度与所述量子阱的高度一致；
S3，继续在所述量子阱和所述第一InP层上依次生长覆盖层和接触层，并在所述量子阱所在的区域制作脊波导，两所述第一InP层包裹所述脊波导；
S4，接着完成后续生长制作工艺后得到激光器，所述量子阱的长度加上两个所述第一InP层的长度等于所述激光器的腔长。
2.如权利要求1所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：所述量子阱包括于所述缓冲层上依次生长的有源层、第二InP层以及光栅层。
3.如权利要求2所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：所述量子阱还包括光栅掩埋层，在所述光栅层上制作光栅后，在所述光栅层上外延生长所述光栅掩埋层。
4.如权利要求1所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：在对接生长第一InP层前，先在所述量子阱上生长掩膜层，然后利用光刻和刻蚀去掉所述掩膜层的一相对侧，接着通过干法和湿法向下刻蚀所述量子阱未覆盖所述掩膜层的部位直至所述缓冲层形成两个缺口，然后在这两个缺口处对接生长第一InP层，两个所述第一InP层补齐两个所述缺口。
5.如权利要求4所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：沿两个所述缺口之间的方向，两个所述缺口的尺寸均小于被光刻和刻蚀后的掩膜层的尺寸，被光刻和刻蚀后的掩膜层尺寸和两个所述缺口的尺寸之和为激光器的腔长。
6.如权利要求5所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：沿两个所述缺口之间的方向，两个所述缺口的尺寸均控制在1-500μm之间。
7.如权利要求5所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：沿两个所述缺口之间的方向，被光刻和刻蚀后的掩膜层的尺寸控制在10-200μm。
8.如权利要求1所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：所述后续生长制作工艺包括制作电极，所述电极和所述第一InP层之间增加绝缘材料。
9.如权利要求1所述的一种脊波导半导体激光器制备方法，其特征在于：所述第一InP层为本征InP ，非意向掺杂浓度小于1*E17cm-3；或者所述第一InP层为半绝缘InP ，掺杂元素为Fe或Ru，掺杂浓度大于1*E16cm-3。
10.一种脊波导半导体激光器，其特征在于：包括于衬底上依次生长的缓冲层和量子阱，于所述量子阱的一相对侧分别对接生长第一InP层，在所述量子阱和所述第一InP层上依次生长覆盖层和接触层，所述量子阱所在的区域具有脊波导，两所述第一InP层包裹所述脊波导，所述第一InP层生长的高度与所述量子阱的高度一致，所述量子阱的长度加上两个所述第一InP层的长度等于所述激光器的腔长。
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