CN115149399A - 光栅激光器及制备方法 - Google Patents

光栅激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种光栅激光器及制备方法，该光栅激光器包括：InP衬底；InP缓冲层，形成于InP衬底的一侧；下限制层，形成于InP缓冲层上；多量子阱层，形成于下限制层上；上限制层，形成于多量子阱层上；InP间隔层，形成于上限制层上；刻蚀停止层，形成于InP间隔层上；三个间隔设置的腐蚀层，每个腐蚀层包括：InP层，形成于刻蚀停止层上；InGaAs层，形成于InP层上；其中，三个腐蚀层沿着预设方向延伸，相邻的两个腐蚀层与两个腐蚀层之间的刻蚀停止层形成矩形槽结构；氧化硅钝化牺牲层，形成于矩形槽结构的侧壁和底部；多个光栅填充层，多个光栅填充层沿着预设方向依次排布在矩形槽结构中，多个光栅填充层形成布拉格光栅结构。

Description

光栅激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别涉及光栅激光器及制备方法。
背景技术
基于InP材料的半导体激光器是光通信系统中重要的光源器件，它具有体积小、功耗低、易于集成及可调制的优点。为了避免在传输过程中出现严重的色散等问题，通信用的激光器要有较好的单模特性。
引入分布反馈光栅结构是获得单模工作的半导体的重要手段，这种激光器成为分布反馈激光器。传统的DFB激光器的光栅位于量子阱层和InP包层之间。制作传统的DFB激光器需要两次MOCVD生长，即第一次生长获得多量子阱层，在完成光栅制作后进行第二次外延，生长InP包层材料。这种光栅制作方法工艺复杂，需要二次外延，加工耗时长，不利于批量生产。为了简化工艺，人们开发了一种具有侧壁耦合光栅结构的DFB激光器，在单次外延中获得量子阱以及包层材料，之后制作位于脊波导两侧侧壁的光栅。虽然工艺简单，但是光栅表面不平整，光损耗较大，光功率较小，并且加工精度要求较高，制作过程需要用到电子束曝光制作，价格昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光栅激光器及制备方法以期至少部分地解决上述提及、以及其他方面的至少一种技术问题。
作为本发明的第一个方面，提供了一种光栅激光器，包括：
InP衬底；
InP缓冲层，形成于所述InP衬底的一侧；
下限制层，形成于所述InP缓冲层上；
多量子阱层，形成于所述下限制层上；
上限制层，形成于所述多量子阱层上；
InP间隔层，形成于所述上限制层上；
刻蚀停止层，形成于所述InP间隔层上；
三个间隔设置的腐蚀层，每个所述腐蚀层包括：
InP层，形成于所述刻蚀停止层上；
InGaAs层，形成于所述InP层上；
其中，三个所述腐蚀层沿着预设方向延伸，相邻的两个所述腐蚀层与两个所述腐蚀层之间的所述刻蚀停止层形成矩形槽结构；
氧化硅钝化牺牲层，形成于所述矩形槽结构的侧壁和底部；
多个光栅填充层，多个所述光栅填充层沿着所述预设方向依次排布在所述矩形槽结构中，多个所述光栅填充层形成布拉格光栅结构；
其中，所述多量子阱层中的电子和空穴复合，产生激光，多个所述光栅填充层适用于对所述激光的波长进行选择，中间的所述腐蚀层为脊波导，适用于对所述激光的模式进行限制。
根据本发明的实施例，上述光栅激光器，还包括：
远场衰减层，形成于所述InP缓冲层和所述下限制层之间，适用于使所述激光的光斑集中；
所述远场衰减层的材料为InGaAsP。
根据本发明的实施例，上述光栅激光器，还包括：
稀释波导层，形成于所述InP缓冲层和所述下限制层之间，所述稀释波导层交替形成的InGaAsP层和InP层，所述稀释波导层适用于减小所述激光的发散角，使得所述激光的光斑集中。
根据本发明的实施例，上述光栅激光器还包括：
第一电极层，形成于所述InP衬底的另一侧；
第二电极层，形成于所述矩形槽结构和所述光栅填充层上。
根据本发明的实施例，所述光栅填充层的厚度为200nm～2um。
根据本发明的实施例，所述光栅填充层选自多晶硅、聚酰亚胺、氮化硅或苯并环丁烯中的一种。
作为本发明的第二个人方面，还提供了一种光栅激光器的制备方法，用于制备如上所述的光栅激光器，包括，
在衬底的一侧外延生长InP缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、InP间隔层、刻蚀停止层、叠层，所述叠层包括InP包层、InGaAs盖层；
利用湿法腐蚀对所述叠层进行腐蚀，得到三个间隔设置的腐蚀层；相邻的两个所述腐蚀层与两个所述腐蚀层之间的所述刻蚀停止层形成矩形槽结构；
利用等离子体增强化学气相沉积法在所述矩形槽结构上生长氧化硅牺牲层；
在所述矩形槽结构中旋涂光栅填充材料；
制作布拉格光栅曝光图形，并将所述布拉格光栅曝光图形移至所述旋涂光栅填充材料上；
根据所述布拉格光栅曝光图形对所述矩形槽结构中的所述光栅填充材料进行刻蚀，得到多个所述光栅填充层，多个所述光栅填充材料形成布拉格光栅结构；
利用光刻法，去除中间所述腐蚀层上的氧化硅牺牲钝化层。
根据本发明的实施例，对所述矩形槽结构中的所述光栅填充材料进行刻蚀包括：
利用电感耦合等离子体干法刻蚀法对所述矩形槽结构中的所述光栅填充材料进行刻蚀。
根据本发明的实施例，所述制作布拉格光栅曝光图形包括：
利用电子束曝光法制作所述布拉格光栅曝光图形。
根据本发明的实施例，上述方法，还包括：
利用磁控溅射法，制备电极金属层；
根据所述矩形槽结构和多个所述光栅填充层在所述电极金属层上制作电极图案，将所述电极图案移至所述矩形槽结构和多个所述光栅填充层制作电极图案上，得到所述第一电极层；
对所述InP衬底进行减薄，在减薄后的所述InP衬底的另一侧生长第二电极层。
根据本发明实施例提供的光栅激光器及制备方法，基于发明实施例提供的光栅激光器的结构，只需利用一次气相外延生长(MOCVD)，之后利用湿法腐蚀对InP包层、InGaAs盖层进行腐蚀，形成三个间隔的腐蚀层，之后在腐蚀层和氧化硅钝化牺牲层形成的矩形槽结构中制作光栅填充层，该制备方法不需要二次外延，降低外延难度与外延成本，在刻蚀光栅填充层材料时，该方法工艺简单，光栅表面平整，光损耗较小，光功率较大，加工精度要求较低。
根据本发明实施例提供的光栅激光器的制备方法，无需在脊波导表面刻蚀光栅填充层，避免了光栅填充层表面不平整，损耗大，并且对加工精度要求高，价格昂贵的问题。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例提供的光栅激光器的立体图；
图2示意性示出了根据本发明实施例提供的光栅激光器的部分剖视图；
图3示意性示出了根据本发明实施例提供的光栅激光器的俯视图。
附图标记
1InP衬底；
2InP缓冲层
3下限制层
4多量子阱层
5上限制层
6InP间隔层
7刻蚀停止层
8腐蚀层
81InP包层
82InGaAs盖层
9氧化硅钝化牺牲层
10光栅填充层
11第二电极层
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。
图1示意性示出了根据本发明实施例提供的光栅激光器的立体图。
图2示意性示出了根据本发明实施例提供的光栅激光器的部分剖视图。
如图1-2所示，该光栅激光器包括：InP衬底1、InP缓冲层2、下限制层3、多量子阱层4、上限制层5、InP间隔层6、刻蚀停止层7、三个间隔设置的腐蚀层8、氧化硅钝化牺牲层9和多个光栅填充层10。
InP缓冲层2形成于InP衬底1的一侧。下限制层3形成于InP缓冲层2上。多量子阱层4形成于下限制层2上。上限制层5形成于多量子阱层4上。InP间隔层6形成于上限制层5上。刻蚀停止层7形成于InP间隔层6上。三个间隔设置的腐蚀层8中的每个所述腐蚀层8包括：InP包层81和InGaAs盖层82。InP包层81形成于刻蚀停止层7上。InGaAs盖层82形成于InP包层上。其中，三个所述腐蚀层8沿着预设方向延伸，相邻的两个腐蚀层8与两个腐蚀层8之间的刻蚀停止层7形成矩形槽结构。氧化硅钝化牺牲层9形成于矩形槽结构的侧壁和底部。多个光栅填充层10(如图3所示)沿着预设方向依次排布在矩形槽结构中，多个光栅填充层10形成布拉格光栅结构。
其中，多量子阱层4中的电子和空穴复合，产生激光，多个光栅填充层10适用于对激光的波长进行选择，中间的腐蚀层8为脊波导，适用于对激光的模式进行限制。
根据本发明的实施例，上述光栅激光器，还包括：远场衰减层(图中未示出)，形成于InP缓冲层2和下限制层3之间，适用于使激光的光斑集中，远场衰减层的材料为InGaAsP。
根据本发明的实施例，光栅激光器，还包括：稀释波导层(图中未示出)，形成于InP缓冲层2和下限制层3之间，稀释波导层交替形成的InGaAsP层和InP层，稀释波导层适用于减小激光的发散角，使得激光的光斑集中。
根据本发明的实施例，光栅激光器，还包括：第一电极层11，形成于InP衬底1的另一侧；第二电极层，形成于矩形槽结构和光栅填充层10上。
根据本发明的实施例，光栅填充层10的厚度为200nm～2um。
根据本发明的实施例，光栅填充层10选自多晶硅、聚酰亚胺、氮化硅或苯并环丁烯中的一种。
根据本发明的实施例，还提供了一种光栅激光器的制备方法，包括步骤S1-步骤S7。
步骤S1：在衬底的一侧外延生长InP缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、InP间隔层、刻蚀停止层、叠层，叠层包括InP包层、InGaAs盖层。
步骤S2：利用湿法腐蚀对叠层进行腐蚀，得到三个间隔设置的腐蚀层；其中，三个腐蚀层沿着预设方向延伸，相邻的两个腐蚀层与两个腐蚀层之间的刻蚀停止层形成矩形槽结构；
步骤S3：利用等离子体增强化学气相沉积法在矩形槽结构上生长氧化硅牺牲层；
步骤S4：在矩形槽结构中旋涂光栅填充材料；
步骤S5：制作布拉格光栅曝光图形，并将布拉格光栅曝光图形移至旋涂光栅填充材料上；
步骤S6：根据布拉格光栅曝光图形对矩形槽结构中的光栅填充材料进行刻蚀，得到多个光栅填充层，多个光栅填充材料形成布拉格光栅结构；
步骤S7：利用光刻法，去除中间腐蚀层上的氧化硅牺牲钝化层。
根据本发明实施例提供的光栅激光器的制备方法，只需要进行一次外延生长，有效减少外延次数，降低了制作难度，提升了芯片良率。
传统的表面光栅及侧壁光栅激光器，在干法刻蚀InP包层制作光栅或侧壁光栅时容易对造成损伤，引入缺陷，会增大内部损耗，减小激光器的出光功率，而且在刻蚀过程中，激光器的脊波导和光栅需要同步刻蚀，制作难度大。本发明实施例提供的光栅激光器的制备方法，制作光栅填充层时对光栅填充材料而不是脊波导进行刻蚀，不会对脊波导表面带来损伤和缺陷，提高出光功率，并且制作难度较低。
根据本发明的实施例，步骤S5中，制作布拉格光栅曝光图形包括：
利用电子束曝光法制作布拉格光栅曝光图形。
根据本发明的实施例，步骤S6中，对矩形槽结构中的光栅填充材料进行刻蚀包括：
利用电感耦合等离子体干法刻蚀法对矩形槽结构中的光栅填充材料进行刻蚀。在对刻蚀气体进行选择时，可以选择不会对三五族材料造成刻蚀损伤的气体，以减少额外的损耗。
根据本发明的实施例，在步骤S6之后，上述制备方法还包括：
利用磁控溅射法，制备电极金属层；
根据矩形槽结构和多个光栅填充层在电极金属层上制作电极图案，将电极图案移至矩形槽结构和多个光栅填充层制作电极图案上，得到第一电极层；
对衬底进行减薄，在减薄后的衬底的另一侧生长第二电极层。
下面结合具体实施例对本发明的光栅激光器的制备方法进行描述，应当理解的是，该具体实施例仅为便于本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，而不应作为对本公开保护范围的限定。
步骤1：在InP衬底1一侧上依次外延生长InP缓冲层2、下限制层3、多量子阱层4、上限制层5、InP间隔层6、刻蚀停止层7、InP包层、InGaAs盖层。
步骤2：光刻定义激光器的双沟脊波导结构，通过湿法腐蚀去除激光器脊波导两侧一定宽度范围内的InP包层和InGaAs盖层(对InP包层进行湿法腐蚀得到InP层81，对InGaAs盖层进行湿法腐蚀得到InGaAs层82)得到间隔设置的腐蚀层8，两个相邻的腐蚀层8和其之间的刻蚀停止层7形成矩形槽结构，中间的腐蚀层8为脊波导。
步骤3：在步骤2的基础上，利用PECVD在外延片表面生长氧化硅牺牲层。
步骤4：在步骤3的基础上，旋涂苯并环丁烯(BCB)作为光栅填充材料填充激光器脊波导两侧的矩形槽(沟渠)。
步骤5：采用ICP干法刻蚀将InP衬底1表面多余的BCB全部去除，使BCB填充层仅出现在激光器脊波导两侧的沟渠中，此时包括脊波导的腐蚀层表面的氧化硅均会露出。
步骤6：利用电子束曝光在脊波导两侧沟渠中的BCB层制作布拉格光栅。
步骤7：ICP干法刻蚀，将电子束曝光图形转移至BCB光栅填充材料表面上，此时的BCB光栅填充层在平行于激光器脊波导的方向上呈周期性分布
步骤8：利用光刻及刻蚀手段，去除脊波导上方的氧化硅牺牲钝化层9。
步骤9：制作第一电极(即正面电极)。制备电极金属层，根据矩形槽结构和多个光栅填充层在金属层上制作电极图案，将电极图案移至矩形槽结构和多个光栅填充层制作电极图案上，得到第一电极层。
步骤10：对衬底进行减薄，在减薄后的所述衬底的另一侧生长第二电极层11(背面金属层)。
根据本发明实施例，现有的DFB激光器的结构是，光栅填充层位于量子阱材料之上，InP包层之下。在制备DFB激光器时，第一次利用MOCVD外延生长只生长到光栅层，在用全息曝光或者电子束曝光制作完成光栅后，再进行二次外延生长InP盖层，光栅刻停层，InP包层以及InGaAs盖层等外延层。这样的结构制作方法工艺复杂，需要二次外延，加工耗时长，不利于批量生产。人们为了简化工艺，发明了表面光栅激光器在一次外延中生长量子阱材料及InP包层和InGaAs盖层材料，在制作完成脊波导后，在脊波导表面刻蚀光栅，这样做光栅表面不平整，损耗大，并且加工精度要求高，价格昂贵。因此，本发明实施例提供的光栅激光器及制备方法由于光栅制作与填充的光栅层材料中，不会对DFB激光器本身的波导及外延材料进行刻蚀引入由侧壁粗糙度带来的散射损耗，由于刻蚀缺陷带来的吸收损耗等因此具有波导损耗小的优点。
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 (10)

1.一种光栅激光器，包括：
InP衬底；
InP缓冲层，形成于所述InP衬底的一侧；
下限制层，形成于所述InP缓冲层上；
多量子阱层，形成于所述下限制层上；
上限制层，形成于所述多量子阱层上；
InP间隔层，形成于所述上限制层上；
刻蚀停止层，形成于所述InP间隔层上；
三个间隔设置的腐蚀层，每个所述腐蚀层包括：
InP层，形成于所述刻蚀停止层上；
InGaAs层，形成于所述InP层上；
其中，三个所述腐蚀层沿着预设方向延伸，相邻的两个所述腐蚀层与两个所述腐蚀层之间的所述刻蚀停止层形成矩形槽结构；
氧化硅钝化牺牲层，形成于所述矩形槽结构的侧壁和底部；
多个光栅填充层，多个所述光栅填充层沿着所述预设方向依次排布在所述矩形槽结构中，多个所述光栅填充层形成布拉格光栅结构；
其中，所述多量子阱层中的电子和空穴复合，产生激光，多个所述光栅填充层适用于对所述激光的波长进行选择，中间的所述腐蚀层为脊波导，适用于对所述激光的模式进行限制。
2.如权利要求1所述的光栅激光器，还包括：
远场衰减层，形成于所述InP缓冲层和所述下限制层之间，适用于使所述激光的光斑集中；
所述远场衰减层的材料为InGaAsP。
3.如权利要求1所述的光栅激光器，还包括：
稀释波导层，形成于所述InP缓冲层和所述下限制层之间，所述稀释波导层交替形成的InGaAsP层和InP层，所述稀释波导层适用于减小所述激光的发散角，使得所述激光的光斑集中。
4.如权利要求1所述的光栅激光器，还包括：
第一电极层，形成于所述InP衬底的另一侧；
第二电极层，形成于所述矩形槽结构和所述光栅填充层上。
5.如权利要求1所述的光栅激光器，其中，所述光栅填充层的厚度为200nm～2um。
6.如权利要求1所述的光栅激光器，其中，所述光栅填充层选自多晶硅、聚酰亚胺、氮化硅或苯并环丁烯中的一种。
7.一种光栅激光器的制备方法，用于制备权利要求1-6任一项所述的光栅激光器，包括，
在衬底的一侧外延生长InP缓冲层、下限制层、多量子阱层、上限制层、InP间隔层、刻蚀停止层、叠层，所述叠层包括InP包层、InGaAs盖层；
利用湿法腐蚀对所述叠层进行腐蚀，得到三个间隔设置的腐蚀层；相邻的两个所述腐蚀层与两个所述腐蚀层之间的所述刻蚀停止层形成矩形槽结构；
利用等离子体增强化学气相沉积法在所述矩形槽结构上生长氧化硅牺牲层；
在所述矩形槽结构中旋涂光栅填充材料；
制作布拉格光栅曝光图形，并将所述布拉格光栅曝光图形移至所述旋涂光栅填充材料上；
根据所述布拉格光栅曝光图形对所述矩形槽结构中的所述光栅填充材料进行刻蚀，得到多个所述光栅填充层，多个所述光栅填充材料形成布拉格光栅结构；
利用光刻法，去除中间所述腐蚀层上的氧化硅牺牲钝化层。
8.如权利要求7所述的方法，其中，对所述矩形槽结构中的所述光栅填充材料进行刻蚀包括：
利用电感耦合等离子体干法刻蚀法对所述矩形槽结构中的所述光栅填充材料进行刻蚀。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述制作布拉格光栅曝光图形包括：
利用电子束曝光法制作所述布拉格光栅曝光图形。
10.如权利要求7所述的方法，还包括：
利用磁控溅射法，制备电极金属层；
根据所述矩形槽结构和多个所述光栅填充层在所述电极金属层上制作电极图案，将所述电极图案移至所述矩形槽结构和多个所述光栅填充层制作电极图案上，得到所述第一电极层；
对所述InP衬底进行减薄，在减薄后的所述InP衬底的另一侧生长第二电极层。
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CN116207608A (zh) * 2023-01-20 2023-06-02 中国科学院半导体研究所 量子点激光器结构及制备方法

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