CN115483608A - 一种脊型波导dfb激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脊型波导DFB激光器及其制作方法，所属芯片制造技术领域，脊型波导DFB激光器包括：外延结构，外延结构上设置有凹槽，外延结构的下方设有N面电极，外延结构的上方沉积有SiO2层，SiO2的上方设有P面电极；外延结构包括：N‑InP衬底以及由下至上依次生长在N‑InP衬底上的在衬底上的小角度结构层、下波导层、第一渐变层、应变多量子阱有源层、第二渐变层、上波导层、P‑InP层、光栅层、P‑InP盖帽层、P‑InGaAsP层、P+‑InGaAs欧姆接触层。采用AlGaInAs应变多量子阱有源层和渐变SCH分别限制层以及折射率耦合光栅结构制作脊型波导DFB激光器，提高了光纤耦合效率，且工艺简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于芯片制造技术领域，具体涉及一种脊型波导DFB激光器及其制作方法。
背景技术
DFB激光器，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器主要以半导体材料为介质，具有非常好的单色性，它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比，可高达40～50dB以上。
目前，DFB激光器一般有两种结构：掩埋异质(BH)结构和脊型波导(RWG)结构。掩埋异质结构工艺路线复杂，成本较高。常规脊型波导结构在垂直于结平面方向发光尺度一般较小，导致该方向的光束发散角很大，光纤耦合效率较低，DFB激光器在很多领域中的应用受限。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的常规脊型波导结构垂直于结平面方向发光尺度小，该方向的光束发散角大，光纤耦合效率较低等问题，本发明提供一种脊型波导DFB激光器及其制作方法，采用AlGaInAs应变多量子阱有源层和渐变SCH分别限制层以及折射率耦合光栅结构制作脊型波导DFB激光器，提高了光纤耦合效率，且工艺简单，成本较低。其具体技术方案为：
一种脊型波导DFB激光器，脊型波导DFB激光器包括：外延结构，外延结构上设置有凹槽，外延结构的下方设有N面电极，外延结构的上方沉积有SiO2层，SiO2的上方设有P面电极；外延结构包括：N-InP衬底以及由下至上依次生长在N-InP衬底上的在衬底上的小角度结构层、下波导层、第一渐变层、应变多量子阱有源层、第二渐变层、上波导层、P-InP层、光栅层、P-InP盖帽层、P-InGaAsP层、P+-InGaAs欧姆接触层。
另外，本发明提供的上述技术方案中的一种脊型波导DFB激光器还可以具有如下附加技术特征：
可选的，小角度结构层为InP/InGaAsP交替层。
可选的，应变多量子阱有源层为非掺AlGaInAs应变多量子阱有源层。
可选的，光栅层为P-InGaAsP光栅层。
可选的，第一渐变层为渐变SCH层；第二渐变层为渐变SCH层。
本申请的另一方面，提供了一种脊型波导DFB激光器的制作方法，脊型波导DFB激光器的制作方法包括：制作外延结构；在外延片上沉积一层SiNx介质膜；涂敷光刻胶，烘烤后光刻出脊型波导图形；刻蚀SiNx；干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法形成脊型波导；用BOE去除SiNx介质膜；沉积SiO2；涂敷光刻胶，烘烤后进行光刻，用RIE刻蚀去除第一层光刻胶和脊上的SiO2，保留其它区域的SiO2；采用Lift-off工艺和电子束蒸发Ti/Pt/Au，剥离后热处理，完成P面图形电极制作；经机械减薄抛光后，背面溅射Ti/Au，完成N面电极制作。
另外，本发明提供的上述技术方案中的一种脊型波导DFB激光器的制作方法还可以具有如下附加技术特征：
可选的，外延结构上沉积的SiNx介质膜厚度为100～300nm。
可选的，涂敷光刻胶，烘烤后光刻出脊型波导图形还包括：
光刻版中透光部分为5～20um条形，中间2～2.5um条形为不透光部分；曝光，显影后形成脊型波导图形。
可选的，湿法腐蚀的腐蚀液采用盐酸和磷酸的混合液。
可选的，沉积的SiO2层厚度为300～400nm。
本发明的一种脊型波导DFB激光器及其制作方法，与现有技术相比，有益效果为：本发明采用AlGaInAs应变多量子阱有源层和渐变SCH分别限制层以及折射率耦合光栅结构制作脊型波导DFB激光器，其中外延结构中引入压缩垂直发散角结构，减小脊型波导的发散角，提高了脊型导波结构的耦合效率，使激光器的耦合效率与掩埋异质结构相当，而脊型波导结构相对掩埋异质结构而言，工艺更简单，成本较低，使DFB激光器能够应用在更多的领域，扩大了DFB激光器的适用范围。脊型波导采用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法完成，脊型区域电流通道采用双层胶工艺完成，使脊型区域形成电流通道；P面电极采用揭开-剥离工艺和电子束蒸发Ti/Pt/Au，通过热处理减小欧姆接触电阻，可以省掉刻蚀步骤，降低成本，工艺流程更加简单。
附图说明
图1为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的外延结构；
其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1、N-InP衬底；2、小角度结构层；3、下波导层；4、第一渐变层；5、应变多量子阱有源层；6、第二渐变层；7、上波导层；8、P-InP层；9、光栅层；10、P-InP盖帽层；11、P-InGaAsP层；12、P+-InGaAs欧姆接触层；
图2为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法在外延结构上沉积SiNx介质膜并涂覆光刻胶后的示意图；
图3为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法在曝光后的示意图；
图4为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法腐蚀SiNx层后的示意图；
图5为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法去除光刻胶和腐蚀脊型波层后的示意图；
图6为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法去除SiNx后的示意图；
图7为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法沉积SiO2后的示意图；
图8为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法涂敷光刻胶后的示意图；
图9为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法曝光显影后的示意图；
图10为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法RIE刻蚀光刻胶后的示意图；
图11为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法RIE刻蚀SiO2后的示意图；
图12为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法P面电极制作完成后的示意图；
图13为本发明实施例的一种脊型波导小发散角DFB激光器的制作方法N面电极制作完成后的示意图；
其中，图2-图13中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
13、第一外延片结构；14、第二外延片结构；15、SiNx介质膜；16、第一光刻胶层；17、不透光区域；18、透光区域；19、SiO2绝缘层；20、第一层光刻胶；21、第二层光刻胶；22、Ti/Pt/Au电极层；23、Ti/Au电极层。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
结合参见图1所示，根据本申请的实施例，一种脊型波导DFB激光器脊型波导DFB激光器包括：外延结构，外延结构上设置有凹槽，外延结构的下方设有N面电极，外延结构的上方沉积有SiO2层，SiO2的上方设有P面电极；外延结构包括：N-InP衬底以及由下至上依次生长在N-InP衬底上的在衬底上的小角度结构层、下波导层、第一渐变层、应变多量子阱有源层、第二渐变层、上波导层、P-InP层、光栅层、P-InP盖帽层、P-InGaAsP层、P+-InGaAs欧姆接触层。激光器的外延结构采用AlGaInAs应变多量子阱有源层和渐变SCH分别限制层以及折射率耦合光栅结构制作。外延结构中引入压缩垂直发散角结构，减小脊型波导的发散角，提高了脊型导波结构的耦合效率，使激光器的耦合效率与掩埋异质结构相当，而脊型波导结构相对掩埋异质结构而言，工艺更简单，成本较低，使DFB激光器能够应用在更多的领域，扩大了DFB激光器的适用范围。
进一步的，在光栅层外设置P-InP层和P-InP盖帽层，起到对光栅层的保护作用，隔绝空气。
进一步的，在InGaAs顶层和InP之间插入InGaAsP层，可减少异质结界面空穴的堆积，能够减少器件串联电阻，同时提高器件的调制速率。
作为一种实施例，小角度结构层为InP/InGaAsP交替层。引入了小角度结构层，耦合效率与掩埋异质结构相当，且脊型波导结构相对掩埋异质结构而言，工艺简单，成本较低。
作为另一种实施例，应变多量子阱有源层为非掺AlGaInAs应变多量子阱有源层。采用多量子阱结构设计，解决量子阱个数与应变层超晶格生长的临界厚度问题，以提高器件性能。选用AlGaInAs/InP材料，使不同的Al、Ga、In、As所组成的半导体异质合金的导带不连续，大大增加电子的限制势能，阻止电子穿越势垒层泄漏掉。另外，同样带隙下的AlGaInAs材料的折射率比InGaAsP材料的折射率大，使器件不断具有大的电子限制因子，能够有效改善器件的性能。
具体的，相同结构的AlGaInAs/InP和InGaAsP/InP器件相比，器件性能有明显提高，量子效率、特征温度和最大线性功率均可增加30％左右。
作为另一种实施例，光栅层为P-InGaAsP光栅层。采用P-InGaAsP光栅层形成折射率耦合光栅结构，改善了芯片背光面的随机相位反射的问题，提高了耦合效率；激光器解离时在芯片的端面会留下随机的光栅相位，通过设置P-InGaAsP光栅层改善相位影响激光器的出光模式的问题。
作为另一种实施例，第一渐变层为渐变SCH层；第二渐变层为渐变SCH层。SCH层折射率低，能够提供有效的光学限制，减小光束发散角度，提高光纤耦合效率。
结合参见图2至图13所示，本实施例的另一方面，提供了一种脊型波导DFB激光器的制作方法，脊型波导DFB激光器的制作方法包括：制作外延结构；在外延片上沉积一层SiNx介质膜；涂敷光刻胶，烘烤后光刻出脊型波导图形；刻蚀SiNx；干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法形成脊型波导；用BOE去除SiNx介质膜；沉积SiO2；涂敷光刻胶，烘烤后进行光刻，用RIE刻蚀去除第一层光刻胶和脊上的SiO2，保留其它区域的SiO2；采用Lift-off工艺和电子束蒸发Ti/Pt/Au，剥离后热处理，完成P面图形电极制作；经机械减薄抛光后，背面溅射Ti/Au，完成N面电极制作。通过干法工艺将欧姆接触层刻蚀穿，形成直台的脊波导结构，再通过湿法工艺将波导层腐蚀到底部形成两凹槽之间的倒台型脊波导结构。通过采用双层胶工艺去除脊上的绝缘层，使脊型区域形成电流通道；通过在P面电极采用揭开-剥离工艺和电子束蒸发Ti/Pt/Au，可以省掉刻蚀步骤，降低成本，工艺流程更加简单；通过热处理减小欧姆接触电阻，无需特殊的外延生长技术或多次光刻沉积过程，适用范围广泛、实现方式简单，成本低廉。
需要说明的是，在双层胶制备工艺，为避免两种胶在涂胶过程中的相互混合：涂覆底层胶后，需先进行烘烤，待底层胶层完全固化后再旋涂顶层胶层。
作为一种实施例，外延结构上沉积的SiNx介质膜厚度为100～300nm，通过使SiNx介质膜厚度为100～300nm，使介质膜的厚度适中，不易破裂，以保证SiNx介质膜的强度。
进一步的，在SiNx介质膜上涂敷光刻胶的厚度为1～1.5um。通过在SiNx介质膜上涂敷光刻胶的厚度为1～1.5um，确保烘干光刻后脊型波导图形的高度，使透光区域和不透光区域存在明显的结构差异。
作为另一种实施例，涂敷光刻胶，烘烤后光刻出脊型波导图形还包括：光刻版中透光部分为5～20um条形，中间2～2.5um条形为不透光部分；曝光，显影后形成脊型波导图形，以使干法刻蚀和湿法腐蚀后形成脊型波导。
作为另一种实施例，湿法腐蚀的腐蚀液采用盐酸和磷酸的混合液。随着盐酸的加人，C1和In离子容易形成稳定的氯化物，由于局部化学反应的增强，腐蚀表面的角锥状突起变得更细密。
进一步的，形成稳定的氯化物后，反应机理由空穴注人氧化控制向纯化学反应控制过渡，材料间带隙差的影响下降，溶液对InGaAs/InGaAsP的选择性降低，腐蚀效果更好。
进一步的，磷酸分布电离，与盐酸混合后完全电离，产生的氢离子增多，腐蚀效果好。
需要说明的是，湿法腐蚀的腐蚀深度不到达P-InGaAsP层，以保留完整的光栅结构。
作为另一种实施例，沉积的SiO2层厚度为300～400nm。使SiO2沉积的厚度为SiO2，作为绝缘层，确保双层胶工艺在无等离子环境中进行的，防止会对硅片和微结构造成损伤。
进一步的，采用双层胶工艺去除脊上的SiO2绝缘层宽度为2.0～2.5um。以使SiO2绝缘层上形成缺陷，从而形成电流通道。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种脊型波导DFB激光器，其特征在于，所述脊型波导DFB激光器包括：外延结构，所述外延结构上设置有凹槽，所述外延结构的下方设有N面电极，所述外延结构的上方沉积有SiO2层，所述SiO2的上方设有P面电极；
所述外延结构包括：N-InP衬底以及由下至上依次生长在N-InP衬底上的在衬底上的小角度结构层、下波导层、第一渐变层、应变多量子阱有源层、第二渐变层、上波导层、P-InP层、光栅层、P-InP盖帽层、P-InGaAsP层、P+-InGaAs欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述的一种脊型波导DFB激光器，其特征在于：
所述小角度结构层为InP/InGaAsP交替层。
3.根据权利要求1所述的一种脊型波导DFB激光器，其特征在于：
应变多量子阱有源层为非掺AlGaInAs应变多量子阱有源层。
4.根据权利要求1所述的一种脊型波导DFB激光器，其特征在于：
光栅层为P-InGaAsP光栅层。
5.根据权利要求1所述的一种脊型波导DFB激光器，其特征在于：
第一渐变层为渐变SCH层；第二渐变层为渐变SCH层。
6.一种脊型波导DFB激光器的制作方法，其特征在于，所述脊型波导DFB激光器的制作方法包括：
制作所述外延结构；在外延片上沉积一层SiNx介质膜；
涂敷光刻胶，烘烤后光刻出脊型波导图形；
刻蚀SiNx；
干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法形成脊型波导；
用BOE去除SiNx介质膜；
沉积SiO2；
涂敷光刻胶，烘烤后进行光刻，用RIE刻蚀去除第一层光刻胶和脊上的SiO2，保留其它区域的SiO2；
采用Lift-off工艺和电子束蒸发Ti/Pt/Au，剥离后热处理，完成P面图形电极制作；
经机械减薄抛光后，背面溅射Ti/Au，完成N面电极制作。
7.根据权利要求6所述的一种脊型波导DFB激光器的制作方法，其特征在于：
外延结构上沉积的SiNx介质膜厚度为100～300nm。
8.根据权利要求6所述的一种脊型波导DFB激光器的制作方法，其特征在于，涂敷光刻胶，烘烤后光刻出脊型波导图形还包括：
光刻版中透光部分为5～20um条形，中间2～2.5um条形为不透光部分；
曝光，显影后形成脊型波导图形。
9.根据权利要求6所述的一种脊型波导DFB激光器的制作方法，其特征在于：
湿法腐蚀的腐蚀液采用盐酸和磷酸的混合液。
10.根据权利要求6所述的一种脊型波导DFB激光器的制作方法，其特征在于：
沉积的SiO2层厚度为300～400nm。
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