CN115799991A - 一种分立侧壁光栅的激光芯片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分立侧壁光栅的激光芯片及制备方法，该激光芯片包括沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层以及脊波导；以及光栅，所述光栅一种分立纳米柱光栅，由分立的纳米柱组成，位于脊波导侧壁附近。本发明通过将脊波导与分立纳米柱光栅同时刻蚀形成，不仅简化刻蚀步骤，而且光栅与侧壁分离，不会增加激光芯片的侧壁面积，减少了缺陷复合，同时保证了折射率的突变性，有效地改善了光栅对光场的调控作用，从而实现半导体激光器窄线宽、波长可调谐等特性。

Description

一种分立侧壁光栅的激光芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及法布里-珀罗激光器领域，涉及一种分立侧壁光栅的激光芯片及其制备方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

光栅作为一种重要的光学元件，由于其具有波长变换和耦合等作用，被广泛应用于激光技术领域，如光电探测、光信息处理和激光通讯等。在FP-LD（法布里-珀罗激光器）中引入光栅结构作为选模元件，可以有效地改善半导体激光器的频谱特性来获得单模激射，从而实现半导体激光器窄线宽、波长可调谐等特性。

目前主流的是表面光栅激光器。例如，专利号CN111370995B的中国专利公开了一种表面表面光栅半导体激光器的制作方法，该专利通过在接触层上涂覆SiN和SiO2层，利用光刻工艺将SiN和SiO2分别形成SiO2脊型波导掩模和SiN光栅掩模，然后刻蚀接触层，去除掩模得到侧壁具有光栅的半导体激光芯片，位于脊波导两侧的表面光栅可采用普通光刻工艺实现，有利于降低器件制作成本，同时实现侧壁光栅对光场的调控作用；该专利脊波导与光栅通过多次刻蚀形成，过程相对繁琐。

传统的表面光栅结构激光器的主要不足之处在于：光栅覆盖在脊波导侧壁处，增加了半导体激光芯片的侧壁面积，从而加重了缺陷复合；而且形成的光栅材料为介质材料，其折射率较低，对于光场的调控作用较弱，从而影响半导体激光器的性能。

发明内容

本发明的目的为针对当前表面光栅激光器存在的技术不足，提供一种分立侧壁光栅的激光芯片及制备方法。本发明通过蚀刻技术将光栅与脊波导同时刻蚀形成，大大简化制作过程；光栅与激光芯片本身分开，从而不会增加激光芯片的侧壁面积，减少了缺陷复合；并且光栅由分立的纳米柱组成，不需要加钝化层，因此可以保证光栅与空气之间折射率的突变型，有效地实现侧壁光栅对光场的调控作用。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种分立侧壁光栅的激光芯片，包括：

沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层、脊波导以及光栅，所述光栅一种分立纳米柱光栅，由分立的纳米柱组成，位于所述脊波导侧壁附近；一阴极电极分布在所述衬底层的下表面，一阳极电极分布在所述脊波导的上表面；所述分立侧壁光栅的激光芯片还包括发射前端面和发射后端面，所述发射前端面设置有增透膜，所述发射后端面设置有反射膜；一钝化层包覆除了所述阴极电极、所述阳极电极、所述发射前端面、所述发射后端面和所述光栅以外的部分。

所述光栅距离所述脊波导边缘的距离为5nm-50nm，且沿着脊波导方向距离可变，且所述光栅和所述脊波导均采用GaAs组成，其高度均为0.3μm；

具体的，所述光栅周期为0.5μm-10μm，占空比为0.2-0.8；

所述衬底层采用GaAs组成，厚度为200nm；

所述下限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

所述下波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；

所述量子阱有源层包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层，厚度为0.1μm；

所述上波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；

所述上限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

所述钝化层采用氮化硅或SiO2组成，厚度为10-300nm；

所述阴极电极和所述阳极电极采用Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au组成；

所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。

本发明还提供一种分立侧壁光栅的激光芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：提供一衬底层，将所述衬底层放在MOCVD设备生长室内，在H2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除所述衬底层表面的水氧，完成表面热处理；

步骤二：MOCVD设备生长室内温度保持在680~720℃之间，通入TMGa(三甲基镓)、TMAl(三甲基铝)、和AsH3，在步骤一的衬底层上生长下限制层；

步骤三：MOCVD设备生长室内温度降至630~670℃之间，在步骤二中所述下限制层的上表面生长下波导层；

步骤四：保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤三的下波导层的上表面生长量子阱有源层，

其中，所述量子阱有源层包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层；

步骤五：保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤四的量子阱有源层的上表面生长上波导层；

步骤六：将MOCVD设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的上波导层的上表面生长上限制层；

步骤七：在步骤六的上限制层的上表面生长GaAs化合物层，通过纳米压印或者是电子束光刻技术，在所述GaAs化合物层的上表面形成光刻胶掩膜，然后通过干法刻蚀所述GaAs化合物层，刻蚀深度为270nm，然后去掉残留所述光刻胶掩膜，从而同时制备得到脊波导和光栅，所述脊波导的高度为270nm，所述光栅108的高度为270nm，所述光栅为一种分立纳米柱光栅，折射率3.57，由分立的GaAs纳米柱组成，周期为1000 nm，直径500 nm；

步骤八：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极、阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；

步骤九：使用PECVD在步骤八中制备的结构的表面沉积厚度为300nm的SiO2钝化层；

步骤十：利用光刻技术，并使用BOE腐蚀液去除阴极电极、阳极电极以及光栅所在位置的SiO2钝化层，得到钝化层；

步骤十一：通过化学镀、电镀等方法在步骤十一得到的结构的发射后端面镀上反射系数为99％的反射层，发射前端面镀上反射系数为5％的增透膜，从而得到一种分立侧壁光栅的激光芯片。

本发明的有益效果是：

（1）本发明通过蚀刻技术将分立侧壁光栅与脊波导同时刻蚀，一步形成，简化了工艺流程；光栅与侧壁分开，从而不会增加激光芯片的侧壁面积，减少缺陷复合，同时分立光栅形状可以方便调控，从而很好的调节光栅与不同激光波长的相互耦合效果，并实现分段耦合效果渐变的作用，从而有效地促进分立侧壁光栅对光场的调控作用，实现半导体激光器窄线宽、波长可调谐等特性。

（2）本发明一种分立侧壁光栅的激光芯片的制备方法中的操作工艺是本技术领域的技术人员所具备的，其所涉及的原材料均可通过一般性途径获得，工艺简单可靠，可重复性强，生产成本低，适于产业推广，可应用于半导体激光器领域。

附图说明

图1为本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片截面结构示意图；

图2为本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片俯视结构示意图；

图3为本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片的GaAs化合物层生长的截面结构示意图；

图4为制作本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片的涂胶步骤截面示意图；

图5为制作本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片的曝光及显影步骤截面示意图；

图6为制作本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片的刻蚀步骤截面示意图；

图7为制作本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片的去胶步骤截面示意图；

图8为制作本发明的一种分立侧壁光栅的激光芯片的外加阴阳电极截面示意图；

其中，101.衬底层，102.下限制层，103.下波导层，104. 量子阱有源层，105. 上波导层，106.上限制层，107.脊波导，108.光栅，109.钝化层，110.阴极电极，111.阳极电极，112.反射膜，113.增透膜，114.发射前端面，115.发射后端面，116.GaAs化合物层，117.光刻胶掩膜。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1~图2，本发明实施例提供一种分立侧壁光栅的激光芯片，包括：沿着芯片外延生长方向依次为衬底层101、下限制层102、下波导层103、量子阱有源层104、上波导层105、上限制层106、脊波导107以及光栅108，所述光栅108一种分立纳米柱光栅，由分立的纳米柱组成，位于所述脊波导107侧壁附近；一阴极电极110分布在所述衬底层101的下表面，一阳极电极111分布在所述脊波导107的上表面；所述分立侧壁光栅的激光芯片还包括发射前端面114和发射后端面115，所述发射前端面114设置有增透膜113，所述发射后端面115设置有反射膜112；一钝化层109包覆除了所述阴极电极110、所述阳极电极111、所述发射前端面114、所述发射后端面115和所述光栅108以外的部分。

所述发射前端面114和所述发射后端面115设置在激光芯片沿着激光发射方向的两个侧面，组成一谐振腔结构，激光芯片产生的激光最终通过所述发射前端面114（发光腔面）输出。

所述光栅108距离所述脊波导107边缘的距离为5nm-50nm，且所述光栅108和所述脊波导107均采用GaAs组成，其高度均为0.3μm；

具体的，所述光栅108的图形可以是圆形，方形，椭圆性，三角形等，周期为0.5μm-10μm，占空比为0.2-0.8；

所述衬底层101采用GaAs组成，厚度为200nm；

所述下限制层102采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

所述下波导层103采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；

所述量子阱有源层104包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层，厚度为0.1μm；

所述上波导层105采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；

所述上限制层106采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

所述钝化层109采用氮化硅或SiO2组成，厚度为300nm；

所述阴极电极110和所述阳极电极111采用Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au组成；

所述反射膜112的反射率为50％-100％，所述增透膜113的反射率小于等于10％；

所述钝化层109可以保护激光器的表面不被空气中的水氧侵入，从而提高其可靠性。

光栅的周期，直径会直接影响与他耦合的不同波长的光的效率，耦合效率高的光的光场透不过光栅，效率高的可以被直接强压制在光场在激光芯片内部，形成强增益，而效率低的，会使这些光的光场泄漏到光栅外面，减少此波长在激光芯片内部的光场，通过光场强弱的竞争，光场强的会使激光芯片的相关的受激发射变得越来越强，从而达到选模的作用，但是如果限制得太强，会使内部光场被压缩得太多，不利于光场与增益的重合，如果限制不太强，对选模的效果会有一定的影响，这里面也有一个折中。

半导体激光芯片受激产生光束，光束在经过光栅结构的时候，由于光栅只对特定波长的衍射光发生耦合效应，该波长的光会被限制在激光芯片内部，继续与有源区发生作用，其他波长的光的光场与光栅耦合效率低，则会通过光栅的间隙消散出去，从而实现单纵模窄线宽输出。

激光器里面的光通常是多模式的，存在许多波长的光激射，这不利于后面光路的设计和光通信对单模的要求，因此加入这个光栅结构这个可以有效避免后期为了做单模激光器而采取的外置模式过滤装置。

传统的半导体激光芯片中是将光栅设置在激光芯片的顶部，而这样的结构会严重影响欧姆接触特性，降低器件的可靠性。本发明提供的一种分立侧壁光栅的激光芯片，通过在脊波导的两侧设置由多个分立的纳米柱形成的光栅，可以减少光栅对激光芯片欧姆接触特性的影响，在保证激光芯片更强的耦合效果的情况下，分立的光栅还能减少脊波导侧壁缺陷光栅，调节激光芯片内部的光场，从而可以对激光芯片内部的光进行选模，实现半导体激光器窄线宽、波长可调谐等特性。

请参阅图1~图2，本发明实施例还提供一种分立侧壁光栅的激光芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：提供一衬底层101，所述衬底层101为GaAs化合物层，将所述衬底层101放在MOCVD设备生长室内，在H2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除所述衬底层101表面的水氧，完成表面热处理；

步骤二：MOCVD设备生长室内温度保持在680~720℃之间，通入TMGa(三甲基镓)、TMAl(三甲基铝)、和AsH3，在步骤一的衬底层101上生长下限制层102，所述下限制层102为AlGaAs化合物层；

步骤三：MOCVD设备生长室内温度降至630~670℃之间，在步骤二中所述下限制层102的上表面生长下波导层103，所述下波导层103为AlGaAs化合物层；

步骤四：保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤三的下波导层103的上表面生长量子阱有源层104；其中，所述量子阱有源层104包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层；

步骤五：保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤四的量子阱有源层104的上表面生长上波导层105，所述上波导层105为AlGaAs化合物层；

步骤六：将MOCVD设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的上波导层105的上表面生长上限制层106，所述上限制层106为AlGaAs化合物层；

步骤七：请参阅图3-8，步骤六的上限制层106的上表面生长GaAs化合物层116，通过纳米压印或者是电子束光刻技术，在所述GaAs化合物层116的上表面形成光刻胶掩膜117，然后通过干法刻蚀所述GaAs化合物层116，刻蚀深度为270nm，然后去掉残留所述光刻胶掩膜117，从而同时制备得到脊波导107和光栅108，且所述脊波导107的高度为270nm，所述光栅108的高度为270nm，所述光栅108为一种分立纳米柱光栅，折射率3.57，由分立的GaAs纳米柱组成，周期为1000 nm，直径500 nm；

步骤八：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极110、阳极电极111，所述阴极电极110分布在所述衬底层101的下表面，所述阳极电极111分布在所述脊波导107的上表面；

步骤九：使用PECVD在步骤九中制备的结构的表面沉积厚度为300nm的SiO2钝化层；

步骤十：利用光刻技术，并使用BOE腐蚀液去除阴极电极110、阳极电极111以及光栅108所在位置的SiO2钝化层，得到钝化层109，所述钝化层109可以保护激光器的表面不被空气中的水氧侵入，从而提高其可靠性；

步骤十一：通过化学镀、电镀等方法在步骤十一得到的结构的发射后端面镀上反射系数为99％的反射层112，发射前端面镀上反射系数为5％的增透膜113，从而得到一种分立侧壁光栅的激光芯片。

上述实施例中一种分立侧壁光栅的激光芯片均可实现，并且对减小缺陷复合，提高激光芯片对光场的调控有一定的影响，提高了激光芯片对激光波长可调谐等性能。

此外，分立侧壁光栅的激光芯片的作用效果会受到芯片中波导层、限制层层、有源区的材料、工艺和尺寸变化的影响，因此需要依据不同的器件结构、工艺方法做适当的优化，从而使分立侧壁光栅的激光芯片起到最佳效果。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，这些对本发明权利要求进行等同替换后的技术方案，均落于本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征在于，包括：沿着芯片外延生长方向依次为衬底层、下限制层、下波导层、量子阱有源层、上波导层、上限制层以及脊波导；光栅，所述光栅为一种分立纳米柱光栅，由分立的纳米柱组成，位于脊波导侧壁附近。

2.如权利要求1所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为所述光栅距离所述脊波导边缘的距离为5nm-50nm，且所述光栅和所述脊波导均采用GaAs组成，其高度均为0.3μm。

3.如权利要求1所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为所述光栅的周期为0.5μm-10μm，占空比为0.2-0.8。

4.如权利要求1所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为所述量子阱有源层包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层，厚度为0.1μm。

5.如权利要求1所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为：

所述衬底层采用GaAs组成，厚度为200nm；

所述下限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm；

所述下波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.5-3μm；

所述上波导层采用AlGaAs组成，厚度为0.1-3μm；

所述上限制层采用AlGaAs组成，厚度为0.3μm。

6.如权利要求1~5任一项所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为，还包括阴极电极和阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；所述阴极电极和所述阳极电极由Cr/Au、Ti/Au或Ni/Au的一种组成。

7.如权利要求6所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为，还包括发射前端面和发射后端面；所述发射前端面设置有增透膜，所述发射后端面设置有反射膜。

8.如权利要求7所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为，所述反射膜的反射率为50％-100％，所述增透膜的反射率小于等于10％。

9.如权利要求8所述的一种分立侧壁光栅的激光芯片，其特征为还包括钝化层，所述钝化层包覆除了所述阴极电极、所述阳极电极、所述发射前端面、所述发射后端面和所述光栅以外的部分，所述钝化层由氮化硅或SiO2的一种组成，厚度为300nm。

10.一种分立侧壁光栅的激光芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：提供一衬底层，将所述衬底层放在MOCVD设备生长室内，在H2环境下升温到750~810℃之间烘烤30-50分钟，并通入AsH3，去除所述衬底层表面的水氧，完成表面热处理；

步骤二：MOCVD设备生长室内温度保持在680~720℃之间，通入TMGa、TMAl、和AsH3，在步骤一的衬底层上生长下限制层；

步骤三：MOCVD设备生长室内温度降至630~670℃之间，在步骤二中所述下限制层的上表面生长下波导层；

步骤四：保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤三的下波导层的上表面生长量子阱有源层，

其中，所述量子阱有源层包括交替生长的AlGaAs阱层-AlGaAs垒层；

步骤五：保持MOCVD设备生长室内温度在630~670℃之间，在步骤四的量子阱有源层的上表面生长上波导层；

步骤六：将MOCVD设备生长室内温度提升到680~720℃，在步骤五的上波导层的上表面生长上限制层；

步骤七：在步骤六的上限制层的上表面生长GaAs化合物层，通过纳米压印或者是电子束光刻技术，在所述GaAs化合物层的上表面形成光刻胶掩膜，然后通过干法刻蚀所述GaAs化合物层，刻蚀深度为270nm，然后去掉残留所述光刻胶掩膜，从而同时制备得到脊波导和光栅，且所述脊波导的高度为270nm，所述光栅108的高度为270nm，所述光栅为一种分立纳米柱光栅，折射率3.57，由分立的GaAs纳米柱组成，周期为1000 nm，直径500 nm；

步骤八：利用光刻技术和e-beam蒸镀工艺制作出阴极电极、阳极电极，所述阴极电极分布在所述衬底层的下表面，所述阳极电极分布在所述脊波导的上表面；

步骤九：使用PECVD在步骤八中制备的结构的表面沉积厚度为300nm的SiO2钝化层；

步骤十：利用光刻技术，并使用BOE腐蚀液去除阴极电极、阳极电极以及光栅所在位置的SiO2钝化层，得到钝化层；

步骤十一：通过化学镀、电镀等方法在步骤十一得到的结构的发射后端面镀上反射系数为99％的反射层，发射前端面镀上反射系数为5％的增透膜，从而得到一种分立侧壁光栅的激光芯片。

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