CN115967012B - 半导体激光器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体激光器结构的制备方法，包括S1，生长一次外延结构；S2，在一次外延结构上二次外延制作光栅；S3，接着在光栅层上生长第一掩膜层，并制作脊波导，脊波导的中间脊宽大于两端脊宽；S4，再利用光刻保护脊波导的两端，腐蚀中间区域至一次外延结构的衬底，形成两个膨大腔室；S5，去掉第一掩膜层，并重新生长第二掩膜层，第二掩膜层覆盖剩下的脊波导和两个膨大腔室的表面；S6，涂BCB或者聚酰亚胺，进行曝光和显影，使BCB仅填充于两个膨大腔室中；S7，重新生长第三掩膜层，使其包裹BCB和脊波导；S8，得到半导体激光器。提供一种半导体激光器结构。本发明可实现低阈值和高效率注入，同时降低器件电容；可有效提高解理良率，改善腔面脏污。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，具体为一种半导体激光器结构及其制备方法。
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。其中，分布式反馈激光器DFB具有调制速率快，单模特性好等优点，受到产业界的广泛关注。DFB激光器的调制速率主要通过以下两个方法：提高器件驰豫振荡频率，降低阈值、提高增益和降低器件RCL寄生电容，电阻。
现有BCB填充方案，在解理时，极易出现BCB解理崩边，造成芯片表面和腔面脏污，极大降低了生产良率，提高了生产成本，与此同时，由于BCB与金属粘附性差，在BCB表面直接沉积金属电极，极易造成电极脱落，影响芯片性能和外观良率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体激光器结构及其制备方法，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：一种半导体激光器结构的制备方法，包括如下步骤：
S1，生长一次外延结构；
S2，制作光栅；
S3，再二次外延生长，并在二次外延结构上生长第一掩膜层并制作脊波导，所述脊波导的中间脊宽大于两端脊宽；
S4，再利用光刻保护脊波导的两端，腐蚀中间区域至一次外延结构的衬底，形成两个膨大腔室；
S5，去掉所述第一掩膜层，并重新生长第二掩膜层，所述第二掩膜层覆盖剩下的脊波导和两个所述膨大腔室的表面；
S6，涂BCB或者聚酰亚胺，进行曝光和显影，使BCB仅填充于两个所述膨大腔室中；
S7，重新生长第三掩膜层，使其包裹BCB和脊波导；
S8，接着进行后续操作后得到半导体激光器。
进一步，在所述S4步骤中，利用各向同性的湿法腐蚀控制中间脊宽，使得中间脊宽不被全部腐蚀，最终得到向下凹陷的两个膨大腔室。
进一步，所述第一掩膜层、所述第二掩膜层以及所述第三掩膜层均采用SiO2掩膜。
进一步，所述第三掩膜层包裹BCB后，形成SiO2-BCB-SiO2或者SiO2-聚酰亚胺-SiO2的夹心结构。
进一步，生长所述一次外延结构具体为：利用MOCVD在衬底上一次外延生长InP缓冲层、有源层以及InP层。
进一步，利用全息或电子束光刻制作光栅，再利用MOCVD二次外延光栅掩埋InP层、包层InP层以及接触层。
进一步，后续的操作包括去掉脊波导和台面结构上的第三掩膜层，制作电注入窗口，所述电注入窗口制作完毕后，进行P面和N面电极制作、减薄以及合金以完成半导体激光器的制作。
进一步，所述BCB或者聚酰亚胺填充掩埋异质结台面长度L1，两端脊波导长度分别为L2和L3，腔长L＝L1+L2+L3，其中掩埋异质结台面长度L1范围在10-200um之间，两端脊波导长度L2和L3的长度范围在0-100um之间。
进一步，掩埋异质结台面长度L1的脊宽范围1.5±1um，两端脊波导L2和L3脊宽范围1.5±1um。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种半导体激光器结构，由上述的半导体激光器结构的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在激光器两端进行脊波导制作，中间采用常规掩埋异质结台面结构，利用BCB填充台面结构，取代MOCVD外延生长异质结掩埋，可实现低阈值和高效率注入，同时降低器件电容；激光器两端的脊波导结构，可有效提高解理良率，改善腔面脏污，有助于实现产业化量产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种半导体激光器结构的光栅掩埋后结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种半导体激光器结构的脊波导制作后的俯视图；
图2a为图2中A-A向脊波导剖视图；
图2b为图2中B-B向台面结构剖视图；
图3为本发明实施例提供的一种半导体激光器结构的中间区域台面的俯视图；
图3a为图3中C-C向脊波导剖视图；
图3b为图3中D-D向台面结构剖视图；
图4为本发明实施例提供的一种半导体激光器结构的BCB选择性填充的俯视图；
图4a为图4中E-E向脊波导剖视图；
图4b为图4中F-F向台面结构剖视图；
图5为本发明实施例提供的一种半导体激光器结构的电注入窗口的俯视图；
图5a为图5中G-G向脊波导剖视图；
图5b为图5中H-H向台面结构剖视图；
图6为本发明实施例提供的一种半导体激光器结构的P面电极制作的俯视图；
图6a为图6中I-I向脊波导剖视图；
图6b为图6中J-J向台面结构剖视图；
附图标记中：1-衬底；2-InP缓冲层；3-有源层；4-有源层；5-光栅层；6-光栅掩埋层；7-InP覆盖层；8-接触层；90-第一掩膜层；91-第二掩膜层；92-第三掩膜层；10-脊波导；11-BCB；12-电注入窗口；13-电极。
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1、图2、图3、图4、图5、图6以及它们对应的各个切向的剖视图，本发明实施例提供一种半导体激光器结构的制备方法，包括如下步骤：S1，生长一次外延结构；S2，在所述一次外延结构上二次外延制作光栅；S3，接着在光栅层上生长第一掩膜层90，并制作脊波导10，所述脊波导10的中间脊宽大于两端脊宽；S4，再利用光刻保护脊波导10的两端，腐蚀中间区域至一次外延结构的衬底，形成两个膨大腔室；S5，去掉所述第一掩膜层90，并重新生长第二掩膜层91，所述第二掩膜层91覆盖剩下的脊波导10和两个所述膨大腔室的表面；S6，涂BCB11或者聚酰亚胺，进行曝光和显影，使BCB11仅填充于两个所述膨大腔室中；S7，重新生长第三掩膜层92，使其包裹BCB11和脊波导10；S8，接着进行后续操作后得到半导体激光器。在本实施例中，在激光器两端进行脊波导10制作，中间采用常规掩埋异质结台面结构，利用BCB11填充台面结构，取代MOCVD外延生长异质结掩埋，可实现低阈值和高效率注入，同时降低器件电容；激光器两端的脊波导10结构，可有效提高解理良率，改善腔面脏污，有助于实现产业化量产。在制备的过程中，涉及到三次掩膜，为了便于区分，将它们分别定义为第一掩膜层90、第二掩膜层91和第三掩膜层92。所述第三掩膜层92包裹BCB11后，形成SiO2-BCB11-SiO2或者SiO2-聚酰亚胺-SiO2的夹心结构。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图4、图4a以及图4b，在所述S4步骤中，利用各向同性的湿法腐蚀控制中间脊宽，使得中间脊宽不被全部腐蚀，最终得到向下凹陷的两个膨大腔室。在本实施例中，为了避免脊波导10中间部位全部被腐蚀而无法形成两个膨大腔室，可以利用各向同性的湿法腐蚀控制中间脊宽，使得中间脊宽不被全部腐蚀，控制的宽度可以根据实际情况来选择。
具体地的制备工艺如下：
请参阅图1，利用MOCVD在衬底1上一次外延生长InP缓冲层2，有源层3，InP层4。然后利用全息或电子束光刻制作光栅层5，再利用MOCVD二次外延光栅掩埋InP层6，包层InP层7，接触层8。
请参阅图2、图2a以及图2b，生长SiO2为第一掩膜层90，结合光刻，干法与湿法相结合的方式在激光器制作脊波导，其中L1中间部分脊宽大于L2和L3两端脊宽。优选的，所述BCB或者聚酰亚胺填充掩埋异质结台面长度L1，两端脊波导长度分别为L2和L3，腔长L＝L1+L2+L3，其中掩埋异质结台面长度L1范围在10-200um之间，两端脊波导长度L2和L3的长度范围在0-100um之间。掩埋异质结台面长度L1的脊宽范围1.5±1um，两端脊波导L2和L3脊宽范围1.5±1um。激光器有源层两端脊波导长度L2和L3。可以相等，也可以不等。
请参阅图3、图3a以及图3b，再利用光刻，保护激光器两端脊波导，湿法腐蚀激光器中间区域至衬底1，其中利用各向同性的湿法腐蚀控制L1的脊宽，然后去掉第一掩膜层90，重新生长SiO2第二掩膜层91。
请参阅图4、图4a以及图4b，涂BCB光刻胶，进行曝光和显影，使BCB仅填充于中间区域。
请参阅图5、图5a以及图5b，重新生长第三掩膜层92，第三掩膜层为SiO2掩膜，包裹BCB和脊波导，形成SiO2/BCB/SiO2或者SiO2-聚酰亚胺-SiO2的夹心结构，去掉脊波导和台面结构上SiO2，制作电注入窗口12。
请参阅图6、图6a以及图6b，进行电极13的制作，具体是P面电极和N面电极制作，然后再经过减薄、合金等激光器制作工艺后得到本实施例的半导体激光器。
本发明实施例提供一种半导体激光器结构，由上述的方法制备而成，具体结构就不再赘述。
至此，本发明在激光器两端进行脊波导制作，中间部分采用常规掩埋异质结台面结构，利用BCB填充台面结构，利用BCB低介质常数(BCB介质常数2.65，聚酰亚胺3.4，InP12.5)，可实现低阈值和高效率注入，同时降低芯片电容；与此同时，激光器两端的脊波导结构，可有效提高解理良率，改善腔面脏污，有助于实现产业化量产；最后，本发明采用SiO2/BCB/SiO2的夹心结构，可有效改善电极脱落现象。
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)
1.一种半导体激光器结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，生长一次外延结构；
S2，制作光栅；
S3，再二次外延生长，并在二次外延结构上生长第一掩膜层并制作脊波导，所述脊波导的中间脊宽大于两端脊宽；
S4，再利用光刻保护脊波导的两端，腐蚀中间区域至一次外延结构的衬底，形成两个膨大腔室；
S5，去掉所述第一掩膜层，并重新生长第二掩膜层，所述第二掩膜层覆盖剩下的脊波导和两个所述膨大腔室的表面；
S6，涂BCB或者聚酰亚胺，进行曝光和显影，使BCB仅填充于两个所述膨大腔室中；
S7，重新生长第三掩膜层，使其包裹BCB和脊波导；
S8，接着进行后续操作后得到半导体激光器。
2.如权利要求1所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：在所述S4步骤中，利用各向同性的湿法腐蚀控制中间脊宽，使得中间脊宽不被全部腐蚀，最终得到向下凹陷的两个膨大腔室。
3.如权利要求1所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：所述第一掩膜层、所述第二掩膜层以及所述第三掩膜层均采用SiO2掩膜。
4.如权利要求3所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：所述第三掩膜层包裹BCB后，形成SiO2-BCB-SiO2或者SiO2-聚酰亚胺-SiO2的夹心结构。
5.如权利要求1所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于，生长所述一次外延结构具体为：利用MOCVD在衬底上一次外延生长InP缓冲层、有源层以及InP层。
6.如权利要求1所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：利用全息或电子束光刻制作光栅，再利用MOCVD二次外延光栅掩埋InP层、包层InP层以及接触层。
7.如权利要求1所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：后续的操作包括去掉脊波导和台面结构上的第三掩膜层，制作电注入窗口，所述电注入窗口制作完毕后，进行P面和N面电极制作、减薄以及合金以完成半导体激光器的制作。
8.如权利要求1所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：所述BCB或者聚酰亚胺填充掩埋异质结台面长度L1，两端脊波导长度分别为L2和L3，腔长L＝L1+L2+L3，其中掩埋异质结台面长度L1范围在10-200um之间，两端脊波导长度L2和L3的长度范围在0-100um之间。
9.如权利要求8所述的半导体激光器结构的制备方法，其特征在于：掩埋异质结台面长度L1的脊宽范围1.5±1um，两端脊波导L2和L3脊宽范围1.5±1um。
10.一种半导体激光器结构，其特征在于：由如权利要求1-9任一所述的半导体激光器结构的制备方法制得。
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