CN116706673A - 混合波导结构eml激光器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光通信激光器技术领域，提供了一种混合波导结构EML激光器的制作方法，包括如下步骤：S1，生长外延结构；S2，在所述外延结构的上表面划定LD激光器区和EA电吸收调制器区；S3，在所述LD激光器区制作掩埋异质结结构，在所述EA电吸收调制器区制作脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型制得。还提供一种混合波导结构EML激光器，包括掩埋异质结结构和脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型。本发明采用两种波导一体成型，避免两种波导的套刻偏差造成出光效率差问题，不需要高精度光刻对准设备，节约了昂贵设备投入成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信激光器技术领域，具体为一种混合波导结构EML激光器及其制作方法。
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。其中的EML 激光器是在同一半导体芯片上集成激光器和电吸收调制器，使其具有驱动电压低、功耗低、调制带宽高、体积小，结构紧凑等优点，比传统DFB激光器更适合于高速率、长距离的传输。
EML的波导结构主要有2种：1.脊波导结构，制作工艺简单，但激光器的阈值大，出光效率也低；2.掩埋异质结结构，采用PN或半绝缘掩埋，脊宽难以控制，中间与边缘的差异大，严重影响产出。CN1426138A刘国立等人将两种波导相结合可以降低激光器的阈值，提高激光器效率，同时，EA 区为脊波导结构，可以弥补掩埋异质结结构脊宽差异大、电容高和漏电问题，解决产出问题。但是不能解决两种波导的套刻问题，套刻偏差会严重影响出光效率。而且正常制作此结构需较高精度光刻设备，才能保证LD与EA波导结构误差小，降低二者间耦合偏差，需要昂贵设备投入成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合波导结构EML激光器及其制作方法，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：一种混合波导结构EML激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1，生长外延结构；
S2，在所述外延结构的上表面划定LD激光器区和EA电吸收调制器区；
S3，在所述LD激光器区制作掩埋异质结结构，在所述EA电吸收调制器区制作脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型制得。
进一步，生长外延结构包括两次外延生长：
先在衬底上一次外延生长InP缓冲层、n型InP 层、下波导层、有源层、上波导层、p型InP 层以及光栅层，
接着在LD激光器区进行光栅制作，
然后二次外延生长整面生长光栅掩埋层、上腐蚀停止层、p型盖层以及接触层。
进一步，所述S3步骤具体包括：
在所述LD激光器区中对所述外延结构进行腐蚀至所述上腐蚀停止层，
腐蚀完毕后，对所述LD激光器区和所述EA电吸收调制器区进行掩膜保护，
接着继续进行腐蚀，在所述LD激光器区和所述EA电吸收调制器区形成宽度不同的波导掩膜层，所述LD激光器区上的波导掩膜层与所述EA电吸收调制器区上的其中一波导掩膜层连接，且所述LD激光器区上的该波导掩膜层的宽度大于所述EA电吸收调制器区上的该波导掩膜层的宽度，
然后再掩膜保护所述LD激光器区，对所述EA电吸收调制器区进行腐蚀得到脊波导结构，
接着再掩膜保护所述EA电吸收调制器区的所述脊波导结构，并在所述LD激光器区的波导掩膜层外进行腐蚀至所述InP缓冲层以下，接着再所述LD激光器区的波导掩膜层外进行异质结掩埋生长。
进一步，去掉所述LD激光器区的波导掩膜层，保留所述EA电吸收调制器区的波导掩膜层，并在所述LD激光器区再次生长与所述EA电吸收调制器区一致的p型盖层和接触层。
进一步，将所述LD激光器区与所述EA电吸收调制器区之间的接触层和部分高掺杂p型InP盖层去掉，形成电隔离区。
进一步，所述电隔离区长度在20~200um之间，所述电隔离区的电阻大于5000Ω。
进一步，连接的两条波导掩膜层中，从所述LD激光器区至所述EA电吸收调制器区，所述波导掩膜层的宽度逐渐变窄。
进一步，异质结的掩埋生长为半绝缘的InP，或者为P-InP和N-InP的组合，其中半绝缘的InP能够是掺铁或掺钌。
进一步，在所述EA电吸收调制器区除开所述脊波导结构的区域也制作掩埋异质结结构。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种混合波导结构EML激光器，包括掩埋异质结结构和脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用两种波导一体成型，避免两种波导的套刻偏差造成出光效率差问题，不需要高精度光刻对准设备，节约了昂贵设备投入成本。
附图说明
图1a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的光栅掩埋生长后的外延结构示意图（主视视角）；
图1b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的光栅掩埋生长后的外延结构示意图（俯视视角）；
图1c为图1b的A-A向剖视图；
图2a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区刻蚀到上腐蚀停止层的结构示意图（主视视角）；
图2b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区刻蚀到上腐蚀停止层的结构示意图（左视视角）；
图2c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区刻蚀到上腐蚀停止层的结构示意图（俯视视角）；
图2d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区刻蚀到上腐蚀停止层的结构示意图（立体视角）；
图3a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的EA电吸收调制器区的脊波导结构示意图（主视视角）；
图3b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的EA电吸收调制器区的脊波导结构示意图（左视视角）；
图3c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的EA电吸收调制器区的脊波导结构示意图（俯视视角）；
图3d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的EA电吸收调制器区的脊波导结构示意图（立体视角）；
图4a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区的异质结掩埋生长结构示意图（主视视角）；
图4b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区的异质结掩埋生长结构示意图（左视视角）；
图4c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区的异质结掩埋生长结构示意图（俯视视角）；
图4d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区的异质结掩埋生长结构示意图（立体视角）；
图5a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区生长盖层和接触层结构示意图（主视视角）；
图5b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区生长盖层和接触层结构示意图（左视视角）；
图5c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区生长盖层和接触层结构示意图（俯视视角）；
图5d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的LD激光器区生长盖层和接触层结构示意图（立体视角）；
图6a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的掩埋异质结结构的波导和脊波导成型结构示意图（主视视角）；
图6b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的掩埋异质结结构的波导和脊波导成型结构示意图（左视视角）；
图6c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的掩埋异质结结构的波导和脊波导成型结构示意图（俯视视角）；
图6d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的掩埋异质结结构的波导和脊波导成型结构示意图（立体视角）；
图7a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的隔离区制作后结构示意图（主视视角）；
图7b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的隔离区制作后结构示意图（左视视角）；
图7c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的隔离区制作后结构示意图（俯视视角）；
图7d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的隔离区制作后结构示意图（立体视角）；
图8a为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的电极制作后的结构示意图（主视视角）；
图8b为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的电极制作后的结构示意图（左视视角）；
图8c为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的电极制作后的结构示意图（俯视视角）；
图8d为本发明实施例提供的一种混合波导结构EML激光器的制作方法的电极制作后的结构示意图（立体视角）。
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至图8，本发明实施例提供一种混合波导结构EML激光器的制作方法，包括如下步骤：S1，生长外延结构；S2，在所述外延结构的上表面划定LD激光器区和EA电吸收调制器区；S3，在所述LD激光器区制作掩埋异质结结构，在所述EA电吸收调制器区制作脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型制得。在本实施例中，采用两种波导一体成型，避免两种波导的套刻偏差造成出光效率差问题，不需要高精度光刻对准设备，节约了昂贵设备投入成本。具体地，首先对于附图来说，图1a、图1b和图1c从三个视角进行示意，结构上从下至上分别是衬底1，InP缓冲层2，n型InP层3，下波导层4，有源层5，上波导层6 ，p型InP层7，光栅层8，光栅掩埋层9，上腐蚀停止层10，p型InP盖层11，接触层12。图2a、图2b、图2c和图2d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括上腐蚀停止层10，p型InP盖层11，接触层12。图3a、图3b、图3c和图3d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括上腐蚀停止层10，p型InP盖层11，接触层12，二氧化硅掩膜层13。图4a、图4b、图4c和图4d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括InP缓冲层2，p型InP盖层11，接触层12，二氧化硅掩膜13，二氧化硅掩膜14，半绝缘InP 15。图5a、图5b、图5c和图5d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括p型InP盖层11，接触层12，二氧化硅掩膜13，二氧化硅掩膜14，半绝缘InP15， p型InP盖层16，接触层17。图6a、图6b、图6c和图6d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括上腐蚀停止层10，p型InP盖层11，接触层12，半绝缘InP 15，p型InP盖层16，接触层17。图7a、图7b、图7c和图7d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括上腐蚀停止层10，p型InP盖层11，接触层12，半绝缘InP 15，p型InP盖层16，接触层17和隔离区18。图8a、图8b、图8c和图8d分别从四个视角进行示意，主要外延结构包括上p型InP盖层11，接触层12，半绝缘InP 15，p型InP盖层16，接触层17和隔离区18，二氧化硅19，电注入窗口20，电极21。
首先，先细化上述的外延生长结构，生长外延结构包括两次外延生长：
先在衬底1上一次外延生长InP缓冲层2、n型InP 层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、p型InP 层7以及光栅层8；接着在LD激光器区进行光栅制作；然后二次外延生长整面生长光栅掩埋层9、上腐蚀停止层10、p型盖层11以及接触层12。在本实施例中，首先在衬底1上生长InP缓冲层2、n型InP层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、p型InP层7、光栅层8，接着在LD侧进行光栅制作，接着整面生长光栅掩埋层9、上腐蚀停止层10、p型盖层11和接触层12。
接着，细化所述S3步骤，其具体包括：S30，在所述LD激光器区中对所述外延结构进行腐蚀至所述上腐蚀停止层10；S31，腐蚀完毕后，对所述LD激光器区和所述EA电吸收调制器区进行掩膜保护；S32，接着继续进行腐蚀，在所述LD激光器区和所述EA电吸收调制器区形成宽度不同的波导掩膜层，所述LD激光器区上的波导掩膜层与所述EA电吸收调制器区上的其中一波导掩膜层连接，且所述LD激光器区上的该波导掩膜层的宽度大于所述EA电吸收调制器区上的该波导掩膜层的宽度；S33，然后再掩膜保护所述LD激光器区，对所述EA电吸收调制器区进行腐蚀得到脊波导结构；S34，接着再掩膜保护所述EA电吸收调制器区的所述脊波导结构，并在所述LD激光器区的波导掩膜层外进行腐蚀至所述InP缓冲层2以下，接着再所述LD激光器区的波导掩膜层外进行异质结掩埋生长。在本实施例中，通过光刻、刻蚀和腐蚀技术，将LD侧外延材料腐蚀到上腐蚀停止层10，同时EA侧外延结构材料通过掩膜层保护不受腐蚀，此步骤中，可以选择区域来进行选择性腐蚀，也可以通过覆膜保护，均可；接着通过光刻和刻蚀技术，在LD的上腐蚀停止层和EA上的接触层形成宽度不同的波导掩膜层，LD侧波导掩膜层宽度尺寸要大于EA侧上波导掩膜层宽度尺寸，通过掩膜保护LD侧，通过干法刻蚀和湿法腐蚀方法，在EA侧形成脊波导结构；接着通过光刻和腐蚀技术，先将EA侧脊波导进行掩埋层保护，在S3形成的LD侧波导掩埋层之外进行刻蚀和非选择性腐蚀到缓冲层2以下，接着在LD侧波导外进行异质结掩埋生长，形成LD电流注入限制层。
作为本发明实施例的优化方案，去掉所述LD激光器区的波导掩膜层，保留所述EA电吸收调制器区的波导掩膜层，并在所述LD激光器区再次生长与所述EA电吸收调制器区一致的p型盖层16和接触层17。在本实施例中，通过光刻和腐蚀工艺，去掉LD侧波导掩埋层，保留EA侧脊波导保护层，在LD侧生长与EA侧一致的p型盖层16和接触层17。接着去掉EA侧波导掩埋层，完成LD与EA的波导结构一体成型。
作为本发明实施例的优化方案，将所述LD激光器区与所述EA电吸收调制器区之间的接触层12和部分高掺杂p型InP盖层11去掉，形成电隔离区。在本实施例中，生长掩膜层，通过光刻和刻蚀工艺，先将LD与EA之间接触层和部分高掺杂p型InP盖层去掉，形成电隔离区，电隔离区长度20-200um，电隔离区的电阻大于5000Ω。接着，去掉生长的掩膜层，重新生长掩膜层，通过光刻和刻蚀工艺，将LD和EA区电注入区的掩膜层去掉，然后沉积电极材料，电极材料为Ti、Pt或Au。接着通过减薄和抛光技术，将晶圆厚度控制在70-150um，然后在N面制作金属和合金。接着通过解条、镀膜和解个完成整个工艺制作， LD 背面镀高反射膜，EA出光侧镀低反射膜，高反射膜反射率为70%-97%，低反射膜反射率小于0.1%。
作为本发明实施例的优化方案，连接的两条波导掩膜层中，从所述LD激光器区至所述EA电吸收调制器区，所述波导掩膜层的宽度逐渐变窄。在本实施例中，通过改变波导掩膜层宽度，使LD 区的波导掩膜层宽度渐变至EA区的波导掩膜层宽度，这样可以改善出光端远场发散角。
作为本发明实施例的优化方案，异质结的掩埋生长为半绝缘的InP，或者为P-InP和N-InP的组合，其中半绝缘的InP能够是掺铁或掺钌。
作为本发明实施例的优化方案，在所述EA电吸收调制器区除开所述脊波导结构的区域也制作掩埋异质结结构。在本实施例中，改变掩埋异质结的面积，不仅仅在激光器区域进行异质结掩埋，在电吸收调制器区域除脊波导以外区域也进行异质结掩埋，减少选择区域外延生长效应。
至此，完整的制作步骤如下：
（1）利用MOCVD在衬底1上一次外延生长InP缓冲层2、n型InP 层3、下波导层4、有源层5、上波导层6、p型InP 层7、光栅层8；
（2）利用全息/电子束技术在LD侧制作光栅图形，用干法或湿法进行光栅刻蚀或腐蚀，去胶后利用MOCVD整片外延生长光栅掩埋层9，上腐蚀停止层10，p型InP盖层11和接触层12，主视图，俯视图和光栅剖面结构见图1a、1b和1c；
（3）光刻胶做掩膜保护EA侧，干法与湿法相结合腐蚀LD侧到上腐蚀停止层10，去胶后见图2a、2b、2c和2d；
（4）生长二氧化硅掩膜13，利用光刻和刻蚀技术，保留LD 侧3-6um条形二氧化硅13，EA侧1-3um条形二氧化硅13，LD侧与EA侧两个条形二氧化硅相连，同时去掉EA 侧条形二氧化硅两侧脊沟二氧化硅。光刻胶保护LD 侧，干法与湿法相结合腐蚀EA条形二氧化硅两侧脊沟到上腐蚀停止层10，完成EA侧脊波导制作，去胶后见图3a、3b、3c和3d；
（5）在不去掉原有二氧化硅13的基础上，整面生长二氧化硅14，通过胶掩膜光刻和刻蚀工艺，保护EA侧和LD与EA相连的侧壁二氧化硅14，干法刻蚀LD侧第二次生长的二氧化硅14，需控制刻蚀深度，使得去胶后， LD侧剩下 3-6um的条形二氧化硅13；
（6）利用二氧化硅14保护EA 侧和LD与EA相连的侧壁，在LD侧 3-6um的条形二氧化硅13以外区域，干法与湿法相结合腐蚀到InP缓冲层2以下，利用MOCVD 在腐蚀区域进行半绝缘InP 15 的掩埋生长，见图4a、4b、4c和4d；
（7）利用光刻胶保护EA侧，湿法去掉LD侧3-6um的条形二氧化硅13和LD与EA相连的侧壁二氧化硅14，去胶完成后，利用二氧化硅14做掩膜保护EA侧， MOCVD在LD侧进行p型盖层16和接触层17的生长，其中LD侧p型盖层16和接触层17与EA 侧p型盖层11和接触层12平齐，见图5a、5b、5c和5d；
（8）干法或湿法去掉EA侧二氧化硅，完成LD和EA的波导成型，见图6a、6b、6c和6d；
（9）生长二氧化硅掩膜层，通过光刻和刻蚀工艺，去掉LD与EA之间的二氧化硅，接着用干法或湿法腐蚀去掉接触层12和部分高掺杂p型盖层11，形成电隔离区，电隔离区长度20-200um，电隔离区的电阻大于5000Ω，去掉掩膜后，见图7a、7b、7c和7d；
（10）重新生长二氧化硅19，将LD和EA区电注入区的二氧化硅19去掉，开电注入窗口20；
（11）通过光刻工艺制作电极图形，沉积Ti/Pt/Au电极21，电极剥离后图形见图8a、8b、8c和8d；
（12）通过减薄和抛光技术，将晶圆厚度控制在70-150um，然后在N面沉积金属，并合金；
（13）通过解条、镀膜和解个完成整个工艺制作，其中LD 背面镀高反射膜，EA出光侧镀低反射膜，高反射膜反射率为70%-97%，低反射膜反射率小于0.1%。
请参阅图8，本发明实施例提供一种混合波导结构EML激光器，包括掩埋异质结结构和脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型。其由上述的制作方法制得，这里就不再赘述。
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)
1.一种混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，生长外延结构；
S2，在所述外延结构的上表面划定LD激光器区和EA电吸收调制器区；
S3，在所述LD激光器区制作掩埋异质结结构，在所述EA电吸收调制器区制作脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型制得。
2.如权利要求1所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于，生长外延结构包括两次外延生长：
先在衬底上一次外延生长InP缓冲层、n型InP 层、下波导层、有源层、上波导层、p型InP层以及光栅层，
接着在LD激光器区进行光栅制作，
然后二次外延生长整面生长光栅掩埋层、上腐蚀停止层、p型盖层以及接触层。
3.如权利要求2所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于，所述S3步骤具体包括：
在所述LD激光器区中对所述外延结构进行腐蚀至所述上腐蚀停止层，
腐蚀完毕后，对所述LD激光器区和所述EA电吸收调制器区进行掩膜保护，
接着继续进行腐蚀，在所述LD激光器区和所述EA电吸收调制器区形成宽度不同的波导掩膜层，所述LD激光器区上的波导掩膜层与所述EA电吸收调制器区上的其中一波导掩膜层连接，且所述LD激光器区上的该波导掩膜层的宽度大于所述EA电吸收调制器区上的该波导掩膜层的宽度，
然后再掩膜保护所述LD激光器区，对所述EA电吸收调制器区进行腐蚀得到脊波导结构，
接着再掩膜保护所述EA电吸收调制器区的所述脊波导结构，并在所述LD激光器区的波导掩膜层外进行腐蚀至所述InP缓冲层以下，接着再所述LD激光器区的波导掩膜层外进行异质结掩埋生长。
4.如权利要求3所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于：去掉所述LD激光器区的波导掩膜层，保留所述EA电吸收调制器区的波导掩膜层，并在所述LD激光器区再次生长与所述EA电吸收调制器区一致的p型盖层和接触层。
5.如权利要求2所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于：将所述LD激光器区与所述EA电吸收调制器区之间的接触层和部分高掺杂p型InP盖层去掉，形成电隔离区。
6.如权利要求5所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于：所述电隔离区长度在20~200um之间，所述电隔离区的电阻大于5000Ω。
7.如权利要求3所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于：连接的两条波导掩膜层中，从所述LD激光器区至所述EA电吸收调制器区，所述波导掩膜层的宽度逐渐变窄。
8.如权利要求1所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于：异质结的掩埋生长为半绝缘的InP，或者为P-InP和N-InP的组合，其中半绝缘的InP能够是掺铁或掺钌。
9.如权利要求1所述的混合波导结构EML激光器的制作方法，其特征在于：在所述EA电吸收调制器区除开所述脊波导结构的区域也制作掩埋异质结结构。
10.一种混合波导结构EML激光器，其特征在于：包括掩埋异质结结构和脊波导结构，所述掩埋异质结结构和所述脊波导结构一体成型。
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