CN1209859C - 波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，包括如下步骤：1)在n型磷化铟衬底上外延多量子阱层结构；2)掩膜光刻腐蚀掉有源区以外的多量子阱层；3)外延铟镓砷磷体材料和一层磷化铟层；4)淀积一层介质膜，掩膜开光栅窗口，选择腐蚀磷化铟层；5)整片作均匀布拉格光栅；6)外延生长光栅盖层和电极接触层；7)光刻单脊形条，掩膜光刻电隔离沟，淀积二氧化硅层，在隔离沟处采用离子注入，形成高隔离电阻区；8)溅射P面电极和N面电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器的制作方法，特别是指一种波长可调谐分布布拉格反射(DBR)半导体激光器的制作方法。
背景技术
波长可调谐半导体激光器是光纤通信系统中的关键组件。作为信息传输光源，半导体可调谐激光器在密集波分复用(DWDM)系统中可以代替一系列分立的单波长半导体激光器，从而降低系统成本；另外，单波长激光器的输出波长难以保证不随时间和温度漂移，从而干扰邻近谱线，但采用可调谐激光器后，输出波长可根据系统要求适时变换和调整，避开波长漂移的影响。同时，系统的波长控制程序和检测程序还可大大简化。目前，可调谐半导体激光器已成为国内外深入研究和开发的热点。文献报道采用的制作技术主要有：1).通过改变温度来调节输出波长的可调谐分布反馈(DFB)和DBR半导体激光器，例如NTT于1994年发表在14th IEEEinternational Semiconductor laser conference P.34上的结构。由于是通过改变温度来调节波长变化，波长之间的转化速率在ms量级，所以这类器件只能用于低速系统；2).采用直接波导对接(Butt-jointed)耦合结构的可调谐DBR半导体激光器，例如法国电信于1995年发表在IEEE ElectronicsLetters(Vol.31，No.15，P.1244)上的结构。由于在腐蚀多量子阱(MQW)结构时，在垂直MQW层方向上，很难得到平直光滑的刻蚀界面，后续外延再生长材料时，材料质量难以保证，导致光从有源区传输到无源波导区时，会在对接界面处引起较大的散射和吸收，从而降低多量子阱和无源波导之间的光耦合效率，影响整个器件性能的提高。3).采用取样光栅SG(Sampled Grating)和超结构光栅SSC(Super structure coupling)的可调谐半导体激光器.前者例如美国的Agility公司于1998年在IEEE PhotonicsTechnology Letter(Vol.10，No.9，P.1211)上的结构，后者例如瑞典的RoyalInstitute of Technology于1995年发表在IEEE Photonics TechnologyLetter(Vol.7，No.7，P.697)上的结构。这两种技术都能获得较宽的波长可调谐范围，但取样光栅和超结构光栅的制作需要使用专用的昂贵设备(电子束EB设备)，制作成本高，另外器件的整体结构较长(达毫米量级)，内部吸收损耗较大，阈值高，输出光功率低，器件的成品率也较低。
本发明设计了一种新型取样光栅(SG)结构，通过改变光栅窗口中InP层的厚度，使用传统的简单全息曝光技术，一次全息曝光即可形成具有深浅不同(因而折射率不同)的分段取样光栅结构。所以采用本发明制作SG可调谐DBR激光器，方法新颖、简单，可调谐范围宽。
发明内容
本发明的目的是提出一种波长可调谐分布布拉格反射(DBR)激光器的制作方法，制作SG可调谐激光器的主要困难在于分段光栅的制作和有源与无源波导之间的对接耦合。本发明提出采用简单的全息曝光技术形成具有不同折射率(即不同耦合效率)的分段布拉格(Bragg)取样光栅制作技术，改善有源到无源的波导对接，解决了在垂直多量子阱层方向上由于刻蚀界面不平整产生的外延再生长问题，降低了由于界面散射、吸收和反射所引起的损耗，达到提高器件耦合效率的目的。
本发明一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，包括带有磷化铟刻蚀阻挡层的激光器；深浅不同的光栅；单脊形结构的有源区、隔离区、光栅区，其特征在于，包括如下步骤：
1)在n型磷化铟衬底上外延多量子阱层结构；
2)掩膜光刻腐蚀掉有源区以外的多量子阱层；
3)外延铟镓砷磷体材料和一层磷化铟层；
4)淀积一层介质膜，掩膜开光栅窗口，选择腐蚀磷化铟层，去掉光栅窗口上的介质膜，去掉部分磷化铟层；
5)整片作均匀布拉格光栅，腐蚀掉磷化铟层和二氧化硅介质膜，形成了深浅不同的两段光栅；
6)外延生长光栅盖层和电极接触层；
7)光刻单脊形条，掩膜光刻电隔离沟，淀积二氧化硅层，在隔离沟处采用离子注入，形成高隔离电阻区；
8)溅射P面电极和N面电极。
其中激光器有源区的长度在300μm，多个不同深度的布拉格光栅区，各段长度在150μm-250μm，隔离区的长度在50μm。
其中多量子阱层结构中，下波导限制层和量子阱之间有一层10-30nm厚的磷化铟层。
其中步骤3)的磷化铟层的厚度为30-40nm，作为制作不同深度布拉格光栅的掩膜层。
其中在激光器有源区和光栅区上同时生长磷化铟盖层和铟镓砷接触层。
其中在激光器有源区和光栅区上采用化学选择腐蚀方法刻蚀出1.5-5μm宽的单脊形波导结构的有源区、隔离区、和光栅区，刻蚀停止在刻蚀阻挡层磷化铟上。
用该方法制作的半导体可调谐DBR激光器具有以下优点：无需采用昂贵的EB设备，仅采用传统的简单全息曝光设备即可制作出分段取样光栅，简化了工艺，降低了成本；另外，结合BIG波导耦合技术改善了有源无源波导对接耦合界面质量，同时解决了取样光栅器件结构太长的缺点。这都有利于降低了器件成本，提高器件性能和成品率。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合两段取样光栅结构对本发明作进一步的描述，其中：
图1是本发明有源区结构示意图；
图2是本发明激光器台面条形示意图；
图3是本发明采用BIG技术，生长后的层结构示意图(带有介质膜)；
图4是本发明在无源波导层上制作光栅前的层结构示意图；
图5是本发明在上波导层上形成的两段取样光栅结构示意图；
图6是本发明三段DBR可调谐半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-图6所示，本发明一种波长可调谐分布布拉格反射激光器，包括带有磷化铟刻蚀阻挡层的激光器；深浅不同的光栅；单脊形结构的有源区、隔离区、光栅区，其制作方法，包括如下步骤：
(1)在衬底1上外延生长多量子阱(MQW)结构，作为激光器的有源区，MQW结构包括：下波导限制层2、磷化铟(InP)刻蚀阻挡层3、MQW结构4、InP层5，见图1所示；
(2)掩膜光刻，腐蚀掉有源区条以外的多量子阱层结构，刻蚀到阻挡层3，形成台条，作为有源区部分4，见图2所示；
(3)选择腐蚀InP层5，外延体材料铟镓砷磷(InGaAsP)作为波导层6，和InP层7，淀积介质膜二氧化硅(SiO2)8，磷化铟层7的厚度为30-40nm，作为制作不同深度布拉格光栅9、10的掩膜层，见图3所示；
(4)掩膜光刻，开出光栅窗口，去掉光栅窗口上的介质膜，其中光栅区一部分保留一定厚度的InP层，另外一部分去掉InP层，结构示意图如图4所示；
(5)在整个基片上大面积作光栅，然后腐蚀掉InP层7和SiO2介质膜8，这样就在无源波导区上形成了深浅不同的两段光栅9、10，其中激光器有源区4的长度在300μm，多个不同深度的布拉格光栅区9、10，各段长度在150μm-250μm，隔离区15的长度在50μm。，见图5所示；
(6)外延生长光栅盖层11、刻蚀阻挡层12、InP Cladding层13和电极接触层14；
(7)掩蔽光刻出单脊条形波导结构，光刻腐蚀，形成电隔离沟15，大面积淀积SiO2层16，在隔离沟处采用离子注入作为电阻隔离区15；
(8)最后脊形条上开电极窗口，溅射P面电极17，减薄后，背面蒸发N面电极18；
(9)解理出单个半导体可调谐DBR激光器管芯，完成整个器件制作，见图6所示。
其中多量子阱层结构中，下波导限制层2和量子阱有源区4之间有一层10-30nm厚的磷化铟层3。
其中在激光器有源区4和光栅区9、10上同时生长磷化铟盖层11和铟镓砷接触层14。
其中在激光器有源区4和光栅区9、10上采用化学选择腐蚀方法刻蚀出1.5-5μm宽的单脊形波导结构的有源区4、隔离区15、和光栅区9、10，刻蚀停止在刻蚀阻挡层磷化铟13上。
Claims (6)
1、一种波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，包括带有磷化铟刻蚀阻挡层的激光器；深浅不同的光栅；单脊形结构的有源区、隔离区、光栅区，其特征在于，包括如下步骤：
1)在n型磷化铟衬底上外延多量子阱层结构；
2)掩膜光刻腐蚀掉有源区以外的多量子阱层；
3)外延铟镓砷磷体材料和一层磷化铟层；
4)淀积一层介质膜，掩膜开光栅窗口，选择腐蚀磷化铟层，去掉光栅窗口上的介质膜，去掉部分磷化铟层；
5)整片作均匀布拉格光栅，腐蚀掉磷化铟层和二氧化硅介质膜，形成了深浅不同的两段光栅；
6)外延生长光栅盖层和电极接触层；
7)光刻单脊形条，掩膜光刻电隔离沟，淀积二氧化硅层，在隔离沟处采用离子注入，形成高隔离电阻区；
8)溅射P面电极和N面电极。
2、按权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中激光器有源区的长度在300μm，多个不同深度的布拉格光栅区，各段长度在150μm-250μm，隔离区的长度在50μm。
3、按权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中多量子阱层结构中，下波导限制层和量子阱之间有一层10-30nm厚的磷化铟层。
4、按权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中步骤3)的磷化铟层的厚度为30-40nm，作为制作不同深度布拉格光栅的掩膜层。
5、按权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中在激光器有源区和光栅区上同时生长磷化铟盖层和铟镓砷接触层。
6、按权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射激光器的制作方法，其特征在于：其中在激光器有源区和光栅区上采用化学选择腐蚀方法刻蚀出1.5-5μm宽的单脊形波导结构的有源区、隔离区、和光栅区，刻蚀停止在刻蚀阻挡层磷化铟上。
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