CN1312812C - 波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，包括以下步骤：在n型磷化铟衬底(1)上外延多量子阱层结构；在多量子阱层上生长氮化硅介质膜；在多量子阱层上生长二氧化硅介质膜；快速退火；掩膜光刻；用选择腐蚀方法，去掉铟镓砷层，磷化铟层和铟镓砷磷层；在磷化铟层上掩膜光刻，开出光栅窗口，保留有源区上的磷化铟层，腐蚀掉光栅窗口中的磷化铟层，然后大面积做均匀光栅；选择腐蚀磷化铟层，然后外延光栅盖层，和电极接触层；光刻出单脊形条，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；溅射P面电极和N面电极。

Description

波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法
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
量子阱混合技术(quantum well intermixing)是指在高温快速退火过程中，在晶体内部产生大量点缺陷。由于这些点缺陷的移动，在量子阱结构中留下空位缺陷，根据Fick定律，在量子阱/垒界面处，III族元素原子与V族元素原子之间相互独立扩散，可以改变带隙宽度，从而使得量子阱室温PL谱红移或者蓝移。因此，在需要波导材料(WG)或者调制器(EA)集成时，这种技术大大简化了光电子集成器件的制作工艺。
目前，可调谐半导体激光器已成为国内外研究和开发的热点。文献报道采用的制作技术主要是直接波导对接(Butt-jointed)耦合结构。在波导区，刻布拉格反射光栅(DBR)，例如法国电信于1995年发表在IEEEElectronics Letters(Vol.31，No.15，P.1244)上的结构，或者刻取样光栅SG(Sampled Grating)和超结构光栅SSC(Super structure coupling)，如美国的Agility公司于1998年在IEEE Photonics Technology Letter(Vol.10，No.9，P.1211)上的结构，后者例如瑞典的Royal Institute of Technology于1995年发表在IEEE Photonics Technology Letter(Vol.7，No.7，P.697)上的结构。以上采用的这种波导直接对接耦合技术可获得较宽的波长可调谐范围，但采用这种技术，需要材料再外延生长，降低了成品率，提高了成本。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其不需要材料再外延生长，同时具有成品率高和成本低的优点。
本发明一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在n型磷化铟衬底上外延生长多量子阱层结构，作为该激光器的有源区，该结构包括依次生长的：下光限制层、MQW结构、上光限制层、磷化铟层、铟镓砷磷刻蚀阻止层、磷化铟层和铟镓砷层；
2)在多量子阱层结构上生长氮化硅介质膜，用干法刻蚀氮化硅，用来抑制量子阱混合的作用；
3)在多量子阱层结构上生长二氧化硅介质膜，用湿法刻蚀，用来增强量子阱混合的作用；
4)快速退火；
5)掩膜光刻，保留一条氮化硅和二氧化硅介质膜，然后大面积腐蚀掉基片上的氮化硅和二氧化硅介质膜；
6)用选择腐蚀方法，去掉铟镓砷层、磷化铟层和铟镓砷磷刻蚀阻止层；
7)在磷化铟层上光刻，开出光栅窗口，保留有源区上的磷化铟层，腐蚀掉光栅窗口中的磷化铟层，然后在光栅窗口内的上光限制层表面大面积做均匀光栅；
8)选择腐蚀磷化铟层，然后外延光栅盖层和电极接触层；
9)光刻出单脊形条，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；
10)溅射P面电极和N面电极。
其中激光器有源区的长度在300μm，布拉格光栅区长度在150μm～250μm，隔离沟宽度为50μm。
其中所述的快速退火是在氮气的保护下，温度为750℃，退火时间为80秒。
其中掩膜光刻，在基片上保留一条氮化硅和二氧化硅介质膜，然后大面积腐蚀掉基片上的氮化硅和二氧化硅介质膜，用来为开光栅区作标记。
其中用磷化铟做光栅的掩膜层，厚度为150nm。
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。
其中单脊形波导结构的有源区、隔离区和光栅区宽度为1.5～5μm。
至此，多量子阱混合可调谐半导体激光器即制作完成。
用该技术制作的半导体可调谐激光器具有以下优点：只需要两次外延，简化了工艺，降低了成本，提高成品率，另外该方法同样适合于调制器(modulator)与激光器(LD)的集成。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作进一步的描述，其中：
图1是有源区多量子阱(MQW)结构的示意图；
图2是淀积氮化硅(SixNy)介质膜，掩膜光刻后的示意图，其中图形长300μm，宽50μm；
图3是淀积二氧化硅(SiO2)介质膜，掩膜光刻，腐蚀SixNy介质膜上的SiO2介质膜的示意图；
图4退火后，掩膜光刻，保留一条SixNy介质膜和SiO2介质膜图形，选择腐蚀InGaAs层、InP层和InGaAsP层刻蚀阻挡层，至1500的InP层后的示意图；
图5掩膜光刻，腐蚀掉退火过程中SiO2介质膜覆盖的区域下的InP层，对准标记为图4中所示保留的一条SixNy介质膜和SiO2介质膜图形的示意图；
图6是大面积刻光栅，然后选择腐蚀掉磷化铟(InP)层结构的示意图；
图7是两段DBR可调谐半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体描述本发明的实现方法，请结合参阅附图。
本发明一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：
请参阅附图所示；
(1)在n型磷化铟(InP)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：下光限制层2、MQW结构3、上光限制层4、InP层5、铟镓砷磷(InGaAsP)刻蚀阻止层6、InP层7、InGaAs层8，参见图1所示；
(2)用电子回旋共振(ECR)技术生长氮化硅(SixNy)介质膜9，掩膜光刻，干法腐蚀图形以外的SixNy介质膜，参见图2所示；
(3)用等离子体化学气相淀积(PECVD)生长二氧化硅(SiO2)介质膜10，掩膜光刻，腐蚀SixNy介质膜上的SiO2介质膜示，参见图3所示；
(4)整个基片放于合金炉中，在N2气的气氛中，快速退火，温度在750℃，退火时间80秒；
(5)在整个基片上，掩膜光刻，保留一条SixNy介质膜、SiO2介质膜，作为标记，然后大面积腐蚀掉SixNy介质膜和SiO2介质膜。
(6)选择腐蚀InGaAs层8、InP层7和InGaAsP刻蚀阻挡层6，至1500的InP层5，参见图4所示；
(7)掩膜光刻，开出光栅窗口，去掉光栅窗口上的InP层5，参见图5所示；
(8)在整个基片上大面积作光栅11，然后腐蚀掉InP层5，参见图6所示；
(9)外延生长光栅盖层12、刻蚀阻挡层13、InP盖层14和电极接触层15；
(10)掩蔽光刻出单脊条形波导结构，光刻腐蚀，形成电隔离沟16，大面积淀积SiO2层17，在隔离沟处采用离子注入作为高阻隔离沟16；
(11)最后脊形条上开电极窗口，溅射P面电极18，减薄后，背面蒸发N面电极19；
(12)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，参见图7所示。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明采用量子阱混合(QWI)技术可以一次性在基片上形成两种或者两种以上不同带隙宽度的材料，这对于器件的集成是一种强大的工具，这种工艺技术，可以减少外延的次数，优化器件结构，提高成品率，而且工艺简单，可用来波导集成，调制器等器件的集成。
本发明采用量子阱混合(QWI)技术制作可调谐半导体DBR激光器。在基片覆盖有SiO2介质膜区域，在快速退火时，量子阱结构中，阱/垒界面处，III族元素原子与V族元素原子之间相互扩散混合，以达到改变带隙宽度的作用，制作出波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器。

Claims (7)

1、一种波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在n型磷化铟衬底上外延生长多量子阱层结构，作为该激光器的有源区，该结构包括依次生长的：下光限制层、MQW结构、上光限制层、磷化铟层、铟镓砷磷刻蚀阻止层、磷化铟层和铟镓砷层；
2)在多量子阱层结构上生长氮化硅介质膜，用干法刻蚀氮化硅，用来抑制量子阱混合的作用；
3)在多量子阱层结构上生长二氧化硅介质膜，用湿法刻蚀，用来增强量子阱混合的作用；
4)快速退火；
5)掩膜光刻，保留一条氮化硅和二氧化硅介质膜，然后大面积腐蚀掉基片上的氮化硅和二氧化硅介质膜；
6)用选择腐蚀方法，去掉铟镓砷层、磷化铟层和铟镓砷磷刻蚀阻止层；
7)在磷化铟层上光刻，开出光栅窗口，保留有源区上的磷化铟层，腐蚀掉光栅窗口中的磷化铟层，然后在光栅窗口内的上光限制层表面大面积做均匀光栅；
8)选择腐蚀磷化铟层，然后外延光栅盖层和电极接触层；
9)光刻出单脊形条，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；
10)溅射P面电极和N面电极。
2、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中激光器有源区的长度在300μm，布拉格光栅区长度在150μm～250μm，隔离沟宽度为50μm。
3、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中所述的快速退火是在氮气的保护下，温度为750℃，退火时间为80秒。
4、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中掩膜光刻，在基片上保留一条氮化硅和二氧化硅介质膜，然后大面积腐蚀掉基片上的氮化硅和二氧化硅介质膜，用来为开光栅区作标记。
5、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中用磷化铟做光栅的掩膜层，厚度为150nm。
6、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，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。
7、根据权利要求1所述的波长可调谐分布布拉格反射半导体激光器的制作方法，其特征在于，其中单脊形波导结构的有源区、隔离区和光栅区宽度为1.5～5μm。
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