本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，具體涉及一種DFB半導(dǎo)體激光器制備方法及制得的激光器。

背景技術(shù)：

隨著光纖通信的迅速發(fā)展，單縱模和高速直調(diào)器件成為未來光通信領(lǐng)域里的主流光器件，是長(zhǎng)距離和大容量光纖通信的關(guān)鍵器件。其廣泛應(yīng)用在光纖到戶、數(shù)據(jù)中心、有線電視以及微波光子領(lǐng)域。

分布反饋式(DFB，distributed feedback)半導(dǎo)體激光器激光器為一種邊發(fā)射的半導(dǎo)體激光器，通過在激光器內(nèi)部制備周期性分布的光柵對(duì)光進(jìn)行耦合和選模，實(shí)現(xiàn)單模輸出。目前在單模半導(dǎo)體激光器制備過程中其采用的方法大致有如下幾種：(1)1/4波長(zhǎng)相移光柵，該結(jié)構(gòu)制作復(fù)雜，并且成品率低，同時(shí)對(duì)兩個(gè)端面鍍完減反膜后，其單邊的輸出功率低，不利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；(2)采用增益或損耗耦合型光柵，該方法能實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)品率，但其在有源區(qū)引入了材料缺陷，容易產(chǎn)生產(chǎn)品長(zhǎng)期工作的可靠性問題，目前該方法還未見批量的生產(chǎn)報(bào)道；(3)目前生產(chǎn)上較為常用的是采用折射率耦合型光柵，實(shí)現(xiàn)DFB器件的制備，制備該器件要綜合考慮到光柵的位置、耦合系數(shù)，以及光柵和材料增益譜線的匹配情況；即便是解決了如上的問題，對(duì)于折射率耦合光柵來說由于其芯片解離采用機(jī)械解離，因此光柵在端面會(huì)留下隨機(jī)的相位，這些隨機(jī)相位的光柵對(duì)反射光的影響導(dǎo)致了目前DFB器件良率低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種DFB半導(dǎo)體激光器制備方法及制得的激光器。

本發(fā)明提出的技術(shù)方案如下。

一種DFB半導(dǎo)體激光器制備方法，包括以下步驟：

步驟S11、制備外延片：外延片采用波導(dǎo)和有源區(qū)結(jié)構(gòu)；

步驟S12、制備基片：在外延片表面的光柵層上制備均勻的部分光柵，并對(duì)光柵進(jìn)行掩埋生長(zhǎng)；

步驟S13、制備脊型波導(dǎo)：對(duì)基片進(jìn)行脊型控制腐蝕，制備多個(gè)脊型波導(dǎo)。

進(jìn)一步地，還包括：

步驟S14、制備芯片：將步驟S13制得的樣品依次經(jīng)脊型波導(dǎo)區(qū)域開孔、P面金屬鍍膜、物理研磨減薄、N面金屬鍍膜、合金后進(jìn)行解離，然后在出光端面和背光端面蒸鍍光學(xué)膜。

進(jìn)一步地，步驟S11包括如下步驟：

在N-InP襯底上，通過MOCVD外延生長(zhǎng)N-InP緩沖層；

在N-InP緩沖層生長(zhǎng)禁帶寬度和折射率漸變的InAlGaAs下波導(dǎo)層；

在InAlGaAs下波導(dǎo)層上生長(zhǎng)AlGaInAs多量子阱有源層；

在AlGaInAs多量子阱有源層上生長(zhǎng)InAlGaAs上波導(dǎo)層；

在InAlGaAs上波導(dǎo)層上依次生長(zhǎng)低摻雜的P-InP過渡層和P-InGaAsP過渡層；

在P-InGaAsP過渡層上生長(zhǎng)低摻雜P-InP空間層；

在P-InP空間層上依次生長(zhǎng)InGaAsP光柵層和InP保護(hù)層，從而完成一次生長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，步驟S12包括以下步驟：

采用部分光柵光刻板，將靠近出光端面和背光端面一段區(qū)域內(nèi)的光刻膠去掉；

采用雙光束全息方法制備均勻光柵，采用攪拌腐蝕方法形成周期均勻光柵；

對(duì)光柵表面進(jìn)行清洗處理；

放入MOCVD外延爐中在光柵表面依次生長(zhǎng)InP光柵覆蓋層、P-InP過渡層和P-InGaAsP過渡層和P-InGaAs重?fù)诫s層，從而完成二次生長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，步驟S13包括以下步驟：

采用PECVD沉積SiO₂介質(zhì)層，光刻；

采用H₂SO₄:H₂O₂:H₂O腐蝕液腐蝕基片表面的P-InGaAs重?fù)诫s層和P-InGaAsP過渡層，接著采用H₃PO₄:HCl腐蝕至InP光柵覆蓋層，形成多個(gè)脊型波導(dǎo)；

去除表面SiO₂介質(zhì)層，再次PECVD沉積SiO₂鈍化層。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)脊型波導(dǎo)為四個(gè)脊型波導(dǎo)。

進(jìn)一步地，對(duì)每個(gè)脊型波導(dǎo)采用單獨(dú)供電的方式進(jìn)行供電。

一種根據(jù)如前任一項(xiàng)所述的方法制得的DFB半導(dǎo)體激光器，所述DFB半導(dǎo)體激光器為包含多個(gè)激光器的單顆管芯，多個(gè)激光器各自的脊型波導(dǎo)相互獨(dú)立，每個(gè)脊型波導(dǎo)由對(duì)應(yīng)的激光器焊盤單獨(dú)供電。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)脊型波導(dǎo)位于管芯的中間位置。

進(jìn)一步地，所述管芯還包括金屬覆蓋區(qū)域，金屬覆蓋區(qū)域位于脊型波導(dǎo)的上表面。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器制備方法，采用的外延片為光通信波段InP基半導(dǎo)體激光器外延片，對(duì)一次外延片進(jìn)行部分光柵制作和二次生長(zhǎng)形成基片的結(jié)構(gòu)，采用脊型工藝制備高良率的DFB半導(dǎo)體激光器。在制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)在單顆管芯靠近其中間位置制備四個(gè)脊型波導(dǎo)，四個(gè)脊型波導(dǎo)相互獨(dú)立，并且有各自的電流注入?yún)^(qū)域，其中只要有一個(gè)脊型波導(dǎo)的出光特性合格，則該管芯合格，由此制備的芯片工藝簡(jiǎn)便、與常規(guī)工藝兼容，能大幅有效地提高DFB半導(dǎo)體激光器的成品率。并且，在光柵制備時(shí)，采用部分的均勻光柵工藝，在靠近芯片出光端面和背光端面處的一段區(qū)域不制備光柵，這樣處理能避免由于機(jī)械解離光柵而產(chǎn)生的端面光柵隨機(jī)相位問題，提高成品率。另外，通過對(duì)打點(diǎn)區(qū)域的識(shí)別可以對(duì)不同管芯進(jìn)行分類，工藝簡(jiǎn)便，可較快導(dǎo)入生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器制備方法的工藝流程圖；

圖2為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器中含光柵的外延結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器的芯片結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器中管芯鍍完金屬膜后的芯片結(jié)構(gòu)圖。

附圖標(biāo)記說明：

1：N-InP襯底，2：N-InP緩沖層，3：InAlGaAs下波導(dǎo)層，4：多量子阱有源層，5：InAlGaAs上波導(dǎo)層，6：P-InP過渡層，7：P-InGaAsP過渡層，8：P-InP空間層，9：InGaAsP光柵層，10：InP光柵覆蓋層，11：P-InP過渡層，12：P-InGaAsP過渡層，13：P-InGaAs重?fù)诫s層，14：脊型波導(dǎo)，15：脊型波導(dǎo)，16：脊型波導(dǎo)，17：脊型波導(dǎo)，18：激光器焊盤，19：激光器焊盤，20：激光器焊盤，21：激光器焊盤，L：管芯腔長(zhǎng)，W：管芯寬度。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，本發(fā)明并不局限于附圖和以下實(shí)施例。

本發(fā)明提出的一種DFB半導(dǎo)體激光器制備方法如圖1所示，包括以下步驟：

步驟S11、制備外延片：外延片采用波導(dǎo)和有源區(qū)結(jié)構(gòu)，可以提高增益，降低損耗；

步驟S12、制備基片：去除外延片表面的保護(hù)層，在外延片表面的光柵層上制備均勻的部分光柵，并對(duì)光柵進(jìn)行掩埋生長(zhǎng)；

步驟S13、制備脊型波導(dǎo)：采用濕法腐蝕工藝進(jìn)行脊型控制腐蝕，實(shí)現(xiàn)四個(gè)脊型波導(dǎo)的制備；

步驟S14、制備芯片：對(duì)樣品進(jìn)行常規(guī)工藝制作，依次經(jīng)脊型波導(dǎo)區(qū)域開孔、P面金屬鍍膜、物理研磨減薄、N面金屬鍍膜、合金后進(jìn)行解離，然后在出光和背光端面蒸鍍光學(xué)膜。

其中，步驟S11可以包括如下步驟：

在N-InP襯底1上，通過MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法)外延生長(zhǎng)N-InP緩沖層2,N-InP緩沖層2的厚度可以為1μm；

在N-InP緩沖層2上生長(zhǎng)禁帶寬度和折射率漸變的InAlGaAs下波導(dǎo)層3，其中InAlGaAs下波導(dǎo)層3的折射率和禁帶寬度呈線性變化，并且越靠近有源區(qū)禁帶寬度越窄，折射率越大，折射率增加起到光波導(dǎo)的作用，禁帶寬度變小起到對(duì)載流子的限制作用；InAlGaAs下波導(dǎo)層3可以為N-InAlGaAs下波導(dǎo)層，其厚度可以為60nm；

在InAlGaAs下波導(dǎo)層3上生長(zhǎng)AlGaInAs多量子阱有源層4，采用AlGaInAs多量子阱能夠有效提高導(dǎo)帶量子阱和勢(shì)壘的能量差，提高載流子限制能力，并提高芯片高溫下的注入效率，提高其特征溫度；AlGaInAs多量子阱有源層4可以為四對(duì)周期為14nm的AlGaInAs應(yīng)變多量子阱；

在AlGaInAs多量子阱有源層4上生長(zhǎng)InAlGaAs上波導(dǎo)層5，InAlGaAs上波導(dǎo)層5的折射率和禁帶寬度變化與InAlGaAs下波導(dǎo)層3類似；InAlGaAs上波導(dǎo)層5的厚度為60nm；

在InAlGaAs上波導(dǎo)層5上依次生長(zhǎng)低摻雜的P-InP過渡層6和P-InGaAsP過渡層7，主要是為了降低摻雜層對(duì)載流子和光場(chǎng)的損耗，提高增益；其中P-InP過渡層6的厚度可以為80nm，P-InGaAsP過渡層7的厚度可以為20nm；

在P-InGaAsP過渡層7上生長(zhǎng)低摻雜P-InP空間層8，P-InP空間層8的厚度可以為30nm；

在P-InP空間層8上依次生長(zhǎng)InGaAsP光柵層9和InP保護(hù)層，從而完成一次生長(zhǎng)；其中InGaAsP光柵層9可以為P-InGaAsP光柵層，厚度可以為30nm；InP保護(hù)層厚度可以為10nm。

步驟S12可以采用HCl腐蝕掉外延片表面的InP保護(hù)層后，在InGaAsP光柵層9上制備均勻的部分光柵，完成外延生長(zhǎng)，如圖2所示。具體步驟可以為：

勻膠后，采用部分光柵光刻板，將距離管芯出光端面和背光端面各20um區(qū)域內(nèi)的光刻膠去掉，從而顯影掉無光柵區(qū)域光刻膠；

采用雙光束全息方法制備均勻光柵，采用HBr：HNO₃：H₂O溶液在0℃溫度下進(jìn)行攪拌腐蝕形成周期均勻光柵；制備的芯片腔長(zhǎng)可以為250um，在靠近出光端面和背光端面各20um的區(qū)域內(nèi)無光柵，其余部分為均勻光柵；

去除光柵表面的光刻膠和介質(zhì)層，對(duì)光柵表面進(jìn)行KOH和HF溶液的清洗，然后用異丙醇清洗，去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑?/p>

放入MOCVD外延爐生長(zhǎng)腔體內(nèi)，生長(zhǎng)InP光柵覆蓋層10，然后生長(zhǎng)P-InP過渡層11和P-InGaAsP過渡層12，最后生長(zhǎng)P-InGaAs重?fù)诫s層13，從而完成外延生長(zhǎng)(即二次生長(zhǎng))；其中，InP光柵覆蓋層10可以為P-InP光柵覆蓋層，厚度可以為1.5μm；P-InP過渡層11和P-InGaAsP過渡層12的總厚度可以為50nm；P-InGaAs重?fù)诫s層13作為電接觸層，摻雜濃度可以為2×10¹⁹cm^-3，厚度可以為200nm。

步驟S13可以采用濕法腐蝕工藝進(jìn)行脊型控制腐蝕，實(shí)現(xiàn)四個(gè)脊型波導(dǎo)的制備，如圖3所示。具體步驟可以為：

采用PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)沉積200nm SiO₂介質(zhì)層，光刻；

在脊型控制腐蝕過程中，采用H₂SO₄:H₂O₂:H₂O腐蝕液腐蝕基片表面的P-InGaAs重?fù)诫s層13和P-InGaAsP過渡層12，接著采用H₃PO₄:HCl腐蝕至InP光柵覆蓋層10，形成四個(gè)脊型波導(dǎo)14、15、16、17。其中，四個(gè)脊型波導(dǎo)在芯片中間呈對(duì)稱分布，脊型波導(dǎo)尺寸控制在上脊寬約2.0μm，下脊寬約1.8μm，脊型波導(dǎo)的兩側(cè)槽寬約15um，相鄰脊型波導(dǎo)之間的間隔可以有效避免波導(dǎo)間的相互影響；脊深約1.7μm；

去除表面SiO₂介質(zhì)層，再次PECVD沉積350nm SiO₂鈍化層。

步驟S14可以依次采用以下工藝：光刻形成解個(gè)區(qū)，光刻，脊型頂部開孔，放入電子束蒸發(fā)腔體蒸發(fā)P面金屬Ti/Pt/Au(500/500/)；物理研磨減薄N型層至厚度在110um左右，下片進(jìn)行背面處理，電子束蒸發(fā)N面金屬Ti/Pt/Au(500/1000/)，在420℃溫度下合金55s，解離成巴(bar)條，蒸鍍端面光學(xué)薄膜，出光面(AR)采用一對(duì)Si/Al₂O₃高反膜實(shí)現(xiàn)2％左右的反射率，背光面(HR)采用兩對(duì)Al₂O₃/Si高透膜實(shí)現(xiàn)90％左右的反射率，從而完成芯片制備，測(cè)試解離成單顆管芯。

圖4中脊型波導(dǎo)表面為金屬覆蓋區(qū)域，箭頭所示為出光方向。對(duì)于四個(gè)脊型波導(dǎo)，其波導(dǎo)上脊開孔在金屬覆蓋區(qū)域以下，因此四個(gè)脊型波導(dǎo)的電注入分別獨(dú)立，圖4中左右各兩個(gè)金屬焊盤區(qū)域，即激光器焊盤18、19、20、21，分別為四個(gè)獨(dú)立的激光器供電。

本方法采用部分光柵的工藝在芯片端面避免了解離而引起的隨機(jī)光柵相位，優(yōu)化了成品率，同時(shí)在單顆管芯上實(shí)現(xiàn)了四個(gè)相互獨(dú)立的激光器，使得其中有一個(gè)激光器正常工作這該管芯即合格，很大程度地提高了DFB激光器的成品良率。

本發(fā)明還提出一種通過上述方法制得的DFB半導(dǎo)體激光器，如圖2、圖3和圖4所示，所述DFB半導(dǎo)體激光器為包含多個(gè)激光器的單顆管芯，多個(gè)激光器各自的脊型波導(dǎo)相互獨(dú)立，每個(gè)脊型波導(dǎo)由對(duì)應(yīng)的激光器焊盤單獨(dú)供電，從而使得多個(gè)激光器相互獨(dú)立，因此只要其中一個(gè)激光器正常工作，該管芯即為合格，很大程度地提高了DFB激光器的成品良率。

另外，所述多個(gè)脊型波導(dǎo)位于管芯的中間位置，在管芯靠近出光端面和背光端面處的一段區(qū)域不制備光柵，這種采用部分光柵的工藝在芯片端面避免了解離而引起的隨機(jī)光柵相位，優(yōu)化了成品率。

優(yōu)選地，管芯包括四個(gè)脊型波導(dǎo)14、15、16、17。

其中，四個(gè)脊型波導(dǎo)在芯片中間呈對(duì)稱分布，脊型波導(dǎo)尺寸控制在上脊寬約2.0μm，下脊寬約1.8μm，脊型波導(dǎo)的兩側(cè)槽寬約15um，相鄰脊型波導(dǎo)之間的間隔可以有效避免波導(dǎo)間的相互影響；脊深約1.7μm。

優(yōu)選地，管芯腔長(zhǎng)L為250μm，寬度W為300μm。

優(yōu)選地，距離管芯出光端面和背光端面20um的區(qū)域內(nèi)不制備光柵。

所述管芯依次包括N-InP襯底1、N-InP緩沖層2、InAlGaAs下波導(dǎo)層3、多量子阱有源層4、InAlGaAs上波導(dǎo)層5、P-InP過渡層6、P-InGaAsP過渡層7、P-InP空間層8、InGaAsP光柵層9、InP光柵覆蓋層10、P-InP過渡層11、P-InGaAsP過渡層12和P-InGaAs重?fù)诫s層13，如圖3所示。InP光柵覆蓋層10、P-InP過渡層11、P-InGaAsP過渡層12和P-InGaAs重?fù)诫s層13構(gòu)成脊型波導(dǎo)14、15、16、17。

N-InP襯底1可以為兩英寸。

N-InP緩沖層2的厚度可以為1μm。

InAlGaAs下波導(dǎo)層3可以為N-InAlGaAs下波導(dǎo)層，其厚度可以為60nm；InAlGaAs下波導(dǎo)層3的折射率和禁帶寬度呈線性變化，并且越靠近有源區(qū)禁帶寬度越窄，折射率越大，折射率增加起到光波導(dǎo)的作用，禁帶寬度變小起到對(duì)載流子的限制作用。

AlGaInAs多量子阱有源層4可以為四對(duì)周期為14nm的AlGaInAs應(yīng)變多量子阱。

InAlGaAs上波導(dǎo)層5的折射率和禁帶寬度變化與InAlGaAs下波導(dǎo)層3類似；InAlGaAs上波導(dǎo)層5的厚度為60nm；

P-InP過渡層6的厚度可以為80nm，P-InGaAsP過渡層7的厚度可以為20nm。

P-InP空間層8的厚度可以為30nm。

InGaAsP光柵層9可以為P-InGaAsP光柵層，厚度可以為30nm。

InP光柵覆蓋層10可以為P-InP光柵覆蓋層，厚度可以為1.5μm。

P-InP過渡層11和P-InGaAsP過渡層12的總厚度可以為50nm。

P-InGaAs重?fù)诫s層13作為電接觸層，摻雜濃度可以為2×10¹⁹cm^-3，厚度可以為200nm。

所述管芯還包括金屬覆蓋區(qū)域，金屬覆蓋區(qū)域位于脊型波導(dǎo)的上表面。

以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明。但是，本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。