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一種DFB半導(dǎo)體激光器的制作方法

文檔序號(hào):11553858閱讀:652來源:國知局
一種DFB半導(dǎo)體激光器的制造方法與工藝

本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光器,具體涉及一種DFB半導(dǎo)體激光器。



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,本實(shí)用新型提供了一種DFB半導(dǎo)體激光器。

本實(shí)用新型提出的技術(shù)方案如下。

一種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,其中,每個(gè)激光器具有的脊型波導(dǎo)相互獨(dú)立,所述管芯還包括金屬覆蓋區(qū)域,所述金屬覆蓋區(qū)域位于所述脊型波導(dǎo)的上表面,每個(gè)脊型波導(dǎo)由各自對(duì)應(yīng)的激光器焊盤單獨(dú)供電。

進(jìn)一步地,所述脊型波導(dǎo)位于所述管芯的中間位置。

進(jìn)一步地,所述脊型波導(dǎo)包括:InP光柵覆蓋層、P-InP過渡層、P-InGaAsP過渡層和P-InGaAs重?fù)诫s層。

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

進(jìn)一步地,制備所述管芯的外延片采用波導(dǎo)和有源區(qū)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地,所述外延片表面的光柵層上制備有均勻的部分光柵。

進(jìn)一步地,所述光柵遠(yuǎn)離管芯的出光端面和背光端面一段距離。

進(jìn)一步地,所述外延片包括:N-InP襯底、N-InP緩沖層、InAlGaAs下波導(dǎo)層、AlGaInAs多量子阱有源層、InAlGaAs上波導(dǎo)層、P-InP過渡層、P-InGaAsP過渡層、P-InP空間層、InGaAsP光柵層和InP保護(hù)層。

進(jìn)一步地,所述InAlGaAs下波導(dǎo)層和InAlGaAs上波導(dǎo)層為禁帶寬度和折射率漸變的波導(dǎo)層。

本實(shí)用新型的有益效果:

本實(shí)用新型提出的DFB半導(dǎo)體激光器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,工藝簡便,可較快導(dǎo)入生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型提出的DFB半導(dǎo)體激光器制備方法的工藝流程圖;

圖2為本實(shí)用新型提出的DFB半導(dǎo)體激光器中含光柵的外延結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為本實(shí)用新型提出的DFB半導(dǎo)體激光器的芯片結(jié)構(gòu)圖;

圖4為本實(shí)用新型提出的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,W:管芯寬度。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型的目的、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)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉,本實(shí)用新型并不局限于附圖和以下實(shí)施例。

本實(shí)用新型提出的一種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;

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InGaAsP光柵層9和InP保護(hù)層,從而完成一次生長;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,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外延爐生長腔體內(nèi),生長InP光柵覆蓋層10,然后生長P-InP過渡層11和P-InGaAsP過渡層12,最后生長P-InGaAs重?fù)诫s層13,從而完成外延生長(即二次生長);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。

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

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