一种DFB半导体激光器制备方法及激光器与流程

本发明涉及一种半导体激光器，具体涉及一种DFB(分布式反馈)半导体激光器制备方法及激光器。

背景技术：

在光纤通信中，半导体激光器由于体积小、效率高、功耗低、易于集成等优点，已经成为光通信领域中的核心信号发射源，在半导体激光器中DFB激光器由于其单模输出，输出光谱窄，有效地降低了光在光纤中传输而引起的色散展宽，非常适合于应用在高速调制和长距离光纤通信中。

对于DFB半导体激光器来说，目前主要的方法是在外延材料的光栅层上通过双光束全息曝光方法制备周期均匀性的光栅，再通过MOCVD生长技术掩埋光栅，完成外延片的制作。该制备工艺都需要二次生长技术，增加了制备的难度。另一方面，在实际应用中不管是封装的TO-CAN器件还是Butterfly器件，其封装内部除了常规的DFB激光器外，在激光器的背光处需要PD芯片，用来间接监测激光器工作情况。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种DFB半导体激光器制备方法及制得的激光器，利用单芯片集成腔外光栅和探测器的技术，避免了二次生长和需要额外添加PD芯片的成本，使得工艺简化，有效降低器件整体成本。

本发明提出的技术方案如下。

一种DFB半导体激光器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S11、制备基片：在衬底层上形成量子阱结构和外延结构，制成基片；

步骤S12、制备脊型波导结构：在步骤S11制备的基片表面靠近出光端面的区域腐蚀形成脊型波导结构；

步骤S13、制备腔外结构：在经过步骤S12的基片表面靠近脊型波导结构的区域形成刻蚀到衬底层的周期性均匀光栅；并在靠近背光端面的区域形成探测器，探测器靠近光栅。

进一步地，还包括：步骤S14、制备单颗管芯：采用BCB对光栅进行覆盖，制备电极，最后对出光端面蒸镀高透膜，对背光端面蒸镀高反膜。

进一步地，步骤S11包括以下步骤：在N-InP衬底层上，通过MOCVD依次外延生长N-InP缓冲层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs多量子阱有源层、AlGaInAs上波导层、P-InP间隔层、P-InGaAsP腐蚀停止层、P-InP空间层、P-InGaAsP过渡层、P⁺-InGaAs重掺杂欧姆接触层和P-InP保护层。

进一步地，步骤S12包括以下步骤：

采用HCl进行漂洗，腐蚀除去基片表面的P-InP保护层，用去离子水冲洗，氮气吹干，PECVD沉积SiO₂介质层；

在靠近管芯出光端面的区域，光刻形成脊型图案，RIE刻蚀SiO₂介质层，去胶；依次使用Br:HBr:H₂O溶液和H₃PO₄:HCl溶液进行脊型控制腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP腐蚀停止层形成脊型波导结构。

进一步地，步骤S13包括以下步骤：

光刻在激光器腔外的区域内，干法刻蚀形成光栅图案，光栅周期控制在3.75μm左右，其中在一个光栅周期内InP的长度为1.17μm左右，采用Cl₂:CH₄:H₂气体对光栅进行ICP刻蚀，刻蚀深度控制在5μm左右，在激光器腔外相邻区域形成周期均匀光栅。

进一步地，步骤S13还包括以下步骤：在10％HF溶液中漂洗去除刻蚀表面氧化层，在HBr:Br₂：H₂O溶液中腐蚀去除干法刻蚀引起的表面材料缺陷；去除表面介质层，PECVD生长SiO₂钝化层。

进一步地，AlGaInAs下波导层和AlGaInAs上波导层采用组分渐变材料，通过调整材料组分实现对载流子和光子的限制。

进一步地，脊型波导结构的脊深约1.8μm，上下脊宽分别约为2.0μm和1.8μm。

进一步地，出光端面电子束蒸镀一对Si/Al₂O₃高透膜；背光端面蒸发两对Al₂O₃/Si高反膜。

本发明还提出一种根据如前任一项所述的DFB半导体激光器制备方法制得的DFB半导体激光器，包括：脊型波导激光器、光栅和探测器，其中脊型波导激光器位于基片表面靠近出光端面的区域，光栅和探测器位于脊型波导激光器的腔外，光栅刻蚀到衬底层并靠近脊型波导激光器，探测器位于基片表面靠近背光端面的区域，并靠近光栅。

本发明的有益效果：

本发明采用InP基底片在其上面生长缓冲层、波导结构有源区层、腐蚀停止层、空间层、电接触层等形成基片，对基片进行工艺制备，即在单颗管芯内，在靠近出光端区域制备脊型波导结构激光器；在背光区域，与RWG激光器相邻的区域采用ICP干法刻蚀，实现RWG激光器腔外的周期性光栅，其光栅刻蚀到衬底层，在光栅靠近背光端面为探测器；采用BCB对光栅进行覆盖，起到保护光栅的作用；制备电极，最后对出光端面蒸镀高透膜，对背光端面蒸镀高反膜，形成了集成腔外光栅和探测器为一体的DFB半导体激光器，该器件制备同时具备了激光输出和背光监测的功能。

本发明通过采用在激光器腔外单芯片集成了光栅和探测器，与常规的DFB半导体激光器相比，无需光栅的二次掩埋生长；对于器件应用来说无需外加的背光探测器芯片，能有效降低器件成本。

附图说明

图1为本发明提出的DFB半导体激光器制备方法的流程框图；

图2为本发明提出的DFB半导体激光器的外延片结构图；

图3为本发明提出的DFB半导体激光器的正面结构示意图；

图4为本发明提出的DFB半导体激光器的侧面结构示意图。

附图标记说明：

1：N-InP衬底层，2：N-InP缓冲层，3：AlGaInAs下波导层，4：AlGaInAs多量子阱有源层，5：AlGaInAs上波导层，6：P-InP间隔层，7：P-InGaAsP腐蚀停止层；8：P-InP空间层，9：P-InGaAsP过渡层，10：P⁺-InGaAs重掺杂欧姆接触层，11：P-InP保护层，12：脊型波导激光器，13：光栅，14：探测器，15：激光器金属覆盖区域，16：探测器金属覆盖区域，17：BCB，L1：脊型波导结构激光器的腔长，L2：腔外光栅的长度，L3：探测器的长度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明提出的一种DFB半导体激光器的制备方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤S11、制备基片：在N-InP衬底层上，MOCVD(金属有机化学汽相沉积法)形成量子阱结构和外延结构，如图2所示；

步骤S12、制备脊型波导结构：在步骤S11制备的基片表面上进行光刻，湿法腐蚀，在靠近出光端面的区域腐蚀形成脊型波导(RWG，ridge waveguide)结构，如图3和图4所示，图3中箭头所示的方向为出光方向；

步骤S13、制备腔外结构：在经过步骤S12的基片表面靠近脊型波导结构的区域采用干法刻蚀，在RWG激光器12腔外形成刻蚀到衬底层的周期性均匀光栅13；并在光栅13靠近背光端面的区域形成探测器14，如图3和图4所示；

步骤S14、制备单颗管芯：在光栅表面覆盖BCB(苯并环丁烯树脂)17，如图4所示，光刻，在脊型波导上方和探测器14表面开孔，蒸发正面金属；减薄，蒸发背面金属，合金形成PN面欧姆接触；解条，在出光端面蒸镀高透膜，在背光端面蒸镀高反膜，解离形成单颗管芯。

其中，步骤S11包括以下步骤：在两英寸N-InP衬底层1上，通过MOCVD(金属有机化学汽相沉积法)依次外延生长N-InP缓冲层2、AlGaInAs下波导层3、AlGaInAs多量子阱有源层4、AlGaInAs上波导层5、P-InP间隔层6、P-InGaAsP腐蚀停止层7、P-InP空间层8、P-InGaAsP过渡层9、P⁺-InGaAs重掺杂欧姆接触层10和P-InP保护层11，如图2所示。

其中，N-InP缓冲层2的厚度可以为800nm；

AlGaInAs下波导层3的厚度可以为60nm，其中AlGaInAs下波导层3采用组分渐变材料，通过调整材料组分实现对载流子和光子的限制；

AlGaInAs多量子阱有源层4含有4个AlGaInAs量子阱的有源区，量子阱厚度8nm，光致发光波长1525nm左右；

AlGaInAs上波导层5与AlGaInAs下波导层3组分渐变类似；

P-InP间隔层6的厚度为100nm；

P-InGaAsP腐蚀停止层7的厚度为30nm；

P-InP空间层8的厚度为1600nm；

P-InGaAsP过渡层9的厚度为50nm；

P⁺-InGaAs重掺杂欧姆接触层10作为电接触层，其厚度可以为150nm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3；

P-InP保护层11的厚度为10nm。

步骤S12可以包括以下步骤：

采用HCl进行漂洗，腐蚀除去基片表面的P-InP保护层11，用去离子水冲洗，氮气吹干，PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)沉积150nm SiO₂介质层；

在靠近管芯出光端面250μm区域，光刻形成脊型图案，RIE刻蚀SiO₂，去胶；依次使用Br:HBr:H₂O溶液和H₃PO₄:HCl溶液进行脊型控制腐蚀，腐蚀至P-InGaAsP腐蚀停止层7形成激光器12的脊型波导结构。

优选地，脊型结构的脊深约1.8μm，上下脊宽分别约为2.0μm和1.8μm。

步骤S13可以包括以下步骤：

光刻在激光器腔外的50μm区域内干法刻蚀形成光栅图案，光栅周期控制在3.75μm左右，其中在一个光栅周期内InP的长度为1.17μm左右，采用Cl₂:CH₄:H₂气体对光栅进行ICP刻蚀，刻蚀深度控制在5μm左右，在激光器腔外相邻区域形成周期均匀光栅。

同时在芯片的另一端区域约100um左右，该段区域含有完整的外延结构和有源区，当在其表面加方向偏压时，对于透过光栅的光进入探测器时在有源区内载流子会吸收光跃迁从而产生光电流，起到了背光检测的作用。接着对形成光栅的InP基材料进行表面处理：用10％HF溶液中漂洗5s，去除表面氧化物，去离子水冲洗；用HBr:Br₂：H₂O溶液漂洗10s，去除由于干法刻蚀引起的表面材料缺陷，去离子水冲洗，氮气吹干；去除表面介质层，PECVD沉积400nm SiO₂钝化层。

其中光栅周期的设置方法为：

在光通信波段InP半导体材料和BCB的折射率分别在3.3和1.5左右，DFB光栅和激射波长满足如下关系式：

其中Λ_InP和Λ_BCB分别为在一个光栅周期内InP和BCB的长度，n_InP和n_BCB分别为InP和BCB的折射率，m为光栅级数，λ为激光器工作波长。如果m＝10，可以算出当激光器工作在1550nm波长时，在一个周期内InP和BCB的长度分别是：1.17μm和2.58μm，光栅周期为3.75μm。

优选地，单颗管芯腔长为400μm，其中靠近出光端面的脊型波导结构激光器腔长为250μm，与激光器相连的腔外光栅为50μm长；探测器区域长度为100μm；管芯宽度为250μm。

步骤S14可以包括以下步骤：BCB匀胶，BCB前烘，光刻，BCB显影前烘，显影去除激光器表面和探测表面BCB胶，BCB显影后烘，采用组合变温温度对BCB进行固化处理，形成了BCB和半导体材料构成的均匀光栅，BCB对材料起到保护作用。匀胶，再次光刻，对激光器12脊型波导表面的激光器金属覆盖区域15和探测器14表面的探测器金属覆盖区域16进行开孔，刻蚀开孔区域表面SiO₂层，对开孔区域表面进行处理，电子束蒸发P面金属Ti/Pt/Au(50nm/50nm/800nm)，将N面物理研磨减薄至100-110μm，电子束蒸发N面金属Ti/Pt/Au(50nm/100nm/600nm)，将样品放置快速退火炉中进行合金：N₂氛围中400℃合金50s；解离成巴(bar)条，bar条腔长400μm；最后蒸镀端面光学膜：出光面电子束蒸镀一对Si/Al₂O₃高透膜，反射率控制在2％左右，用来减弱腔面的反馈作用；背光面蒸发两对Al₂O₃/Si高反膜，主要是为了保护探测器芯片端面并提高光反射，反射率控制在90％左右；测试，解离，完成芯片制备。

本发明还提出了一种根据DFB半导体激光器的制备方法制得的激光器，如图2、图3和图4所示，包括：脊型波导激光器12、光栅13和探测器14，其中脊型波导激光器12位于基片表面靠近出光端面的区域，光栅13刻蚀到N-InP衬底层1并靠近脊型波导激光器12，探测器14位于基片表面靠近背光端面的区域，并靠近光栅13。

光栅13表面覆盖有BCB 17，如图4所示。

所述基片包括在N-InP衬底层1上，通过MOCVD(金属有机化学汽相沉积法)依次外延生长的N-InP缓冲层2、AlGaInAs下波导层3、AlGaInAs多量子阱有源层4、AlGaInAs上波导层5、P-InP间隔层6、P-InGaAsP腐蚀停止层7、P-InP空间层8、P-InGaAsP过渡层9、P⁺-InGaAs重掺杂欧姆接触层10和P-InP保护层11，如图2所示。

其中，N-InP缓冲层2的厚度可以为800nm；

AlGaInAs下波导层3的厚度可以为60nm，其中AlGaInAs下波导层3采用组分渐变材料，通过调整材料组分实现对载流子和光子的限制；

AlGaInAs多量子阱有源层4含有4个AlGaInAs量子阱的有源区，量子阱厚度8nm，光致发光波长1525nm左右；

AlGaInAs上波导层5与AlGaInAs下波导层3组分渐变类似；

P-InP间隔层6的厚度为100nm；

P-InGaAsP腐蚀停止层7的厚度为30nm；

P-InP空间层8的厚度为1600nm；

P-InGaAsP过渡层9的厚度为50nm；

P⁺-InGaAs重掺杂欧姆接触层10作为电接触层，其厚度可以为150nm，掺杂浓度大于1×10¹⁹cm^-3；

P-InP保护层11的厚度为10nm。

优选地，脊型波导结构的脊深约1.8μm，上下脊宽分别约为2.0μm和1.8μm。

优选地，单颗管芯腔长为400μm，其中靠近出光端面的脊型波导结构激光器12腔长L1为250μm，与激光器12相连的腔外光栅13长度L2为50μm；探测器14长度L3为100μm；管芯宽度为250μm。

优选地，出光端面电子束蒸镀一对Si/Al₂O₃高透膜，反射率控制在2％左右，用来减弱腔面的反馈作用；背光端面蒸发两对Al₂O₃/Si高反膜，主要是为了保护探测器芯片端面并提高光反射，反射率控制在90％左右。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。