CN111181005A - 光通信用掩埋结构高线性dfb激光器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片及其制备方法，步骤如下：（1）在半绝缘衬底上生长所述激光器一次外延结构，采用全息方法制备均匀光栅，并进行光栅的再生长；（2）采用单层SiN做掩膜，形成脊型结构，并采用化学腐蚀方法形成脊波导，接着对脊波导的表面进行处理，在外延设备中依次完成电流阻挡层和最后生长；（3）在样品表面制备P型和N型电极，形成共面电极结构，接着对激光器进行后续工艺制备完成芯片制备工艺。本发明通过对外延结构、材料生长的表面处理、芯片结构等方面进行优化调整，来实现含Al材料掩埋结构激光器的制备，并有效改善激光器可靠性优化、优化载流子注入过程、改善发热和高温性能。
Description
技术邻域：
本发明涉及一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片及其制备方法，特别是通过对外延结构、材料生长的表面处理、芯片结构等方面进行优化调整，来实现含Al材料掩埋结构激光器的制备，并有效改善激光器可靠性优化、优化载流子注入过程、改善发热和高温性能。
背景技术：
高线性DFB激光器广泛应用在有线电视、骨干网、空间光通信等领域，通常通过提高激光器的输出功率来改善激光器的线性度，一般采用InP/InGaAsP材料系并使用掩埋结构来制备高线性激光器，然而由于InGaAsP材料结构的特性，使得其高温的载流子限制能力相对较差；AlGaInAs材料由于其更大导带量子阱能级差和更低的价带量子阱能级差，使得高温下的电子限制效果更好，同时重空穴在量子阱中的分布更均匀，从而更加利于提高器件的高温性能；然而在常规应用上由于Al材料暴露空气中存在氧化和可靠性的问题，因此在实际应用中InP/AlGaInAs材料系一般采用脊型结构来制备波导，这也使得这种芯片存在了载流子横向限制能力差的问题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片及其制备方法，该光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片及其制备方法通过对外延结构、材料生长的表面处理、芯片结构等方面进行优化调整，来实现含Al材料掩埋结构激光器的制备，并有效改善激光器可靠性优化、优化载流子注入过程、改善发热和高温性能。
本发明光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：（1）在半绝缘衬底上生长所述激光器一次外延结构，采用全息方法制备均匀光栅，并进行光栅的再生长；（2）采用单层SiN做掩膜，形成脊型结构，并采用化学腐蚀方法形成脊波导，接着对脊波导的表面进行处理，在外延设备中依次完成电流阻挡层生长、去除SiN；接着完成最后生长；（3）在样品表面制备P型和N型电极，形成共面电极结构，接着对激光器进行后续工艺制备完成芯片制备工艺。
进一步的，在步骤（1）中：将两英寸半绝缘InP衬底放入MOCVD腔体中，进行高温的烘烤，并通入PH3，来去除衬底表面的颗粒并改善表面生长质量；接着生长P-InP、N-InP和P-InP结构来进一步抑制电流向衬底的扩散；接着依次生长：N-InP缓冲层、N-InAlAs电子阻挡层、不掺杂AlGaInAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构、不掺杂AlGaInAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层、P-InP保护层，完成一次再生长；接着在片子表面采用全息曝光和化学腐蚀的方法制备均匀光栅，光栅腐蚀深度穿透P-InGaAsP光栅层；接着生长光栅的覆盖层结构：P-InP、P-InGaAs、P-InP，完成光栅的掩埋再生长。
进一步的，在步骤（2）中：通过PECVD沉积400nm SiN，通过光刻、刻蚀和腐蚀的方法形成SiN脊型结构，接着在低温下采用溴素系腐蚀溶液对片子进行各向同性腐蚀，腐蚀深度至N-InP缓冲层；接着将片子在10%HF中腐蚀3min左右，之后将片子去离子水冲洗、氮气吹干，快速放入准备好的MOCVD腔体中；在生长之前依次将片子在三个温度点：450℃、550℃、650℃下高温烘烤，同时通入大量的AsH3/H2气体，温度梯度组合下的高温烘烤过程有效地去除了含Al材料表面的颗粒、脏污和氧化层结构并改善材料生长表面质量，这对于含Al掩埋结构激光器的可靠性改善是关键的一点；接着依次生长P-InP/N-InP/P-InP电流阻挡层形成载流子的横向限制作用；最后去除片子表面介质层，依次生长P-InP空间层、InGaAsP过渡层和P-InGaAs欧姆接触层，完成材料的外延生长。
进一步的，在步骤（3）中：在样品的上表面制备P型和N型电极，形成共面电极，从而有效降低载流子注入路径，提高注入效率降低发热、改善高温特性；具体工艺过程为：在掩埋的脊型两侧采用溴素系腐蚀溶液腐蚀至N型InP缓冲层形成台面结构，台面一侧为沟槽，在沟槽一侧制备脊型开孔形成P面电极，在台面的另一侧制备N面电极，N/P型电极采用相同的Ti/Pt/Au金属，进一步降低成本；最后将制备好的芯片解离成bar条，腔面蒸镀高反和高透光学膜，完成芯片制备。
本发明一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：首先在半绝缘InP衬底上生长P-N-P InP电子阻挡层、N-InP缓冲层、波导结构、应变AlGaInAs多量子阱以及光栅层；接着制备光栅并进行光栅掩埋再生长，采用单层SiN作为掩膜层制备形成脊型结构，接着采用溴素系腐蚀溶液进行脊型结构的腐蚀，腐蚀至衬底层，形成脊波导结构，脊波导上的SiN形成悬臂；将样品放置HF溶液中进行腐蚀，利用SiN腐蚀速率慢的特点来去除脊波导两侧的氧化物；接着将样品快速放至准备好的MOCVD腔体中进行电子阻挡结构再生长，在生长之前采用450℃、550℃、650℃进行片子的烘烤来去除片子表面，特别是含铝材料结构表面的颗粒脏污和氧化层，在烘烤时通入大量的AsH3/H2来抑制AlGaInAs材料中As的挥发；烘烤去除脏污和氧化层，同时改善了样品表面的生长质量，接着生长P-N-P InP电子阻挡层结构；采用HF溶液腐蚀去除样品表面SiN，采用并在MOCVD设备中最后生长P-InP空间层、P-InGaAsP过渡结构和P-InGaAs欧姆接触层完成外延生长；接着制备激光器的电极结构，在脊型结构一侧制备沟槽结构，在脊上开孔形成P面电极；而在脊型的另一侧腐蚀至N-InP缓冲层，制备N型电极，从而形成了N面电极，形成N面和P面电极共面的结构。
本发明光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片，其特征在于：激光器芯片制作过程的初步结构，从下而上依次包括半绝缘InP衬底层、P-InP、N-InP、P-InP电流阻挡结构层和N-InP缓冲层，在N-InP缓冲层上方沿着生长顺序从下到上依次为：N-InAlAs电子阻挡层、AlGaInAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构层、AlGaInAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层、P-InP层、P-InGaAs层和P-InP层；所述P-InP层上设有SiN介质层，所述N-InP缓冲层上部至P-InP层形成脊型波导结构；所述SiN介质层在脊型波导上形成悬臂结构。
进一步的，上述激光器芯片制作过程成型前的结构，包括在初步结构上，在脊型波导结构旁侧从下而上依次生长P-InP电流阻挡层、N-InP电流阻挡层P-InP电流阻挡层，去除SiN介质层后，接着在P-InP电流阻挡层上依次生长P-InP空间层、InGaAsP过渡层和P-InGaAs欧姆接触层，在P-InGaAs欧姆接触层上形成台面结构，在台面设开孔，在台面及台面左侧形成P型电极；在台面右侧的区域开孔形成N型电极。
本发明采用有效的表面处理工艺，并进一步的采用分步骤高温烘烤的工艺来进一步去除Al材料工艺过程以及暴露在空气中而形成的颗粒、脏污和氧化层，有效改善含Al材料掩埋结构激光器的可靠性问题；此外，激光器在高温或大电流下的工作效率一直是一个难题，除了采用含Al材料自身的特性以及掩埋结构的特性之外，本发明在半绝缘衬底上加入PNP的电流限制层，进一步提高了载流子的纵向限制能力，另外，进一步采用共面电极的方法，对于在大电流下工作的激光器，可进一步提高载流子的注入效率，从而降低非辐射符合和发热、改善由于热问题而引起的可靠性问题；另外共面电极的采用，可以单步骤完成P面和N面电极的制备并且可以无需物理减薄工艺，进一步降低芯片整体的制备成本。
附图说明：
图1为化学腐蚀完形成脊型波导的激光器结构图，图中1为半绝缘InP衬底，2为P/N/P-InP电流阻挡结构，3为N-InP缓冲层，4沿着生长顺序从下到上依次为：N-InAlAs电子阻挡层41、AlGaInAs下波导层42、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构43、AlGaInAs上波导层44、P-InAlAs电子阻挡层45、P-InP间隔层46、P-InGaAsP光栅层47、P-InP层48、P-InGaAs层49和P-InP层410；5为SiN介质层，在脊波导上形成悬臂结构。
图2为在制备金属电极前激光器的结构图，图2中6为图1除去SiN的结构，7为P-InP电流阻挡层、8为N-InP电流阻挡层、9沿着生长方向从下到上依次为：P-InP电流阻挡层91、P-InP空间层92、P-InGaAsP过渡层93、P-InGaAs欧姆接触层94；10为形成的台面结构，台面宽度约10微米左右，在台面上开孔，并在台面及台面左侧形成P型电极；在台面右侧约11的区域开孔，形成N型电极。
具体实施方式：
本发明光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，（1）在半绝缘衬底上生长所述激光器一次外延结构，采用全息方法制备均匀光栅，并进行光栅的再生长；（2）采用单层SiN做掩膜，形成脊型结构，并采用化学腐蚀方法形成脊波导，接着对脊波导的表面进行处理，在外延设备中依次完成电流阻挡层生长、去除SiN；接着完成最后生长；（3）在样品表面制备P型和N型电极，形成共面电极结构，接着对激光器进行后续工艺制备完成芯片制备工艺。
在步骤（1）中：将两英寸半绝缘InP衬底放入MOCVD腔体中，进行高温的烘烤，并通入PH3，来去除衬底表面的颗粒并改善表面生长质量；接着生长P-InP、N-InP和P-InP结构来进一步抑制电流向衬底的扩散；接着依次生长：N-InP缓冲层、N-InAlAs电子阻挡层、不掺杂AlGaInAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构、不掺杂AlGaInAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层、P-InP保护层，完成一次再生长；接着在片子表面采用全息曝光和化学腐蚀的方法制备均匀光栅，光栅腐蚀深度穿透P-InGaAsP光栅层；接着生长光栅的覆盖层结构：P-InP、P-InGaAs、P-InP，完成光栅的掩埋再生长。
在步骤（2）中：通过PECVD沉积400nm SiN，通过光刻、刻蚀和腐蚀的方法形成SiN脊型结构，接着在低温下采用溴素系腐蚀溶液对片子进行各向同性腐蚀，腐蚀深度至N-InP缓冲层；接着将片子在10%HF中腐蚀3min左右，之后将片子去离子水冲洗、氮气吹干，快速放入准备好的MOCVD腔体中；在生长之前依次将片子在三个温度点：450℃、550℃、650℃下高温烘烤，同时通入大量的AsH3/H2气体，温度梯度组合下的高温烘烤过程有效地去除了含Al材料表面的颗粒、脏污和氧化层结构并改善材料生长表面质量，这对于含Al掩埋结构激光器的可靠性改善是关键的一点；接着依次生长P-InP/N-InP/P-InP电流阻挡层形成载流子的横向限制作用；最后去除片子表面介质层，依次生长P-InP空间层、InGaAsP过渡层和P-InGaAs欧姆接触层，完成材料的外延生长。
在步骤（3）中：在样品的上表面制备P型和N型电极，形成共面电极，从而有效降低载流子注入路径，提高注入效率降低发热、改善高温特性；具体工艺过程为：在掩埋的脊型两侧采用溴素系腐蚀溶液腐蚀至N型InP缓冲层形成台面结构，台面一侧为沟槽，在沟槽一侧制备脊型开孔形成P面电极，在台面的另一侧制备N面电极，N/P型电极采用相同的Ti/Pt/Au金属，进一步降低成本；最后将制备好的芯片解离成bar条，腔面蒸镀高反和高透光学膜，完成芯片制备。
本发明光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法：首先在半绝缘InP衬底上生长P-N-P InP电子阻挡层、N-InP缓冲层、波导结构、应变AlGaInAs多量子阱以及光栅层；接着制备光栅并进行光栅掩埋再生长，采用单层SiN作为掩膜层制备形成脊型结构，接着采用溴素系腐蚀溶液进行脊型结构的腐蚀，腐蚀至衬底层，形成脊波导结构，脊波导上的SiN形成悬臂；将样品放置HF溶液中进行腐蚀，利用SiN腐蚀速率慢的特点来去除脊波导两侧的氧化物；接着将样品快速放至准备好的MOCVD腔体中进行电子阻挡结构再生长，在生长之前采用450℃、550℃、650℃进行片子的烘烤来去除片子表面，特别是含铝材料结构表面的颗粒脏污和氧化层，在烘烤时通入大量的AsH3/H2来抑制AlGaInAs材料中As的挥发；烘烤去除脏污和氧化层，同时改善了样品表面的生长质量，接着生长P-N-P InP电子阻挡层结构；采用HF溶液腐蚀去除样品表面SiN，采用并在MOCVD设备中最后生长P-InP空间层、P-InGaAsP过渡结构和P-InGaAs欧姆接触层完成外延生长；接着制备激光器的电极结构，在脊型结构一侧制备沟槽结构，在脊上开孔形成P面电极；而在脊型的另一侧腐蚀至N-InP缓冲层，制备N型电极，从而形成了N面电极，形成N面和P面电极共面的结构。
下面是更为详细的步骤：
将两英寸掺Fe的InP衬底1放入MOCVD腔体中，进行在590℃下烘烤15min，烘烤过程持续通入PH3气体；接着生长厚度都为50nm，掺杂浓度分别为1018、2×1018、1018的P-InP、N-InP、P-InP结构2来进一步抑制电流向衬底的扩散；接着依次生长：1500nm N-InP缓冲层3、50nmN-InAlAs电子阻挡层41、80nm 不掺杂AlGaInAs下波导层42、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构43，其中阱和垒的厚度分别为5nm和8nm，量子阱层数为4层、80nm 不掺杂AlGaInAs上波导层44、50nm P-InAlAs电子阻挡层45、50nm P-InP间隔层46、5nm P-InGaAsP光栅层47、15nmP-InP保护层，完成一次再生长；接着在片子表面采用全息曝光和化学腐蚀的方法制备均匀光栅，光栅腐蚀深度穿透P-InGaAsP光栅层47；接着生长光栅的覆盖层结构：50nm P-InP层48、50nm P-InGaAs层49、50nm P-InP层410，完成光栅的掩埋再生长。
通过PECVD沉积400nm SiN介质层5，通过光刻、刻蚀和化学腐蚀的方法形成SiN脊型结构，SiN条宽约3.5微米；接着在低温下采用溴素系腐蚀溶液对片子进行各向同性腐蚀，腐蚀深度至N-InP缓冲层3，形成脊波导结构（如图1所示），量子阱区域的条宽约在2微米左右；将片子放入10%HF中腐蚀3min左右，去除表面氧化物，去离子水冲洗，氮气吹干，立即将片子放入准备好的MOCVD腔体中；在生长之前分别在450℃、550℃、650℃温度下各烘烤20min，烘烤过程中通入大量的AsH3/H2（100/5000sccm）气体，逐步提升烘烤温度过程达到去除样品表面的颗粒、脏污和氧化层的目的；接着依次生长P-InP电流阻挡层7、N-InP电流阻挡层8、P-InP电流阻挡层91（500/1000/200nm），电流阻挡层形成载流子的横向限制作用；最后去除片子表面介质层，依次生长50nm P-InP空间层92、50nm InGaAsP过渡层93和50nm P-InGaAs欧姆接触层94，完成材料的外延生长。
通过PECVD沉积150nm SiO2介质层5，通过光刻、刻蚀和化学腐蚀的方法形成表面的SiO2开孔区域；采用溴素系腐蚀溶液在低温下搅拌腐蚀至N型InP缓冲层3，形成如图2所示的芯片结构，去除片子表面的SiO2层，通过PECVD沉积400nm SiO2钝化层，在图2中的台面和图2中11的区域位置进行开孔，蒸发金属电极，合金形成欧姆接触；将芯片解离成腔长1000微米的bar条，在激光器的出光端面和背光端面蒸发高透和高反光学膜，完成芯片的制备。
Claims (7)
1.一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：（1）在半绝缘衬底上生长所述激光器一次外延结构，采用全息方法制备均匀光栅，并进行光栅的再生长；（2）采用单层SiN做掩膜，形成脊型结构，并采用化学腐蚀方法形成脊波导，接着对脊波导的表面进行处理，在外延设备中依次完成电流阻挡层生长、去除SiN；接着完成最后生长；（3）在样品表面制备P型和N型电极，形成共面电极结构，接着对激光器进行后续工艺制备完成芯片制备工艺。
2.如权利要求1所述一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中：将两英寸半绝缘InP衬底放入MOCVD腔体中，进行高温的烘烤，并通入PH3，来去除衬底表面的颗粒并改善表面生长质量；接着生长P-InP、N-InP和P-InP结构来进一步抑制电流向衬底的扩散；接着依次生长：N-InP缓冲层、N-InAlAs电子阻挡层、不掺杂AlGaInAs下波导层、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构、不掺杂AlGaInAs上波导层、P-InAlAs电子阻挡层、P-InP间隔层、P-InGaAsP光栅层、P-InP保护层，完成一次再生长；接着在片子表面采用全息曝光和化学腐蚀的方法制备均匀光栅，光栅腐蚀深度穿透P-InGaAsP光栅层；接着生长光栅的覆盖层结构：P-InP、P-InGaAs、P-InP，完成光栅的掩埋再生长。
3.如权利要求1所述一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：在步骤（2）中：通过PECVD沉积400nm SiN，通过光刻、刻蚀和腐蚀的方法形成SiN脊型结构，接着在低温下采用溴素系腐蚀溶液对片子进行各向同性腐蚀，腐蚀深度至N-InP缓冲层；接着将片子在10%HF中腐蚀3min左右，之后将片子去离子水冲洗、氮气吹干，快速放入准备好的MOCVD腔体中；在生长之前依次将片子在三个温度点：450℃、550℃、650℃下高温烘烤，同时通入大量的AsH3/H2气体，温度梯度组合下的高温烘烤过程有效地去除了含Al材料表面的颗粒、脏污和氧化层结构并改善材料生长表面质量，这对于含Al掩埋结构激光器的可靠性改善是关键的一点；接着依次生长P-InP/N-InP/P-InP电流阻挡层形成载流子的横向限制作用；最后去除片子表面介质层，依次生长P-InP空间层、InGaAsP过渡层和P-InGaAs欧姆接触层，完成材料的外延生长。
4.如权利要求1所述一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：在步骤（3）中：在样品的上表面制备P型和N型电极，形成共面电极，从而有效降低载流子注入路径，提高注入效率降低发热、改善高温特性；具体工艺过程为：在掩埋的脊型两侧采用溴素系腐蚀溶液腐蚀至N型InP缓冲层形成台面结构，台面一侧为沟槽，在沟槽一侧制备脊型开孔形成P面电极，在台面的另一侧制备N面电极，N/P型电极采用相同的Ti/Pt/Au金属，进一步降低成本；最后将制备好的芯片解离成bar条，腔面蒸镀高反和高透光学膜，完成芯片制备。
5.一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片的制备方法，其特征在于：首先在半绝缘InP衬底上生长P-N-P InP电子阻挡层、N-InP缓冲层、波导结构、应变AlGaInAs多量子阱以及光栅层；接着制备光栅并进行光栅掩埋再生长，采用单层SiN作为掩膜层制备形成脊型结构，接着采用溴素系腐蚀溶液进行脊型结构的腐蚀，腐蚀至衬底层，形成脊波导结构，脊波导上的SiN形成悬臂；将样品放置HF溶液中进行腐蚀，利用SiN腐蚀速率慢的特点来去除脊波导两侧的氧化物；接着将样品快速放至准备好的MOCVD腔体中进行电子阻挡结构再生长，在生长之前采用450℃、550℃、650℃进行片子的烘烤来去除片子表面，特别是含铝材料结构表面的颗粒脏污和氧化层，在烘烤时通入大量的AsH3/H2来抑制AlGaInAs材料中As的挥发；烘烤去除脏污和氧化层，同时改善了样品表面的生长质量，接着生长P-N-P InP电子阻挡层结构；采用HF溶液腐蚀去除样品表面SiN，采用并在MOCVD设备中最后生长P-InP空间层、P-InGaAsP过渡结构和P-InGaAs欧姆接触层完成外延生长；接着制备激光器的电极结构，在脊型结构一侧制备沟槽结构，在脊上开孔形成P面电极；而在脊型的另一侧腐蚀至N-InP缓冲层，制备N型电极，从而形成了N面电极，形成N面和P面电极共面的结构。
6.一种光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片，其特征在于：激光器芯片制作过程的初步结构，从下而上依次包括半绝缘InP衬底层（1）、P-InP、N-InP、P-InP电流阻挡结构层（2）和N-InP缓冲层（3），在N-InP缓冲层（3）上方沿着生长顺序从下到上依次为：N-InAlAs电子阻挡层（41）、AlGaInAs下波导层（42）、AlGaInAs应变多量子阱和垒结构层（43）、AlGaInAs上波导层（44）、P-InAlAs电子阻挡层（45）、P-InP间隔层（46）、P-InGaAsP光栅层（47）、P-InP层（48）、P-InGaAs层（49）和P-InP层（410）；所述P-InP层（410）上设有SiN介质层（5），所述N-InP缓冲层（3）上部至P-InP层（410）形成脊型波导结构；所述SiN介质层（5）在脊型波导上形成悬臂结构。
7.根据权利要求1所述的光通信用掩埋结构高线性DFB激光器芯片，其特征在于：激光器芯片制作过程成型前的结构，包括在初步结构（6）上，在脊型波导结构旁侧从下而上依次生长P-InP电流阻挡层（7）、N-InP电流阻挡层（8）、P-InP电流阻挡层（91），在除去SiN介质层（5）后，接着在P-InP电流阻挡层（91）上依次生长P-InP空间层（92）、InGaAsP过渡层(93)和P-InGaAs欧姆接触层，在P-InGaAs欧姆接触层上形成台面结构(10)，在台面设开孔，在台面及台面左侧形成P型电极；在台面右侧的区域(11)开孔形成N型电极。
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