本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器，具體涉及一種DFB(分布式反饋)半導(dǎo)體激光器制備方法及激光器。

背景技術(shù)：

在光纖通信中，半導(dǎo)體激光器由于體積小、效率高、功耗低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域中的核心信號(hào)發(fā)射源，在半導(dǎo)體激光器中DFB激光器由于其單模輸出，輸出光譜窄，有效地降低了光在光纖中傳輸而引起的色散展寬，非常適合于應(yīng)用在高速調(diào)制和長(zhǎng)距離光纖通信中。

對(duì)于DFB半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)，目前主要的方法是在外延材料的光柵層上通過(guò)雙光束全息曝光方法制備周期均勻性的光柵，再通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)技術(shù)掩埋光柵，完成外延片的制作。該制備工藝都需要二次生長(zhǎng)技術(shù)，增加了制備的難度。另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中不管是封裝的TO-CAN器件還是Butterfly器件，其封裝內(nèi)部除了常規(guī)的DFB激光器外，在激光器的背光處需要PD芯片，用來(lái)間接監(jiān)測(cè)激光器工作情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)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，利用單芯片集成腔外光柵和探測(cè)器的技術(shù)，避免了二次生長(zhǎng)和需要額外添加PD芯片的成本，使得工藝簡(jiǎn)化，有效降低器件整體成本。

本發(fā)明提出的技術(shù)方案如下。

一種DFB半導(dǎo)體激光器的制備方法，包括以下步驟：

步驟S11、制備基片：在襯底層上形成量子阱結(jié)構(gòu)和外延結(jié)構(gòu)，制成基片；

步驟S12、制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：在步驟S11制備的基片表面靠近出光端面的區(qū)域腐蝕形成脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；

步驟S13、制備腔外結(jié)構(gòu)：在經(jīng)過(guò)步驟S12的基片表面靠近脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的區(qū)域形成刻蝕到襯底層的周期性均勻光柵；并在靠近背光端面的區(qū)域形成探測(cè)器，探測(cè)器靠近光柵。

進(jìn)一步地，還包括：步驟S14、制備單顆管芯：采用BCB對(duì)光柵進(jìn)行覆蓋，制備電極，最后對(duì)出光端面蒸鍍高透膜，對(duì)背光端面蒸鍍高反膜。

進(jìn)一步地，步驟S11包括以下步驟：在N-InP襯底層上，通過(guò)MOCVD依次外延生長(zhǎng)N-InP緩沖層、AlGaInAs下波導(dǎo)層、AlGaInAs多量子阱有源層、AlGaInAs上波導(dǎo)層、P-InP間隔層、P-InGaAsP腐蝕停止層、P-InP空間層、P-InGaAsP過(guò)渡層、P⁺-InGaAs重?fù)诫s歐姆接觸層和P-InP保護(hù)層。

進(jìn)一步地，步驟S12包括以下步驟：

采用HCl進(jìn)行漂洗，腐蝕除去基片表面的P-InP保護(hù)層，用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑琍ECVD沉積SiO₂介質(zhì)層；

在靠近管芯出光端面的區(qū)域，光刻形成脊型圖案，RIE刻蝕SiO₂介質(zhì)層，去膠；依次使用Br:HBr:H₂O溶液和H₃PO₄:HCl溶液進(jìn)行脊型控制腐蝕，腐蝕至P-InGaAsP腐蝕停止層形成脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，步驟S13包括以下步驟：

光刻在激光器腔外的區(qū)域內(nèi)，干法刻蝕形成光柵圖案，光柵周期控制在3.75μm左右，其中在一個(gè)光柵周期內(nèi)InP的長(zhǎng)度為1.17μm左右，采用Cl₂:CH₄:H₂氣體對(duì)光柵進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕深度控制在5μm左右，在激光器腔外相鄰區(qū)域形成周期均勻光柵。

進(jìn)一步地，步驟S13還包括以下步驟：在10％HF溶液中漂洗去除刻蝕表面氧化層，在HBr:Br₂：H₂O溶液中腐蝕去除干法刻蝕引起的表面材料缺陷；去除表面介質(zhì)層，PECVD生長(zhǎng)SiO₂鈍化層。

進(jìn)一步地，AlGaInAs下波導(dǎo)層和AlGaInAs上波導(dǎo)層采用組分漸變材料，通過(guò)調(diào)整材料組分實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子和光子的限制。

進(jìn)一步地，脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊深約1.8μm，上下脊寬分別約為2.0μm和1.8μm。

進(jìn)一步地，出光端面電子束蒸鍍一對(duì)Si/Al₂O₃高透膜；背光端面蒸發(fā)兩對(duì)Al₂O₃/Si高反膜。

本發(fā)明還提出一種根據(jù)如前任一項(xiàng)所述的DFB半導(dǎo)體激光器制備方法制得的DFB半導(dǎo)體激光器，包括：脊型波導(dǎo)激光器、光柵和探測(cè)器，其中脊型波導(dǎo)激光器位于基片表面靠近出光端面的區(qū)域，光柵和探測(cè)器位于脊型波導(dǎo)激光器的腔外，光柵刻蝕到襯底層并靠近脊型波導(dǎo)激光器，探測(cè)器位于基片表面靠近背光端面的區(qū)域，并靠近光柵。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明采用InP基底片在其上面生長(zhǎng)緩沖層、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有源區(qū)層、腐蝕停止層、空間層、電接觸層等形成基片，對(duì)基片進(jìn)行工藝制備，即在單顆管芯內(nèi)，在靠近出光端區(qū)域制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器；在背光區(qū)域，與RWG激光器相鄰的區(qū)域采用ICP干法刻蝕，實(shí)現(xiàn)RWG激光器腔外的周期性光柵，其光柵刻蝕到襯底層，在光柵靠近背光端面為探測(cè)器；采用BCB對(duì)光柵進(jìn)行覆蓋，起到保護(hù)光柵的作用；制備電極，最后對(duì)出光端面蒸鍍高透膜，對(duì)背光端面蒸鍍高反膜，形成了集成腔外光柵和探測(cè)器為一體的DFB半導(dǎo)體激光器，該器件制備同時(shí)具備了激光輸出和背光監(jiān)測(cè)的功能。

本發(fā)明通過(guò)采用在激光器腔外單芯片集成了光柵和探測(cè)器，與常規(guī)的DFB半導(dǎo)體激光器相比，無(wú)需光柵的二次掩埋生長(zhǎng)；對(duì)于器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)無(wú)需外加的背光探測(cè)器芯片，能有效降低器件成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器制備方法的流程框圖；

圖2為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器的外延片結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明提出的DFB半導(dǎo)體激光器的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說(shuō)明：

1：N-InP襯底層，2：N-InP緩沖層，3：AlGaInAs下波導(dǎo)層，4：AlGaInAs多量子阱有源層，5：AlGaInAs上波導(dǎo)層，6：P-InP間隔層，7：P-InGaAsP腐蝕停止層；8：P-InP空間層，9：P-InGaAsP過(guò)渡層，10：P⁺-InGaAs重?fù)诫s歐姆接觸層，11：P-InP保護(hù)層，12：脊型波導(dǎo)激光器，13：光柵，14：探測(cè)器，15：激光器金屬覆蓋區(qū)域，16：探測(cè)器金屬覆蓋區(qū)域，17：BCB，L1：脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器的腔長(zhǎng)，L2：腔外光柵的長(zhǎng)度，L3：探測(cè)器的長(zhǎng)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(shuō)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)體激光器的制備方法如圖1所示，包括以下步驟：

步驟S11、制備基片：在N-InP襯底層上，MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法)形成量子阱結(jié)構(gòu)和外延結(jié)構(gòu)，如圖2所示；

步驟S12、制備脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：在步驟S11制備的基片表面上進(jìn)行光刻，濕法腐蝕，在靠近出光端面的區(qū)域腐蝕形成脊型波導(dǎo)(RWG，ridge waveguide)結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示，圖3中箭頭所示的方向?yàn)槌龉夥较颍?/p>

步驟S13、制備腔外結(jié)構(gòu)：在經(jīng)過(guò)步驟S12的基片表面靠近脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的區(qū)域采用干法刻蝕，在RWG激光器12腔外形成刻蝕到襯底層的周期性均勻光柵13；并在光柵13靠近背光端面的區(qū)域形成探測(cè)器14，如圖3和圖4所示；

步驟S14、制備單顆管芯：在光柵表面覆蓋BCB(苯并環(huán)丁烯樹(shù)脂)17，如圖4所示，光刻，在脊型波導(dǎo)上方和探測(cè)器14表面開(kāi)孔，蒸發(fā)正面金屬；減薄，蒸發(fā)背面金屬，合金形成PN面歐姆接觸；解條，在出光端面蒸鍍高透膜，在背光端面蒸鍍高反膜，解離形成單顆管芯。

其中，步驟S11包括以下步驟：在兩英寸N-InP襯底層1上，通過(guò)MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法)依次外延生長(zhǎng)N-InP緩沖層2、AlGaInAs下波導(dǎo)層3、AlGaInAs多量子阱有源層4、AlGaInAs上波導(dǎo)層5、P-InP間隔層6、P-InGaAsP腐蝕停止層7、P-InP空間層8、P-InGaAsP過(guò)渡層9、P⁺-InGaAs重?fù)诫s歐姆接觸層10和P-InP保護(hù)層11，如圖2所示。

其中，N-InP緩沖層2的厚度可以為800nm；

AlGaInAs下波導(dǎo)層3的厚度可以為60nm，其中AlGaInAs下波導(dǎo)層3采用組分漸變材料，通過(guò)調(diào)整材料組分實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子和光子的限制；

AlGaInAs多量子阱有源層4含有4個(gè)AlGaInAs量子阱的有源區(qū)，量子阱厚度8nm，光致發(fā)光波長(zhǎng)1525nm左右；

AlGaInAs上波導(dǎo)層5與AlGaInAs下波導(dǎo)層3組分漸變類(lèi)似；

P-InP間隔層6的厚度為100nm；

P-InGaAsP腐蝕停止層7的厚度為30nm；

P-InP空間層8的厚度為1600nm；

P-InGaAsP過(guò)渡層9的厚度為50nm；

P⁺-InGaAs重?fù)诫s歐姆接觸層10作為電接觸層，其厚度可以為150nm，摻雜濃度大于1×10¹⁹cm^-3；

P-InP保護(hù)層11的厚度為10nm。

步驟S12可以包括以下步驟：

采用HCl進(jìn)行漂洗，腐蝕除去基片表面的P-InP保護(hù)層11，用去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑琍ECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)沉積150nm SiO₂介質(zhì)層；

在靠近管芯出光端面250μm區(qū)域，光刻形成脊型圖案，RIE刻蝕SiO₂，去膠；依次使用Br:HBr:H₂O溶液和H₃PO₄:HCl溶液進(jìn)行脊型控制腐蝕，腐蝕至P-InGaAsP腐蝕停止層7形成激光器12的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，脊型結(jié)構(gòu)的脊深約1.8μm，上下脊寬分別約為2.0μm和1.8μm。

步驟S13可以包括以下步驟：

光刻在激光器腔外的50μm區(qū)域內(nèi)干法刻蝕形成光柵圖案，光柵周期控制在3.75μm左右，其中在一個(gè)光柵周期內(nèi)InP的長(zhǎng)度為1.17μm左右，采用Cl₂:CH₄:H₂氣體對(duì)光柵進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕深度控制在5μm左右，在激光器腔外相鄰區(qū)域形成周期均勻光柵。

同時(shí)在芯片的另一端區(qū)域約100um左右，該段區(qū)域含有完整的外延結(jié)構(gòu)和有源區(qū)，當(dāng)在其表面加方向偏壓時(shí)，對(duì)于透過(guò)光柵的光進(jìn)入探測(cè)器時(shí)在有源區(qū)內(nèi)載流子會(huì)吸收光躍遷從而產(chǎn)生光電流，起到了背光檢測(cè)的作用。接著對(duì)形成光柵的InP基材料進(jìn)行表面處理：用10％HF溶液中漂洗5s，去除表面氧化物，去離子水沖洗；用HBr:Br₂：H₂O溶液漂洗10s，去除由于干法刻蝕引起的表面材料缺陷，去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?；去除表面介質(zhì)層，PECVD沉積400nm SiO₂鈍化層。

其中光柵周期的設(shè)置方法為：

在光通信波段InP半導(dǎo)體材料和BCB的折射率分別在3.3和1.5左右，DFB光柵和激射波長(zhǎng)滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

其中Λ_InP和Λ_BCB分別為在一個(gè)光柵周期內(nèi)InP和BCB的長(zhǎng)度，n_InP和n_BCB分別為InP和BCB的折射率，m為光柵級(jí)數(shù)，λ為激光器工作波長(zhǎng)。如果m＝10，可以算出當(dāng)激光器工作在1550nm波長(zhǎng)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)InP和BCB的長(zhǎng)度分別是：1.17μm和2.58μm，光柵周期為3.75μm。

優(yōu)選地，單顆管芯腔長(zhǎng)為400μm，其中靠近出光端面的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器腔長(zhǎng)為250μm，與激光器相連的腔外光柵為50μm長(zhǎng)；探測(cè)器區(qū)域長(zhǎng)度為100μm；管芯寬度為250μm。

步驟S14可以包括以下步驟：BCB勻膠，BCB前烘，光刻，BCB顯影前烘，顯影去除激光器表面和探測(cè)表面BCB膠，BCB顯影后烘，采用組合變溫溫度對(duì)BCB進(jìn)行固化處理，形成了BCB和半導(dǎo)體材料構(gòu)成的均勻光柵，BCB對(duì)材料起到保護(hù)作用。勻膠，再次光刻，對(duì)激光器12脊型波導(dǎo)表面的激光器金屬覆蓋區(qū)域15和探測(cè)器14表面的探測(cè)器金屬覆蓋區(qū)域16進(jìn)行開(kāi)孔，刻蝕開(kāi)孔區(qū)域表面SiO₂層，對(duì)開(kāi)孔區(qū)域表面進(jìn)行處理，電子束蒸發(fā)P面金屬Ti/Pt/Au(50nm/50nm/800nm)，將N面物理研磨減薄至100-110μm，電子束蒸發(fā)N面金屬Ti/Pt/Au(50nm/100nm/600nm)，將樣品放置快速退火爐中進(jìn)行合金：N₂氛圍中400℃合金50s；解離成巴(bar)條，bar條腔長(zhǎng)400μm；最后蒸鍍端面光學(xué)膜：出光面電子束蒸鍍一對(duì)Si/Al₂O₃高透膜，反射率控制在2％左右，用來(lái)減弱腔面的反饋?zhàn)饔?；背光面蒸發(fā)兩對(duì)Al₂O₃/Si高反膜，主要是為了保護(hù)探測(cè)器芯片端面并提高光反射，反射率控制在90％左右；測(cè)試，解離，完成芯片制備。

本發(fā)明還提出了一種根據(jù)DFB半導(dǎo)體激光器的制備方法制得的激光器，如圖2、圖3和圖4所示，包括：脊型波導(dǎo)激光器12、光柵13和探測(cè)器14，其中脊型波導(dǎo)激光器12位于基片表面靠近出光端面的區(qū)域，光柵13刻蝕到N-InP襯底層1并靠近脊型波導(dǎo)激光器12，探測(cè)器14位于基片表面靠近背光端面的區(qū)域，并靠近光柵13。

光柵13表面覆蓋有BCB 17，如圖4所示。

所述基片包括在N-InP襯底層1上，通過(guò)MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉積法)依次外延生長(zhǎng)的N-InP緩沖層2、AlGaInAs下波導(dǎo)層3、AlGaInAs多量子阱有源層4、AlGaInAs上波導(dǎo)層5、P-InP間隔層6、P-InGaAsP腐蝕停止層7、P-InP空間層8、P-InGaAsP過(guò)渡層9、P⁺-InGaAs重?fù)诫s歐姆接觸層10和P-InP保護(hù)層11，如圖2所示。

其中，N-InP緩沖層2的厚度可以為800nm；

AlGaInAs下波導(dǎo)層3的厚度可以為60nm，其中AlGaInAs下波導(dǎo)層3采用組分漸變材料，通過(guò)調(diào)整材料組分實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子和光子的限制；

AlGaInAs多量子阱有源層4含有4個(gè)AlGaInAs量子阱的有源區(qū)，量子阱厚度8nm，光致發(fā)光波長(zhǎng)1525nm左右；

AlGaInAs上波導(dǎo)層5與AlGaInAs下波導(dǎo)層3組分漸變類(lèi)似；

P-InP間隔層6的厚度為100nm；

P-InGaAsP腐蝕停止層7的厚度為30nm；

P-InP空間層8的厚度為1600nm；

P-InGaAsP過(guò)渡層9的厚度為50nm；

P⁺-InGaAs重?fù)诫s歐姆接觸層10作為電接觸層，其厚度可以為150nm，摻雜濃度大于1×10¹⁹cm^-3；

P-InP保護(hù)層11的厚度為10nm。

優(yōu)選地，脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的脊深約1.8μm，上下脊寬分別約為2.0μm和1.8μm。

優(yōu)選地，單顆管芯腔長(zhǎng)為400μm，其中靠近出光端面的脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器12腔長(zhǎng)L1為250μm，與激光器12相連的腔外光柵13長(zhǎng)度L2為50μm；探測(cè)器14長(zhǎng)度L3為100μm；管芯寬度為250μm。

優(yōu)選地，出光端面電子束蒸鍍一對(duì)Si/Al₂O₃高透膜，反射率控制在2％左右，用來(lái)減弱腔面的反饋?zhàn)饔茫槐彻舛嗣嬲舭l(fā)兩對(duì)Al₂O₃/Si高反膜，主要是為了保護(hù)探測(cè)器芯片端面并提高光反射，反射率控制在90％左右。

以上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)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)。