CN100375348C

CN100375348C - 一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法

Info

Publication number: CN100375348C
Application number: CNB2004100810081A
Authority: CN
Inventors: 侯廉平; 王圩; 朱洪亮
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: CN1756008A

Abstract

一种一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，包括以下制作步骤：步骤1：在n型磷化铟衬底上外延生长n型磷化铟缓冲层、下波导层、2.4μm磷化铟空间层和有源区的下光限制层、压应变量子阱有源区、上光限制层，p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层；步骤2：采用湿法腐蚀工艺刻出激光器及模斑转换器上脊形状；步骤3：然后利用自对准工艺刻出下脊形状；步骤4：生长SiO₂绝缘层，接着开出电极窗口；步骤5：外延片衬底减薄至100μm，制作p/n电极后，经划片解理成250μm×600μm的管芯。

Description

一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法

技术领域

本发明涉及通过一次LP-MOVPE，利用常用的湿法腐蚀和光刻工艺制作一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法。

背景技术

光纤通信***中大部分的模块是由III-V族化合物半导体器件组成的。每个半导体器件至少要与一根光纤相连接，所以半导体光电子器件与光纤之间的耦合效率就显得很重要。对于一般的玻璃光纤来说，其芯层和盖层之间的折射率差别很小，一般在5×10^-3以下。这样的波导结构属于弱引导波导，其本征光场的分布相当弥散，即本征光斑较大，直径在8-10μm左右。而III-V族化合物半导体中如果要达到折射率差在5×10^-3以下，其组份基本上就没有太大的变化。对于一个优化好的III-V族化合物半导体波导结构来说，其折射率差在1×10^-2以上，这样的半导体波导结构属于强引导波导，其本征光场分布就较为紧凑，即本征光斑较小，直径在2μm以下。另外，玻璃光纤的波导结构的几何形状是对称的圆柱型结构，其本征模场是对称的圆斑，而半导体化合物波导一般是对称度较小的长方型，导致其本征模场是椭圆斑。玻璃光纤和化合物半导体波导之间的本征模场的大小和形状的差别导致了二者之间的很大的模式失配，它们之间的耦合效率就很低，而且偏调容差很小，致使器件的耦合封装成本占了光电子器件模块整个成本的80％-90％。为了提高光纤和半导体芯片之间的耦合效率，人们提出了各种各样的办法。比如使用微透镜和楔形/拉锥光纤(参见N.Kalonji and J.Semo，Electron.Lett.，Vol.30，No.11，pp892-894，1994和H.M.Presby，and C.A.Edawda，Electron.Lett，Vol.28，No.6，pp582-584，1992)，但是由于这种方法只是把光信号的模斑尺寸变大，对器件本身的模斑形状没有改变，所以对偏调容差没有改善。另一种方法是在半导体光电子器件和光纤之间加一个硅基波导模块(参见Y.Shani，C.H.Henry，R.C.Kistler and et al，Appl.Phys.Lett.Vol.55，No.23，pp2389-2391，1989，M.Yanagisawa，H.Terui，Y.Yamada and et al，Tech.Dig.Fourth Microoptics Conf.Eleventh Topical Meet.Gradient-index Optical Systems，Kawasaki，Japan，1993，pp294-297，和J.-M.Cheong，J.-W.Seo，and Y.-K.Jhee，Electron.Lett.Vol.30，No.18，pp1515-1516，1994)，这个模块能够把半导体器件的本征模场转变为和光纤匹配的模场，这样就可以大大地提高了器件和光纤的耦合效率，但是由于这个模块的加入又导致了偏调容差的降低，还是没有办法有效地降低整个模块的成本。近年来，人们把目光转向在半导体光电子器件上单片集成一个模斑转换器(spot-size-converter，以下简称模斑转换器为SSC)。这个SSC可以绝热地将化合物半导体器件的不对称的近场分布转换为对称的输入或者输出近场，这样既可以提高器件和光纤之间的耦合效率，又可以提高其偏调容差；同时增大了器件的长度，降低耦合封装的难度。

对于大功率半导体激光器(laser diode，以下简称半导体激光器为LD)来说，集成了模斑转换器还有另外一个好处，除了提高耦合效率和偏调容差外，还可以提高工作寿命和最大输出功率(参见T.Murakami，K.Ohtaki，H.Matsubara，and et al，IEEE J of Quantum.Electron，Vol.23，No.6，pp712，1987)。一般说来，低阈值半导体激光器的层结构是根据能够使得有源区和光模场的交叠积分达到最大值的原则来优化的，也就是使得有源区的限制因子越大越好。这就导致了比较大的垂直方向的发散角。为了降低垂直结平面方向的发散角，必须使得有源区的厚度减小，这样势必就减少了有源区的增益，导致阈值电流的上升。当一个模斑转换器集成在激光器(放大器)上，光斑的垂直方向发散角就会因为模斑转换器的存在而减小，同时可以保证较低的阈值电流。同时，由于激光器的输出端面的近场由于模斑转换器而增大，这样就使得激光器的输出面的功率密度下降，从而有效地降低了激光器的灾难性损坏，提高激光器的寿命和最高输出功率。

常见的模斑转换器有三种形式：垂直楔形(参见Osamu Mitomi，NaotoYoshimoto，Katsuaki Magari，J.Lightwave Technology，Vol.17，pp.1255-1262，1999)，水平楔形(参见P.Doussiere，P.Garabedian，C.Graver，IEEE Photon.Technol.Lett，Vol.6，pp.170-172，1994)，双波导结构(参见Alexis Lestra，Jean-Yves Emery，IEEE J.QuantumElectro.，Vol.3，pp.1429-1440，1997)。三种模斑转换器具有各自的优缺点：垂直楔形波导厚度从有源区到输出端面是逐渐变化的。水平楔形的波导宽度从有源区到端面是逐渐减小的。双波导结构是上面有源波导呈水平楔形，下面无源波导负责和光纤耦合。对于水平方向的楔形波导来说，可以通过常规的光刻和腐蚀工艺来制作。但是垂直方向的楔形波导却不行，必须应用特殊的生长或腐蚀方法才能得到。例如采用选择性对接生长(butt-joint SAG)或采用逐渐腐蚀的方法才能达到，但这种方法需要采用多次有机金属气相外延(简称MOVPE)。若激光器和模斑转换器的对接界面过渡不好，很容易激发出多模，致使远场发散角变坏，同时器件的重复性比较差，不适合大规模生产。而双波导结构是有源器件和无源器件集成的一个平台，可以采用一次性外延生长而成，同时可以分别优化上下波导层的组分和尺寸，即可以对有源波导和无源波导的带隙和尺寸分别进行优化。一般上波导层厚而窄，下波导层薄而宽。其间有一低折射率的空间隔离层，该空间层的厚度也可以优化。上波导层的光通过空间层和下波导进行相位耦合，上波导层在水平方向做成楔形状，传输一定的距离后，上波导达到截止条件使上波导的光绝热地耦合到下波导。优化上波导的楔形形状，既可以减小传输损耗，又可以使器件的总长度缩短。上下波导之间的耦合长度可以小于100μm，同时耦合损耗小于0.1dB。

国际上虽然有许多激光器和模斑转换器单片集成器件的报道，但是普遍存在如下缺点：1)激光器和模斑转换器均采用掩埋结构，外延次数多(有的高达6-7次)，工艺复杂，器件的可靠性低。2)模斑转换器采用垂直楔形，采用butt-joint SAG(即选择对接)外延技术或者逐渐腐蚀等工艺，界面处理非常困难，很容易在界面激发多模，模式特性变坏，同时器件制作的重复性差，工艺容差小。3)有的虽然激光器和模斑转换器均采用双波导结构，但是其中之一还是采用掩埋结构，同样存在外延次数多，工艺复等问题。4)有的对双波导结构中的下波导采用InP和InGaAsP的交替生长从而得到自己所需要的有效折射率，生长周期多达20对，生长难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，该方法具有工艺异常简单、制作容差大，只需一次外延，制作成本低，器件性能好，可靠性高等优点。

本发明一种一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，其特征在于，包括以下制作步骤：

步骤1：在n型磷化铟衬底上外延生长n型磷化铟缓冲层、下波导层、2.4μm厚的磷化铟空间层和有源区的下光限制层、压应变量子阱有源区、上光限制层，p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层；

步骤2：采用湿法腐蚀工艺刻出激光器及模斑转换器上脊形状；

步骤3：然后利用自对准工艺刻出下脊形状；

步骤4：生长SiO₂绝缘层，接着开出电极窗口；

步骤5：外延片衬底减薄至100μm，制作p/n电极后，经划片解理成250μm×600μm的管芯。

其中步骤1所生长的下波导层的厚度要在45nm～50nm之间，带隙波长为1.1μm或1.2μm，而且下波导层必须和InP衬底的晶格常数匹配，n型掺杂浓度在10¹⁸/cm³级；空间层的厚度应该在2μm～2.5μm，n型掺杂浓度在10¹⁷/cm³量级；有源区包括8个周期的量子阱；每个压应变铟镓砷磷量子阱的厚度为9nm～10nm，应变量在0.6％～0.7％之间；垒为四元铟镓砷磷，且晶格常数与衬底磷化铟匹配，带隙波长为1.1μm或1.2μm，垒厚在5nm～7nm之间。

其中在步骤2中上脊刻蚀深度不能超过有源区，必须留有10nm～20nm的p型磷化铟包层，否则会损坏有源区。

其中在步骤4和5中，必须在激光器和模斑转换器上均制作电极，这样激光器和模斑转换器的有源区均得到泵浦和放大，同时降低激光器的阈值。

该结构的优点是：

1)激光器和模斑转换器均采用脊型波导结构，全结构材料只需一次LP-MOVPE过程，污染小；不需要再次生长，所以成本低；不腐蚀有源区，因而可靠性高。

2)下波导不需要进行多次InP和InGaAsP的多次交替生长来调整下波导的带隙波长，减少了LP-MOVPE次数。

3)无需特意增加刻蚀停止层，波导结构中各层以及InP空间层在湿法腐蚀时，均起到了刻蚀停止层的作用。

4)由于SSC上脊楔形末端的宽度为0.5μm，因此利用常规的湿法腐蚀和光刻工艺便可完成器件的制作，无需采用电子束图形曝光等昂贵的光刻和腐蚀工艺，器件成本大大降低。

5)脊型波导结构相对掩埋结构，具有很小的p-i-n电容，因此，若利用该结构制作成电吸收调制器和模斑转换器的单片集成器件，则电吸收调制器的p-i-n电容很小，调制速率很高。

6)SSC对楔形末端尺寸变化不灵敏。计算和实验均证明只要当SSC区的上脊宽度＜0.5μm，便可在SSC输出端面得到同样的激光模式，而这个模式完全由下波导和下脊形状所决定。因此器件制作的容差大，成品率高。

7)充分利用了量子尺寸效应，即能级是分立的，态密度为阶梯状分布，因此其内量子效率较高，微分增益较大。

8)充分利用了应变能带工程，量子阱中引入压应变，进一步分离价带中的重空穴带和轻空穴带，大大减少了价带之间的相互吸收和俄歇复合；此外，压应变的引入，使重空穴有效质量变小，从而减小态密度，导致粒子数易于反转，从而降低噪声指数。

9)LD的光限制因子较大，因此具有适当长度的器件和在适度的电流下便可获得高增益。因此该器件的阈值电流小、输出功率大，斜率效率高。

10)该结构的优化设计自由度较大，对有源波导和无源波导的带隙和尺寸分别进行优化，SSC输出端面几乎可以得到近似圆形的且和单模光纤本征光斑模式几乎匹配的光斑。远场发散角在水平和垂直方向分别可以达到12°和15°，和单模光纤耦合效率可达3.2dB，1-dB偏调容差在水平和垂直方向达±3.1和±2.65μm。

附图说明

为进一步说明本发明的内容，以下结合附图对本发明的器件的制作方法以及研制所取得的结果做较为详细的描述，其中

图1为LD-SSC结构示意图；

图2为激光器后端面(a)及模斑转换器输出端面(b)的光斑模式分布图；

图3为模斑转换器输出端面的光一电流特性曲线；

图4为激光器后端面(a)及模斑转换器输出端面(b)的远场发散角。

图5为LD-SSC上脊形状的光刻板。

图6为LD-SSC下脊形状及开电极窗口的的光刻板。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，包括以下制作步骤：

步骤1：在n型磷化铟衬底10上外延生长n型磷化铟缓冲层20、下波导层30、2.4μm磷化铟空间层40和有源区50的下光限制层、压应变多量子阱、上光限制层，p型磷化铟包层60和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层70；所生长的下波导层的厚度要在45～50nm之间，带隙波长为1.1或1.2μm；而且必须和InP衬底的晶格常数匹配，n型掺杂浓度在10¹⁸/cm³量级；空间层的厚度应该在2～2.5μm；n型掺杂浓度在10¹⁷/cm³量级；有源区包括8个周期的量子阱；每个压应变铟镓砷磷量子阱的厚度约为9～10nm，应变量在0.6％～0.7％之间。此外垒为四元铟镓砷磷，且晶格常数与衬底磷化铟匹配，带隙波长为1.1或1.2μm，垒厚为5～7nm之间；光限制层的厚度在70～100nm。有源区及上光限制层不掺杂，下光限制层下也只搀杂到下半部分，掺杂浓度在10¹⁷/cm³量级；

步骤2：采用湿法腐蚀工艺刻出激光器及模斑转换器上脊形状；该上脊刻蚀深度不能超过有源层，必须留有10～20nm的P-InP，否则会损坏有源区；

步骤3：然后利用自对准工艺刻出下脊形状；

步骤4：生长SiO₂绝缘层，接着开出电极窗口；

步骤5：外延片衬底减薄至100μm，制作p/n电极后，经划片解理成250μm×600μm的管芯；其中在步骤4和5中，必须在激光器和模斑转换器上均制作电极，这样激光器和模斑转换器的有源区均可得到泵浦和放大，降低激光器的阈值。

利用双波导技术开发出一种新的结构来制作半导体激光器(LD)和模斑转换器(SSC)单片集成器件(以下简称LD-SSC)。LD-SSC的结构见图1。由图1可以看出，该器件只需一次低压有机金属气相外延(简称LP-MOVPE)。LD和SSC均采用双脊双波导结构。相对掩埋结构，脊形波导工艺相对简单，全结构材料只需一次MOCVD过程，减少了污染，不需要再生长，所以成本低；不腐蚀有源区，因而可靠性高。LD和SSC的长度均为300μm，整个器件的长度为600μm。其中有源上波导(采用压应变的多量子阱)上脊分为两部分：在LD部分，脊宽2μm，呈直线；SSC部分，脊宽从2μm线性变化到0.5μm，呈楔形。无源下波导的上脊宽为8μm，厚50nm。空间层的厚度为2.4μm左右。随着有源区上脊宽度的逐渐变小，激光模式逐渐从上波导层通过空间层绝热地耦合到下波导。一旦光传输到下波导，则光斑模式完全由下波导决定。由于下波导的厚度比较薄，带隙波长短(1.1μm～1.2μm)，与InP的折射率差小，属于弱限制波导，光斑的模式尺寸逐渐变大。到达SSC的输出端面时，其模式尺寸可以和单模光纤的模式尺寸匹配(单模光纤本征模式半径约5μm左右)，从而提高器件和单模光纤的耦合效率。

该结构综合利用了脊型波导、量子阱效应、应变效应和双波导技术的优点。因此，利用该结构制作的LD-SSC，具有输出功率大、斜率效率高，远场发散角小等优点。同时制作方法非常简便，仅需要一次LP-MOVPE，工艺容差大，利用常规的光刻和湿法腐蚀工艺就可以完成。利用该结构还可以制作半导体光放大器和模斑转换器以及电吸收调制器和模斑转换器的单片集成器件。

本发明利用LP-MOVPE生长方法及常规的光刻和湿法腐蚀工艺，制作一种能在局域网上充当光源的LD-SSC.制作步骤如下：

(1)在n型磷化铟衬底上外延生长一层n型磷化铟缓冲层和一层下波导层(厚度50nm，带隙波长为1.1或1.2μm)。

(2)生长一层n型2.4μm磷化铟空间层。

(3)在空间层上生长下光限制层(厚度80nm，带隙波长为1.1或1.2μm)。

(4)在下光限制层生长压应变多量子阱(简称MQW)有源区。

(5)接着在MQW上生长上光限制层(厚度80nm，带隙波长为1.1或1.2μm)。

(6)再生长p型磷化铟包层和高掺杂p型铟镓砷(InGaAs)欧姆电极接触层。

(7)采用湿法腐蚀工艺刻出LD和SSC上脊形状。

(8)然后利用自对准工艺刻出下脊形状。

(9)生长SiO₂绝缘层，开出电极窗口。

(10)外延片衬底经减薄至100μm、制作p/n电极后，经划片解理成250μm×600μm的管芯。

其中下波导层，及上下光限制层均为与衬底磷化铟晶格常数相匹配的四元铟镓砷磷材料。有源区包括8个周期的量子阱。每个压应变铟镓砷磷量子阱的厚度约为9～10nm，应变量在0.6％～0.7％之间。此外垒为四元铟镓砷磷，且晶格常数与衬底磷化铟匹配，带隙波长为1.1或1.2μm，垒厚为5～7nm之间。p型磷化铟包层的厚度应该厚于2μm。否则有很大一部分光进入铟镓砷欧姆电极接触层，对SSC输出光斑模式影响很大。n型磷化铟空间层的厚度应该厚于2μm，否则在SSC输出端面得不到和单模光纤模式匹配的近场光斑。

其中SSC和LD的上下脊形状既可采用湿法腐蚀或干法刻蚀，也可采用干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方式。

由图1可以看出该器件采用的是双脊双波导结构，LD和SSC是利用一次LP-MOVPE同时生长而成的。器件的具体结构及尺寸在发明内容中已有详细的描述。

由图2知，激光器后端面的光斑模式大小在水平和垂直方向分别为2.02μm和1.05μm。而在SSC输出端面则为5.88μm和3.89μm。通过测试，LD后端面和单模光纤耦合效率为9dB，而SSC端面可达3.2dB.LD后端面1-dB偏调容差在水平和垂直方向分别为±2.0μm和±1.7μm，而SSC输出端面则为±3.1μm和±2.65μm。由此可知，加了SSC的LD比没有加SSC的LD在近场光斑模式大小、和单模光纤耦合效率、偏调容差等方面均有较大的改善。

由图3知，器件的阈值电流为40mA.斜率效率为0.24W/A。

由图4可知，LD后端的远场发散角在水平和垂直方向分别为微33.2.0 °和42.6 °。SSC端为12 °和15 °。由此可知，在LD后端面的光斑近场呈椭圆，而在SSC端面几乎呈圆形。

整个器件制作只需要2块光刻板，即图5～图6所示的光刻板。

由此可知，该器件制作方法异常简便，性能良好，很适合在光纤通信的局域网中作为光源。

实施例：

请结合参阅图1，本发明涉及一种新型的LD-SSC的制作方法，包括如下制作步骤：

(1)2英寸的n-InP衬底经严格的去污(依次使用乙醇、三氯乙烯、丙酮、乙醇加热煮沸)→酸洗(浓硫酸浸泡1～2分钟)→水洗(去离子水冲洗50遍以上)→甩干处理后，放入生长室，生长温度655℃，生长压力22mbar，石墨舟转速75-80转/分。

(2)在n型磷化铟衬底(100)面上外延生长n型磷化铟缓冲层(0.5μm厚)、下波导层(厚度50nm，带隙波长为1.1或1.2μm)、2.4μm磷化铟空间层、下光限制层(厚度80nm，带隙波长为1.1或1.2μm)、压应变量子阱有源区、上光限制层(厚度80nm，带隙波长为1.1或1.2μm)，p型磷化铟包层(1.8μm厚)和高掺杂p型铟镓砷欧姆电极接触层(0.2μm厚)。

(3)在样品表面甩胶，利用图5的光刻板(周期为250μm)曝光、显影后，采用311腐蚀液(3H₂SO₄:1H₂O:1H₂O₂)去InGaAs，腐蚀出LD及SSC上脊的InGaAs形状。脊宽从2μm线性变化到0.5μm

(4)接着用4HCl:1H₂O溶液去InP，腐蚀出LD及SSC上脊的P-InP形状。脊宽从2μm线性变化到0.5μm。

(5)用丙酮去胶后，重新甩厚胶，利用图6的光刻板(周期为250μm)曝光、显影后，采用1Br:25HBr:80H₂O溶液去InGaAsP及InP，腐蚀出LD及SSC的下脊形状。由于上述溶液为非选择性腐蚀液，因此可以通过多次腐蚀实验和台阶仪测量来精确估算腐蚀速度，确保腐蚀到InP-buffer为止。当然，我们也可以利用器件结构的自然刻蚀停止层，分别用311溶液腐蚀InGaAsP层，4HCl:1H₂O的溶液腐蚀InP。不过这样分层腐蚀效率低，特别是311溶液腐蚀下波导1.1Q时，腐蚀时间比较长。

(6)用丙酮去胶，再用MOS级的乙醇及去离子水把样品清洗干净，再用N₂吹干，然后利用热氧化CVD设备生长350nm厚SiO₂绝缘层。

(7)第二次利用图6所示的光刻板，采用自对准技术，用HF溶液腐蚀SiO₂，开出电极窗口。

(8)溅射P电极(Ti/Pt/Au)。

(9)外延片衬底减薄至100μm，背面蒸n电极(Au/Ge/Ni)。

(10)样品经划片解理成250μm×600μm的管芯，出光端面为[001]方向。至此，完成整个器件的工艺制作。

Claims

1.一种一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，其特征在于，包括以下制作步骤：

步骤3：然后利用自对准工艺刻出下脊形状；

步骤4：生长SiO₂绝缘层，接着开出电极窗口；

2.根据权利要求1所述的一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，其特征在于，其中步骤1所生长的下波导层的厚度要在45nm～50nm之间，带隙波长为1.1μm或1.2μm，而且下波导层必须和InP衬底的晶格常数匹配，n型掺杂浓度在10¹⁸/cm³量级；空间层的厚度应该在2μm～2.5μm，n型掺杂浓度在10¹⁷/cm³量级；有源区包括8个周期的量子阱；每个压应变铟镓砷磷量子阱的厚度为9nm～10nm，应变量在0.6％～0.7％之间；垒为四元铟镓砷磷，且晶格常数与衬底磷化铟匹配，带隙波长为1.1μm或1.2μm，垒厚在5nm～7nm之间。

3.根据权利要求1所述的一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，其特征在于，其中在步骤2中上脊刻蚀深度不能超过有源区，必须留有10nm～20nm的p型磷化铟包层，否则会损坏有源区。

4.根据权利要求1所述的一次外延形成半导体激光器和模斑转换器的方法，其特征在于，其中在步骤4和5中，必须在激光器和模斑转换器上均制作电极，这样激光器和模斑转换器的有源区均得到泵浦和放大，同时降低激光器的阈值。